基于复杂电磁环境下的雷达抗干扰技术*

任鹏冲 叶广强 刘华伟 张卓然

(空军工程大学航空航天工程学院 西安 710038)



基于复杂电磁环境下的雷达抗干扰技术*

任鹏冲 叶广强 刘华伟 张卓然

(空军工程大学航空航天工程学院 西安 710038)

分析了复杂电磁环境下雷达的抗干扰技术。随着电子对抗技术的不断发展及其在军事上的不断应用,未来战场更加复杂的电磁环境将对雷达的正常工作提出更高的挑战,从而使得雷达抗干扰技术成为当前研究的重要课题。论文从复杂电磁环境对雷达探测的影响及雷达抗干扰技术的特点出发,对复杂电磁环境下的雷达抗干扰技术及其工作原理进行了重点分析,并指出了当前形势下雷达抗干扰技术的发展趋势。

电磁环境; 雷达; 抗干扰; 发展趋势

Class Number TN955

1 引言

随着电子信息技术的不断发展,未来高技术条件下的敌我双方战争越来越集中在制信息权和制空权的争夺上,雷达作为现代战争的“千里眼”,具有全天候和远距离探测的能力,在战争中发挥着越来越重要的作用。然而,雷达在现代战场上面临着复杂电磁环境下的多种威胁,其中电磁干扰已经改变了雷达设计的传统观念,随着干扰技术手段的不断升级,雷达抗干扰技术也在不断地发展。雷达在复杂电磁环境下的生存能力越来越成为影响战争全局胜负的关键因素,现代雷达对抗的新技术也越来越集中体现在雷达抗干扰的性能上,因此,提高雷达的抗干扰能力是当前雷达所面临的重要课题[1]。

2 复杂电磁环境对雷达探测的影响

1) 复杂电磁环境影响战场感知的真实性。复杂电磁环境扩大了战场范围,使得目标多杂、干扰不断,雷达本身也面临着隐身目标、超低空突防、反辐射导弹、电磁脉冲炸弹、高功率微波武器等新技术武器的综合威胁,倘若敌方施加大面积的强烈电磁干扰,则很有可能使战场电磁环境混乱不堪,造成电磁密度分布过大使空域饱和,致使各种传感器失去效能不能正常感知战场的态势,从而严重影响战场作战指挥人员的判断与决策[24]。

2) 复杂电磁环境干扰导航系统。雷达对目标跟踪定位主要依靠其导航系统,无线电导航是舰船、飞机及各种航空武器主要的定位导航手段。一旦敌方对我导航设备施加特定的有意干扰,将极大地影响导航设备的精确性,致使舰船偏离航向、飞机脱离轨道、导弹无法精确命中目标等不可挽回的损失。对无线电导航系统干扰最常用的两种方式是瞄准式干扰和阻塞式干扰,其中瞄准式干扰是使用与导航信号相同的载波频率、干扰样式和相关参数,运用定向天线对准敌方地域施加特定的区域性干扰;阻塞式干扰是指在阻塞宽频带内对所有频段的无线电信号施加的有效干扰。

3) 在复杂电磁环境下电磁兼容问题更加突出。一方面,复杂电磁环境使雷达与其它电子系统、电子设备的电磁兼容难度加大,为了提高武器装备自身的战斗性能,经常需要对其电子系统采取某种技术手段,来克服武器装备或者电子系统的电磁兼容难题,这必将导致新型武器装备或电子系统的研制周期加长,投入代价更大;另一方面,如果武器装备或系统自身的电磁兼容性不好,不仅无法完成战斗任务,同时还会影响到其它系统的正常工作[2]。

3 雷达抗干扰技术特点

随着军事高技术的迅猛发展,各种新型雷达体制迅速崛起和广泛应用,以满足军事电子战高技术激烈对抗的需求,在雷达电子对抗日益激烈的形势下,现代雷达抗干扰技术应具备以下特点: 1) 雷达天线要具有高增益、低副瓣、窄波束、低交叉极化响应、副瓣匿隐、电子扫描相控阵和单脉冲测角技术; 2) 雷达系统必须要以高速计算计为基础进行快速的数字信号处理、信息交换与传递,以提升系统的响应速度和应对复杂电磁环境的适应力; 3) 在频域上,雷达系统应占有更多的电磁频谱资源;在能量上,尽可能地发挥雷达在空域、时域和频域上的能量集中优势,来减弱电子干扰的辐射影响[6～7]; 4) 雷达系统应具有综合的多功能能力,既能应对积极干扰,又能及时判明消极干扰; 5) 雷达系统应具有全方位、全频段大功率多功用以及能够对付多目标的多波束能力; 6) 雷达系统应朝着集成化和模块化的方向发展,以提高雷达系统应对各种复杂战场环境的适应性和生存力[3]。

4 复杂电磁环境下的雷达抗干扰技术

现代雷达的干扰和抗干扰技术永远是一对矛盾的两方面,没有干扰不了的雷达也没有抗不了的干扰,它们相互斗争、相互促进、共同发展[8～10]。在雷达对抗日益激烈的趋势下,各种雷达干扰技术不断被提出,而针对复杂电磁环境下的雷达抗干扰技术也一直在相应的发展之中。如何抵抗敌方的干扰,保持己方雷达的战斗力,并将研究成果迅速运用于战场,复杂电磁环境下的雷达抗干扰斗争开始在空域、频域、功率域、调制域及系统上全面展开。

4.1 空域抗干扰

空域内的雷达抗干扰技术主要有超低副瓣天线、副瓣消隐、单脉冲测角、相控阵天线扫描捷变以及雷达组网等。

1) 低副瓣天线。一般情况下雷达的噪声干扰是通过副瓣进入接收机的,因此,超低副瓣天线有效的提高了雷达对抗各种副瓣干扰的能力,使得敌方针对雷达副瓣信号的侦查、测向和干扰变得难上加难,大大地提升了雷达系统的抗干扰能力和反侦察能力[4]。

2) 副瓣消隐。副瓣消隐一般有两个独立的主副通道组成,它的工作原理是将进入主通道的干扰信号和副通道接收到的回波信号在比较器中进行比幅,然后利用选通的原理来消除干扰,使用这种方法的好处是结构简单,容易实现[5,11];副瓣消隐的工作原理框如图1所示。

图1 副瓣消隐的工作原理框图

3) 单脉冲测角。单脉冲测角是雷达中常用的一种测角方法,它利用多个天线同时接收回波信号通过比较回波信号的相位或幅度来获得目标的角位置信息。单脉冲测角的技术特点是可以对抗角度欺骗干扰。目前应用最广泛的单脉冲测角方法主要有四种:振幅-振幅式、相位-相位式、振幅和-差式及相位和-差式[12];

4) 相控阵天线扫描捷变。相控阵天线扫描捷变是利用相控阵天线的电子扫描特性,对被探测的目标进行随机扫描。因为雷达天线照射目标的时间表现为很大的随机性,从而使接收机很难侦察、识别及定位雷达[11]。

5) 雷达组网。雷达组网是指将处于同一区域多种型号的多部雷达连接成一个网络,使得它们所获得的情报资源能够相互支援和相互融合,在当今日益复杂的电磁环境中,这种组网探测的方式能够有效地抵抗外界的干扰,并能且大大地提高雷达对敌方目标的侦察识别和跟踪定位能力。

4.2 频域抗干扰

雷达在频域内的抗干扰技术主要有自适应频率捷变、窄带滤波、频率分集和频谱扩展等。

1) 自适应频率捷变。频率捷变技术是频域对抗最主要的抗干扰措施,现代雷达为了应对复杂多变的干扰手段,提高抗干扰效果,一个重要特点就是很多参数都可变。如雷达工作时的频率、脉冲宽度、发射功率、接收机带宽等,自适应频率捷变技术使用现代技术手段对雷达周围的电磁干扰环境进行实时监测,同时根据监测的结果自动算出雷达最佳的技术参数;自适应频率捷变抗干扰原理框图如图2所示。

图2 自适应频率捷变抗干扰原理框图

包括宽频带侦察接收机、干扰频谱分析器、最佳频率代码送频器等,它的工作原理是根据干扰频谱分析的结果找出干扰强度最弱的频段,然后调整雷达发射信号的载频到对方干扰最弱的频率上,大大地提高了雷达的抗干扰能力[13]。

2) 窄带滤波。雷达信号在同一个脉冲组内的信号具有相干性,它能形成非常窄的谱线。使用窄带滤波器可以把这些谱线过滤出来,同时极大地抑制了窄带滤波器外面的杂波干扰和干扰噪声[13,20]。因此应用相干信号和窄带滤波的雷达是对抗杂波干扰和干扰噪声的有效措施。

3) 频率分集技术。频率分集是指为完成同一任务采用差别较大的多个频率近似同时工作的一种技术[15]。只要分集的带宽大于瞄准干扰的带宽,频率分集技术就能很好地对抗瞄准式干扰。在对抗宽带阻塞式干扰时只要增大雷达频率分集的带宽就能迫使干扰机加大干扰频谱宽度,从而使干扰的功率谱密度降低,大大地改善雷达的抗干扰性能;典型的频率分集雷达简化框图如图3所示。

图3 频率分集雷达简化框图

4) 频谱扩展。随着电子技术的不断发展,现代雷达大多采用扩谱技术。应用扩普技术的雷达带宽会被展宽,这样做的好处是,一方面可以提高雷达的探测距离,另一方面由于雷达发射信号带宽被展宽,在平均发射功率不变的情况下,单位频带内信号的功率密度就会降低,使得敌方侦察设备很难检测到这种雷达信号,从而加大了对己方雷达设备干扰的难度。

4.3 功率域抗干扰

雷达在功率域内的抗干扰斗争主要有对雷达的恒虚警处理、自动增益控制、目标幅度起伏特性识别、大信号限幅等。

1) 恒虚警处理。恒虚警处理是一种通过设置检测门限使得雷达的虚警概率控制在一定范围内的信号检测方法。它不提高雷达的信噪比,但能保障雷达系统的信号处理设备不因信号饱和而过载。应用恒虚警处理技术可以减少雷达在强烈脉冲干扰和密集连续波干扰下所产生的虚假信号,同时降低了雷达告警的的虚报概率[14]。

2) 自动增益控制。自动增益控制是指雷达根据先前设定好的准则,当噪声干扰和密集的连续波脉冲干扰进入雷达接收机时,自动控制接收机的增益,避免这些干扰信号导致接收机过载,此外降低接收机的信号增益电平还能抑制小目标的回波。目前应用比较广泛的是瞬时自动增益控制[23](IAGC),它是一种用于雷达接收机部分的防过载电路,可有效抑制由等幅波干扰、宽度脉冲干扰和低副瓣脉冲干扰所引起的雷达接收机中频放大器过载,利用负反馈原理,根据输入干扰信号的电平变换自动调整中频放大器的的增益[11,14];瞬时自动增益控制原理方框图如图4所示。

图4 瞬时自动增益控制原理方框图

3) 目标幅度起伏特性识别。目标幅度起伏特性识别是功率与上识别目标的主要方法,它根据目标反射回波幅度的起伏变化来判断目标的类型,这种措施的好处是比较容易实现。由于它对目标信号的信噪比要求较高,因此比较适合对强烈噪声干扰信号的目标识别。

4) 大信号限幅。大信号限幅是一种防止信号对接收机干扰和冲击的抗过载措施。其基本原理是一种用于功率域和频率域的宽-限-窄抗干扰电路[16]。宽-限-窄电路原理框图如图5所示。

图5 宽-限-窄电路原理框图

它包括宽带放大器、限幅器和窄带放大器,利用频域和功率域抗干扰原理多次“整削”噪声调频干扰信号的能量同时又能保护目标回波信号的能量不受损失,极大地降低了雷达的虚警概率,因此是一种十分有效地对抗宽带噪声调频干扰的抗干扰技术。

4.4 调制域抗干扰

雷达在调制域内的抗干扰斗争主要有相位编码、线性调频、混沌编码(PSK/FSK)、调制参数捷变等,其中前三种都是比较典型的低截获概率雷达信号,具有很好的雷达抗干扰性能。

1) 相位编码、线性调频、混沌编码(PSK/FSK)。相位编码、线性调频是常用的脉冲压缩技术[17～18],目前现役军用雷达中大多采用脉冲压缩技术使发射机发射的雷达信号很难被敌方截获接收机截获。它的工作原理是将输入的脉冲通过一个由特定系统响应的网络将信号调制为具有一定频率和相位的宽脉冲发射信号,然后在接收端利用逆变换将信号压缩成窄脉冲。由于脉冲压缩雷达信号频谱比较宽,峰值功率小,且信号内部调制样式复杂,所以针对这种雷达信号的模拟欺骗干扰比较困难[19]。混沌编码是在混沌学的基础上提出的一种抗干扰性能更为优越的雷达信号体制,它克服了单一调制样式的不足,提高了雷达的速度分辨力和距离分辨力,增加了截获接收机截获和识别雷达信号的难度;一种典型的雷达脉冲压缩原理框图如图6所示。

图6 典型的雷达脉冲压缩原理框图

2) 信号参数捷变。信号调制参数捷变和使用复杂的调制信号是雷达在调制域内经常用到的两种抗干扰技术,它们的技术特点同重频捷变、频率捷变、雷达天线扫描方式捷变等一样。通过不断的改变雷达调制信号的参数使得干扰系统接收机很难对雷达信号快速准确地侦收,进而避免了干扰系统对其有针对性地施放干扰。极大地提高了雷达的抗干扰性能及战场存活率。

SMAP卫星[3]是NASA于2015年1月31日成功发射人类首颗用于“土壤水分主被动观察卫星”。SMAP卫星天线采用周边桁架式可展开机构，外圈是通过平行四边单元组成，通过改变对角线长度来实现机构的整个天线收拢展开，展开口径达6 m(图2)。

4.5 极化抗干扰

每一种雷达天线都具有极化选择的功能,当外界信号与雷达天馈系统极化特性相同时,接收的信号能量最大,而当二者极化状态完全不匹配时,接收的信号能量最小,即它能接收相同极化的信号,抑制正交极化的信号,又由于不同材料和形状的物体具有不同的极化反射特性,因此它可以根据目标回波信号的极化特性,来把外界干扰信号和要接收的目标回波信号区分开,采用自适应极化抗干扰技术从而达到匹配接收目标信号和抑制有源干扰信号的目的。雷达自适应变极化抗干扰的原理框图如图7所示。

图7 雷达自适应变极化抗干扰的原理框图

它由发射机、接收机、双极化天线、极化识别器、变极化器以及收发开关组成,通过极化识别器判断干扰的极化方式,然后控制变极化器产生与外界干扰信号极化方式正交的雷达发射信号,从而抑制干扰信号的接收[13]。

4.6 体系上的抗干扰

雷达抗干扰技术的一个重要方面就是整合系统的各种资源,使雷达与其它电子探测设备联合起来,从体系上实施抗干扰。其主要的技术措施包括以下几个方面。

1) 自适应抗干扰。在实际的战场环境中,各种电磁干扰信号复杂多变,很难准确判断雷达在工作中所面对干扰信号的样式和具体参数,进而不能及早地实施有效的抗干扰措施。为此,雷达在实际工作中必须具备快速侦察周围电磁环境状态和变化的能力,有针对性的采取对抗措施,实现对目标信号的最佳匹配和对干扰信号的最佳滤波[22]。

2) 双(多)基地雷达。双基地雷达指发射机和接收机相隔较远的距离,它的工作特点是采用收发分置,接收机无源被动地接收所辐射的能量信号。多基地雷达指共用一个或多个相隔很远的发射机,使用两个以上且有共同覆盖区域的接收机。双(多)基地雷达由于其独特的原理结和几何配置,与常规单基地雷达相比具有抗电子侦察能力、抗干扰能力、抗反辐射导弹能力、抗超低空突防能力和抗隐身武器能力等诸多优点。

3) 雷达组网和传感器数据融合。雷达组网可以根据战场环境主动控制网内各雷达系统的工作状态实现整个雷达群合作抗干扰,与传感器的数据融合,可以使分布在群内各处的多部雷达充分共享传感器所感知的战场态势,实时地感知和调整雷达的工作状态,从而采取有针对性的抗干扰措施,极大地改善了雷达的抗干扰能力。雷达工作方式如随机闪烁式开机、多机接收、假发射机欺骗等,随着通信网络技术的不断发展,雷达组网正在成为一个热门的研究方向[22]。

5 抗干扰技术的发展趋势

雷达抗干扰是在电子领域内灵活利用电子频谱资源进行反干扰的一种斗争,其目的是将影响雷达正常工作的各种干扰信号能量消弱到能够容许的程度,以保障雷达设备的正常工作。随着电磁环境的日益复杂、电子对抗技术的不断发展,未来雷达抗干扰技术的发展趋势主要包括以下几个方面。

1) 多功能相控阵技术。相控阵雷达天线通过电控指令改变天线在孔径面上的相位分布,实现对波束指向和波束形成的控制作用,利用其波束的自适应扫描功能和灵活性,相控阵雷达可以根据反干扰的需要来实施“功率管理”。与其它雷达天线相比,多功能相控阵雷达具有波束稳定性好、体积小、反应时间短、灵活快速地波束指向、有效辐射功率高以及抗干扰性能好等诸多优点。所有的这些优势使得相控阵雷达天线成为电子扫描天线中最引人瞩目的一种,在现代的雷达对抗中获得了广泛的应用[23]。

2) 多波束技术。多波束系统是指利用多波束网络或多束透镜在空间形成的多个独立且相互邻接的高增益波束。它的技术优点是:每个波束都包含了天线阵孔径的全部增益;能以很高的角分辨率对空间进行不间断地扫描;能覆盖很宽的频率范围和扇面;每个阵元前面都装有一个独立的低功率微波放大器,因此可以产生很大的有效辐射功率来对抗干扰威胁。

3) 低截获概率技术。低截获概率信号是指采用频谱扩展和随机调制等措施,降低了雷达辐射载波的功率。使雷达探测到敌方目标的同时,敌方截获到这种雷达信号的可能性概率最小,从而保护雷达不受外界电子干扰信号的干扰,大大地增强了雷达的作战和生存能力。

4) 无源探测技术。无源雷达探测是指雷达本身不发射信号,而依靠接受目标所发射的信号、目标自身的辐射以及目标对其它物体的散射能量来发现目标信号,通过某种滤波算法它能够对目标信号进行跟踪定位并以一定的概率在雷达显示屏上显示目标的航迹和信号特征,同时向其它系统共享该位置信息。尤其是与有源雷达互补协调工作,将能构成可靠性高,抗干扰能力更强的综合探测系统[21]。

5) 综合抗干扰技术。综合抗干扰是指采用多种战术方法和对抗技术进行的抗干扰措施。单一的抗干扰方法只能对付某一种单一的干扰,如副瓣对消只能对付连续波噪声干扰不能对抗分布式干扰;频率捷变技术只能抗有源干扰而不能抗消极干扰;单脉冲测角技术只能抗角度欺骗而不能抗距离欺骗等,因此可以将多种抗干扰技术相结合,综合采用多种抗干扰措施来有效提高雷达的抗干扰能力。此外,采用灵活多变的战术也能发挥积极有效的抗干扰作用。

6 结语

随着现代战场的电磁环境越来越复杂,雷达总处在有电子干扰的环境中工作,因此抗干扰就成为了雷达设计制作时的重要研究内容。本文通过对当前雷达所面临的复杂电磁环境下抗干扰技术特点的分析及其对抗技术的研究,指出了未来雷达抗干扰技术的发展趋势,必须认识到雷达的干扰和抗干扰技术是永远矛盾的两个方面,它们在各自的对抗中发展着自己,只要它们的斗争不完结,那么它们的发展就不会停止。只有在空域、频域、功率域、极化域,调制域、系统体制上等掌握更高的技术,拥有更多的电子战资源优势,才能在战场中找到对方的弱点,从而掌握雷达抗干扰技术的主动权。

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Radar Anti-jamming Technology Based on Complex Electro-magnetic Environment

REN Pengchong YE Guangqiang LIU Huawei ZHANG Zhuoran

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, Air Force University of Engineering, Xi’an 710038)

The radar anti-jamming technology under the the complex electro-magnetic environment was analyzed in this paper. With the development of electronic technology and applying in the military,the more complex electro-magnetic environment of the future war was a larger challenge. As a result of it, the radar anti-jamming technology had becomed an important research subject. This paper started from the influences of the complex electro-magnetic environment on radar and the feature of radar anti-jamming technology. It analyzed the radar anti-jamming technology and the working principle under the complex electro-magnetic environment, pointed out the development tendency of radar anti-jamming technology in the current situation.

electro-magnetic environment, radar, anti-jamming, development tendency

2015年3月5日,

2015年4月29日

航空科学基金项目(编号:20145596024)资助。

任鹏冲,男,硕士研究生,研究方向:雷达电子侦察与干扰。叶广强,男,副教授,硕士生导师,研究方向:无人机电子侦察与干扰。刘华伟,男,副教授,研究方向:无人飞行器控制与导航。张卓然,男,硕士研究生,研究方向:机载单站无源定位。

TN955

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.003