全雙工干擾機(jī)的自干擾對(duì)消和目標(biāo)回波削弱方法研究

關(guān)鍵詞：全雙工干擾機(jī)；自干擾對(duì)消；自干擾非線(xiàn)性模型；目標(biāo)削弱方法；雷達(dá)波形捷變；自干擾對(duì)消性能；目標(biāo)掩護(hù)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＮ９７４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．０１

０引言

未來(lái)雷達(dá)遙感波形朝向智能化波形快速捷變方向發(fā)展，現(xiàn)有的干擾對(duì)抗無(wú)法適應(yīng)新環(huán)境的變化。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，干擾機(jī)需要升級(jí)全雙工工作模式。本文提出一種自干擾對(duì)消方法，能夠有效降低接收機(jī)中的自干擾。為了解決目標(biāo)回波易被探知的問(wèn)題，本文基于對(duì)消提出一種干擾思路，旨在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波的削弱。通過(guò)該方法，能夠顯著降低目標(biāo)回波的強(qiáng)度。在干擾機(jī)的主動(dòng)干擾中，通常的思路是通過(guò)構(gòu)造更加逼真和無(wú)特征的假目標(biāo)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的假目標(biāo)欺騙。除此之外，還可以通過(guò)生成多個(gè)假目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)的遮蔽和欺騙，進(jìn)一步提高電子戰(zhàn)的有效性。設(shè)計(jì)新的干擾樣式以欺騙雷達(dá)隱藏掩護(hù)目標(biāo)的位置信息。新想法是通過(guò)對(duì)目標(biāo)回波的對(duì)消，使雷達(dá)觀察目標(biāo)困難，在理想情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)回波的消隱。

此外，目標(biāo)隱身的主要技術(shù)路徑包括被動(dòng)隱身和主動(dòng)隱身。被動(dòng)隱身通過(guò)使用隱身材料或超表面等技術(shù)方法，在特定方向和頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身效果。主動(dòng)隱身則通過(guò)發(fā)射信號(hào)，以抵消雷達(dá)目標(biāo)回波，但其局限性在于對(duì)目標(biāo)回波特性的識(shí)別和對(duì)自身發(fā)射信號(hào)的相位和幅度控制要求高。主動(dòng)隱身需要滿(mǎn)足發(fā)射的信號(hào)和目標(biāo)回波同時(shí)到達(dá)雷達(dá)天線(xiàn)的條件，并且兩信號(hào)相位相反且波形相同。由于無(wú)法得到雷達(dá)目標(biāo)回波的反饋，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻雜散信號(hào)和噪聲的對(duì)消。

為了實(shí)現(xiàn)抵達(dá)雷達(dá)接收機(jī)的主動(dòng)干擾與目標(biāo)回波反相且功率匹配，首先需要將自干擾降低至足夠水平，使得全雙工接收機(jī)接收到的雷達(dá)信號(hào)盡可能接近雷達(dá)發(fā)射信號(hào)。同時(shí)，借助于探擾一體全雙工干擾機(jī)或分布式數(shù)據(jù)融合平臺(tái)，獲取位置、距離、雷達(dá)發(fā)射功率及目標(biāo)散射截面積等先驗(yàn)信息，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射到雷達(dá)的部分干擾信號(hào)與雷達(dá)目標(biāo)回波的相位反相和幅度匹配。

然而，由于全雙工干擾機(jī)的尺寸限制和系統(tǒng)的復(fù)雜非線(xiàn)性效應(yīng)，部分非線(xiàn)性自干擾（如高斯隨機(jī)噪聲和高階非線(xiàn)性分量）無(wú)法完全消除，這將會(huì)影響偵查信道對(duì)新雷達(dá)信號(hào)的偵查，并降低全雙工干擾機(jī)的干擾效果。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻噪聲和雜散自干擾信號(hào)的對(duì)消。首先，為了避免接收機(jī)飽和，需要在天線(xiàn)端降低自干擾泄露，并在模擬域內(nèi)進(jìn)一步抑制強(qiáng)烈的線(xiàn)性自干擾［６１２］；其次，由于系統(tǒng)存在非線(xiàn)性效應(yīng)，需要在數(shù)字域中進(jìn)一步消除射頻非線(xiàn)性效應(yīng)及環(huán)境多徑效應(yīng)引入的自干擾［１３１７］，抑制性能主要取決于數(shù)字域的非線(xiàn)性自干擾對(duì)消性能［１８２３］。全雙工自干擾抑制研究面臨著３個(gè)挑戰(zhàn)：準(zhǔn)確建模復(fù)雜的射頻非理想因素、高精度建模時(shí)變和寬帶自干擾信道，并要求算法具有更快的收斂速度，以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求［２４２９］。現(xiàn)有研究主要集中在對(duì)窄帶、時(shí)不變和考慮不全面的射頻非理想因素的非線(xiàn)性系統(tǒng)自干擾對(duì)消方法的研究［３０３６］。

在文獻(xiàn)［１］中，對(duì)全雙工自干擾抑制技術(shù)中的天線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了綜述，并為未來(lái)指出發(fā)展方向。與天線(xiàn)相關(guān)的技術(shù)包括天線(xiàn)分離、正交極化、波束形成等。模擬域自干擾對(duì)消方法主要包括多抽頭方法及數(shù)字輔助重建方法。數(shù)字域方法包括最小二乘法、深度學(xué)習(xí)方法等。在文獻(xiàn)［２］中，作者就數(shù)字域的自干擾對(duì)消問(wèn)題提出新穎的觀點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了充分驗(yàn)證。關(guān)于數(shù)字域?qū)ο欠裼性鲆妗⒂斜匾?，需要具體問(wèn)題具體分析。為了提升自干擾性能，文獻(xiàn)［３］提出一種模擬域自干擾抑制方法，并給出相應(yīng)的理論邊界。通過(guò)數(shù)值仿真，對(duì)該算法的自干擾抑制性能進(jìn)行詳盡評(píng)估，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較。比較結(jié)果顯示，該算法接近于理論極限，并具備更高的自干擾抑制性能。但該方法的局限性主要在于計(jì)算復(fù)雜度高，需要求解大矩陣的逆，實(shí)現(xiàn)難度大，實(shí)時(shí)性不好。在文獻(xiàn)［３２］中，吳飛針對(duì)全雙工無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，提出一種收發(fā)波束聯(lián)合成形算法，以信干比最大化為原則，在３ 發(fā)３ 收基站的自干擾抵消值發(fā)射機(jī)信噪比為３０ｄＢ時(shí)，與奇異值分解（ｓｉｎｇｕｌａｒｖａｌｕｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＳＶＤ）破零技術(shù)相比，所提算法有２５．５ｄＢ的性能改善。

本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法考慮更多系統(tǒng)非理想效應(yīng)，能有效地抑制非理想自干擾信號(hào)和降低目標(biāo)回波的匹配強(qiáng)度，從而提高目標(biāo)掩護(hù)的性能。該方法基于自干擾對(duì)消的基本思想，包括全雙工干擾機(jī)的自干擾對(duì)消和目標(biāo)回波削弱對(duì)消兩種方式。這兩種對(duì)消方式都能夠提升雷達(dá)的干擾效果，增強(qiáng)目標(biāo)的掩護(hù)性能。

本文將對(duì)消思想從自干擾對(duì)消擴(kuò)展到目標(biāo)回波對(duì)消，并對(duì)干擾的概念進(jìn)行了拓展和豐富。傳統(tǒng)的干擾認(rèn)為只需使干擾信號(hào)波形和目標(biāo)回波波形幾乎不可區(qū)分，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的掩護(hù)，從而產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)無(wú)法排除的虛假目標(biāo)。密集的目標(biāo)可以掩蓋真實(shí)目標(biāo)的位置。通過(guò)干擾波形的設(shè)計(jì)以欺騙恒虛警算法，使目標(biāo)不被雷達(dá)檢測(cè)到［３７］。與傳統(tǒng)的干擾原理和策略不同，本文通過(guò)全雙工技術(shù)使發(fā)射波形和目標(biāo)回波同時(shí)到達(dá)雷達(dá)，使得混合波形很難檢測(cè)到目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波的削弱。其基本原理是在目標(biāo)匹配位置產(chǎn)生一個(gè)干擾，該干擾形成一個(gè)匹配凹陷，與目標(biāo)幾乎完全互相抵消。

本文其他部分安排如下：第１節(jié)對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)進(jìn)行建模；第２節(jié)給出本文所提方法的具體數(shù)字域?qū)ο惴?；第?節(jié)和第４節(jié)分別呈現(xiàn)數(shù)值仿真的分析和結(jié)論。

１系統(tǒng)模型

如圖１所示，本文提出一種全雙工干擾機(jī)自干擾對(duì)消方法及主動(dòng)對(duì)消雷達(dá)目標(biāo)回波以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)削弱的方法。傳統(tǒng)方法給出一個(gè)自干擾對(duì)消框架，該框架包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ａｎａｌｏｇ-ｔｏ-ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＡＤＣ）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（ｄｉｇｉｔａｌ-ｔｏ-ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＤＡＣ）、加性高斯白噪聲（ａｄｄｉｔｉｏｎａｌＧａｕｓｓｉａｎｗｈｉｔｅｎｏｉｓｅ，ＡＧＷＮ）、低通濾波器（ｌｏｗｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ，ＬＰＦ）、同相和正交相位（ｉｎ-ｐｈａｓｅａｎｄｑｕａｄｒａｔｕｒｅ-ｐｈａｓｅ，ＩＱ ）混頻器、本地振蕩器（ｌｏｃａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，ＬＯ）、功率放大器（ｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＰＡ）、發(fā)射天線(xiàn)（ｔｒａｎｓｍｉｔａｎｔｅｎｎａ，ＴＸ）、接收天線(xiàn)（ｒｅｃｅｉｖｅａｎｔｅｎｎａ，ＲＸ）和低噪聲放大器（ｌｏｗｎｏｉｓｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＬＮＡ）。在該框架下，本文提出一種自干擾對(duì)消方法，與傳統(tǒng)方法不同的是，該方法充分考慮了系統(tǒng)的非線(xiàn)性效應(yīng)，將自干擾降低到可接受的水平。該方法為了避免接收機(jī)飽和，首先采用天線(xiàn)分離的方法，其次使用單抽頭方法對(duì)直接耦合部分進(jìn)行抑制。后續(xù)的剩余自干擾信號(hào)在數(shù)字域進(jìn)行自干擾對(duì)消。

１．１雷達(dá)系統(tǒng)非線(xiàn)性模型

１．１．１雷達(dá)的非線(xiàn)性發(fā)射通道

為了方便表示，本文采用數(shù)字信號(hào)模型來(lái)描述各個(gè)通道中的非線(xiàn)性效應(yīng)。在數(shù)字域中，基帶線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)可以表示為

３數(shù)值仿真及性能分析

ＴＸ 和ＲＸ 之間的直接耦合可以建模為具有犓因子的Ｒｉｃｅ信道，而多徑信道可以建模為瑞利衰落信道。無(wú)線(xiàn)信道的模型長(zhǎng)度為４，３個(gè)多徑信號(hào)的幅度比為［１，０．１，０．０１］。數(shù)值仿真參數(shù)如表１ 所示，變化后的雷達(dá)線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的參數(shù)如下：載頻為９．５ＧＨｚ，帶寬為１．５ＧＨｚ。

根據(jù)圖２所展示的結(jié)果，可以清晰地觀察到本文所提方法在自干擾抑制方面的性能優(yōu)化。

具體而言，其中ｉｄｅａｌ表示全雙工干擾機(jī)的基帶信號(hào)功率譜密度函數(shù)，ＰＡＳ表示功放的輸出信號(hào)功率譜密度函數(shù)。由于上變頻混頻的非線(xiàn)性效應(yīng)，頻譜出現(xiàn)了展寬。ｂａｓｅ表示經(jīng)過(guò)一階抽頭對(duì)線(xiàn)性自干擾信號(hào)進(jìn)行充分抑制后的剩余自干擾的功率譜密度函數(shù)；ＬＳ１ 代表第一次轉(zhuǎn)發(fā)干擾后的剩余自干擾功率譜密度函數(shù)；ＬＳ２代表第二次轉(zhuǎn)發(fā)干擾后的剩余自干擾功率譜密度函數(shù)。通過(guò)對(duì)比ＬＳ１ 和ＬＳ２，可以發(fā)現(xiàn)自干擾抑制性能得到了一定程度的改善。圖３揭示了在本文理想已知目標(biāo)雷達(dá)信道參數(shù)條件下，僅采用假目標(biāo)干擾時(shí)的結(jié)果。

從圖３可以明顯地看到兩個(gè)強(qiáng)度一致的峰值，分別對(duì)應(yīng)于目標(biāo)位置和假目標(biāo)位置。值得注意的是，假目標(biāo)的數(shù)量與位置的關(guān)系具有較高的靈活性。

圖４展示了在理想波形先驗(yàn)條件下進(jìn)行回波削弱及假目標(biāo)干擾的雷達(dá)匹配濾波結(jié)果。

與圖３對(duì)比，可以看到圖４中目標(biāo)的回波強(qiáng)度顯著降低，這表明雷達(dá)感興趣目標(biāo)的強(qiáng)度減弱了，而假目標(biāo)的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波強(qiáng)度，因此具有良好的目標(biāo)掩護(hù)效果。對(duì)于目標(biāo)位置的回波，峰值強(qiáng)度明顯減弱但尚未完全消失。這是因?yàn)楸疚乃岱椒ㄈ狈υ敿?xì)的雷達(dá)目標(biāo)回波信息反饋，只能對(duì)目標(biāo)回波的線(xiàn)性部分進(jìn)行抵消，而無(wú)法消除非線(xiàn)性部分，尤其是共軛分量。當(dāng)將本文所提方法應(yīng)用于全雙工干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾時(shí)，如圖５所示，由于存在較多的剩余自干擾信號(hào)，目標(biāo)的消隱效果減弱。

圖６表示在雷達(dá)發(fā)射新波形且全雙工干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)舊波形的情況下，進(jìn)行雷達(dá)匹配濾波的結(jié)果。雖然匹配結(jié)果變差，但目標(biāo)仍然可被分辨出。

圖7表示通過(guò)多次轉(zhuǎn)發(fā)迭代的數(shù)字域自干擾對(duì)消后，發(fā)射目標(biāo)削弱信號(hào)和假目標(biāo)信號(hào)的雷達(dá)匹配率結(jié)果。與圖４進(jìn)行比較，其目標(biāo)削弱結(jié)果接近。仿真結(jié)果表明，本文所提方法可以有效抑制自干擾，且所提目標(biāo)削弱干擾調(diào)制方法的目標(biāo)削弱效果達(dá)到較為理想的水平。

在這種情況下，仍然存在兩個(gè)問(wèn)題有待解決，分別是抵達(dá)時(shí)間估計(jì)和目標(biāo)回波功率估計(jì)的精度問(wèn)題。在解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)，有兩個(gè)困難需要注意：第一是隨著角度掃描的變化，目標(biāo)的ＲＣＳ劇烈變化的問(wèn)題；第二是由于角度估計(jì)等信息的誤差，偏離真實(shí)的功率值，嚴(yán)重削弱了理想情況。特別是在對(duì)角度估計(jì)要求極高的角度敏感場(chǎng)景（如隱身飛機(jī)）的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)非常困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)，使得重要區(qū)域不同方向的ＲＣＳ不再劇烈變化。因此，對(duì)角度估計(jì)的精度要求可以降低。

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)存儲(chǔ)準(zhǔn)確的ＲＣＳ信息，并利用激光陀螺等姿態(tài)捕捉設(shè)備進(jìn)行姿態(tài)評(píng)估，使用集成全雙工干擾機(jī)捕捉雷達(dá)方位，并通過(guò)傳感器獲取的實(shí)時(shí)信息，通過(guò)查詢(xún)表格的方式提供雷達(dá)回波的ＲＣＳ。根據(jù)這些信息，對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行估計(jì)。然而，即使進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，功率估計(jì)仍然會(huì)引入一定的誤差，但是這個(gè)誤差在可以接受的范圍內(nèi)。同時(shí)，由于目標(biāo)消隱轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)削弱，此時(shí)的效果并不理想，但仍然有一定的貢獻(xiàn)。

與此同時(shí)，時(shí)變條件下的ＲＣＳ主要是由機(jī)翼等部件的不規(guī)則振動(dòng)等因素引起的。盡管這種不規(guī)則振動(dòng)本身無(wú)法獲取，但所引起的ＲＣＳ 時(shí)變起伏相對(duì)有限。因此，使用靜態(tài)的ＲＣＳ來(lái)估計(jì)動(dòng)態(tài)的實(shí)際ＲＣＳ問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為可控制的估計(jì)誤差。

考慮到各種真實(shí)情況下的誤差，如功率估計(jì)誤差、時(shí)間估計(jì)誤差，仿真結(jié)果顯示出的惡化情況如圖８所示。

為了便于對(duì)比匹配濾波強(qiáng)度的變化，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了錯(cuò)開(kāi)處理。第一簇錯(cuò)開(kāi)位置顯示目標(biāo)回波，而第二簇錯(cuò)開(kāi)位置顯示的是虛假目標(biāo)。可以看出，考慮到實(shí)際估計(jì)誤差的問(wèn)題，本文所提方法的有效性受到了顯著限制。然而，盡管對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生了一定的削減效果，但只是減弱了理想狀態(tài)，沒(méi)有完全達(dá)到目標(biāo)隱身狀態(tài)。值得注意的是，由于ＲＣＳ估計(jì)的不準(zhǔn)確性（０％ ～５０％），抵達(dá)時(shí)間差相對(duì)較遲（０～１０ 個(gè)采樣點(diǎn)），導(dǎo)致性能惡化，而由于ＲＣＳ不匹配導(dǎo)致的結(jié)果的惡化影響較小。因此，該方法對(duì)同時(shí)性的要求更高，需要目標(biāo)回波與干擾信號(hào)同時(shí)到達(dá)雷達(dá)接收天線(xiàn)。

４結(jié)論

在雷達(dá)波形快速捷變的場(chǎng)景下，對(duì)全雙工干擾機(jī)的需求迫切。然而，工作于全雙工模式的自干擾對(duì)雷達(dá)信號(hào)的探知產(chǎn)生了不利影響，這給全雙工干擾機(jī)的應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文提出一種自干擾對(duì)消方法和目標(biāo)削弱干擾信號(hào)調(diào)制方法，達(dá)到了較高的自干擾抑制性能的預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了較為理想的目標(biāo)回波削弱效果。

本文考慮了更加復(fù)雜的系統(tǒng)非線(xiàn)性效應(yīng)，并提出全雙工自干擾對(duì)消方法。仿真結(jié)果表明，使用本文所提方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)回波的消隱，從而大大提高干擾效果，為提升目標(biāo)的掩護(hù)性能提供了一條思路。所提方法多次轉(zhuǎn)發(fā)干擾的目標(biāo)削弱效果接近于具有完美信號(hào)參數(shù)信息先驗(yàn)條件下的目標(biāo)削弱結(jié)果。

作者簡(jiǎn)介

朱虹宇（１９９４—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)槿p工技術(shù)。

黃敬?。ǎ保梗福场?，講師，博士，主要研究方向?yàn)樘炀€(xiàn)、電子對(duì)抗。

王 超（１９７７—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗。

王延祺（１９９６—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗。

袁乃昌（１９６５—），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境電子對(duì)抗。