雷達導引頭抗主瓣內角度欺騙干擾技術研究

趙 敏，楊士義

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；2.駐中國空空導彈研究院軍事代表室，河南 洛陽 471009)

0 引 言

近年來，電子對抗技術飛速發展，導彈武器系統面臨的電子干擾環境日趨復雜，以拖曳式雷達有源誘餌(Towed Radar Active Decoy)和空射誘餌(Air Launched Decoy)為代表的新型角度欺騙干擾方式，可使誘餌發射的干擾信號和載機回波信號在空中對雷達導引頭形成主瓣波束內角度欺騙干擾，使得采用傳統單脈沖測角體制的雷達導引頭無法正確區分目標和誘餌，從而無法正確測量目標角度，最終引起導彈脫靶，對雷達型導彈的作戰使用造成嚴重威脅。因此，尋求對抗角度欺騙干擾的方法是研制雷達導引頭需要迫切解決的關鍵技術問題。

1 角度欺騙干擾作戰使用分析

角度欺騙干擾是針對雷達導引頭主瓣內實施的干擾，屬于作戰平臺外干擾，因此抗平臺內自衛式干擾策略往往對其無效。拖曳式誘餌干擾和空射誘餌干擾是角度欺騙干擾的典型形式。下面對這兩種干擾的作戰使用方式進行分析。

1.1 拖曳式誘餌干擾

以美國的AN/ALE-55拖曳式誘餌為代表，由載機通過拖曳線拖曳著誘餌一起飛行，誘餌能夠釋放電磁干擾信號，使雷達導引頭在主瓣波束范圍內無法區分載機和誘餌，形成對雷達導引頭的有效干擾，是一種典型的角度欺騙干擾樣式[1]。使用方式為在中遠距離上，機載告警系統發現來襲導彈，便釋放拖曳式誘餌，載機電子設備對雷達導引頭發射信號快速捕獲后，將該信號進行一定的調制和放大，最后通過載機外的誘餌將信號發射出去，目標的真實回波會被強的干擾信號掩蓋。此時，由于彈目距離較遠，目標與干擾均在導引頭的主瓣波束范圍內。隨著彈目距離的接近，目標與誘餌連線的夾角逐漸增大，而雷達導引頭的跟蹤波束也將偏向誘餌，最終形成脫靶。拖曳式誘餌干擾的工作模式分為轉發式干擾和應答式干擾。在轉發模式下，誘餌僅對偵察接收的信號直接放大轉發；在應答模式下，通常采用數字射頻存儲技術(DRFM)，產生與雷達發射信號相干的干擾信號，干擾形式有壓制式干擾、距離欺騙干擾、距離多假目標、時頻二維多假目標及其組合干擾等。由于應答式拖曳式誘餌干擾與目標信號的高度相干性，降低了雷達導引頭信息處理的信干比，增大了雷達導引頭區分目標與誘餌的難度，對雷達導引頭的威脅程度最大。

1.2 空射誘餌干擾

以美國研制的MALD-J空射誘餌彈為代表，由空中機載平臺發射，發射后與載機迅速脫離，利用自帶的飛行動力系統按照預定的軌跡飛行，可欺騙、干擾、壓制對方雷達探測系統。相比拖曳式誘餌，空射誘餌不要求載機形成一定的攻擊態勢且不影響載機機動性能，具有功能多樣、使用靈活的特點，是未來空戰中廣泛使用的干擾手段。空射誘餌對武器系統最有威脅的作戰使用方式為[2]，當作戰飛機進入敵方防空范圍內時，為了防止空空導彈和地面防空武器系統的攔截，在雷達告警設備發出安全告警后，由作戰飛機發射空射誘餌，對防空導彈造成主瓣內假目標干擾，使得雷達導引頭無法區分目標和誘餌，誘騙來襲導彈攻擊空射誘餌，從而保護作戰飛機安全。

與拖曳式誘餌干擾不同，空射誘餌干擾不依賴機載雷達電子戰設備，具備獨立的射頻收發系統，可利用DRFM技術偵收雷達信號，并進行轉發和調制干擾，干擾樣式復雜多樣，干擾的原理框圖如圖1所示。

圖1 空射誘餌干擾原理框圖Fig.1 Schematic diagram of the air launched decoy

2 角度欺騙干擾對抗方法概述

隨著國外拖曳式誘餌、空射誘餌干擾的裝備，為了提高武器系統的作戰效能，國內相關學者從21世紀初開展了大量抗角度欺騙干擾技術研究工作。根據研究工作開展的先后順序，通過總結和歸納，主要包括以下幾方面：

(1)干擾極化抑制

文獻[3]提出一種利用極化濾波技術抑制角度欺騙干擾的新方案。將原有的單極化雷達體制擴展到水平、垂直雙極化雷達體制，獲取雷達回波的全極化信息，以此進行極化濾波處理，獲得了較好的抑制干擾效果。文獻[4]則利用相干兩點源和雷達目標全極化回波特性差異，采用收發同時雙極化的方法，設計了識別相干兩點源角度欺騙干擾的二元假設檢驗方法。

(2)多普勒頻域分辨

對于采用準連續波體制的雷達導引頭，文獻[5]根據拖曳式雷達誘餌與目標在多普勒頻率上存在的微小差異，提出了采用長時間相參積累的方法，實現目標及誘餌的多普勒頻率域分辨。

(3)脈沖前沿跟蹤

針對拖曳式誘餌干擾，文獻[6]提出通過脈沖信號前沿切割的方法，利用干擾與目標回波信號的延遲，濾除干擾，同時結合脈沖壓縮技術，進一步提高雷達的距離分辨能力。

(4)雷達紅外復合抗干擾

由于拖曳式誘餌不能對紅外導引頭形成干擾，文獻[7]和[8]提出利用雷達與紅外復合工作模式，對抗誘餌干擾的方法，解決近距雷達導引頭抗誘餌干擾問題。

(5)頻率捷變

文獻[9]提出利用頻率捷變技術對抗誘餌干擾的方法，通過控制雷達導引頭發射信號的載頻迅速捷變，使其跳出干擾頻率范圍，是一種主動抗干擾措施。

(6)角度超分辨抗干擾

為對抗角度欺騙式干擾和拖曳式誘餌干擾，文獻[10]提出一種基于數字陣列雷達導引頭的角度超分辨估計算法，提高導引頭的角度分辨率。文獻[11] 提出一種有效的和差 DOA矩陣算法，該算法本質上也是利用空間譜估計分辨目標和誘餌。

(7)彈道規劃

文獻[12]利用拖曳式誘餌存在錐形危險區的特點，控制導彈的攻擊態勢，使導彈進入以目標速度矢量為中心的錐區內，保證目標在導彈的殺傷半徑之內。

綜上所述，各類抗角度欺騙干擾技術實施的基礎是利用干擾信號與目標信號的特征差異，在增強目標信號的同時，最大程度地抑制或規避干擾信號。

3 角度欺騙干擾對抗方法的工程實現

在以上論述的基礎上，研究幾種適合雷達導引頭工程應用的抗角度欺騙干擾方法，并對各種方法的抗干擾機理、抗干擾效果及應用的局限性開展分析。

3.1 時域抗干擾

拖曳式誘餌具有光纖拖曳電纜，其長度一般大于100 m，可以從載機上獲得各種干擾調制。干擾信號首先由載機上的電子對抗系統產生，然后經過光纜傳輸至誘餌，最后由誘餌進行發射，因此,對于直接轉發式誘餌干擾，干擾信號相比雷達回波信號存在一定的延時。延時時間與導彈、目標飛機和拖曳式誘餌的幾何位置有關。目標及誘餌干擾回波延時計算公式為

(1)

式中：τT為目標回波信號延時；RT為目標相對于導彈的距離。

(2)

式中：τJ為誘餌轉發的假目標回波延時；RJ為導彈和誘餌的距離；ΔτJ為載機誘餌轉發系統附加延遲。

由式(1)～(2)可知，對于直接轉發式誘餌干擾，由于存在轉發延遲，誘餌信號在時域上落后目標信號，因此，導引頭可以采用距離分辨技術，分辨目標回波與干擾信號，距離分辨率應小于干擾轉發延時時間，一般小于纜繩長度。在分辨的基礎上，采用信號譜分析、前沿跟蹤技術可以很大程度上保證導引頭跟蹤目標回波信號。

前沿跟蹤抗誘餌干擾效果如圖2所示。對前沿跟蹤抗干擾效果進行仿真分析，仿真中纜繩長度為100 m，導彈攻擊態勢為尾追，目標載機釋放誘餌，誘餌和目標均在雷達導引頭主瓣波束范圍內，導引頭距離波門設置為50 m，采用時頻分析對干擾和目標回波信號進行處理，仿真結果表明通過距離分辨可以分出目標和誘餌。

上述方法工程實現簡單，要求導引頭具有距離分辨功能即可，對直接轉發式誘餌有效。但當誘餌干擾樣式為跨重頻調制式干擾時，干擾在時域上存在多個假信號，由于此時干擾能量較強且與目標信號相干，采用距離分辨技術無法有效區分目標和干擾，需要尋求其他的抗干擾途徑。

圖2 前沿跟蹤抗誘餌干擾效果圖Fig.2 Schematic diagram of front-edge tracking anti-decoy jamming

3.2 頻域抗干擾

雷達導引頭常用的工作頻段[13]為C,X,Ku,Ka等，若雷達導引頭的工作頻率覆蓋上述頻段，誘餌對其進行干擾時，其工作帶寬至少在30 GHz以上，相比單頻段干擾機而言，帶寬的增加意味著干擾功率密度的下降。根據干信比計算公式，雷達導引頭接收到的干擾信號與目標回波的功率比值為

(3)

傳統雷達導引頭一般工作在單一頻段，很容易受到敵方的干擾，多頻段工作不僅增加了干擾機轉發的難度，而且可以提升抗干擾成功概率。假設導引頭有N個工作頻段，在任一頻段下其抗干擾成功概率為Pn(n=1,2，…，N)，則多頻段工作條件下導引頭抗干擾成功概率為

(4)

由式(4)可知，采用多頻段工作可以有效提高導引頭的抗干擾成功概率。

多頻段導引頭需要采用超寬帶天線和微波前端設計，保證對多種工作頻段信號的有效接收。為了達到較好的抗干擾效果，同時提高導引頭的作用距離，多頻段導引頭可以采用如下工作模式：遠距導引頭可工作在單一頻段下，此時目標和誘餌均在天線主瓣波束范圍內，跟蹤目標或誘餌均可保證有效跟蹤；中遠距導引頭工作在多頻段模式下，利用導引頭發射信號的復雜性，增加干擾機截獲、轉發雷達信號的難度，增加干擾的燒穿距離，同時，導引頭可對多頻段下的目標回波信號進行融合處理，綜合判斷導引頭受到的干擾頻段和類型，進而有效分辨目標和干擾。圖3給出了導引頭在多頻段下的信息融合處理方法。

圖3 多頻段雷達導引頭信息融合處理原理框圖Fig.3 Schematic diagram of multi-band radar seeker information fusion

多頻段抗干擾理論上只要干擾頻段不覆蓋導引頭所有的工作頻段，就可以取得良好的抗干擾效果。但如果干擾機的工作帶寬大于導引頭帶寬，且誘餌可以釋放多頻段下干擾，則多頻段抗干擾效果會下降。

3.3 空域抗干擾

雷達導引頭一般采用單脈沖測角體制，該體制具有測角精度高、測角快速等優點。但當導引頭天線的主瓣波束范圍內同時存在目標和干擾時，受限于導引頭的角度分辨率，利用單脈沖測角方式無法區分目標和干擾。因此，為對抗主瓣內誘餌干擾，需要提高雷達導引頭的角度分辨能力，使其能夠區分主瓣范圍內的目標和干擾。

多通道陣列雷達導引頭[14]是相控陣雷達導引頭的后續發展方向，其采用多通道接收方式將收到的不同空域的微波信號轉換為數字信號，利用陣列信號處理中的角度高分辨估計技術，提高導引頭對誘餌干擾和目標的分辨能力，實現主瓣波束內角度分辨。MUSIC算法是經典的角度超分辨算法[15]。

假設導引頭由N個子陣天線組成，天線接收數據中包含干擾、信號和噪聲，其中干擾能量大于信號和白噪聲，且干擾、信號和噪聲之間互不相干。N個子陣在t時刻接收到的信號數據矢量為

(5)

式中：x(t)為子陣接收到的N×1維數據矢量;S(t)為子陣接收到的干擾和目標回波信號;f(θ,φ)為子陣發射或接收方向圖；n(t)為接收到的N×1維加性噪聲矢量;aR,sub(θ,φ)和aT,sub(θ,φ)分別為目標回波信號N×1維接收導向矢量和發射導向矢量;1為N×1維單位矩陣。

對式(5)得到的協方差矩陣進行特征值分解：

(6)

式中：Us表示由前K個大特征值對應的特征矢量構成的干擾或信號子空間矩陣；Λv表示由剩余的N-K個特征值構成的對角陣;Uv表示由剩余的N-K個特征值對應的特征矢量構成的噪聲子空間矩陣。

構造MUSIC空間譜函數為

(7)

分別在方位角搜索范圍θ∈[0°,360°]和俯仰角搜索范圍φ∈[0°,90°]上進行譜峰搜索，將PMUSIC(θ,φ)的峰值作為干擾或目標的角度估計值。

圖4給出了多通道陣列雷達導引頭分辨目標和誘餌信號的原理框圖。首先由多通道相控陣天線的N個子陣分別接收來自不同空域的N路信號，然后在接收機內進行混頻和放大處理后，送至信號采樣，經通道間幅相不一致性補償后，進行高分辨測角，得到目標和干擾的角度信息。

圖4 多通道陣列雷達導引頭抗干擾原理框圖Fig.4 Schematic diagram of jamming suppression for multi-channnel phased-array radar seeker

利用2×2子陣，對角度超分辨算法性能進行仿真分析，仿真條件為：導引頭3 dB波束寬度為7°；主瓣內同時存在1個誘餌與1個目標，誘餌與目標之間角度相隔3°；目標信噪比為20 dB；誘餌干噪比為40 dB。仿真結果如圖5所示，結果表明采用角度超分辨在主瓣內可以有效分辨目標和干擾。在分辨的基礎上，導引頭波束始終跟蹤能量較小的目標，防止誘餌對波束的拉偏，實現對抗誘餌干擾的目的。

圖5 角度超分辨算法性能仿真Fig.5 Performance simulation of MUSIC algorithm

值得注意的是，角度超分辨算法性能受多種工程應用因素影響。理想條件下，若主波束范圍內目標與干擾能量相當且不相干，信噪比大于20 dB，通道間幅度不一致性小于1 dB，相位不一致性小于3°的條件下，MUSIC算法的角度分辨率可達到天線波束寬度的1/5以上，能夠滿足主瓣內分辨目標和誘餌的需求。但在實際工程應用中，受導引頭各通道間不一致性、干擾與目標的相干性以及干擾與目標的強弱差異性等影響，角度超分辨算法性能會有所下降。因此，后續有必要研究適合雷達導引頭工程應用的穩健的空間譜估計算法，提升算法的普適性。

3.4 極化域抗干擾

對于誘餌干擾，干擾特性與目標相似，常規的時頻分析抗干擾手段很難奏效，而電磁信號的極化特征是除時域、頻域外的又一顯著特征。雷達極化抗干擾[16]利用干擾與目標在極化域的差異，降低干擾對雷達導引頭探測的影響。極化抗干擾的主要技術手段是極化濾波[17]。極化濾波理論表明，通過合理調整電磁接收系統天線的極化方式，可以在極化域內有效地濾除干擾、增強信號，從而改善系統的探測性能。

極化抗干擾的應用必然會帶來硬件和軟件資源需求的增加，受限于雷達導引頭的體積空間，并綜合考慮系統的復雜性，導引頭可以采用發射單極化、接收雙極化設計。該設計僅在雷達天線、接收系統和信號及信息處理系統增加極化通道，并增加極化信號處理。

假設導引頭具有極化1和極化2兩種極化方式，極化1為發射信號極化方式，極化1、極化2為接收信號極化方式。考慮接收天線的極化信息，導引頭極化1通道目標回波信號的基帶數學模型可以表示為

(8)

同理，極化2通道接收到的信號模型為

(9)

目標回波信號受到誘餌干擾和接收機熱噪聲的污染。因此，導引頭極化1通道接收到的信號可以表示為

S1(t)=X1(t)+J1(t)+N1(t)

(10)

極化2接收通道的信號可以表示為

S2(t)=X2(t)+J2(t)+N2(t)

(11)

極化對消算法的原理為尋找最優權值，使得極化1通道減去加權后的極化2通道干擾輸出功率最小，從而最小化干擾功率,然后利用權值w進行干擾的極化對消：

Y(t)=X1(t)-wX2(t)

(12)

極化濾波的效果取決于干擾與目標回波極化狀態的差異。理想條件下，目標的極化角改變很小，即目標的極化方式基本與發射信號的極化方式相同，則極化2通道的信號只含有干擾和噪聲，極化1通道減去加權后的極化2通道，目標信號被保留，干擾信號功率被最小化。

圖6給出了干擾極化抑制信號處理流程。通過對接收到的兩路極化信號進行處理，得到相應的幅度和相位信息，并與極化鑒別得到的干擾極化信息一起經過數字處理，計算出相應的極化參數，而后根據這些參數來設定濾波器，從而達到最佳濾波效果，實現干擾抑制。而極化1差通道也利用同一組參數進行干擾抑制，將和、差通道的濾波輸出結果分別進行相干積累，提取目標角度信息。

圖6 極化抑制信號處理流程Fig.6 Flow chart of polarization signal depressing

圖7給出了單極化發射、雙極化接收導引頭在干信比為25 dB、干擾與目標極化夾角為45°的條件下，極化1和通道對干擾抑制前后的仿真結果。從圖中可以看出，在干擾抑制前目標淹沒在干擾中，而在進行干擾抑制之后，能夠發現目標峰值。

圖7 極化抗干擾抑制結果Fig.7 Result of jamming suppression with polarization

理論分析表明，當目標和干擾的極化差異越大時，即目標和干擾的極化相關性越低時，抑制干擾的效果越好。但在實際工程應用中存在干擾的極化發生瞬變，或干擾與目標的極化特征一致的情況，此時發射單極化下極化濾波抗干擾效果將受到限制，應采用發射多極化設計。

4 角度欺騙干擾對抗技術發展趨勢

隨著微波技術、信息處理技術和大規模集成電路的迅速發展，雷達導引系統的數字化、智能化水平大幅提升，為抗主瓣干擾技術的實現提供了有利的平臺，使得雷達抗干擾向著智能化和綜合化的方向發展，抗干擾手段愈加復雜多樣。

4.1 多域聯合抗干擾

通過第3節的論述可知，雷達導引頭采用單一域的干擾對抗措施，對特定條件下的誘餌干擾有著較好的抑制作用。但當誘餌的干擾樣式發生變化時，單一域的干擾對抗性能存在著一定的局限性。因此，考慮到拖曳式誘餌干擾樣式的的復雜性和多樣性，有必要采取多域聯合抗干擾的方法。通過獲取時、頻、空、極化等多域雷達回波信息，對其進行融合處理，根據干擾和目標在各分析域上表現的特點，綜合采取干擾對抗措施，可以提升抗干擾成功概率。多域聯合抗干擾技術無疑增加了系統的復雜性，對雷達導引頭系統設計提出了較高的要求。彈載平臺下，導引頭體積和重量受到限制。為了獲得多域下探測信息，必須對天線、接收機和頻率源等硬件進行一體化和小型化設計，才能滿足導引頭結構設計需求。此外，要求導引頭具有較強的信息處理能力，在彈目距離較近的條件下，能夠快速綜合處理各維信息，為抗干擾設計的時效性奠定基礎。

4.2 低截獲抗干擾

通過對誘餌干擾的作戰分析可知，干擾實施的前提是：接收天線首先截獲導彈射頻信號，然后由干擾發生器產生各種干擾信號。根據雷達低截獲[18]的定義，對于雷達導引頭而言，低截獲意味著導引頭截獲目標信號的距離大于干擾機截獲導引頭信號的距離。為此導引頭可以采用低截獲設計，使得干擾機無法截獲雷達發射信號或者截獲距離較近，不影響導彈末制導。通過對干擾機截獲距離和導引頭截獲距離分析[19]，提高導引頭低截獲性能的途徑為減小發射功率、增大發射脈寬、提升信號帶寬、提高相參積累時間等。低截獲波形[20-22]具有較寬的時寬帶寬積，是提高導引頭低截獲性能的有效途徑。

OFDM信號是近年發展起來的一種多載波調制波形[23]，其波形設計靈活，具有較高的距離和頻率分辨率，是一種較好的低截獲波形，在雷達系統中具有廣泛的應用前景，其系統框圖如圖8所示。OFDM信號本身也存在著缺點，比如峰均比略高，使得導引頭發射機在非線性放大時會破壞信號的正交性。為了降低峰均比對系統性能的影響，可以結合相控陣天線各子陣的劃分，分子陣發射各載波信號，與常規OFDM雷達系統相比，該導引頭實現方案不僅降低了峰均比，也減少了多載波信號產生時串/并和并/串轉化流程，簡化了系統設計。

圖8 OFDM雷達導引頭系統框圖Fig.8 Schematic diagram of OFDM radar seeker

4.3 智能化抗干擾

人工智能將成為未來武器系統發展趨勢[24]，美國已經開始將人工智能技術應用于武器系統的研究。智能化抗干擾就是利用導引頭對戰場情況進行自動探測、跟蹤，通過對獲得的信息進行比較、分析、推理、判斷，達到識別目標、背景和干擾的目的，進而制定出正確的對策，采取有針對性的抗干擾策略等。智能化的基礎在于“學習”[25]，通過對線上或線下獲取的大量數據的綜合分析，進行干擾特征提取并進行精細化建模與學習，較基于規則的方法可顯著提升識別性能，同時借助高性能計算可獲得更高的學習效率，可實現快速、迭代的模型升級與性能改進。雷達導引頭目標/干擾智能識別流程如圖9所示。

圖9 智能抗干擾流程圖Fig.9 Flow chart of intelligent jamming suppression

5 結 束 語

以拖曳式誘餌和空射誘餌為代表的角度欺騙干擾是近年來針對單脈沖PD制導雷達發展起來的新型干擾樣式，嚴重影響了雷達型導彈的作戰效能。在此背景下探測、截獲和跟蹤性能已不是衡量雷達導引頭性能的唯一標準，良好的抗新型角度欺騙干擾性能逐漸成為雷達導引系統設計和改進的出發點之一。隨著干擾技術的發展，誘餌干擾的類型和樣式也日趨復雜多變。由于干擾的不確定性，單一抗干擾措施只能對抗特定條件下的干擾，存在一定的局限性。從軍事裝備發展趨勢來看，干擾與抗干擾一直是一個博弈的過程，為了在對抗中保持不敗之地，雷達導引頭必須采取應變的措施，具有多種抗干擾手段，能夠快速地根據對干擾環境和態勢的感知，調整抗干擾策略，從而取得最佳的抗干擾效果。因此，未來雷達導引頭抗干擾技術必將是信息化、智能化和綜合化的結果。