雷达反主瓣干扰的现状和趋势研究

梁海珊

(南京电子技术研究所 南京 210039)

0 引言

雷达干扰是随着雷达的产生而产生的，随着雷达的发展而发展的，是电子战的一种重要形式。从交战过程看电子对抗系统(ECM)和电子反对抗(ECCM)分为两个过程：第一个过程是侦察和反侦察的较量。电子对抗系统要近乎全方位、全频段侦察，并对辐射源识别、定位；而雷达电子反对抗需要采取措施降低截获概率，增加信号分选、测量难度。第二个过程是干扰和反干扰的较量。发现雷达信号后，电子对抗系统要合理调度资源进行干扰；而干扰信号进入雷达系统后，雷达系统要采取措施反干扰，保证对目标的探测。

电子对抗对雷达实施有效的干扰必须具备的条件是：在三个作用域上对准，包括频率域、极化域和空域；足够强的干扰信号能量；有效多样的干扰样式。干扰得以进入雷达接收机的必要条件是频率域、极化域和空域上对准。在此基础上，足够的干扰信号强度及有效的调制样式以及实时适应雷达对抗环境才能充分发挥压制和破坏雷达工作的效能。

为了达到上述目的，从技术和原理上描述，电子对抗正在朝着雷达对抗的阵列化和数字化、雷达对抗的智能化与认知雷达对抗以及协同雷达对抗与综合集成雷达对抗等方向发展，使得雷达的工作环境越来越恶劣。

1 主瓣干扰概念与威胁

主瓣干扰是指从雷达主瓣进来的干扰，在空域上，干扰和目标在主瓣波束范围内；在时域上，由于获得了雷达主瓣增益，干扰强度很大；在样式上，主瓣干扰具有多种类型，包括噪声压制干扰、转发式干扰、灵巧干扰、脉冲干扰等等。

实际作战中，电子干扰的战术手段较多，可以按照干扰机与被掩护目标的空间位置关系分为：自卫式电子干扰、随队式电子干扰、支援式电子干扰、以及复合式电子干扰。

按照干扰从雷达副瓣还是主瓣、近主瓣进入，可以将电子干扰的战术手段分为两类：一类是支援式电子干扰，另一类是随队式电子干扰和自卫式电子干扰。复合式干扰往往从雷达主瓣以及主副瓣同时进入。对于副瓣干扰，可以通过常规的自适应波束形成算法在空域形成凹口抑制干扰，使输出信干噪比最大，但是通道误差会限制对消比。而对于从近主瓣、主瓣进入的干扰，常规的自适应波束形成算法会在雷达主瓣内形成零陷，导致主瓣畸变、旁瓣升高，从而使得输出信干噪比下降，算法性能下降严重。因此，雷达在对抗主瓣干扰时，常规的自适应波束形成算法已不适用，需要研究反主瓣干扰算法。

2 反主瓣干扰研究现状

空域、时域、极化域等是雷达的主要作用域。下面分别从不同作用域角度探究反主瓣干扰研究现状。

2.1 传统空域

面对主瓣、近主瓣干扰，自适应波束形成会在主瓣上形成凹口。基于阻塞矩阵预处理算法利用主瓣干扰的角度信息构造阻塞矩阵；然后利用构造好的矩阵对接收信号进行预处理，去除回波中的主瓣干扰能量；最后利用预处理后的数据求取自适应权矢量。此时，由于主瓣干扰成分被消除，在主瓣范围内自适应算法将不会形成零陷，保证了主瓣形状不变并保持副瓣电平的水平[1]。但实际应用中，对干扰测角并不准确，阻塞矩阵构造有误差，对最后性能影响较大，需要精确已知期望信号及与阻塞干扰方位角。

基于大口径辅助阵的方法可以在空域上处理主瓣干扰。该方法是在原雷达的附近增加一个辅助阵列，基于成本考虑，辅助阵单元可采用抛物面天线，借助辅助阵列所带来的额外自由度来抑制主瓣干扰[2]。辅助阵也增加了系统设计的复杂度，需要设计辅助阵口径、辅助阵单元间距、辅助阵单元个数等。

针对主瓣干扰抑制后测角性能下降的问题，文献[3]提出了子阵间约束自适应和差单脉冲测角算法，该方法先联合各子阵和波束、差波束输出进行自适应处理，分别形成合成的自适应和波束、差波束，在差波束自适应权形成中增加了单脉冲比全阵列约束，可以在抑制主瓣、近主瓣干扰的同时还能较好地保持单脉冲比不失真，并克服了子阵自适应处理带来的孔径损失。在和差自适应权过程求逆运算较大，该算法计算复杂度较高，而且在有阵列误差等条件下鲁棒性还有待探讨。文献[4]提出了子阵级自适应单脉冲的四通道主瓣干扰抑制方法，在对一个方向(方位或者俯仰)的主瓣干扰进行抑制的同时，可保证与之正交(方位或俯仰)的单脉冲比保持不变(与静态单脉冲比相同)，无需对自适应和、差波束的输出进行校正。但存在一定的阵列等效孔径损失，在一定程度上影响了单脉冲目标角度估计精度。

2.2 新型空域

2.2.1 频率分集阵雷达

文献[5]首次提出FDA(Frequency Diverse Array)雷达概念，并申请了美国专利。国内有部分学者将FDA直译成频率分集阵[6-7]，也有将其译作频控阵[8]，综合来看，频率分集阵雷达这种翻译更有代表性。与传统相控阵列的发射信号不同，频率分集阵列不同阵元发射载频不同的信号。因此引入了额外的相位项，该项与频差和距离相关相关，使得波束指向在距离向上不再保持恒定，而是一种与距离相关的波束，所以频率分集阵列具有距离依赖性方向图。该概念提出后，在美国空军、海军等国防研究机构中引起较为广泛关注[9-10]。近年来，多个国内外期刊和会议上也涌现出了不少频率分集阵雷达相关的研究论文[11-14]。频率分集阵雷达在抗主瓣干扰方面具有优势。首先，频率分集阵雷达波形复杂，干扰机处理难度大，在空间中特定空域形成发射主瓣，干扰机接收到的能量小，从而实现低截获。其次，频率分集阵雷达具有角度-距离二维天线方向图，针对目标角度和干扰源角度相同的场景，利用自适应或者非自适应处理算法，可实现主瓣欺骗干扰的自适应抑制[15]。但该体制发射、接收端设计较为复杂，对工程实现有一定要求。

2.2.2 分布式MIMO雷达

MIMO雷达从信号形式和收发体制上具有良好的反干扰能力[16]。

首先，信号被截获的概率低，主要由于两点：

1)发射正交信号，空间不形成波束，干扰机接收到的雷达信号功率很小，信号分选难度大。

2)采用收发分离体制。发射端可以发射连续波信号，这样可以降低发射信号峰值功率；接收端可以通过长时间积累获得增益，所以不会影响雷达威力，而干扰机不容易将雷达发射的能量积累。

其次，采用收发分置的体制的分布式MIMO雷达，干扰机只能侦收到发射机的位置，使得干扰机实施干扰朝向雷达发射机，而不是接收机，接收机处于干扰机副瓣位置；而且接收端可以通过采用数字波束形成等技术，在空域形成凹口，将干扰方向置零，从而达到消除有源干扰的目的，仿真实验已经验证可行性[17]。并且分布式MIMO雷达具有抑制离散式多普勒扩展杂波的前景[18]。但另一方面，干扰机阵列化的发展，干扰发射的电子波束控制，使得干扰机具有对抗分布式MIMO雷达的潜力。

2.2.3 雷达组网

雷达组网是指将多部不同频段、不同体制、不同极化方式、不同位置的雷达利用信息融合技术融合多源信息进行目标检测、目标跟踪、目标识别等的技术。相比于单站雷达，组网雷达具有布站灵活、频段资源丰富等优势，使该体制具有很强的抗有源干扰潜力。文献[19-20]较早地研究了组网雷达中的抗干扰技术；文献[21]基于定量分析的非线性规划模型，利用不同频率、不同体制的雷达组网进行干扰抑制；雷达组网的概念在不断发展，从雷达被动组网，到组网雷达，再到网络化雷达，文献[22]从数据融合的角度分析了网络化雷达抗有源干扰潜力。

然而，雷达组网抗干扰也面临很多挑战。一方面，多个雷达的空间对齐、时间校准是工程化需解决的首要问题，雷达网协同探测理论仍需完善；另一方面，雷达对抗也在向协同化发展，文献[23]讨论了协同干扰对抗对空情报雷达网。

2.3 空域、极化域

极化域是雷达的重要作用域，极化信号处理方法、自适应极化滤波性能已经进行了广泛分析和研究。极化阵列系统复杂度大，成本高，文献[24]提出了一种新型的极化抗干扰天线形式——交叉极化天线阵列，和常规极化阵列相比具有相同的抗干扰性能，设备量仅为常规极化阵列的一半.实测数据处理结果验证了交叉极化天线抗干扰性能的有效性。文献[25]利用天线在空域扫描时的极化慢变特性。首先，对接收到的干扰信号进行预处理，获得极化状态的估计，然后利用最佳极化进行极化滤波，以便能够抑制噪声干扰。但是极化状态的估计需要天线扫描一定空间范围，接收信号要进行极化分解，干扰抑制的实时性不优。

2.4 时域、空域

传统自适应波束形成、空间谱估计等算法大多利用了接收信号的二阶统计特性，而实际雷达接收的信号通常都是非高斯信号，一阶、二阶矩并不能完全描述信号的统计特性，需要采用高阶矩进行处理[26]。文献[27]提出了基于盲源分离的抗主瓣干扰方法，盲源分离算法JADE将四阶累积量引入到目标函数中，仿真实验表明对主瓣干扰抑制效果较好。高阶统计量的使用对样本数提出了更高要求，盲源分离后如何精确测角仍需研究。

3 发展趋势

3.1 战场电磁环境感知技术

要在复杂的对抗环境中处于优势地位，必须知己知彼，经过专门的侦察分析设备，侦察、分析干扰机的工作参数，据此制定抗主瓣干扰策略，比如根据干扰机对目标威胁度判断准则，有意发射虚假高威胁度的雷达信号，误导干扰机的判断；根据干扰机收发时间开关规律设计雷达工作模式，使得雷达的抗干扰效果达到最佳。

3.2 从体制上形成对干扰机的优势

前文提到的频率分集阵雷达，由于具有角度-距离二维天线方向图，现役干扰机很难对其释放有效干扰。等离子体具有超导特性。等离子雷达利用该特性反射雷达波束，可以在极短时间，近乎十亿分之一秒重新定向，能以近乎无限快的速度进行目标跟踪，干扰机很难对如此快的发射频率进行有效干扰。近期出现的量子雷达等新体制雷达干扰机同样很难有效干扰。

3.3 反干扰信号处理中采用新途径和新算法

一方面，对于主瓣假目标干扰，可以分析多维特征信息，包括行为失配、微多普勒特征、雷达反射面积调制失常、雷达宽窄带、微动特征等[27]。对干扰机产生干扰信号的每个环节进行详细的分析。由于干扰机很多环节和器件存在非线性，比如频率变换环节、射频功率放大器等。这其中引入的非线性失真会对调制产生的信号进行二次调制，这样干扰机所产生的假目标带有与干扰机相关的特定特征，这种特征使得有源欺骗干扰与真实目标有一些区分度，为最后的剔除提供了依据。另一方面，压缩感知[28]、神经网络等新算法在抗主瓣干扰具有良好前景。

4 结束语

传统雷达设计时往往关注探测任务，比如探测威力、精度等方面的性能，并没有针对可能遇到的干扰场景进行有针对的设计，面对主瓣干扰的威胁，未来雷达设计必须将反干扰作为设计的重要指标，从受雷达体制限制被动设计抗干扰算法转向由抗干扰技术和抗干扰需求主动引导雷达设计，这样才能转被动为主动，更好地满足复杂电磁环境中的探测要求。