基于復雜電磁環境下的雷達抗干擾技術*

任鵬沖 葉廣強 劉華偉 張卓然

(空軍工程大學航空航天工程學院 西安 710038)

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基于復雜電磁環境下的雷達抗干擾技術*

任鵬沖 葉廣強 劉華偉 張卓然

(空軍工程大學航空航天工程學院 西安 710038)

分析了復雜電磁環境下雷達的抗干擾技術。隨著電子對抗技術的不斷發展及其在軍事上的不斷應用,未來戰場更加復雜的電磁環境將對雷達的正常工作提出更高的挑戰,從而使得雷達抗干擾技術成為當前研究的重要課題。論文從復雜電磁環境對雷達探測的影響及雷達抗干擾技術的特點出發,對復雜電磁環境下的雷達抗干擾技術及其工作原理進行了重點分析,并指出了當前形勢下雷達抗干擾技術的發展趨勢。

電磁環境; 雷達; 抗干擾; 發展趨勢

Class Number TN955

1 引言

隨著電子信息技術的不斷發展,未來高技術條件下的敵我雙方戰爭越來越集中在制信息權和制空權的爭奪上,雷達作為現代戰爭的“千里眼”,具有全天候和遠距離探測的能力,在戰爭中發揮著越來越重要的作用。然而,雷達在現代戰場上面臨著復雜電磁環境下的多種威脅,其中電磁干擾已經改變了雷達設計的傳統觀念,隨著干擾技術手段的不斷升級,雷達抗干擾技術也在不斷地發展。雷達在復雜電磁環境下的生存能力越來越成為影響戰爭全局勝負的關鍵因素,現代雷達對抗的新技術也越來越集中體現在雷達抗干擾的性能上,因此,提高雷達的抗干擾能力是當前雷達所面臨的重要課題[1]。

2 復雜電磁環境對雷達探測的影響

1) 復雜電磁環境影響戰場感知的真實性。復雜電磁環境擴大了戰場范圍,使得目標多雜、干擾不斷,雷達本身也面臨著隱身目標、超低空突防、反輻射導彈、電磁脈沖炸彈、高功率微波武器等新技術武器的綜合威脅,倘若敵方施加大面積的強烈電磁干擾,則很有可能使戰場電磁環境混亂不堪,造成電磁密度分布過大使空域飽和,致使各種傳感器失去效能不能正常感知戰場的態勢,從而嚴重影響戰場作戰指揮人員的判斷與決策[24]。

2) 復雜電磁環境干擾導航系統。雷達對目標跟蹤定位主要依靠其導航系統,無線電導航是艦船、飛機及各種航空武器主要的定位導航手段。一旦敵方對我導航設備施加特定的有意干擾,將極大地影響導航設備的精確性,致使艦船偏離航向、飛機脫離軌道、導彈無法精確命中目標等不可挽回的損失。對無線電導航系統干擾最常用的兩種方式是瞄準式干擾和阻塞式干擾,其中瞄準式干擾是使用與導航信號相同的載波頻率、干擾樣式和相關參數,運用定向天線對準敵方地域施加特定的區域性干擾;阻塞式干擾是指在阻塞寬頻帶內對所有頻段的無線電信號施加的有效干擾。

3) 在復雜電磁環境下電磁兼容問題更加突出。一方面,復雜電磁環境使雷達與其它電子系統、電子設備的電磁兼容難度加大,為了提高武器裝備自身的戰斗性能,經常需要對其電子系統采取某種技術手段,來克服武器裝備或者電子系統的電磁兼容難題,這必將導致新型武器裝備或電子系統的研制周期加長,投入代價更大;另一方面,如果武器裝備或系統自身的電磁兼容性不好,不僅無法完成戰斗任務,同時還會影響到其它系統的正常工作[2]。

3 雷達抗干擾技術特點

隨著軍事高技術的迅猛發展,各種新型雷達體制迅速崛起和廣泛應用,以滿足軍事電子戰高技術激烈對抗的需求,在雷達電子對抗日益激烈的形勢下,現代雷達抗干擾技術應具備以下特點: 1) 雷達天線要具有高增益、低副瓣、窄波束、低交叉極化響應、副瓣匿隱、電子掃描相控陣和單脈沖測角技術; 2) 雷達系統必須要以高速計算計為基礎進行快速的數字信號處理、信息交換與傳遞,以提升系統的響應速度和應對復雜電磁環境的適應力; 3) 在頻域上,雷達系統應占有更多的電磁頻譜資源;在能量上,盡可能地發揮雷達在空域、時域和頻域上的能量集中優勢,來減弱電子干擾的輻射影響[6～7]; 4) 雷達系統應具有綜合的多功能能力,既能應對積極干擾,又能及時判明消極干擾; 5) 雷達系統應具有全方位、全頻段大功率多功用以及能夠對付多目標的多波束能力; 6) 雷達系統應朝著集成化和模塊化的方向發展,以提高雷達系統應對各種復雜戰場環境的適應性和生存力[3]。

4 復雜電磁環境下的雷達抗干擾技術

現代雷達的干擾和抗干擾技術永遠是一對矛盾的兩方面,沒有干擾不了的雷達也沒有抗不了的干擾,它們相互斗爭、相互促進、共同發展[8～10]。在雷達對抗日益激烈的趨勢下,各種雷達干擾技術不斷被提出,而針對復雜電磁環境下的雷達抗干擾技術也一直在相應的發展之中。如何抵抗敵方的干擾,保持己方雷達的戰斗力,并將研究成果迅速運用于戰場,復雜電磁環境下的雷達抗干擾斗爭開始在空域、頻域、功率域、調制域及系統上全面展開。

4.1 空域抗干擾

空域內的雷達抗干擾技術主要有超低副瓣天線、副瓣消隱、單脈沖測角、相控陣天線掃描捷變以及雷達組網等。

1) 低副瓣天線。一般情況下雷達的噪聲干擾是通過副瓣進入接收機的,因此,超低副瓣天線有效的提高了雷達對抗各種副瓣干擾的能力,使得敵方針對雷達副瓣信號的偵查、測向和干擾變得難上加難,大大地提升了雷達系統的抗干擾能力和反偵察能力[4]。

2) 副瓣消隱。副瓣消隱一般有兩個獨立的主副通道組成,它的工作原理是將進入主通道的干擾信號和副通道接收到的回波信號在比較器中進行比幅,然后利用選通的原理來消除干擾,使用這種方法的好處是結構簡單,容易實現[5,11];副瓣消隱的工作原理框如圖1所示。

圖1 副瓣消隱的工作原理框圖

3) 單脈沖測角。單脈沖測角是雷達中常用的一種測角方法,它利用多個天線同時接收回波信號通過比較回波信號的相位或幅度來獲得目標的角位置信息。單脈沖測角的技術特點是可以對抗角度欺騙干擾。目前應用最廣泛的單脈沖測角方法主要有四種:振幅-振幅式、相位-相位式、振幅和-差式及相位和-差式[12];

4) 相控陣天線掃描捷變。相控陣天線掃描捷變是利用相控陣天線的電子掃描特性,對被探測的目標進行隨機掃描。因為雷達天線照射目標的時間表現為很大的隨機性,從而使接收機很難偵察、識別及定位雷達[11]。

5) 雷達組網。雷達組網是指將處于同一區域多種型號的多部雷達連接成一個網絡,使得它們所獲得的情報資源能夠相互支援和相互融合,在當今日益復雜的電磁環境中,這種組網探測的方式能夠有效地抵抗外界的干擾,并能且大大地提高雷達對敵方目標的偵察識別和跟蹤定位能力。

4.2 頻域抗干擾

雷達在頻域內的抗干擾技術主要有自適應頻率捷變、窄帶濾波、頻率分集和頻譜擴展等。

1) 自適應頻率捷變。頻率捷變技術是頻域對抗最主要的抗干擾措施,現代雷達為了應對復雜多變的干擾手段,提高抗干擾效果,一個重要特點就是很多參數都可變。如雷達工作時的頻率、脈沖寬度、發射功率、接收機帶寬等,自適應頻率捷變技術使用現代技術手段對雷達周圍的電磁干擾環境進行實時監測,同時根據監測的結果自動算出雷達最佳的技術參數;自適應頻率捷變抗干擾原理框圖如圖2所示。

圖2 自適應頻率捷變抗干擾原理框圖

包括寬頻帶偵察接收機、干擾頻譜分析器、最佳頻率代碼送頻器等,它的工作原理是根據干擾頻譜分析的結果找出干擾強度最弱的頻段,然后調整雷達發射信號的載頻到對方干擾最弱的頻率上,大大地提高了雷達的抗干擾能力[13]。

2) 窄帶濾波。雷達信號在同一個脈沖組內的信號具有相干性,它能形成非常窄的譜線。使用窄帶濾波器可以把這些譜線過濾出來,同時極大地抑制了窄帶濾波器外面的雜波干擾和干擾噪聲[13,20]。因此應用相干信號和窄帶濾波的雷達是對抗雜波干擾和干擾噪聲的有效措施。

3) 頻率分集技術。頻率分集是指為完成同一任務采用差別較大的多個頻率近似同時工作的一種技術[15]。只要分集的帶寬大于瞄準干擾的帶寬,頻率分集技術就能很好地對抗瞄準式干擾。在對抗寬帶阻塞式干擾時只要增大雷達頻率分集的帶寬就能迫使干擾機加大干擾頻譜寬度,從而使干擾的功率譜密度降低,大大地改善雷達的抗干擾性能;典型的頻率分集雷達簡化框圖如圖3所示。

圖3 頻率分集雷達簡化框圖

4) 頻譜擴展。隨著電子技術的不斷發展,現代雷達大多采用擴譜技術。應用擴普技術的雷達帶寬會被展寬,這樣做的好處是,一方面可以提高雷達的探測距離,另一方面由于雷達發射信號帶寬被展寬,在平均發射功率不變的情況下,單位頻帶內信號的功率密度就會降低,使得敵方偵察設備很難檢測到這種雷達信號,從而加大了對己方雷達設備干擾的難度。

4.3 功率域抗干擾

雷達在功率域內的抗干擾斗爭主要有對雷達的恒虛警處理、自動增益控制、目標幅度起伏特性識別、大信號限幅等。

1) 恒虛警處理。恒虛警處理是一種通過設置檢測門限使得雷達的虛警概率控制在一定范圍內的信號檢測方法。它不提高雷達的信噪比,但能保障雷達系統的信號處理設備不因信號飽和而過載。應用恒虛警處理技術可以減少雷達在強烈脈沖干擾和密集連續波干擾下所產生的虛假信號,同時降低了雷達告警的的虛報概率[14]。

2) 自動增益控制。自動增益控制是指雷達根據先前設定好的準則,當噪聲干擾和密集的連續波脈沖干擾進入雷達接收機時,自動控制接收機的增益,避免這些干擾信號導致接收機過載,此外降低接收機的信號增益電平還能抑制小目標的回波。目前應用比較廣泛的是瞬時自動增益控制[23](IAGC),它是一種用于雷達接收機部分的防過載電路,可有效抑制由等幅波干擾、寬度脈沖干擾和低副瓣脈沖干擾所引起的雷達接收機中頻放大器過載,利用負反饋原理,根據輸入干擾信號的電平變換自動調整中頻放大器的的增益[11,14];瞬時自動增益控制原理方框圖如圖4所示。

圖4 瞬時自動增益控制原理方框圖

3) 目標幅度起伏特性識別。目標幅度起伏特性識別是功率與上識別目標的主要方法,它根據目標反射回波幅度的起伏變化來判斷目標的類型,這種措施的好處是比較容易實現。由于它對目標信號的信噪比要求較高,因此比較適合對強烈噪聲干擾信號的目標識別。

4) 大信號限幅。大信號限幅是一種防止信號對接收機干擾和沖擊的抗過載措施。其基本原理是一種用于功率域和頻率域的寬-限-窄抗干擾電路[16]。寬-限-窄電路原理框圖如圖5所示。

圖5 寬-限-窄電路原理框圖

它包括寬帶放大器、限幅器和窄帶放大器,利用頻域和功率域抗干擾原理多次“整削”噪聲調頻干擾信號的能量同時又能保護目標回波信號的能量不受損失,極大地降低了雷達的虛警概率,因此是一種十分有效地對抗寬帶噪聲調頻干擾的抗干擾技術。

4.4 調制域抗干擾

雷達在調制域內的抗干擾斗爭主要有相位編碼、線性調頻、混沌編碼(PSK/FSK)、調制參數捷變等,其中前三種都是比較典型的低截獲概率雷達信號,具有很好的雷達抗干擾性能。

1) 相位編碼、線性調頻、混沌編碼(PSK/FSK)。相位編碼、線性調頻是常用的脈沖壓縮技術[17～18],目前現役軍用雷達中大多采用脈沖壓縮技術使發射機發射的雷達信號很難被敵方截獲接收機截獲。它的工作原理是將輸入的脈沖通過一個由特定系統響應的網絡將信號調制為具有一定頻率和相位的寬脈沖發射信號,然后在接收端利用逆變換將信號壓縮成窄脈沖。由于脈沖壓縮雷達信號頻譜比較寬,峰值功率小,且信號內部調制樣式復雜,所以針對這種雷達信號的模擬欺騙干擾比較困難[19]?；煦缇幋a是在混沌學的基礎上提出的一種抗干擾性能更為優越的雷達信號體制,它克服了單一調制樣式的不足,提高了雷達的速度分辨力和距離分辨力,增加了截獲接收機截獲和識別雷達信號的難度;一種典型的雷達脈沖壓縮原理框圖如圖6所示。

圖6 典型的雷達脈沖壓縮原理框圖

2) 信號參數捷變。信號調制參數捷變和使用復雜的調制信號是雷達在調制域內經常用到的兩種抗干擾技術,它們的技術特點同重頻捷變、頻率捷變、雷達天線掃描方式捷變等一樣。通過不斷的改變雷達調制信號的參數使得干擾系統接收機很難對雷達信號快速準確地偵收,進而避免了干擾系統對其有針對性地施放干擾。極大地提高了雷達的抗干擾性能及戰場存活率。

SMAP衛星[3]是NASA于2015年1月31日成功發射人類首顆用于“土壤水分主被動觀察衛星”。SMAP衛星天線采用周邊桁架式可展開機構，外圈是通過平行四邊單元組成，通過改變對角線長度來實現機構的整個天線收攏展開，展開口徑達6 m(圖2)。

4.5 極化抗干擾

每一種雷達天線都具有極化選擇的功能,當外界信號與雷達天饋系統極化特性相同時,接收的信號能量最大,而當二者極化狀態完全不匹配時,接收的信號能量最小,即它能接收相同極化的信號,抑制正交極化的信號,又由于不同材料和形狀的物體具有不同的極化反射特性,因此它可以根據目標回波信號的極化特性,來把外界干擾信號和要接收的目標回波信號區分開,采用自適應極化抗干擾技術從而達到匹配接收目標信號和抑制有源干擾信號的目的。雷達自適應變極化抗干擾的原理框圖如圖7所示。

圖7 雷達自適應變極化抗干擾的原理框圖

它由發射機、接收機、雙極化天線、極化識別器、變極化器以及收發開關組成,通過極化識別器判斷干擾的極化方式,然后控制變極化器產生與外界干擾信號極化方式正交的雷達發射信號,從而抑制干擾信號的接收[13]。

4.6 體系上的抗干擾

雷達抗干擾技術的一個重要方面就是整合系統的各種資源,使雷達與其它電子探測設備聯合起來,從體系上實施抗干擾。其主要的技術措施包括以下幾個方面。

1) 自適應抗干擾。在實際的戰場環境中,各種電磁干擾信號復雜多變,很難準確判斷雷達在工作中所面對干擾信號的樣式和具體參數,進而不能及早地實施有效的抗干擾措施。為此,雷達在實際工作中必須具備快速偵察周圍電磁環境狀態和變化的能力,有針對性的采取對抗措施,實現對目標信號的最佳匹配和對干擾信號的最佳濾波[22]。

2) 雙(多)基地雷達。雙基地雷達指發射機和接收機相隔較遠的距離,它的工作特點是采用收發分置,接收機無源被動地接收所輻射的能量信號。多基地雷達指共用一個或多個相隔很遠的發射機,使用兩個以上且有共同覆蓋區域的接收機。雙(多)基地雷達由于其獨特的原理結和幾何配置,與常規單基地雷達相比具有抗電子偵察能力、抗干擾能力、抗反輻射導彈能力、抗超低空突防能力和抗隱身武器能力等諸多優點。

3) 雷達組網和傳感器數據融合。雷達組網可以根據戰場環境主動控制網內各雷達系統的工作狀態實現整個雷達群合作抗干擾,與傳感器的數據融合,可以使分布在群內各處的多部雷達充分共享傳感器所感知的戰場態勢,實時地感知和調整雷達的工作狀態,從而采取有針對性的抗干擾措施,極大地改善了雷達的抗干擾能力。雷達工作方式如隨機閃爍式開機、多機接收、假發射機欺騙等,隨著通信網絡技術的不斷發展,雷達組網正在成為一個熱門的研究方向[22]。

5 抗干擾技術的發展趨勢

雷達抗干擾是在電子領域內靈活利用電子頻譜資源進行反干擾的一種斗爭,其目的是將影響雷達正常工作的各種干擾信號能量消弱到能夠容許的程度,以保障雷達設備的正常工作。隨著電磁環境的日益復雜、電子對抗技術的不斷發展,未來雷達抗干擾技術的發展趨勢主要包括以下幾個方面。

1) 多功能相控陣技術。相控陣雷達天線通過電控指令改變天線在孔徑面上的相位分布,實現對波束指向和波束形成的控制作用,利用其波束的自適應掃描功能和靈活性,相控陣雷達可以根據反干擾的需要來實施“功率管理”。與其它雷達天線相比,多功能相控陣雷達具有波束穩定性好、體積小、反應時間短、靈活快速地波束指向、有效輻射功率高以及抗干擾性能好等諸多優點。所有的這些優勢使得相控陣雷達天線成為電子掃描天線中最引人矚目的一種,在現代的雷達對抗中獲得了廣泛的應用[23]。

2) 多波束技術。多波束系統是指利用多波束網絡或多束透鏡在空間形成的多個獨立且相互鄰接的高增益波束。它的技術優點是:每個波束都包含了天線陣孔徑的全部增益;能以很高的角分辨率對空間進行不間斷地掃描;能覆蓋很寬的頻率范圍和扇面;每個陣元前面都裝有一個獨立的低功率微波放大器,因此可以產生很大的有效輻射功率來對抗干擾威脅。

3) 低截獲概率技術。低截獲概率信號是指采用頻譜擴展和隨機調制等措施,降低了雷達輻射載波的功率。使雷達探測到敵方目標的同時,敵方截獲到這種雷達信號的可能性概率最小,從而保護雷達不受外界電子干擾信號的干擾,大大地增強了雷達的作戰和生存能力。

4) 無源探測技術。無源雷達探測是指雷達本身不發射信號,而依靠接受目標所發射的信號、目標自身的輻射以及目標對其它物體的散射能量來發現目標信號,通過某種濾波算法它能夠對目標信號進行跟蹤定位并以一定的概率在雷達顯示屏上顯示目標的航跡和信號特征,同時向其它系統共享該位置信息。尤其是與有源雷達互補協調工作,將能構成可靠性高,抗干擾能力更強的綜合探測系統[21]。

5) 綜合抗干擾技術。綜合抗干擾是指采用多種戰術方法和對抗技術進行的抗干擾措施。單一的抗干擾方法只能對付某一種單一的干擾,如副瓣對消只能對付連續波噪聲干擾不能對抗分布式干擾;頻率捷變技術只能抗有源干擾而不能抗消極干擾;單脈沖測角技術只能抗角度欺騙而不能抗距離欺騙等,因此可以將多種抗干擾技術相結合,綜合采用多種抗干擾措施來有效提高雷達的抗干擾能力。此外,采用靈活多變的戰術也能發揮積極有效的抗干擾作用。

6 結語

隨著現代戰場的電磁環境越來越復雜,雷達總處在有電子干擾的環境中工作,因此抗干擾就成為了雷達設計制作時的重要研究內容。本文通過對當前雷達所面臨的復雜電磁環境下抗干擾技術特點的分析及其對抗技術的研究,指出了未來雷達抗干擾技術的發展趨勢,必須認識到雷達的干擾和抗干擾技術是永遠矛盾的兩個方面,它們在各自的對抗中發展著自己,只要它們的斗爭不完結,那么它們的發展就不會停止。只有在空域、頻域、功率域、極化域,調制域、系統體制上等掌握更高的技術,擁有更多的電子戰資源優勢,才能在戰場中找到對方的弱點,從而掌握雷達抗干擾技術的主動權。

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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

航空科學基金項目(編號:20145596024)資助。

任鵬沖,男,碩士研究生,研究方向:雷達電子偵察與干擾。葉廣強,男,副教授,碩士生導師,研究方向:無人機電子偵察與干擾。劉華偉,男,副教授,研究方向:無人飛行器控制與導航。張卓然,男,碩士研究生,研究方向:機載單站無源定位。

TN955

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.003