旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的分布式干擾方法研究

吳克釗，聶海江，劉志武，侯文棟，宋海偉，王 昀

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

雷達(dá)旁瓣對(duì)消(SLC)技術(shù)能大幅抑制天線(xiàn)旁瓣接收的干擾功率，有效提升雷達(dá)系統(tǒng)在旁瓣干擾條件下的目標(biāo)探測(cè)能力。旁瓣對(duì)消處理的效果相當(dāng)于一部針對(duì)干擾信號(hào)的空域陷波器，能使天線(xiàn)方向圖在干擾方向形成極低增益的波束凹陷，其對(duì)消比可達(dá)20 d B以上[1]。面對(duì)旁瓣對(duì)消雷達(dá)，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)距離大功率支援干擾往往難以取得滿(mǎn)意的干擾效果，因此需要探索新的對(duì)抗方法來(lái)提升干擾作戰(zhàn)效能。

近年來(lái)，無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)及其作戰(zhàn)應(yīng)用的發(fā)展受到了越來(lái)越多的關(guān)注，無(wú)人機(jī)電子戰(zhàn)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)一種重要的電磁作戰(zhàn)武器裝備，也為提升雷達(dá)旁瓣干擾效果提供了新的可能。利用多架無(wú)人機(jī)搭載電子戰(zhàn)載荷實(shí)施抵近協(xié)同支援干擾存在多種優(yōu)勢(shì)：一是抵近作戰(zhàn)可顯著降低干擾機(jī)的功率要求，多機(jī)協(xié)同則進(jìn)一步縮減單機(jī)資源需求，大大減少電子戰(zhàn)裝備成本，作戰(zhàn)效費(fèi)比優(yōu)勢(shì)明顯；二是多機(jī)無(wú)中心協(xié)同工作使得系統(tǒng)更加穩(wěn)健，部分節(jié)點(diǎn)損毀不影響整體作戰(zhàn)效能；三是多機(jī)系統(tǒng)可獲得更高的靈活性和自由度，能在電子戰(zhàn)與雷達(dá)的高維度對(duì)抗中重新奪取優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)無(wú)人機(jī)抵近支援干擾作戰(zhàn)應(yīng)用，提出一種多機(jī)協(xié)同對(duì)抗方法，高效反制雷達(dá)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)，理論分析和仿真證實(shí)了所提方法的有效性。

1 對(duì)抗旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的可行性分析

1.1 問(wèn)題模型分析

旁瓣對(duì)消技術(shù)是利用主輔天線(xiàn)接收信號(hào)的相關(guān)性，通過(guò)調(diào)整對(duì)消環(huán)路的幅度、相位加權(quán)實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的對(duì)消處理。典型旁瓣對(duì)消系統(tǒng)由主天線(xiàn)、多個(gè)輔助天線(xiàn)以及相應(yīng)接收通道組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 旁瓣對(duì)消系統(tǒng)框圖

在不考慮接收機(jī)噪聲的情況下，旁瓣對(duì)消系統(tǒng)輸出信號(hào)Y為：

式中，x0為主天線(xiàn)接收的干擾信號(hào)，X=[x1x2… xM]T為M個(gè)輔助天線(xiàn)接收的干擾信號(hào)，W=[w1w2… wM]T為輔助通道對(duì)消權(quán)值。

若干擾信號(hào)被完全對(duì)消，則根據(jù)正交性原理與最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則可得：

式中，rxX=E(x0XT)為主輔天線(xiàn)接收信號(hào)的協(xié)方差矢量，RX=E(XXT)為輔助天線(xiàn)接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣。

為衡量對(duì)消處理的干擾壓制效果，本文引入對(duì)消比(CR)的概念，其定義為對(duì)消處理前后干擾功率之比：

理論上系統(tǒng)對(duì)消比越大，對(duì)消處理效果越好，則對(duì)消系統(tǒng)輸出的干擾功率越低。在理想對(duì)消情況下，主通道的干擾信號(hào)被完全對(duì)消，則系統(tǒng)對(duì)消比CR=∞。

1.2 旁瓣對(duì)消薄弱環(huán)節(jié)分析

旁瓣對(duì)消系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一種自適應(yīng)陣列處理系統(tǒng)，其對(duì)空間多個(gè)角度干擾源的對(duì)抗能力取決于其自由度，而對(duì)消系統(tǒng)的自由度就等于其輔助天線(xiàn)數(shù)量(或?qū)οh(huán)路數(shù)量)。實(shí)際增加對(duì)消系統(tǒng)的環(huán)路數(shù)量會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度與成本的顯著提升，因而雷達(dá)系統(tǒng)通常只能配置有限數(shù)量的對(duì)消環(huán)路，典型例子如：“愛(ài)國(guó)者”雷達(dá)有5個(gè)對(duì)消環(huán)路，“宙斯盾”雷達(dá)有6個(gè)對(duì)消環(huán)路[2]。因此旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)之一就是其能夠抑制的干擾源數(shù)量有限：當(dāng)不同方向干擾源數(shù)量超過(guò)其輔助天線(xiàn)數(shù)，對(duì)消系統(tǒng)就會(huì)趨于飽和，引起其抗干擾性能的惡化。而特定干擾角度使得雷達(dá)周邊地物產(chǎn)生復(fù)雜的干擾信號(hào)多徑傳播，也可能導(dǎo)致對(duì)消系統(tǒng)快速飽和，使其抗干擾性能降低[3]。

此外，干擾信號(hào)的主極化與交叉極化響應(yīng)通常是不匹配的，這意味著主極化干擾信號(hào)對(duì)消處理形成的權(quán)值無(wú)法用于交叉極化干擾信號(hào)的對(duì)消處理。為了避免交叉極化干擾信號(hào)影響雷達(dá)系統(tǒng)正常工作，雷達(dá)系統(tǒng)往往會(huì)通過(guò)增設(shè)交叉極化對(duì)消環(huán)路的方式[2]，實(shí)現(xiàn)交叉極化干擾信號(hào)的對(duì)消處理，但這往往會(huì)進(jìn)一步消耗對(duì)消處理資源，導(dǎo)致旁瓣對(duì)消系統(tǒng)更易趨于飽和。

2 分布式對(duì)抗方法

2.1 飽和干擾方法

針對(duì)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)自由度有限的問(wèn)題，空域飽和干擾是一種可行的對(duì)抗方法[4-5]，該方法通過(guò)不同方位干擾源同時(shí)實(shí)施干擾，飽和對(duì)消系統(tǒng)處理資源，導(dǎo)致對(duì)消形成“零陷”深度明顯變淺，實(shí)現(xiàn)對(duì)旁瓣對(duì)消技術(shù)的有效對(duì)抗。

而本文在空域飽和干擾基礎(chǔ)上，針對(duì)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的極化對(duì)消特性提出了極化飽和干擾方法。該方法利用不同空間角度的多架干擾機(jī)向目標(biāo)雷達(dá)發(fā)射主極化與交叉極化干擾信號(hào)，引誘旁瓣對(duì)消系統(tǒng)實(shí)施主極化與交叉極化對(duì)消處理，飽和對(duì)消處理資源，削弱旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的抗干擾性能，其示意圖如圖2所示。

圖2 極化飽和干擾方法示意圖

2.2 干擾性能分析

為方便分析干擾效果，本文做出以下假設(shè)：

1）每架干擾機(jī)到雷達(dá)的距離相近且具備同等干擾輻射能力；

2）干擾機(jī)發(fā)射獨(dú)立、同分布的噪聲干擾信號(hào)并滿(mǎn)足功率線(xiàn)性疊加[6]；

3）干擾機(jī)的運(yùn)動(dòng)不影響干擾環(huán)境的平穩(wěn)特性，且不考慮地物產(chǎn)生干擾多徑傳播；

4）干擾機(jī)的通聯(lián)能力能滿(mǎn)足協(xié)同作戰(zhàn)要求。

若存在N個(gè)干擾源同時(shí)釋放干擾，且對(duì)消處理對(duì)不同空間角度干擾信號(hào)的對(duì)消比分別為CRn(θn)(n=1,2,…,N)，則根據(jù)雷達(dá)基本方程[7]可得雷達(dá)接收的目標(biāo)回波功率Pr、對(duì)消前干擾功率PJ、對(duì)消系統(tǒng)輸入信號(hào)的干信比JSR的計(jì)算公式：

式中，Pt為雷達(dá)的發(fā)射功率，G為雷達(dá)天線(xiàn)視軸增益，R為被照射目標(biāo)與雷達(dá)的距離，Pjrn表示雷達(dá)接收的第n個(gè)干擾信號(hào)的功率，λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)(m)，σ為被照射目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積；Pj Gj為干擾機(jī)等效全向輻射功率(W)，R j為干擾機(jī)與雷達(dá)的距離(m)，γ為干擾信號(hào)與雷達(dá)天線(xiàn)的極化損耗系數(shù)，Br為雷達(dá)接收機(jī)帶寬(Hz)，Bj為干擾信號(hào)帶寬(Hz)，G(θn)為干擾角度θn的雷達(dá)天線(xiàn)接收增益。

則有系統(tǒng)對(duì)消比CR、對(duì)消后干擾功率PJSLC、對(duì)消系統(tǒng)輸出信號(hào)的干信比JSRSLC的計(jì)算公式：

上述分析結(jié)果適用于主極化與交叉極化的旁瓣對(duì)消處理，其區(qū)別主要在于不同極化下Pj Gj、γ、G(θn)、CRn(θn)等參數(shù)存在一定差異。

在多機(jī)干擾情況下，雷達(dá)旁瓣對(duì)消對(duì)每架干擾機(jī)的對(duì)消比可能是一個(gè)與對(duì)消系統(tǒng)資源、干擾源數(shù)量、分布狀況等有關(guān)的復(fù)雜非線(xiàn)性函數(shù)，很難用解析公式來(lái)表達(dá)，因此仿真實(shí)驗(yàn)可能是一種現(xiàn)實(shí)的分析途徑。

3 仿真分析

下文通過(guò)仿真方式，對(duì)比分析空域飽和干擾與極化飽和干擾對(duì)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)抗干擾性能的影響。仿真假定：

1）雷達(dá)共64個(gè)天線(xiàn)單元，SLC系統(tǒng)的自由度為8，發(fā)射機(jī)功率Pt為80 kW，工作波長(zhǎng)λ為0.1 m，帶寬Br為2 MHz，其天線(xiàn)主瓣的發(fā)射增益Gt與接收增益Gr都為29 dB，接收機(jī)噪聲系數(shù)F為13 dB，雷達(dá)主天線(xiàn)極化方向圖如圖3所示；

圖3 主天線(xiàn)極化方向圖

2）雷達(dá)照射目標(biāo)的雷達(dá)散射截面σ為1 m2，與雷達(dá)相距20 km；

3）各個(gè)干擾機(jī)等效全向輻射功率為50 W，其信號(hào)帶寬B j為20 MHz，與雷達(dá)相距5 km，以隨機(jī)分布或均勻分布分散在30°、60°、90°、120°、150°大小的扇區(qū)內(nèi)；

4）干擾載荷能同時(shí)發(fā)射主極化與交叉極化干擾信號(hào)，主極化信號(hào)損耗系數(shù)γ為0 dB，交叉極化信號(hào)損耗系數(shù)γ為-3 dB。

圖4為應(yīng)用空域飽和干擾與極化飽和干擾情況下，系統(tǒng)對(duì)消比CR、輸出信號(hào)的干信比JSRSLC與干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)量、分布狀況關(guān)系的仿真結(jié)果。

圖4 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出：

1）當(dāng)干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)小于自由度時(shí)，對(duì)消系統(tǒng)仍能表現(xiàn)出一定的抗干擾能力，但隨著干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加且接近系統(tǒng)自由度，對(duì)消系統(tǒng)抗干擾性能不斷惡化，系統(tǒng)輸出信號(hào)的干信比大幅提升，此時(shí)干擾節(jié)點(diǎn)服從隨機(jī)分布且分布扇區(qū)越小，則達(dá)到相同干擾效果所需的干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)量越少。

2）當(dāng)干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)量接近系統(tǒng)自由度的2倍以上時(shí)，對(duì)消處理輸出信號(hào)的干信比與無(wú)SLC處理的情況大致相當(dāng)，SLC系統(tǒng)完全喪失抗干擾能力，可能引起雷達(dá)探測(cè)性能的嚴(yán)重惡化，此時(shí)節(jié)點(diǎn)分布狀況對(duì)干擾效果的影響較低。

與空域飽和干擾方法相比，極化飽和干擾方法有以下特點(diǎn)：

1）受交叉極化接收特性影響，交叉極化干擾信號(hào)在接收機(jī)的響應(yīng)幅度低于主極化干擾信號(hào)，因而相同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下極化飽和干擾的總干擾功率低于空域飽和干擾。

2）相同干擾節(jié)點(diǎn)分布狀況下，極化飽和干擾方法能以更少的節(jié)點(diǎn)數(shù)量實(shí)現(xiàn)SLC系統(tǒng)的飽和對(duì)抗。

綜上所述，空域飽和干擾與極化飽和干擾方法都能大幅削弱SLC系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)SLC雷達(dá)的有效對(duì)抗。而相較于空域飽和干擾，極化飽和干擾方法能通過(guò)增加干擾維度提升對(duì)抗資源的利用效率，通過(guò)消耗更少的干擾資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)SLC系統(tǒng)的飽和對(duì)抗，因而在面對(duì)自由度較大的SLC系統(tǒng)時(shí)，極化飽和干擾方法能獲得更高的效費(fèi)比。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文瞄準(zhǔn)雷達(dá)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)自由度有限與極化干擾對(duì)消的特點(diǎn)，在空域飽和干擾方法的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了分布式極化飽和干擾方法，仿真了節(jié)點(diǎn)分布方式、分布扇區(qū)大小、干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)系統(tǒng)對(duì)消比CR、對(duì)消后信號(hào)的干信比JSRSLC的影響，仿真結(jié)果表明2種干擾方法均能對(duì)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)形成有效干擾，且極化飽和干擾方法在更高自由度的對(duì)抗中表現(xiàn)出較高的效費(fèi)比。這對(duì)工程應(yīng)用中對(duì)抗旁瓣對(duì)消雷達(dá)有較高的參考價(jià)值。