全雙工干擾機的自干擾對消和目標回波削弱方法研究

關(guān)鍵詞：全雙工干擾機；自干擾對消；自干擾非線性模型；目標削弱方法；雷達波形捷變；自干擾對消性能；目標掩護性能

中圖分類號：ＴＮ９７４ 文獻標志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．０１

０引言

未來雷達遙感波形朝向智能化波形快速捷變方向發(fā)展，現(xiàn)有的干擾對抗無法適應(yīng)新環(huán)境的變化。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，干擾機需要升級全雙工工作模式。本文提出一種自干擾對消方法，能夠有效降低接收機中的自干擾。為了解決目標回波易被探知的問題，本文基于對消提出一種干擾思路，旨在實現(xiàn)目標回波的削弱。通過該方法，能夠顯著降低目標回波的強度。在干擾機的主動干擾中，通常的思路是通過構(gòu)造更加逼真和無特征的假目標，來實現(xiàn)對雷達系統(tǒng)的假目標欺騙。除此之外，還可以通過生成多個假目標，以實現(xiàn)對雷達的遮蔽和欺騙，進一步提高電子戰(zhàn)的有效性。設(shè)計新的干擾樣式以欺騙雷達隱藏掩護目標的位置信息。新想法是通過對目標回波的對消，使雷達觀察目標困難，在理想情況下，實現(xiàn)對目標回波的消隱。

此外，目標隱身的主要技術(shù)路徑包括被動隱身和主動隱身。被動隱身通過使用隱身材料或超表面等技術(shù)方法，在特定方向和頻段范圍內(nèi)實現(xiàn)雷達隱身效果。主動隱身則通過發(fā)射信號，以抵消雷達目標回波，但其局限性在于對目標回波特性的識別和對自身發(fā)射信號的相位和幅度控制要求高。主動隱身需要滿足發(fā)射的信號和目標回波同時到達雷達天線的條件，并且兩信號相位相反且波形相同。由于無法得到雷達目標回波的反饋，無法實現(xiàn)對射頻雜散信號和噪聲的對消。

為了實現(xiàn)抵達雷達接收機的主動干擾與目標回波反相且功率匹配，首先需要將自干擾降低至足夠水平，使得全雙工接收機接收到的雷達信號盡可能接近雷達發(fā)射信號。同時，借助于探擾一體全雙工干擾機或分布式數(shù)據(jù)融合平臺，獲取位置、距離、雷達發(fā)射功率及目標散射截面積等先驗信息，以實現(xiàn)發(fā)射到雷達的部分干擾信號與雷達目標回波的相位反相和幅度匹配。

然而，由于全雙工干擾機的尺寸限制和系統(tǒng)的復(fù)雜非線性效應(yīng)，部分非線性自干擾（如高斯隨機噪聲和高階非線性分量）無法完全消除，這將會影響偵查信道對新雷達信號的偵查，并降低全雙工干擾機的干擾效果。為了實現(xiàn)對射頻噪聲和雜散自干擾信號的對消。首先，為了避免接收機飽和，需要在天線端降低自干擾泄露，并在模擬域內(nèi)進一步抑制強烈的線性自干擾［６１２］；其次，由于系統(tǒng)存在非線性效應(yīng)，需要在數(shù)字域中進一步消除射頻非線性效應(yīng)及環(huán)境多徑效應(yīng)引入的自干擾［１３１７］，抑制性能主要取決于數(shù)字域的非線性自干擾對消性能［１８２３］。全雙工自干擾抑制研究面臨著３個挑戰(zhàn)：準確建模復(fù)雜的射頻非理想因素、高精度建模時變和寬帶自干擾信道，并要求算法具有更快的收斂速度，以滿足實時性要求［２４２９］。現(xiàn)有研究主要集中在對窄帶、時不變和考慮不全面的射頻非理想因素的非線性系統(tǒng)自干擾對消方法的研究［３０３６］。

在文獻［１］中，對全雙工自干擾抑制技術(shù)中的天線技術(shù)進行了綜述，并為未來指出發(fā)展方向。與天線相關(guān)的技術(shù)包括天線分離、正交極化、波束形成等。模擬域自干擾對消方法主要包括多抽頭方法及數(shù)字輔助重建方法。數(shù)字域方法包括最小二乘法、深度學(xué)習(xí)方法等。在文獻［２］中，作者就數(shù)字域的自干擾對消問題提出新穎的觀點，并通過實驗數(shù)據(jù)進行了充分驗證。關(guān)于數(shù)字域?qū)ο欠裼性鲆妗⒂斜匾枰唧w問題具體分析。為了提升自干擾性能，文獻［３］提出一種模擬域自干擾抑制方法，并給出相應(yīng)的理論邊界。通過數(shù)值仿真，對該算法的自干擾抑制性能進行詳盡評估，并與傳統(tǒng)方法進行比較。比較結(jié)果顯示，該算法接近于理論極限，并具備更高的自干擾抑制性能。但該方法的局限性主要在于計算復(fù)雜度高，需要求解大矩陣的逆，實現(xiàn)難度大，實時性不好。在文獻［３２］中，吳飛針對全雙工無線通信系統(tǒng)，提出一種收發(fā)波束聯(lián)合成形算法，以信干比最大化為原則，在３ 發(fā)３ 收基站的自干擾抵消值發(fā)射機信噪比為３０ｄＢ時，與奇異值分解（ｓｉｎｇｕｌａｒｖａｌｕｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＳＶＤ）破零技術(shù)相比，所提算法有２５．５ｄＢ的性能改善。

本文通過仿真實驗驗證了所提方法考慮更多系統(tǒng)非理想效應(yīng)，能有效地抑制非理想自干擾信號和降低目標回波的匹配強度，從而提高目標掩護的性能。該方法基于自干擾對消的基本思想，包括全雙工干擾機的自干擾對消和目標回波削弱對消兩種方式。這兩種對消方式都能夠提升雷達的干擾效果，增強目標的掩護性能。

本文將對消思想從自干擾對消擴展到目標回波對消，并對干擾的概念進行了拓展和豐富。傳統(tǒng)的干擾認為只需使干擾信號波形和目標回波波形幾乎不可區(qū)分，即可實現(xiàn)對目標的掩護，從而產(chǎn)生一個或多個無法排除的虛假目標。密集的目標可以掩蓋真實目標的位置。通過干擾波形的設(shè)計以欺騙恒虛警算法，使目標不被雷達檢測到［３７］。與傳統(tǒng)的干擾原理和策略不同，本文通過全雙工技術(shù)使發(fā)射波形和目標回波同時到達雷達，使得混合波形很難檢測到目標，從而實現(xiàn)目標回波的削弱。其基本原理是在目標匹配位置產(chǎn)生一個干擾，該干擾形成一個匹配凹陷，與目標幾乎完全互相抵消。

本文其他部分安排如下：第１節(jié)對非線性系統(tǒng)進行建模；第２節(jié)給出本文所提方法的具體數(shù)字域?qū)ο惴ǎ坏冢?節(jié)和第４節(jié)分別呈現(xiàn)數(shù)值仿真的分析和結(jié)論。

１系統(tǒng)模型

如圖１所示，本文提出一種全雙工干擾機自干擾對消方法及主動對消雷達目標回波以實現(xiàn)目標削弱的方法。傳統(tǒng)方法給出一個自干擾對消框架，該框架包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ａｎａｌｏｇ-ｔｏ-ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＡＤＣ）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（ｄｉｇｉｔａｌ-ｔｏ-ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＤＡＣ）、加性高斯白噪聲（ａｄｄｉｔｉｏｎａｌＧａｕｓｓｉａｎｗｈｉｔｅｎｏｉｓｅ，ＡＧＷＮ）、低通濾波器（ｌｏｗｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ，ＬＰＦ）、同相和正交相位（ｉｎ-ｐｈａｓｅａｎｄｑｕａｄｒａｔｕｒｅ-ｐｈａｓｅ，ＩＱ ）混頻器、本地振蕩器（ｌｏｃａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，ＬＯ）、功率放大器（ｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＰＡ）、發(fā)射天線（ｔｒａｎｓｍｉｔａｎｔｅｎｎａ，ＴＸ）、接收天線（ｒｅｃｅｉｖｅａｎｔｅｎｎａ，ＲＸ）和低噪聲放大器（ｌｏｗｎｏｉｓｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＬＮＡ）。在該框架下，本文提出一種自干擾對消方法，與傳統(tǒng)方法不同的是，該方法充分考慮了系統(tǒng)的非線性效應(yīng)，將自干擾降低到可接受的水平。該方法為了避免接收機飽和，首先采用天線分離的方法，其次使用單抽頭方法對直接耦合部分進行抑制。后續(xù)的剩余自干擾信號在數(shù)字域進行自干擾對消。

１．１雷達系統(tǒng)非線性模型

１．１．１雷達的非線性發(fā)射通道

為了方便表示，本文采用數(shù)字信號模型來描述各個通道中的非線性效應(yīng)。在數(shù)字域中，基帶線性調(diào)頻信號可以表示為

３數(shù)值仿真及性能分析

ＴＸ 和ＲＸ 之間的直接耦合可以建模為具有犓因子的Ｒｉｃｅ信道，而多徑信道可以建模為瑞利衰落信道。無線信道的模型長度為４，３個多徑信號的幅度比為［１，０．１，０．０１］。數(shù)值仿真參數(shù)如表１ 所示，變化后的雷達線性調(diào)頻信號的參數(shù)如下：載頻為９．５ＧＨｚ，帶寬為１．５ＧＨｚ。

根據(jù)圖２所展示的結(jié)果，可以清晰地觀察到本文所提方法在自干擾抑制方面的性能優(yōu)化。

具體而言，其中ｉｄｅａｌ表示全雙工干擾機的基帶信號功率譜密度函數(shù)，ＰＡＳ表示功放的輸出信號功率譜密度函數(shù)。由于上變頻混頻的非線性效應(yīng)，頻譜出現(xiàn)了展寬。ｂａｓｅ表示經(jīng)過一階抽頭對線性自干擾信號進行充分抑制后的剩余自干擾的功率譜密度函數(shù)；ＬＳ１ 代表第一次轉(zhuǎn)發(fā)干擾后的剩余自干擾功率譜密度函數(shù)；ＬＳ２代表第二次轉(zhuǎn)發(fā)干擾后的剩余自干擾功率譜密度函數(shù)。通過對比ＬＳ１ 和ＬＳ２，可以發(fā)現(xiàn)自干擾抑制性能得到了一定程度的改善。圖３揭示了在本文理想已知目標雷達信道參數(shù)條件下，僅采用假目標干擾時的結(jié)果。

從圖３可以明顯地看到兩個強度一致的峰值，分別對應(yīng)于目標位置和假目標位置。值得注意的是，假目標的數(shù)量與位置的關(guān)系具有較高的靈活性。

圖４展示了在理想波形先驗條件下進行回波削弱及假目標干擾的雷達匹配濾波結(jié)果。

與圖３對比，可以看到圖４中目標的回波強度顯著降低，這表明雷達感興趣目標的強度減弱了，而假目標的強度遠大于目標回波強度，因此具有良好的目標掩護效果。對于目標位置的回波，峰值強度明顯減弱但尚未完全消失。這是因為本文所提方法缺乏詳細的雷達目標回波信息反饋，只能對目標回波的線性部分進行抵消，而無法消除非線性部分，尤其是共軛分量。當將本文所提方法應(yīng)用于全雙工干擾機轉(zhuǎn)發(fā)干擾時，如圖５所示，由于存在較多的剩余自干擾信號，目標的消隱效果減弱。

圖６表示在雷達發(fā)射新波形且全雙工干擾機轉(zhuǎn)發(fā)舊波形的情況下，進行雷達匹配濾波的結(jié)果。雖然匹配結(jié)果變差，但目標仍然可被分辨出。

圖7表示通過多次轉(zhuǎn)發(fā)迭代的數(shù)字域自干擾對消后，發(fā)射目標削弱信號和假目標信號的雷達匹配率結(jié)果。與圖４進行比較，其目標削弱結(jié)果接近。仿真結(jié)果表明，本文所提方法可以有效抑制自干擾，且所提目標削弱干擾調(diào)制方法的目標削弱效果達到較為理想的水平。

在這種情況下，仍然存在兩個問題有待解決，分別是抵達時間估計和目標回波功率估計的精度問題。在解決這個問題時，有兩個困難需要注意：第一是隨著角度掃描的變化，目標的ＲＣＳ劇烈變化的問題；第二是由于角度估計等信息的誤差，偏離真實的功率值，嚴重削弱了理想情況。特別是在對角度估計要求極高的角度敏感場景（如隱身飛機）的應(yīng)用中，實現(xiàn)這種技術(shù)非常困難。為了解決這個問題，可以通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料設(shè)計，使得重要區(qū)域不同方向的ＲＣＳ不再劇烈變化。因此，對角度估計的精度要求可以降低。

對于第一個問題，可以通過存儲準確的ＲＣＳ信息，并利用激光陀螺等姿態(tài)捕捉設(shè)備進行姿態(tài)評估，使用集成全雙工干擾機捕捉雷達方位，并通過傳感器獲取的實時信息，通過查詢表格的方式提供雷達回波的ＲＣＳ。根據(jù)這些信息，對雷達回波進行估計。然而，即使進行了特殊設(shè)計，功率估計仍然會引入一定的誤差，但是這個誤差在可以接受的范圍內(nèi)。同時，由于目標消隱轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕讼魅酰藭r的效果并不理想，但仍然有一定的貢獻。

與此同時，時變條件下的ＲＣＳ主要是由機翼等部件的不規(guī)則振動等因素引起的。盡管這種不規(guī)則振動本身無法獲取，但所引起的ＲＣＳ 時變起伏相對有限。因此，使用靜態(tài)的ＲＣＳ來估計動態(tài)的實際ＲＣＳ問題可以簡化為可控制的估計誤差。

考慮到各種真實情況下的誤差，如功率估計誤差、時間估計誤差，仿真結(jié)果顯示出的惡化情況如圖８所示。

為了便于對比匹配濾波強度的變化，對結(jié)果進行了錯開處理。第一簇錯開位置顯示目標回波，而第二簇錯開位置顯示的是虛假目標。可以看出，考慮到實際估計誤差的問題，本文所提方法的有效性受到了顯著限制。然而，盡管對目標產(chǎn)生了一定的削減效果，但只是減弱了理想狀態(tài)，沒有完全達到目標隱身狀態(tài)。值得注意的是，由于ＲＣＳ估計的不準確性（０％ ～５０％），抵達時間差相對較遲（０～１０ 個采樣點），導(dǎo)致性能惡化，而由于ＲＣＳ不匹配導(dǎo)致的結(jié)果的惡化影響較小。因此，該方法對同時性的要求更高，需要目標回波與干擾信號同時到達雷達接收天線。

４結(jié)論

在雷達波形快速捷變的場景下，對全雙工干擾機的需求迫切。然而，工作于全雙工模式的自干擾對雷達信號的探知產(chǎn)生了不利影響，這給全雙工干擾機的應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。本文提出一種自干擾對消方法和目標削弱干擾信號調(diào)制方法，達到了較高的自干擾抑制性能的預(yù)期目標，實現(xiàn)了較為理想的目標回波削弱效果。

本文考慮了更加復(fù)雜的系統(tǒng)非線性效應(yīng)，并提出全雙工自干擾對消方法。仿真結(jié)果表明，使用本文所提方法可以實現(xiàn)對目標回波的消隱，從而大大提高干擾效果，為提升目標的掩護性能提供了一條思路。所提方法多次轉(zhuǎn)發(fā)干擾的目標削弱效果接近于具有完美信號參數(shù)信息先驗條件下的目標削弱結(jié)果。

作者簡介

朱虹宇（１９９４—），男，博士研究生，主要研究方向為全雙工技術(shù)。

黃敬健（１９８３—），男，講師，博士，主要研究方向為天線、電子對抗。

王 超（１９７７—），男，副教授，博士，主要研究方向為電子對抗。

王延祺（１９９６—），男，博士研究生，主要研究方向為電子對抗。

袁乃昌（１９６５—），男，教授，博士，主要研究方向為復(fù)雜電磁環(huán)境電子對抗。