微波战术通信系统空域抗干扰方法综述

杨林 张宣和 易涛 邵启红

【摘  要】

针对日益复杂恶劣的现代战争电磁环境，提出了基于相控天线的微波战术通信系统干扰测向与抑制方法。分析了空域抗干扰应用需求，提出了波束切换阵/模拟相控阵天线比幅测向法、窗函数加权及波束陷零干扰抑制方法。通过干扰测向原理阐述、窗函数性能定量分析、干扰陷零模拟仿真，证实了空域抗干扰的可行性和有效性。

【关键词】战术通信系统;相控天线;干扰测向;干扰抑制

[Abstract]

In view of the increasingly complex and harsh electromagnetic environment of modern warfare， this paper proposes a method of interference orientation and suppression based on the phased antenna array in microwave tactical communication systems. The application requirements of spatial anti-jamming are analyzed， and the beam switching array/analog phased array antenna ratio measurement method， window function weighting and beamforming null interference suppression are proposed. The feasibility and effectiveness of airspace anti-jamming are verified through the description of interference direction principle， quantitative analysis of window function performance and interference nulling simulation.

[Key words]tactical communication system; phased antenna array; interference orientation; interference suppression

0   引言

戰术通信系统对大容量、低功耗、小体积的迫切需求致使其频段逐渐向微波延伸，与此同时，大规模集成电路设计、低功耗基板材料、微组装封装工艺等支撑技术逐渐成熟，为大规模天线阵列的应用提供了契机，使基于战术通信的空域处理技术逐渐成为研究热点。

文献[1]认为“通得上”和“抗得住”是战术通信领域的两个永恒主题。“通得上”就是要满足战场中用户数量及信息容量需求，完成数据链、移动自组织网络等网络传输任务，“抗得住”就是能够抵御各类电子战的攻击行为。具备灵活波束变换能力的战术通信装备在战场上的作用包括：

（1）提供了空域多址和复用能力;

（2）提供了空域感知能力，能对信号或干扰的空域位置进行分辨;

（3）提供了基于定向传输的隐蔽通信能力;

（4）提供了空域应用的灵活性，可根据需要进行宽波束和窄波束的切换，宽波束用于快速组网，窄波束用于高增益传输。

基于相控天线的战术通信系统目前已用于卫星通信[2-7]、卫星地面节点[8-11]、箭载/弹载导引头[6， 12， 13]、舰船通信[14， 15]、雷达与通信射频孔径一体化[16， 17]等方面。研究目标主要有：

（1）系统架构与优化。例如文献[18]给出了一种稀布有源相控阵设计方法，采用密度加权与遗传算法相结合的方法，减少有源通道的数量，可将通道数量缩减至50%左右。

（2）结构优化与散热设计。例如文献[12]针对相控阵天线模块体积小、热流密度高、散热难的问题，提出一种将液冷流道内置于天线底板的结构方案。

（3）信源目标（或干扰）的信号搜索、捕获、跟踪、角度测量。例如文献[8]提出了一种基于子阵划分的互相关角度测量方法，通过有效地提高输出信号信噪比，较好地解决了卫星跟踪系统中角度测量的工程需求问题。

（4）资源分配与调度策略。例如文献[19]设计和实现了波控软件对天线进行3种模式的控制。

受限于常规战术通信系统着重链路距离，当前相控天线应用常以高增益为主要设计目标，针对复杂电磁环境中的干扰测向和干扰抑制方面研究相对较少。实际上，相控阵天线的最大优势在于其灵活性，在日益复杂恶劣的现代战争环境中，提高系统灵活性、具备多种对抗手段，对于增强装备环境适应能力，提升装备智能化水平，具有重要的作用。

1   系统模型

现代战争环境中的干扰既有人为的故意干扰，也有自然界的无意干扰，同时还有来自己方的各种电子设备的干扰[1]。干扰与抗干扰始终是矛盾统一的，两种技术此消彼长，在复杂的电磁环境中，要保证信息传输的正常进行，单一的抗干扰技术往往难以胜任，有必要综合使用各种抗干扰技术。

1.1  抗干扰技术分类

当前战术通信领域主流抗干扰技术是频域抗干扰和时域抗干扰，相控阵天线技术为战术通信系统进行空域抗干扰及联合域抗干扰提供了基础。表1为战术通信系统典型抗干扰技术在不同维度的分类及其主要技术特征：

战术通信系统对干扰源的认知包括干扰信号识别、数量确认、带宽分析、功率估计等过程，其中干扰源测向和干扰抑制主要在空域解决。

1.2  空域抗干扰

空域抗干扰技术需要系统具有空域多址能力，即能指向不同的方位。微波战术通信系统中具有空域多址能力的典型天线系统有：

（1）多板切换阵天线系统，通过射频开关（SPDT）完成波束切换。

（2）模拟相控阵天线，通过控制收发（TR）组件的幅度和相位完成波束切换，比多板切换阵具有更大的自由度。

（3）数字相控阵系统，具有多TR组件多路数字基带，具备数字域同时形成多个波束能力，具有最高的自由度。

为描述空域抗干扰能力与系统架构的关系，下面以模拟相控阵进行示例。图1为某一维模拟相控阵系统的系统架构示意图，图中采用了8个TR组件完成单个维度（如方位面）空间波束合成。每个TR组件通过功分网络及固定射频网络形成第2维度（如俯仰面）的固定波束覆盖。TR组件通过功分器/合路器进行功率分配或者功率合成，然后接入中频和基带。该系统由专用的波束控制器对TR组件的权值进行控制，完成需要的波束资源调度。

相对于模拟相控阵的多个波束分时隙切换，数字相控阵干扰测向只需1个时隙（或快拍），对采样数据进行到达角估计（DOA）运算即可完成测向，典型DOA方法有常规波束形成扫描、和差波束、超分辨算法等。数字相控阵除了时间短之外，对干扰信号的平稳性要求不高。在干扰测向的精度方面，三者都与扫描波束宽度有关。

在干扰抑制方面，能量较小的干扰三种天线都可以进行抑制，能量较大的强干扰（即可通过旁瓣或后瓣进入接受系统），需要对其进行陷零。在干扰陷零方面，模拟相控阵需要精确知道干扰源的方位，数字相控阵需要采用相应的自适应抗干扰算法。表2是三种天线系统干扰测向及干扰抑制方法典型方法：

空域抗干扰波束权值的获取方式可分为数据独立波束赋形和统计波束赋形。数据独立波束赋形不需要实际接收数据，通过预存多组权值根据需要进行调用，预存权值数据的获取方式是基于一定的需求（如某个期望的理想方向图）以一定的准则（如最大信噪比准则）经过计算得到。统计最优波束赋形是根据实际采样得到的多通道数据样本进行分析（典型的分析方法有协方差矩阵分析及特征值分析），依据一定的准则（如无失真准则、最小总功率准则等）进行实时计算得到权值的一种自适应处理方法。两种方法的明显差别是：前者速度快、结构简单、无自适应性;后者自适应性好，但计算量大，系统结构复杂。

实际工程中难免存在各种误差，典型的误差有天线方向图与期望形状不一致、射频通道的不一致性及通道间耦合、天线单元之间及天线与近场环境的互耦等。提升阵列的稳定性和可靠性是空域处理技术中的重要课题，大量理论研究表明：众多优化算法（如高分辨到达角估计MUSIC算法、对角加载波束形成）其高性能预期效果与阵列误差容忍度之间是互相矛盾的。

1.3  联合域抗干扰

时频信号处理（Time-Frequency Signal Process， TFSP）是在离散时间序列信号处理的基础上发展起来的现代信号处理理论，其典型应用场景是非平稳信号分析。非平稳信号是指信号的各阶矩估计值（一阶矩为均值，二阶矩为方差）是时间的函数，即统计量随时间的变化而变化。常规抗干扰算法（如射频干扰抑制的LS算法、无线信道均衡的RLS算法）等抗干扰方法都具有预判干扰然后对消的机制，其期望处理效果一般是建立在假定信号平稳的基础上。对非平稳信号而言，傅里叶变换不再是有效的分析工具，因为它是信号的全局变换，而信号局部性能的分析必须依靠信号的局部变换。此外，傅里叶变换之后的信号频率描述仍属一维描述，从时域和频域的二个维度对信号进行描述有利于使信号的特征更加明确。时频处理的典型应用包括短时傅里叶变换（STFT）、Wigner-Ville分析、小波变换、Gabor变化等，时频信号处理技术的广泛应用提供了战术通信系统分离干扰、提取干扰特征的有益参考、是可供借鉴的重要手段。

空时自适应信号处理（Space-Time Adaptive Process， STAP）是随着相控阵的应用逐渐流行起来的联合域处理方法，当前主要用于机载动目标检测雷达。对于运动战术通信系统来说，收发承载平台的运动也会导致信号在空间-时间出现扩展，因此STAP理论在干扰识别、干扰建模、干扰抑制等方面建立的诸多模型、场景、处理方法对战术通信系统具有重要借鉴意义。类似雷达检测目标用的距离-多普勒谱图，STAP的典型谱图是角度-多普勒谱，如果战术通信系统中的干扰和期望信号能通过某种变换在该图谱上分离，那就意味着该变换对战术通信系统抗干扰是可用的。

2   干扰测向

2.1  波束切换干扰测向

微波战术通信系统采用多板波束切换阵天线是一种能兼顾覆盖性和空域增益的有效方案，它用多个子阵板规则排布实现预期覆盖（如环形实现方位全覆盖），每个子阵基于合成原理（如透镜原理）形成满足需求的独立子波束，子阵之间通过数控开关进行波束切换完成通信功能。传统测向方法通过依次波束切换，然后进行能量比较，可确定信号（或干扰）的方向在宽度为360/N的范围内，N为可切换的波束数量和，图2为多板波束切换阵天线示意图，（a）图为多板切换天线阵及单板接收示意图，（b）图为多个等扇区波束实现方位全覆盖示意图。

波束切换阵测向宜采用等信号测角法，图3为波束切换进行DOA估计原理示意图。干扰信号被波束1和波束2接收，功率分别为P和Q。如果干扰处于两波束的主轴中间位置（等信号轴），则由两波束收的强度相等，否则，一个高于另外一个，通过比较两个波束收到信号的能量强弱可判断目标偏移等信号轴的角度，采用查表的方法可估计出偏离等信号轴的大小。

根据该比值對比存表数据可得的数值。图4为与图3对应的基于波束切换的干扰测向仿真示例，其中，（a）为波束集接收来自各方位信号的功率图，每个横剖面包含18个数据，表示18个波束接收到的功率;（b）中18条线表示不同波束在20°扇区范围接收功率图，P和Q分别表示波束1和波束2接收功率，示例中可见其他波束接收功率均小于3 dB，P和Q功率差最大约7 dB，当信号方位在10°附近时，P与Q的比值接近1，分辨能力变差，当信号偏离10°较远时时，P和Q功率差变大，分辨能力变强;（c）为考虑到实际中存在各种无法避免的误差时的接收信号功率仿真;（d）为假设信号方位为5°时，18个波束（扇区）理想情况下接收到的功率。

提高波束切换阵测向精度的方法有：（1）通过多次比较降低误差影响，提高方位估计精度;（2）通过降低波束宽度提高空间分辨力，即通过扩大阵列孔径或者优化加权的办法进行窄波束成形。

2.2  扩大孔径提高分辨率

多板波束切换阵天线存在的主要不足是天线孔径利用率不高，工作时波束宽度受到单板面积限制，在叠层排布情况下可能会出现遮挡现象。采用模拟相控阵方案能更大程度利用天线孔径增强波束空间分辨率及应用方式的灵活性。

模拟相控阵方案与多板波束切换阵的区别是：

（1）前者用多路小功放进行空间合成获取更大功率，后者用单路功放通过切换馈到不同天线单板。

（2）前者通过收发组件（TR）中的衰减器/移相器调整进行波束控制，后者通过SPDT完成既定波束切换。

（3）前者波束特性具有较高的自由度，后者子波束特性因硬件固化具有高稳定性。

下面考虑通过扩展天线孔径以提高波束分辨率。微波天线系统进行无线传输时，天线在其孔径范围内对信号进行空间采样，天线孔径与天线的波束宽度具有反比关系。例如线性均匀采样的波束方向图表示如下：

不难发现，增大天线孔径以提高波束空间分辨率需要对天线架构进行改造。图5为圆形天线孔径扩展示意图，其中，（a）图为天线单板示意，由规则排布单元构成;（b）图为单板切换工作孔径示意;（c）图为联合多单板所用孔径示意;（d）图为模拟相控工作孔径示意。

2.3  数字阵列干扰测向

当战术通信系统采用数字相控阵列时，系统架构变得与雷达相似，干扰测向方法可借用雷达领域中的信号源DOA估计理论。雷达目标DOA估计方法可分为常规波束扫描DOA估计和超分辨DOA估计两大类。基于常规波束形成扫描的DOA估计方法具有很好的稳健性（即对阵列误差影响敏感度较低），但受到“瑞利准则”的限制，无法分辨两个在方位上靠得比较近的信号源。典型的超分辨算法，如多重信号分类（MUSIC）算法能突破“瑞利准则”限制，但稳健性差，方位分辨信噪比门限高。当前诸多系统逐渐尝试采用常规波束形成器作为预处理器，在初步估计的方位域上再用超分辨算法改善性能，充分利用二者的优点优化方位估计性能。

3   干扰抑制

空域干扰抑制的方法主要分为低旁瓣抑制、干扰陷零两类，前者适用于弱干扰，后者适用于强干扰。基于波束切换阵的抗干扰方式主要有：（1）低旁瓣加权抗干扰;（2）干扰陷零抗干扰。

3.1  低旁瓣干扰抑制

低旁瓣抑制的主要实现手段是对每个通道进行加权处理。由于空域和时域之间存在一定的对偶关系，即频域波束响应是权值的傅里叶变换，故可以用现有的窗函数理论辅助设计。

文献[20]指出，对于半波长ULA，Dolph-Chebyshev加权在给定主瓣宽度时能获得最低的均匀旁瓣，或者在给定旁瓣等级时能获得最窄的波束主瓣宽度;对于非半波长间距，最优权值可以基于二阶锥规划理论计算得到。

其他常见窗函数有升余弦权、升余弦平方加权、泰勒（Taylor）权、布莱克明（Blackman）权、凯撒（Kaiser）权、离散长球序列（DPSS）权、海明权（Hamm）等，可按需选取。表3列举了半波长ULA常见加权形成方向图与抗干扰相关的参数，即HPBW（半功率波束宽度）、SSL（旁瓣干扰抑制电平）及归一化方向系数D（表征波束增益）。不难发现：

（1）矩形窗（常规波束形成）具有最大的方向性系数;

（2）实现低旁瓣（降低SSL参数）的代价是波束展宽（参数HPBW的值变大）。

图6为4种不同窗函数的加权幅度值，其中：（a）为矩形窗，即均匀加权幅度值;（b）为汉宁窗加权幅度值;（c）为海明窗加权幅度值;（d）为切比雪夫窗加权幅度值。加权向量的长度为10，权值采用最大值归一化。不难发现，除了矩形加权，其他加权方式都降低了通道的信号幅度，通过牺牲信号总合成功率以达到控制波束形状的目的，同时由于部分权值比较小，与均匀加权相比稳健性也会有所下降。

图7为图6对应权值得到的归一化波束方向图，其中：（a）为矩形窗加权后的方向图;（b）为汉宁窗加权后的方向图，具有角度越大干扰抑制幅度越大的特点，该近似线性关于可用于干扰能量和方位的协同估计，即得出某强干扰要么离主瓣比较近要么是能量特别大的结论;（c）为海明窗加权后的方向图，零点数量较少，但是零点波束宽度大（图中为180°）;（d）为切比雪夫窗加权后的方向图，该方向图零点数量没有减少，主瓣适当展宽，4个旁瓣具有等功率特性（图中设定为20 dB）。

3.2  干扰方位波束陷零

图8为基于LCMV波束形成器的抗干扰示例。阵元数量为12，阵列结构为半波长ULA，期望信号方向为5°，干扰方向为30°，干扰信号强度相对于信号为-20 dB，采用约束方法是对5°无失真接收（约束值为1），30°陷零（约束值为0），加载因子采用10-2，得到如图结果。其中期望信号和干扰的空间谱，描述了两种信号的功率及对应的角度，与之对应的是基于LCMV波束形成器得到的阵列响应，示例中陷零深度大于80 dB。

圖9为干扰陷零前后波形对比示例，（a）图为对期望信号和干扰信号进行无差别接收（等效全向天线）的时域波形，（b）图为进行空域干扰抑制（陷零）后的多通道合成效果，可见干扰抑制明显效果。示例中为了直观说明效果，期望信号采用单频信号，干扰采用人工噪声，证实了该方法的有效性。

基于LCMV波束形成器的干扰陷零需要精确知道信号和干扰的方位，实际中必然存在误差，此时需要对陷零区域进行展宽。可采用的陷零展宽的办法有：（1）增加陷零区域，对陷零角度两边对称增加陷零约束条件;（2）增加导数约束条件，对陷零方位导向向量的导数进行约束。

4   结束语

干扰源的空间方位与波形无关（即几乎不可能通过改变波形伪装或者虚构其空间位置）是空域抗干扰方法有效性的保证，也是空域方法与时域、頻域抗干扰方法的本质区别。在日益复杂恶劣的现代战争环境中，综合应用多种抗干扰手段，对增强装备适应复杂电磁环境的能力，提升装备智能化水平，具有日益重要的作用。

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