雷達低截獲波形抗主瓣干擾技術研究與試驗

晏藝翡 蘇軍海 李英軍

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

隨著作戰裝備類型的不斷豐富和電子戰裝備水平的不斷提升，戰場復雜電磁環境已貫穿于陸、海、空、天、網多維作戰空間的全過程，其電磁信號主要呈現出能量密集、種類繁多、動態變化等特點。面對如此復雜多變的戰場電磁環境，雷達裝備為了準確定位目標、提高防空預警能力，同時降低自身的可截獲概率，也迫切需要提高其抗干擾性能。

在實際作戰場景中，主瓣干擾廣泛存在且威脅巨大。以典型的防空作戰場景為例，進攻方參與突防電子干擾的力量包括：電子戰飛機遠程支援式干擾、突防飛機隨隊干擾、彈載自衛轉發式干擾及隨隊干擾等方式，用于干擾不同功能的雷達。目標搜索指示雷達面臨著遠距離支援噪聲壓制干擾、相參壓制式干擾、復合干擾等影響，使雷達距離探測性能下降，目標預警時間縮短，檢測性能惡化；跟蹤雷達面臨著密集假目標干擾、速度/距離拖引欺騙式干擾等影響，將使目標跟蹤與射擊諸元測量精度惡化，破壞火控系統發射攔截彈的條件和制導信息。這些典型的干擾形式大多可直接作用于雷達的波束主瓣內，對雷達造成致命威脅。更嚴重的是，近年來基于數字射頻存儲器(DRFM)的干擾機可以做到快速轉發、快速測頻，對火控雷達的威脅急劇提升。這也就意味著一旦承擔近區防空任務的火控雷達被干擾而失去作戰效能，我方裝備和人員都將被置于極度危險的境地。因此，雷達的主瓣抗干擾能力已成為確保雷達戰場生存及探測性能的決定性因素。

已有的典型主瓣抗干擾方法常采用設計窄凹陷的空域濾波器的方法，如：子空間投影法[1]、阻塞矩陣法[2]。但在實際工程中，阻塞矩陣法需要提前預估干擾的來波方向，子空間投影法需要估計雜波協方差矩陣且對矩陣進行特征分解。因此，先驗估計的準確性對后續的對消影響巨大，同時即使估計較為準確，空域濾波的方法也會造成波束主瓣能量的嚴重折損。

本文的主體思路依托于雷達與電子干擾的動態博弈過程，一方面結合雷達的工作特點、干擾機的工作原理對雷達工作時序、工作模式、發射波形等進行多域聯合優化設計；另一方面基于環境感知獲取當前電磁環境下的干擾信號分布，結合干擾威脅等級判斷，選擇干擾信號能量薄弱的頻段發射低截獲概率波形，以此實現雷達對干擾的主動防御。從而構建了一個從電磁環境偵察感知[3]、干擾信息獲取、抗干擾策略調度到多域聯合捷變波形設計與產生，直至復雜波形信號與數據的雷達抗干擾工作閉環，其總體思路如圖1所示。

圖1 動態分集波形抗主瓣干擾技術系統工作流程圖

基于上述設計思路，首先從理論分析的角度，通過仿真試驗分別對干擾信息的獲取、測量、分類方法；低截獲波形[4]的多域均衡參數設計；基于復雜捷變波形的雜波抑制及全相參信號處理方法進行了詳細的仿真分析，如圖2所示。確定了技術路徑，得出了算法穩定性的邊界條件。

圖2 多域聯合優化低截獲波形抗主瓣干擾技術算法及軟件設計集

1 干擾信息獲取

1.1 干擾信號偵察

為提高雷達抗干擾過程中采用策略的針對性和有效性，必須能有效獲取雷達當前工作帶寬內的干擾環境信息。針對防御雷達的工作特性，擬采用寬帶信道化接收技術對超寬頻帶范圍內的信號進行偵察接收，如圖3所示將偵察的頻率范圍劃分為若干個子信道，同時以μs量級作為處理周期對每個子頻帶進行信號的信號帶寬、信號時寬、峰值功率和峰值時間等參數的連續測量。最終利用各子頻帶的參數測量結果進行子帶間特征融合，借助“參數決策樹分類器”獲取干擾的分類[5]。此外，為了使雷達在與干擾機博弈的過程中占據主動地位，要求其能夠估計出干擾機的偵收時間窗并做出標記和預測。寬帶實時干擾環境感知的結果為本項目后續工作的開展奠定了基礎，并在很大程度上影響了抗干擾決策以及雷達整體抗干擾性能。

圖3 偵察分系統原理框圖

1.2 抗干擾決策

在獲取干擾的類型及主要參數(帶寬，中心頻率等)之后，決策模塊就可以根據干擾感知信息對雷達所使用的發射波形進行選擇調度。基于寬帶偵察通道干擾偵測分析結果，同時充分利用雷達超寬帶和中高重頻特性，針對不同干擾樣式(阻塞式、掃頻式、瞄頻式、切片轉發以及密集假目標干擾等)及干擾機工作模式制定了一套自適應抗干擾決策方法：

當判定干擾機處于干擾狀態時，雷達會在干擾機工作頻段內發射誘餌信號，以延長其反應時間，同時在每個誘餌脈沖之后設置“真實”工作脈沖，其工作頻率與誘餌信號頻率間隔較大，且“真實”工作脈沖為脈間頻率/碼域分集形式。

2 波形參數優選及產生

建立一套完備的分集波形庫，是該系統充分發揮時/頻/空/碼域聯合捷變動態波形調度抗干擾的前提。結合海用防御雷達的平臺特點及干擾機的工作原理，充分利用雷達信號的多維度資源，從時域、頻域、空域、碼域等維度加大雷達發射波形的分集自由度[6]，同時通過仿真定量分析發射波形帶寬/時寬/重頻/積累周期的制約關系，設計兼具干擾對抗、雜波和多路徑抑制、目標跟蹤能力的多類別復雜波形集合。

圖4 分集波形庫設計原則

具體而言，多域聯合捷變波形[7]的設計具備很好的靈活性，具體體現在以下方面：

1)時域：一方面考慮基于雷達目標探測需求決定雷達的工作體制(LFM或PD)及波形時序參數(PRF、脈寬、脈沖個數等)；另一方面還可以考慮調頻斜路非線性變化等的時域調制方式。

2)頻域：脈間捷變頻甚至脈內分塊捷變頻。

3)碼域：脈內隨機相位編碼。

4)空域：極化散射特性、空域濾波器。

3 多域捷變波形信號處理

對于上述波形的信號處理，應重點考慮非線性調頻脈壓、隨機相位編碼多普勒容限、空域濾波需先估計干擾來向，脈間捷變頻稀疏反演運算量巨大等實際問題，除此之外，還需密切圍繞海用作戰環境，充分考慮海雜波帶來的挑戰。

針對上述信號處理面臨的問題，本文提出了一種針對海用防御雷達的干擾環境目標快速跟蹤方法：

首先結合多域捷變波形的特點構建完備的海雜波特征空間，用于強雜波的對消和抑制；進而結合矩陣化參數匹配的思想，估計出目標的相位偏移及目標參數，進而得到目標回波的相位補償矢量，最終完成全相參積累。信號處理算法[8]的核心思想如圖5所示。

圖5 分集波形全相參算法主體思路

圖6和圖7展示了脈間頻率+編碼捷變波形的相參處理仿真過程和結果，從圖中可以看出該算法可以實現編碼的壓縮和脈間捷變頻波形的相參積累以及目標檢測。

圖6 有雜波下的目標二維搜索仿真結果圖

圖7 雜波抑制后相參積累

在完成相參積累、目標檢測等處理后，以此獲得目標的距離和速度信息。進一步，目標點跡結果被送入數據處理分系統，由數據處理分系統完成目標點跡跟蹤。

4 樣機搭建及試驗

為驗證多域聯合捷變波形抗主瓣干擾閉環設計方法的有效性，以總體方案及各分模塊的研制為基礎，搭建了偵察模塊、波形產生模塊、信號處理組合，并將這些新模塊用于一套現有防御雷達樣機的改造，構建了抗干擾雷達原理實驗樣機，如圖8所示。

圖8 整機搭建款圖

在分機調試和整機調試完成之后，借助無人機載干擾機充當目標及干擾源1，車載電子干擾吊艙為干擾源2搭建試驗環境，如圖9所示。

圖9 抗干擾試驗搭建示意圖

利用上述樣機試驗，完成了有源干擾條件下的分集波形的目標檢測驗證。無人機載干擾機及車載電子干擾吊艙可同時釋放不同類型的主瓣干擾，包括：窄帶瞄頻、寬帶阻塞、掃頻噪聲、切片轉發、密集假目標、密集卷積干擾。

圖10中顯示了無人機載干擾機及機載電子對抗靶標(車載)分別釋放切片轉發及窄帶瞄頻干擾時，顯示界面的瞬態結果；其中，切片轉發式干擾的起始頻率與終止頻率測量結果顯示在界面上，峰值功率為35個系統功率單元；窄帶瞄頻干擾的起始頻率為與終止頻率顯示在界面上，峰值功率為53個系統功率單元。且從顯示界面的左面柱狀圖亦可直觀看出兩個干擾的類型、所處頻帶、能量大小的分布。同時可實時顯示了抗干擾決策功能模塊依據偵查模塊測得到干擾信息決策出的雷達下一幀工作模式、重頻、波形跳頻圖案、掩護脈沖的頻點等信息。如圖10中下一幀的重頻選擇9.4μs、選擇工作模式5、起始頻點為1號射頻頻點、跳頻序列選用13號序列、掩護脈沖頻點均為6號射頻頻點。也給出了決策出該幀的下一幀抗干擾策略結果所需的時間，為1.31ms，達到快速決策的要求。

圖10 試驗結果圖——干擾信息獲取及抗干擾決策結果

圖11展示了顯控界面上實時變換的目標跟蹤結果。包括目標距離、速度、方位角度、俯仰角度即目標四維參數。

圖11 試驗結果圖——干擾環境下目標跟蹤結果

5 結束語

本文對一套抗干擾改造樣機的設計方法及樣機驗證結果進行了總體性的論述。開創性地從基于環境反饋的動態低截獲波形調度角度出發，突破多域聯合捷變波形參數優選及產生技術、干擾環境感知技術，編碼捷變頻信號快速全相參信號處理技術，最終實現干擾的快速分類、規避，進一步在實現雜波抑制的處理下實現目標的快速檢測與穩定跟蹤。同時，也以自適應閉環的抗干擾策略決策為智能抗干擾[9]的初步實踐手段，為日后的決策樹優化和基于干擾小樣本的快速決策技術奠定了基礎。