基于干擾機組網的新型相參干擾技術研究

李修和

(電子工程學院，合肥 230037)

0 引言

隨著現代雷達技術的進步，相干雷達信號的廣泛應用，傳統的噪聲干擾信號能量已經很難進入雷達接收機的信號處理終端，從而使干擾效率降到很低，為此產生了“靈巧噪聲”(smart noise）干擾技術［1-2］。“靈巧噪聲”干擾技術改變了傳統壓制性干擾的“功率”密集型，而轉向“技術”集約型。另外，由于科技的發展，電子戰從大型專用裝備向裝備小型化和網絡化發展成為當今一大潮流，近距離相參干擾系統就是其中之一。文獻［3］介紹了美軍開發的“狼群”系統，文獻［4］報道了我國對干擾機組網技術的研究，但都未涉及具體的技術問題。本文在深入分析現代雷達抗干擾能力的基礎上，對比傳統遠距離支援干擾技術(SOJ），重點研究了組成近距離相參干擾系統(SFJ）的干擾機原理框圖及其使用的干擾樣式，詳細分析了此種干擾技術的功率利用率和時頻特性并進行了計算機仿真，結果表明近距離相參干擾系統壓制性干擾較寬帶阻塞式干擾有較大的優越性。

1 雷達ECCM技術與“靈巧噪聲”干擾技術

1.1 雷達ECCM技術

對于SOJ 這種阻塞式壓制干擾，雷達所采取的ECCM技術都是以增大雷達對目標的輻射能量和抑制進入雷達接收機的干擾能量為目標，從而減小雷達接收機端內的干信比。影響SOJ 效果的雷達ECCM技術有以下幾種［5］:

(1）增大雷達對目標的輻射能量 主要是PC、PD 體制雷達采用新的信號形式和相控陣天線技術提高了雷達對目標的輻射能量。

(2）頻域上降低干擾功率密度 主要是捷變頻雷達和大帶寬的擴譜信號迫使干擾機增大帶寬，從而稀釋了干擾功率密度。

(3）空域上降低干擾功率密度 主要是超低副瓣接收、副瓣對消和副瓣匿隱技術稀釋了干擾功率密度。

(4）信號處理方式降低了干擾功率利用率 主要是PC和PD 等體制雷達的相參處理技術降低了干擾功率利用率。

1.2 “靈巧噪聲”干擾技術

“靈巧噪聲”干擾又稱為多樣調制干擾或覆蓋脈沖干擾［6］(cover pulse），是一種有效的靈巧干擾樣式。傳統的噪聲干擾是通過發射大功率的噪聲調制干擾信號作用于對方雷達接收機的AGC(自動增益控制）系統，降低雷達目標的發現概率。而“靈巧噪聲”干擾是通過發射靈巧的干擾信號樣式，使得其能有效通過對方雷達接收處理系統，并作用在雷達顯示系統上，使得操作者很難發現和分辨雷達目標的回波信號。

“靈巧噪聲”干擾信號是將假目標和隨機噪聲干擾組合使用的干擾波形。這種干擾波形不僅具有雷達發射脈沖相干性，而且兼有噪聲干擾的性質，使雷達信號處理器從干擾背景中提取真實目標時面臨的問題更復雜［7］。把隨機假目標和似噪聲回波響應組合的高占空比的干擾波形可以有效對付采用相干處理技術的PC雷達、PD雷達以及旁瓣匿影或旁瓣對消技術。對于采用相干處理技術的PC 或者PD雷達，“靈巧噪聲”干擾機在其目標回波附近發射許多相干噪聲猝發脈沖。這些脈沖在時間上與雷達真正的目標回波重疊并且覆蓋住目標回波，在頻域上能覆蓋并混亂多普勒濾波器，使有效的噪聲干擾功率得到加強。而旁瓣匿隱技術只對低占空比的脈沖干擾有效［8］。當假目標干擾的干擾功率比較高而且數量非常眾多(密集假目標干擾）時，雷達系統的主路接收機將在大部分時間內處于關閉狀態，丟失主瓣探測數據。旁瓣對消技術［9］主要是利用相干對消對付旁瓣噪聲干擾。由于“靈巧噪聲”信號是對雷達發射信號的存儲、調制和轉發，相關性強，所以旁瓣對消技術對“靈巧噪聲”干擾的對消效果比較差。同時，旁瓣對消器是有時間常數的，對脈沖不響應，因此一般不能抑制脈沖型的旁瓣信號。而“靈巧噪聲”干擾信號具有脈沖信號的特征，所以能有效對抗雷達的旁瓣對消技術。

2 近距離相參干擾系統

2.1 干擾原理分析

近距離相參干擾系統是將眾多體積小、重量輕、價格便宜的小型電子干擾機散布在接近被干擾目標的空域、地域上，自動地或者受控地對選定的軍事電子設備進行干擾。而這里的相參干擾是指采用“靈巧噪聲”的干擾信號樣式，它能有效通過雷達壓縮濾波處理系統，獲得相應的相干處理增益。在圖1中是以傘降的方式向雷達陣地附近撒布干擾機。根據干擾原理，干擾距離減少十分之一，則干擾強度增大100 倍。可見同樣的干擾功率，近距離相參干擾系統的近距離干擾可以比SOJ 產生高得多的干擾強度;干擾信號不會受到低副瓣天線、副瓣匿隱或者對消的抑制，因而其干擾功率可以比副瓣干擾高40～60 dB。近距離相參干擾系統散布在不同的地域、空域，因而可以形成多方向的主瓣干擾扇面。這種多方向干擾扇面的組合，便可以形成大區域的壓制性干擾扇面。不同方向的干擾信號進入波瓣自適應調零天線，當干擾方向大于或者等于自適應調零天線陣元數目時，自適應調零控制失效，干擾信號便可以順利地進入雷達接收機。

綜上所述，近距離相參干擾系統是一種先進的干擾技戰術措施，它具有如下的特點:

(1）變副瓣干擾為主瓣干擾，以滿足干擾方向對準的條件，能有效利用干擾功率;

圖1 近距離相參干擾系統示意圖

(2）變單向干擾為多向干擾，能有效對付雷達的旁瓣對消技術等;

(3）變遠距干擾為近距干擾，以滿足干擾功率足夠大的條件，能有效對付雷達的頻率捷變技術并降低干擾功率的衰減損耗;

(4）變阻塞干擾為瞄準干擾，以滿足干擾頻率對準的條件，能有效提高干擾的效率，即以較小的干擾功率達到較好的干擾效果。

2.2 干擾機設計

如圖2所示，圖中實線箭頭表示信號路徑，虛線箭頭表示控制路徑。這個先進的相參干擾機最重要的組成部分是數字射頻存儲器(DRFM），它是由一個高速A/D 轉換器、一個高速RAM和一個高速D/A 轉換器組成。射頻天線接收到的雷達脈沖信號輸入，首先通過混頻器下變頻到DRFM中的A/D 轉換器能處理的帶寬內，下變頻后的雷達脈沖由A/D 轉換器進行采樣，采樣的速率要足夠高，以便獲取完整的脈沖信號瞬時帶寬內信息和整個工作帶寬內信息，以應對雷達脈沖信號的跳頻。一般為達到這個要求，采樣速率都在1 GHz 或更高。然后，脈沖采樣信號被讀入高速RAM存儲一段時間，存儲的時間由控制器控制。當需要對該雷達信號進行干擾時，由控制器控制讀出該采樣信號并送至D/A 轉換器，接著信號送到調制器與干擾信號源進行附加調制，得到想要的干擾信號波形，然后對該信號進行上變頻并送到發射天線發射出去。在上變頻期間，通過直接數字合成器(DDS(頻率源））把一個額外的多普勒頻率加到雷達脈沖中去，達到距離與速度的雙重欺騙或壓制效果。干擾信號的數量由硬件中上變頻信道數決定(本文以兩路信號為例）。

圖2 相參干擾機的組成框圖

2.3 干擾效能評估

以雷達對目標檢測概率作為分析的指標，比較在傳統的SOJ和本文提出的SFJ 干擾條件下雷達工作性能的變化情況和評估干擾的效能。

對于遠距離支援干擾，雷達接收機端內信干比為

式中，Pt為雷達發射功率，Gr為雷達天線增益，σ為目標的雷達截面積，Rji為干擾機i 距雷達的距離，Gj為干擾天線增益，Grj(θ）為雷達天線在干擾機方向上的增益，Lr為雷達系統損耗，Lji為干擾機i的損耗，△fr為雷達接收機帶寬，R為目標距雷達的距離。

對于近距離相參干擾系統壓制性干擾，雷達接收機端內信干比為

式中，Lji為干擾機i的損耗，D為“靈巧噪聲”獲得的相干處理增益，Pji為干擾機i的發射功率，Gji為干擾機i的天線增益，△fji為干擾機i的帶寬，Grji(θ）為雷達天線在干擾機i方向上的增益，γji為干擾機i的極化損失，n為干擾機數量，而式中其他參數含義同前。

為便于分析，不妨設所有組成近距離相參干擾系統干擾機的性能參數一樣，干擾機的損耗記為Lj，干擾機的極化損失記為γj，干擾機的發射功率記為Pj，干擾機的天線增益記為Gj，干擾機的帶寬記為△fj。近距離相參干擾系統近距離壓制干擾條件下，雷達接收機端內信干比可簡化為

式中參數含義同前。

在Neyman-Pearson 準則下，雷達的發現概率可用下式表示:

式中，n為脈沖積累數，SNR為無干擾條件下雷達接收機的信噪比，而干擾條件下SNR 可用SJR 替換表示。

3 計算機仿真

3.1 仿真試驗1

針對同一部雷達，采用SOJ和SFJ兩種戰術作對比試驗，考察兩種干擾戰術的干擾效能，考核指標為雷達檢測概率。雷達技術參數有:發射功率300 W，天線增益40 dB，接收機帶寬2.5 MHz，平均旁瓣增益－35 dB，系統損耗4 dB，噪聲系數10 dB，最小可檢測信干比3 dB。目標RCS 設為3 m2。SOJ和SFJ的參數有:發射功率分別為200 W和15 W，距雷達的距離分別為150 km和30 km，干擾機系統損耗分別為15 dB和6 dB，極化損失均為0.5，干擾天線增益Gj分別為25 dB和5 dB，干擾機帶寬△fj分別為30 MHz和5 MHz，SFJ的干擾機數分別為1、3、5，參數完全相同。

根據式(1）、(2）和(4）分別計算采用兩種干擾戰術時，在不同干擾條件下，雷達的檢測概率隨目標距離變化關系圖。仿真結果如圖3所示。

圖3 雷達受干擾后的檢測概率隨目標距離變化仿真圖

通過上述仿真試驗，可以得到以下3 點結論:

(1）SOJ 遭遇雷達ECCM的挑戰，干擾效能急劇下降，雷達的檢測概率受干擾影響較小;

(2）SFJ 由于干擾距離的抵近，降低了干擾功率隨距離的衰減，增大了干擾功率密度，降低了對干擾機發射功率的要求;

(3）由于是組網干擾，干擾功率在雷達接收機處得到疊加，提高了干擾功率密度，且隨著干擾機數量的增加，干擾效果會更加明顯，雷達的檢測概率受到了較明顯的影響。

3.2 仿真試驗2

為了進一步驗證近距離相參干擾系統產生的干擾信號對付PC雷達的優越性，選取LFM雷達為例，采用射頻噪聲干擾波形和“靈巧噪聲”干擾波形進行仿真試驗，考察它們的干擾效能，對比匹配濾波輸出，分別計算雷達接收機端內的干信比增益。其中，LFM信號的載頻為30 MHz，調頻范圍為2 MHz，脈沖寬度為10 ms;噪聲服從高斯分布，寬度為1 ms。雷達發射信號和干擾信號波形以及射頻噪聲干擾和“靈巧噪聲”干擾的壓縮濾波結果如圖4所示。

圖4 雷達信號及干擾信號的壓縮濾波輸出

由雷達信號參數可以得出，匹配濾波器的壓縮增益為D=BT=2000。干信比增益定義為輸出端干信比與輸入端干信比之比。結果如表1所示，可見“靈巧噪聲”干擾的干信比提高了9 dB。

表1 干信比增益

通過上述仿真試驗，可以得到以下兩點結論:

(1）由于雷達采用了壓縮濾波處理技術，稀釋了非相參干擾的功率密度，使得射頻噪聲干擾效能急劇下降;

(2）采用“靈巧噪聲”相參干擾波形，干擾信號具有雷達信號的脈內或脈間調制特性，在時域壓縮了干擾能量，使得干擾能量更加集中，從而能有效提高干擾功率利用率。

3.3 仿真試驗3

雷達干擾機近距離相參干擾系統從不同方位對對方雷達施放干擾信號，對方雷達為脈沖壓縮體制，且具有旁瓣對消技術，對消自由度為3(4 元陣）。仿真場景如圖1所示，不同干擾方位數條件下的天線方向圖如圖5所示。

通過上述仿真試驗，可以得到以下5 點結論:

(1）4 元陣的對消系數為3，雖然圖5中的4 幅圖都有3個凹口，但干擾方位數大于對消系數時，對消性能下降;

圖5 不同干擾方位數條件下雷達天線方向圖

(2）如圖5(a）所示，當干擾方位數為1時，4 元陣的對消效果較好。在60°的干擾方向形成了約－50 dB的天線增益，起到較好的副瓣對消效果，壓制了干擾功率進入雷達接收機;

(3）如圖5(b）所示，當干擾方位數為2時，4 元陣的對消效果較好。在40°和60°的干擾方向分別形成了約－47 dB和－49 dB的天線增益，起到較好的副瓣對消效果，壓制了干擾功率進入雷達接收機;

(4）如圖5(c）所示，當干擾方位數為3時，4 元陣的對消效果較好。在20°、40°和60°的干擾方向分別形成了約－68 dB、－59 dB和－55 dB的天線增益，起到較好的副瓣對消效果，壓制了干擾功率進入雷達接收機;

(5）如圖5(d）所示，當干擾方位數為4時，4 元陣的對消效果變差。在20°、40°、60°和80°的干擾方向分別形成了約－40 dB、－36 dB、－32 dB和－50 dB的天線增益。

4 結束語

隨著雷達對抗技術的迅猛發展，如何更好地干擾對方的現代雷達己經成為必須加緊研究的課題。雷達面對噪聲干擾所采取的措施是盡可能寬地擴展其發射能量的頻率范圍以迫使干擾機稀釋其有效輻射功率密度，采用窄帶濾波技術對回波信號進行相干處理以獲得相應的處理增益，并且盡可能使其對從天線旁瓣進來的信號的響應最小。從本文的分析結果來看，即使對寬帶低旁瓣雷達，近距離相參干擾系統在主波束干擾方面仍具有優勢。輕便靈巧的小型干擾機是雷達對抗的發展方向，近距離的干擾戰術和相參干擾技術是對付新體制雷達的好方法。

［1］張煜，楊紹全.對線性調頻雷達的卷積干擾技術［J］.電子與信息學報，2007，29(6）:1408-1411.

［2］周青松，張劍云，李小波.基于窄帶DRFM的靈巧噪聲干擾技術［J］.電子工程學院學報，2008(2）.

［3］四明.“狼群”智能傳感器網絡［J］.國際航空雜志，2005(7）:26-27.

［4］陳開林.有源干擾機組網技術分析［J］.電子對抗技術，2002(1）:10-13.

［5］李可達.現代雷達基本抗干擾技術［J］.航天電子對抗，2004(2）:15-19.

［6］胡生亮，金嘉旺，李仙茂.雷達旁瓣對消的多方位飽和干擾技術研究［J］.雷達與對抗，2003(3）:45-49.

［7］常晉聃，易正紅，甘榮兵.相關干擾對旁瓣對消系統性能的影響［J］.中國電子科學研究院學報，2009，4(1）:89-92

［8］楊堅.PD和脈壓雷達相參干擾技術研究［J］.電子對抗技術，1999(2）:15-19.

［9］吳一戎，胡東輝.一種新的合成孔徑雷達壓制干擾方法［J］.電子與信息學報，2002 (11）:1664-1667.