现代雷达自适应旁瓣相消对抗技术

宋之玉，张 进

（中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007）

0 引言

现代军用雷达面临各种复杂的电子干扰环境，其中支援式干扰（旁瓣干扰）是使用较多的一种干扰方式，如果没有旁瓣干扰对消措施，则主瓣接收的目标回波信号很容易被旁瓣接收的干扰信号淹没，从而大大降低了雷达的探测性能和工作可靠性。军用雷达天线旁瓣电平较高，这不仅限制了雷达对旁瓣地海杂波的抑制能力，也给敌方被动侦察定位、反辐射攻击、电子干扰等提供了十分有利的技术条件，因此在雷达设计工程上应尽可能地降低雷达天线收发旁瓣电平。

雷达自适应旁瓣对消（ASLC）技术自20世纪60年代问世以来得到了迅速发展，目前已是用来抑制有源干扰信号从雷达旁瓣进入的最经济和最有效的方法。ASLC技术的核心是利用一组辅助天线（辅助通道）接收的干扰信号与主天线旁瓣接收的干扰信号的相关性，对辅助天线（辅助通道）接收的干扰信号进行幅相加权处理并与主天线接收的干扰信号相减，使雷达天线自动在有源干扰方向形成很深的接收零陷，从而达到抑制支援式有源干扰的目的。

为了提高支援式干扰（旁瓣干扰）的战术效能，有必要研究雷达自适应旁瓣对消的工作原理以及其技术特点，分析可能存在的战术技术对抗方法以及干扰信号设计方法，为研究各类支援式电子干扰装备提供理论支撑。

1 自适应旁瓣对消原理

现代军用雷达阵列天线自适应旁瓣对消系统组成如图1所示，在雷达主天线的附近安装1个或几个低增益的全向天线，也称辅助天线，各辅助天线的增益相同并且比主天线的第一旁瓣电平略高2~4 dB，如图2所示。目标信号和干扰信号几乎同时到达雷达主天线和辅助天线，但辅助天线收到的目标信号相对主天线收到的目标信号很小，可以忽略。自适应对消处理器对主天线和各辅助天线接收的信号进行采样，并根据一定的规则计算一组权值系数，各辅助天线接收的信号（包括目标信号和干扰信号）分别和权值系数相乘（加权处理），再和主天线接收到的信号（包括目标信号和干扰信号）相减，则主天线中收到的旁瓣连续波噪声干扰信号恰好被对消，留下目标信号输出。

图1 主天线与旁瓣对消天线方向图

图2 雷达自适应旁瓣对消组成框图

旁瓣对消的关键是权值系数的计算，计算准则是保证对消剩余最小，即：各辅助天线接收的干扰信号乘以权值系数后和主天线旁瓣接收到的干扰信号等幅反向，对消（相减）后剩余为0，也就是雷达主天线在干扰方向形成波束零陷。对于连续波或窄带噪声干扰信号，旁瓣对消可以使主天线中的接收信噪比改善20~30 dB。

在图2中，y(t)表示主天线在t时刻收到的信号采样；X1(t)，X2(t)，X3(t)，…，XN(t)表示各辅助天线在t时刻收到的信号采样，N为辅助天线数量；W1，W2，…，W N表示加权系数；R表示对消输出，可表示为：

且：

式中，W∗n表示W n的共轭，H表示共轭转置。式（1）表明对消剩余就是由主天线信号减去权值矢量和副主天线信号的内积，目的是使对消剩余功率最小。用统计表示为：E=(|R|2),即：

式中，R XY为主天线和辅助天线输入信号的互相关矩阵，R XY=E(X∗Y∗)；R XX为辅助天线输入信号的自相关矩阵，R XX=E(X∗XH)。

欲使对消剩余P最小，对式（2）两端的权值矢量W求导数，并使导数为0，即可求得每一个权值分量W1，W2，…，W N，即：

可以得到最优权值矢量为：

式中，

这样对消剩余P的最小值为：

式（2）表明，要实现旁瓣对消，必须同时对主通道的波束合成数据和辅助通道的数据进行采样，然后计算辅助通道自相关矩阵和主辅通道的互相关矩阵，并对自相关矩阵求逆，逆矩阵和互相关矩阵相乘得到自适应最优权值矢量。主通道的波束合成数据减去自适应权值矢量与辅助通道数据的乘积即得到最佳旁瓣对消输出，对消比正比于旁瓣干扰功率，旁瓣干扰功率越大，对消比越大。

下面进行对消效能仿真：假定对消系统由20个阵元的主天线和2个辅助天线等距直线阵组成，阵元间距为d=λ/2，目标信号方向为0°，干扰信号为窄带噪声，方向分别为20°和40°，对消前后主天线输出的仿真结果如图3所示，在图3（b）中，雷达天线方向图2个干扰源方向在原副瓣电平基础上又形成了40多分贝的零陷，显然这一措施将削减干扰信号40 d B，抑制支援式干扰很有效。

图3 自适应旁瓣对消波束方向图

2 自适应旁瓣对消技术特点

阵列雷达自适应旁瓣对消一般在中频和通道脉压之前完成，对消的带宽就是中频接收带宽，比雷达信号带宽略宽一些。据上文对ASLC原理及权值的求解分析可知，在自适应旁瓣对消系统中，存在2个影响对消效能假定的前提条件，一是假定辅助天线收到的目标信号相对主天线收到的目标信号很小，可以忽略；二是假定辅助天线中收到的干扰信号只和主天线中旁瓣收到的干扰信号相关，而和主天线中收到的目标信号不相关。若违反了这2个假定前提条件，对消效能将会受到严重影响。

在自适应旁瓣对消系统中，存在着多种影响干扰对消性能的因素，如量化噪声、干扰信号的带宽、干扰信号和目标信号的相关性、接收机的幅相误差、辅助通道个数等。由于对消系统的幅度相位误差、采样量化误差、接收机的幅相误差、辅助通道个数以及闭环算法中的自适应对消处理的算法收敛时间等因素属于雷达系统设计，干扰方并不能利用这些来优化旁瓣干扰的效能，故在此并不讨论，本文主要讨论干扰源数量（相应于辅助通道个数）、干扰信号带宽、干扰信号相关性、闪烁干扰、饱和干扰等干扰方法对自适应旁瓣对消性能的影响。总结起来影响旁瓣对消性能的因素包括：

1）各主辅天线接收机通道的幅相失衡误差越大，旁瓣相消效果越差；

2）闭环算法中自适应对消处理的算法收敛时间越长，旁瓣相消效果越差，辅助通道数不能太多；

3）干扰信号带宽越宽，旁瓣相消性能越差，原因是最优权值必须针对每个频率计算不同的权值，只对一个频率计算权值必然增大对消误差；

4）干扰源个数大于对消天线个数，对消产生的零陷个数不足，旁瓣对消无效；

5）辅助天线接收到的干扰信号和目标信号相关性越好，旁瓣相消性能越差；

6）辅助天线中目标信号电平越大，对旁瓣相消效果越差。

3 自适应旁瓣对消对抗办法

根据前面对ASLC性能特点的分析，虽然宽带干扰信号能够部分抑制ASLC的性能，但是干扰信号带宽受到雷达中频接收带宽的限制，一旦干扰信号带宽超出雷达接收带宽，干扰信号将被雷达接收机滤波，造成干扰功率损失，因此在对抗装备的工程设计上，干扰信号一般不能采用宽带噪声干扰信号。

虽然当分布式干扰源数量大于雷达对消辅助通道数量时，ASLC不能形成足够数量的天线方向图零陷对准所有干扰源，致使对消失败[1]，但是这需要数量较多的高功率旁瓣干扰机同时干扰一部雷达，工程上实现比较困难。据公开资料报道，“爱国者”系统的AN/MPQ-53相控阵雷达只有5个用于旁瓣对消的辅助天线通道；“宙斯盾”系统中的AN/SPY-1D雷达有6个辅助天线；俄罗斯C-300系统中的火控雷达则只有2个辅助天线。因此，大功率分布式相参干扰机的数量至少应在6部以上，才能保证对一部雷达的旁瓣干扰有效。

比较可行的办法是采用现代相参储频技术使大功率干扰信号和目标信号尽量相关，降低雷达的对消比，从而达到旁瓣压制干扰的目的，相参干扰信号可以是数字调制的多普勒噪声信号或者旁瓣密集多假目标信号。

4 相关干扰方法

ASLC技术的核心是辅助天线接收的干扰信号与目标信号不相关，而与主天线旁瓣接收的干扰信号相关，认为主天线旁瓣接收的目标信号为0；如果辅助天线接收的干扰信号和主天线接收的目标信号相关，存在固定的幅度相位关系，则加权后和主天线收到的信号进行对消会严重降低对消效果。理论推导表明：如果干扰信号与目标回波信号完全相关，则对消比等于主通道中的干信比[2]，也就是论证干扰功率需求时的压制比，对干扰功率的需求并不大。

在ASLC中，如果辅助通道接收到的干扰信号和主通道中目标信号存在相关性，则对消时除非干扰信号和目标信号完全不相关，否则辅助通道中的干扰信号加权后除了会对消主通道中的干扰信号以外，还将对消掉主通道中目标信号与之相关的成分，即频谱混叠部分。而实际上，完全不相关不可能，因为干扰信号与目标信号同频才能被接收，所以频谱混叠越多，目标信号与干扰相关性越强，则目标信号被相消越严重。

既然对消的机理是假定旁瓣干扰信号和目标信号不相关，旁瓣干扰机采用近距离全脉冲相参储频就可获得和目标信号相关的样本信号，采用延时+移频干扰就可有效破坏雷达的旁瓣对消性能。

下面进行对消效能仿真：假设目标回波信号为载频为10 kHz的正弦信号，干扰信号的频偏分别为1 kHz和0.2 kHz。频偏越大，相关性越小，反之则相关性越大。假设干信比JSR为40 dB，目标回波位于0°方向，干扰信号位于40°方向。比较图4和图5可知，当干扰信号与目标信号相关性较小时，ASLC能够很好地抑制旁瓣干扰，仿真中对消比可达38 dB；而当干扰与目标信号相关性较强时，ASLC无法有效抑制旁瓣干扰，对消比只有23 d B。因此，利用转发式干扰能够很好地提高旁瓣干扰效率。

图4 干扰频偏为1 kHz时自适应旁瓣对消前后仿真

图5 干扰频偏为0.2 kHz时自适应旁瓣对消前后仿真

假设目标信号与干扰信号相关，如图6所示，阵元数N=10，阵元间距d=λ/2，干扰信号在30°方向，JNR=50 dB，主瓣θ0=0°方向增益为1。仿真结果在30°干扰方向没有形成零陷，干扰没有被抑制。

图6 相关干扰无法对消抑制

假设2个干扰信号同时存在，如图7所示。在2个干扰非相关时，自适应波束形成器能够在2个干扰源真实位置形成相应的零陷；而当2个干扰相关时，在2个干扰位置均未产生零陷，若此干扰为非平稳信号，则意味着干扰信号可能无法被有效抑制。

图7 2个非相关/相关干扰下的对消结果

5 闪烁干扰方法

早期的军用雷达不能做到距离单元内实时对消权值更新，而是将重复周期分为对消检测期和休止期，计算对消权值时在雷达的休止期采样[3]，这样能保证在休止期内没有采样目标回波信号，主辅助通道内获得的信号样本只有旁瓣干扰信号，保证主辅助通道内干扰信号的相关性。如图8所示，雷达的对消权值计算和对消处理是异步进行的，干扰方可以采用以下措施对抗：

图8 单机闪烁干扰时序设计

1）单机闪烁干扰

单机闪烁干扰就是单台干扰机自适应雷达重周干扰，即每个雷达重周只干扰50%~80%重复周期的时间，然后关机侦察雷达信号。由于干扰源关机，雷达的权值采样只有环境噪声而没有干扰，从而使雷达权值计算错误，导致对消失败。

闪烁方式有2种：一种是单机间断开机干扰，见图8方式1；另一种是干扰样式间断切换干扰，见图8方式2。其核心是破坏雷达对消权值采样。

2）多机闪烁干扰

2台相同的旁瓣支援式干扰机分布在雷达不同的方向，2台干扰机实时侦察雷达重频并自适应雷达重频，采用交替开机进行闪烁干扰，使雷达的自适应旁瓣对消失效，如图9所示。方式1中，干扰源1实施噪声干扰，干扰源2实施闪烁干扰；方式2中，2个干扰源实施同步闪烁干扰；方式3中，2个干扰源实施异步闪烁干扰。

图9 二机闪烁干扰时序设计

下面进行对消效能仿真：假设目标回波信号为中心载频为11.5 kHz、带宽为3 kHz的三角扫频线性调频信号，目标回波位于0°。干扰信号1为噪声干扰，干扰信号2为点频20 kHz的正弦信号，JSR均为40 dB，分别位于20°和40°，采用交替式闪烁工作方式。

若雷达采用开环算法，假设雷达ASLC技术采样计算权重时，只采集到了干扰信号1，因此，自适应对消权重中不含干扰信号2的信息。当雷达将该权重用于后续信号处理时，干扰信号1被有效抑制，而干扰信号2则无法被抑制，如图10所示。

图10 闪烁式干扰使雷达对消功能失效

若雷达采用闭环算法，如LMS准则，当只存在一个干扰时，如图11（c）示，采用闭环算法的ASLC技术需要一定收敛时间，达到稳定后，系统即可将旁瓣干扰信号很好地消除。当2个干扰采用快速闪烁方式工作时（交替时间间隔小于ASLC算法收敛时间），则雷达ASLC系统无法到达稳定状态，即旁瓣干扰无法被有效抑制，如图11（d）所示。因此，采用多个干扰源分布于空间不同角度，合理设置其工作时序，构成空间非平稳的干扰，就能够有效对抗ASLC技术。

图11 闪烁式干扰前后对闭环算法影响

6 结束语

现代军用雷达采用了ASLC技术，对旁瓣支援式干扰的作战效能影响很大。若干扰信号采用窄带瞄频噪声样式，则干扰信号能量将至少被削减20 d B以上，理论上彻底对消，干扰效能将严重下降。若干扰信号采用强相关多假目标样式或多普勒噪声干扰样式，则根据仿真，干扰信号被对消的程度有限，干扰功率需求不大，工程上易于实现。干扰方应尽可能采用多点分布式抵近干扰的作战方式（如各种无人滞空悬浮平台），由于旁瓣密集假目标个数在方位和距离上远远超过雷达的饱和处理能力，阵列雷达将再也没有时间分配搜索波束，也就达到了旁瓣压制的目的。■