微波戰術通信系統空域抗干擾方法綜述

楊林 張宣和 易濤 邵啟紅

【摘 ?要】

針對日益復雜惡劣的現代戰爭電磁環境，提出了基于相控天線的微波戰術通信系統干擾測向與抑制方法。分析了空域抗干擾應用需求，提出了波束切換陣/模擬相控陣天線比幅測向法、窗函數加權及波束陷零干擾抑制方法。通過干擾測向原理闡述、窗函數性能定量分析、干擾陷零模擬仿真，證實了空域抗干擾的可行性和有效性。

【關鍵詞】戰術通信系統;相控天線;干擾測向;干擾抑制

[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

戰術通信系統對大容量、低功耗、小體積的迫切需求致使其頻段逐漸向微波延伸，與此同時，大規模集成電路設計、低功耗基板材料、微組裝封裝工藝等支撐技術逐漸成熟，為大規模天線陣列的應用提供了契機，使基于戰術通信的空域處理技術逐漸成為研究熱點。

文獻[1]認為“通得上”和“抗得住”是戰術通信領域的兩個永恒主題。“通得上”就是要滿足戰場中用戶數量及信息容量需求，完成數據鏈、移動自組織網絡等網絡傳輸任務，“抗得住”就是能夠抵御各類電子戰的攻擊行為。具備靈活波束變換能力的戰術通信裝備在戰場上的作用包括：

（1）提供了空域多址和復用能力;

（2）提供了空域感知能力，能對信號或干擾的空域位置進行分辨;

（3）提供了基于定向傳輸的隱蔽通信能力;

（4）提供了空域應用的靈活性，可根據需要進行寬波束和窄波束的切換，寬波束用于快速組網，窄波束用于高增益傳輸。

基于相控天線的戰術通信系統目前已用于衛星通信[2-7]、衛星地面節點[8-11]、箭載/彈載導引頭[6， 12， 13]、艦船通信[14， 15]、雷達與通信射頻孔徑一體化[16， 17]等方面。研究目標主要有：

（1）系統架構與優化。例如文獻[18]給出了一種稀布有源相控陣設計方法，采用密度加權與遺傳算法相結合的方法，減少有源通道的數量，可將通道數量縮減至50%左右。

（2）結構優化與散熱設計。例如文獻[12]針對相控陣天線模塊體積小、熱流密度高、散熱難的問題，提出一種將液冷流道內置于天線底板的結構方案。

（3）信源目標（或干擾）的信號搜索、捕獲、跟蹤、角度測量。例如文獻[8]提出了一種基于子陣劃分的互相關角度測量方法，通過有效地提高輸出信號信噪比，較好地解決了衛星跟蹤系統中角度測量的工程需求問題。

（4）資源分配與調度策略。例如文獻[19]設計和實現了波控軟件對天線進行3種模式的控制。

受限于常規戰術通信系統著重鏈路距離，當前相控天線應用常以高增益為主要設計目標，針對復雜電磁環境中的干擾測向和干擾抑制方面研究相對較少。實際上，相控陣天線的最大優勢在于其靈活性，在日益復雜惡劣的現代戰爭環境中，提高系統靈活性、具備多種對抗手段，對于增強裝備環境適應能力，提升裝備智能化水平，具有重要的作用。

1 ? 系統模型

現代戰爭環境中的干擾既有人為的故意干擾，也有自然界的無意干擾，同時還有來自己方的各種電子設備的干擾[1]。干擾與抗干擾始終是矛盾統一的，兩種技術此消彼長，在復雜的電磁環境中，要保證信息傳輸的正常進行，單一的抗干擾技術往往難以勝任，有必要綜合使用各種抗干擾技術。

1.1 ?抗干擾技術分類

當前戰術通信領域主流抗干擾技術是頻域抗干擾和時域抗干擾，相控陣天線技術為戰術通信系統進行空域抗干擾及聯合域抗干擾提供了基礎。表1為戰術通信系統典型抗干擾技術在不同維度的分類及其主要技術特征：

戰術通信系統對干擾源的認知包括干擾信號識別、數量確認、帶寬分析、功率估計等過程，其中干擾源測向和干擾抑制主要在空域解決。

1.2 ?空域抗干擾

空域抗干擾技術需要系統具有空域多址能力，即能指向不同的方位。微波戰術通信系統中具有空域多址能力的典型天線系統有：

（1）多板切換陣天線系統，通過射頻開關（SPDT）完成波束切換。

（2）模擬相控陣天線，通過控制收發（TR）組件的幅度和相位完成波束切換，比多板切換陣具有更大的自由度。

（3）數字相控陣系統，具有多TR組件多路數字基帶，具備數字域同時形成多個波束能力，具有最高的自由度。

為描述空域抗干擾能力與系統架構的關系，下面以模擬相控陣進行示例。圖1為某一維模擬相控陣系統的系統架構示意圖，圖中采用了8個TR組件完成單個維度（如方位面）空間波束合成。每個TR組件通過功分網絡及固定射頻網絡形成第2維度（如俯仰面）的固定波束覆蓋。TR組件通過功分器/合路器進行功率分配或者功率合成，然后接入中頻和基帶。該系統由專用的波束控制器對TR組件的權值進行控制，完成需要的波束資源調度。

相對于模擬相控陣的多個波束分時隙切換，數字相控陣干擾測向只需1個時隙（或快拍），對采樣數據進行到達角估計（DOA）運算即可完成測向，典型DOA方法有常規波束形成掃描、和差波束、超分辨算法等。數字相控陣除了時間短之外，對干擾信號的平穩性要求不高。在干擾測向的精度方面，三者都與掃描波束寬度有關。

在干擾抑制方面，能量較小的干擾三種天線都可以進行抑制，能量較大的強干擾（即可通過旁瓣或后瓣進入接受系統），需要對其進行陷零。在干擾陷零方面，模擬相控陣需要精確知道干擾源的方位，數字相控陣需要采用相應的自適應抗干擾算法。表2是三種天線系統干擾測向及干擾抑制方法典型方法：

空域抗干擾波束權值的獲取方式可分為數據獨立波束賦形和統計波束賦形。數據獨立波束賦形不需要實際接收數據，通過預存多組權值根據需要進行調用，預存權值數據的獲取方式是基于一定的需求（如某個期望的理想方向圖）以一定的準則（如最大信噪比準則）經過計算得到。統計最優波束賦形是根據實際采樣得到的多通道數據樣本進行分析（典型的分析方法有協方差矩陣分析及特征值分析），依據一定的準則（如無失真準則、最小總功率準則等）進行實時計算得到權值的一種自適應處理方法。兩種方法的明顯差別是：前者速度快、結構簡單、無自適應性;后者自適應性好，但計算量大，系統結構復雜。

實際工程中難免存在各種誤差，典型的誤差有天線方向圖與期望形狀不一致、射頻通道的不一致性及通道間耦合、天線單元之間及天線與近場環境的互耦等。提升陣列的穩定性和可靠性是空域處理技術中的重要課題，大量理論研究表明：眾多優化算法（如高分辨到達角估計MUSIC算法、對角加載波束形成）其高性能預期效果與陣列誤差容忍度之間是互相矛盾的。

1.3 ?聯合域抗干擾

時頻信號處理（Time-Frequency Signal Process， TFSP）是在離散時間序列信號處理的基礎上發展起來的現代信號處理理論，其典型應用場景是非平穩信號分析。非平穩信號是指信號的各階矩估計值（一階矩為均值，二階矩為方差）是時間的函數，即統計量隨時間的變化而變化。常規抗干擾算法（如射頻干擾抑制的LS算法、無線信道均衡的RLS算法）等抗干擾方法都具有預判干擾然后對消的機制，其期望處理效果一般是建立在假定信號平穩的基礎上。對非平穩信號而言，傅里葉變換不再是有效的分析工具，因為它是信號的全局變換，而信號局部性能的分析必須依靠信號的局部變換。此外，傅里葉變換之后的信號頻率描述仍屬一維描述，從時域和頻域的二個維度對信號進行描述有利于使信號的特征更加明確。時頻處理的典型應用包括短時傅里葉變換（STFT）、Wigner-Ville分析、小波變換、Gabor變化等，時頻信號處理技術的廣泛應用提供了戰術通信系統分離干擾、提取干擾特征的有益參考、是可供借鑒的重要手段。

空時自適應信號處理（Space-Time Adaptive Process， STAP）是隨著相控陣的應用逐漸流行起來的聯合域處理方法，當前主要用于機載動目標檢測雷達。對于運動戰術通信系統來說，收發承載平臺的運動也會導致信號在空間-時間出現擴展，因此STAP理論在干擾識別、干擾建模、干擾抑制等方面建立的諸多模型、場景、處理方法對戰術通信系統具有重要借鑒意義。類似雷達檢測目標用的距離-多普勒譜圖，STAP的典型譜圖是角度-多普勒譜，如果戰術通信系統中的干擾和期望信號能通過某種變換在該圖譜上分離，那就意味著該變換對戰術通信系統抗干擾是可用的。

2 ? 干擾測向

2.1 ?波束切換干擾測向

微波戰術通信系統采用多板波束切換陣天線是一種能兼顧覆蓋性和空域增益的有效方案，它用多個子陣板規則排布實現預期覆蓋（如環形實現方位全覆蓋），每個子陣基于合成原理（如透鏡原理）形成滿足需求的獨立子波束，子陣之間通過數控開關進行波束切換完成通信功能。傳統測向方法通過依次波束切換，然后進行能量比較，可確定信號（或干擾）的方向在寬度為360/N的范圍內，N為可切換的波束數量和，圖2為多板波束切換陣天線示意圖，（a）圖為多板切換天線陣及單板接收示意圖，（b）圖為多個等扇區波束實現方位全覆蓋示意圖。

波束切換陣測向宜采用等信號測角法，圖3為波束切換進行DOA估計原理示意圖。干擾信號被波束1和波束2接收，功率分別為P和Q。如果干擾處于兩波束的主軸中間位置（等信號軸），則由兩波束收的強度相等，否則，一個高于另外一個，通過比較兩個波束收到信號的能量強弱可判斷目標偏移等信號軸的角度，采用查表的方法可估計出偏離等信號軸的大小。

根據該比值對比存表數據可得的數值。圖4為與圖3對應的基于波束切換的干擾測向仿真示例，其中，（a）為波束集接收來自各方位信號的功率圖，每個橫剖面包含18個數據，表示18個波束接收到的功率;（b）中18條線表示不同波束在20°扇區范圍接收功率圖，P和Q分別表示波束1和波束2接收功率，示例中可見其他波束接收功率均小于3 dB，P和Q功率差最大約7 dB，當信號方位在10°附近時，P與Q的比值接近1，分辨能力變差，當信號偏離10°較遠時時，P和Q功率差變大，分辨能力變強;（c）為考慮到實際中存在各種無法避免的誤差時的接收信號功率仿真;（d）為假設信號方位為5°時，18個波束（扇區）理想情況下接收到的功率。

提高波束切換陣測向精度的方法有：（1）通過多次比較降低誤差影響，提高方位估計精度;（2）通過降低波束寬度提高空間分辨力，即通過擴大陣列孔徑或者優化加權的辦法進行窄波束成形。

2.2 ?擴大孔徑提高分辨率

多板波束切換陣天線存在的主要不足是天線孔徑利用率不高，工作時波束寬度受到單板面積限制，在疊層排布情況下可能會出現遮擋現象。采用模擬相控陣方案能更大程度利用天線孔徑增強波束空間分辨率及應用方式的靈活性。

模擬相控陣方案與多板波束切換陣的區別是：

（1）前者用多路小功放進行空間合成獲取更大功率，后者用單路功放通過切換饋到不同天線單板。

（2）前者通過收發組件（TR）中的衰減器/移相器調整進行波束控制，后者通過SPDT完成既定波束切換。

（3）前者波束特性具有較高的自由度，后者子波束特性因硬件固化具有高穩定性。

下面考慮通過擴展天線孔徑以提高波束分辨率。微波天線系統進行無線傳輸時，天線在其孔徑范圍內對信號進行空間采樣，天線孔徑與天線的波束寬度具有反比關系。例如線性均勻采樣的波束方向圖表示如下：

不難發現，增大天線孔徑以提高波束空間分辨率需要對天線架構進行改造。圖5為圓形天線孔徑擴展示意圖，其中，（a）圖為天線單板示意，由規則排布單元構成;（b）圖為單板切換工作孔徑示意;（c）圖為聯合多單板所用孔徑示意;（d）圖為模擬相控工作孔徑示意。

2.3 ?數字陣列干擾測向

當戰術通信系統采用數字相控陣列時，系統架構變得與雷達相似，干擾測向方法可借用雷達領域中的信號源DOA估計理論。雷達目標DOA估計方法可分為常規波束掃描DOA估計和超分辨DOA估計兩大類。基于常規波束形成掃描的DOA估計方法具有很好的穩健性（即對陣列誤差影響敏感度較低），但受到“瑞利準則”的限制，無法分辨兩個在方位上靠得比較近的信號源。典型的超分辨算法，如多重信號分類（MUSIC）算法能突破“瑞利準則”限制，但穩健性差，方位分辨信噪比門限高。當前諸多系統逐漸嘗試采用常規波束形成器作為預處理器，在初步估計的方位域上再用超分辨算法改善性能，充分利用二者的優點優化方位估計性能。

3 ? 干擾抑制

空域干擾抑制的方法主要分為低旁瓣抑制、干擾陷零兩類，前者適用于弱干擾，后者適用于強干擾。基于波束切換陣的抗干擾方式主要有：（1）低旁瓣加權抗干擾;（2）干擾陷零抗干擾。

3.1 ?低旁瓣干擾抑制

低旁瓣抑制的主要實現手段是對每個通道進行加權處理。由于空域和時域之間存在一定的對偶關系，即頻域波束響應是權值的傅里葉變換，故可以用現有的窗函數理論輔助設計。

文獻[20]指出，對于半波長ULA，Dolph-Chebyshev加權在給定主瓣寬度時能獲得最低的均勻旁瓣，或者在給定旁瓣等級時能獲得最窄的波束主瓣寬度;對于非半波長間距，最優權值可以基于二階錐規劃理論計算得到。

其他常見窗函數有升余弦權、升余弦平方加權、泰勒（Taylor）權、布萊克明（Blackman）權、凱撒（Kaiser）權、離散長球序列（DPSS）權、海明權（Hamm）等，可按需選取。表3列舉了半波長ULA常見加權形成方向圖與抗干擾相關的參數，即HPBW（半功率波束寬度）、SSL（旁瓣干擾抑制電平）及歸一化方向系數D（表征波束增益）。不難發現：

（1）矩形窗（常規波束形成）具有最大的方向性系數;

（2）實現低旁瓣（降低SSL參數）的代價是波束展寬（參數HPBW的值變大）。

圖6為4種不同窗函數的加權幅度值，其中：（a）為矩形窗，即均勻加權幅度值;（b）為漢寧窗加權幅度值;（c）為海明窗加權幅度值;（d）為切比雪夫窗加權幅度值。加權向量的長度為10，權值采用最大值歸一化。不難發現，除了矩形加權，其他加權方式都降低了通道的信號幅度，通過犧牲信號總合成功率以達到控制波束形狀的目的，同時由于部分權值比較小，與均勻加權相比穩健性也會有所下降。

圖7為圖6對應權值得到的歸一化波束方向圖，其中：（a）為矩形窗加權后的方向圖;（b）為漢寧窗加權后的方向圖，具有角度越大干擾抑制幅度越大的特點，該近似線性關于可用于干擾能量和方位的協同估計，即得出某強干擾要么離主瓣比較近要么是能量特別大的結論;（c）為海明窗加權后的方向圖，零點數量較少，但是零點波束寬度大（圖中為180°）;（d）為切比雪夫窗加權后的方向圖，該方向圖零點數量沒有減少，主瓣適當展寬，4個旁瓣具有等功率特性（圖中設定為20 dB）。

3.2 ?干擾方位波束陷零

圖8為基于LCMV波束形成器的抗干擾示例。陣元數量為12，陣列結構為半波長ULA，期望信號方向為5°，干擾方向為30°，干擾信號強度相對于信號為-20 dB，采用約束方法是對5°無失真接收（約束值為1），30°陷零（約束值為0），加載因子采用10-2，得到如圖結果。其中期望信號和干擾的空間譜，描述了兩種信號的功率及對應的角度，與之對應的是基于LCMV波束形成器得到的陣列響應，示例中陷零深度大于80 dB。

圖9為干擾陷零前后波形對比示例，（a）圖為對期望信號和干擾信號進行無差別接收（等效全向天線）的時域波形，（b）圖為進行空域干擾抑制（陷零）后的多通道合成效果，可見干擾抑制明顯效果。示例中為了直觀說明效果，期望信號采用單頻信號，干擾采用人工噪聲，證實了該方法的有效性。

基于LCMV波束形成器的干擾陷零需要精確知道信號和干擾的方位，實際中必然存在誤差，此時需要對陷零區域進行展寬。可采用的陷零展寬的辦法有：（1）增加陷零區域，對陷零角度兩邊對稱增加陷零約束條件;（2）增加導數約束條件，對陷零方位導向向量的導數進行約束。

4 ? 結束語

干擾源的空間方位與波形無關（即幾乎不可能通過改變波形偽裝或者虛構其空間位置）是空域抗干擾方法有效性的保證，也是空域方法與時域、頻域抗干擾方法的本質區別。在日益復雜惡劣的現代戰爭環境中，綜合應用多種抗干擾手段，對增強裝備適應復雜電磁環境的能力，提升裝備智能化水平，具有日益重要的作用。

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