施龍飛，任 博，馬佳智，李永禎

(國防科技大學(xué) 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室， 長沙 410073)

·總體工程·

雷達極化抗干擾技術(shù)進展

施龍飛，任 博，馬佳智，李永禎

(國防科技大學(xué) 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室， 長沙 410073)

雷達極化抗干擾的本質(zhì)是利用干擾與目標在極化域的差異，減弱或消除干擾對雷達探測的影響。極化抗干擾已經(jīng)在主瓣干擾抑制、有源假目標鑒別、角度誘偏干擾對抗等抗干擾難題中顯現(xiàn)出獨特的作用。隨著電子對抗水平的升級，目標與干擾間的差異呈現(xiàn)出細微化的特點，亟需進一步探索雷達抗干擾新技術(shù)，以充分挖掘和聯(lián)合利用包括極化在內(nèi)的各種差異。文章從發(fā)展歷史、技術(shù)手段、典型應(yīng)用等方面介紹了雷達極化抗干擾技術(shù)的研究進展情況。

雷達；極化；抗干擾；極化濾波；極化鑒別；極化優(yōu)化

0 引 言

極化是描述電磁波矢量特征的物理參量，可用電磁波傳播截面上電場矢量端點的運動軌跡來表征。例如，電磁波電場矢量端點的軌跡如果是一條直線，則稱其極化為線極化(包括水平極化、垂直極化等)；如果是一個圓，則稱為圓極化，否則稱為橢圓極化。

雷達探測過程與極化密切相關(guān)，包括天線輻射、大氣傳播、目標散射、有源干擾輻射/無源干擾散射、雜波散射、天線接收以及信號處理等諸多環(huán)節(jié)，深入分析這些環(huán)節(jié)中與極化有關(guān)的特性、機理，進而對雷達體制、波形、信號處理進行優(yōu)化設(shè)計，將會有效地提高雷達的檢測能力、識別能力以及抗干擾能力。

雷達極化抗干擾的本質(zhì)是利用干擾與目標在極化域的差異，減弱或消除干擾對雷達探測的影響。雷達極化抗干擾技術(shù)正逐漸受到雷達界的高度關(guān)注，國外具有代表性的研究團隊包括美國的佐治亞理工學(xué)院、伊利諾伊大學(xué)，意大利的佛羅倫薩大學(xué)、羅馬大學(xué)等，國內(nèi)則包括國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、空軍預(yù)警學(xué)院以及空軍裝備研究院等高校和科研單位。

本文將對雷達極化抗干擾的發(fā)展歷史、技術(shù)內(nèi)涵、技術(shù)應(yīng)用情況進行闡述。

1 雷達極化抗干擾技術(shù)發(fā)展歷史

雷達極化抗干擾技術(shù)始于20世紀70年代，經(jīng)歷了從接收極化優(yōu)化到收/發(fā)極化聯(lián)合優(yōu)化，從單一極化域處理到極化、空、時等聯(lián)合域處理，從壓制式干擾抑制拓展到欺騙干擾對抗的發(fā)展過程，技術(shù)體系逐漸充實，應(yīng)用對象涉及航管雷達、氣象雷達、對空情報雷達、制導(dǎo)雷達以及雷達導(dǎo)引頭。

下面按照時間先后順序，闡述極化抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷程。

1.1 干擾極化抑制

早期的極化抗干擾主要是通過改變雷達接收極化來抑制干擾功率，稱為干擾抑制極化濾波器(ISPF)。

極化對消器是最早的干擾抑制極化濾波器，1975年NATHANSON[1]提出了自適應(yīng)極化對消器(APC)，先被用于對消雨雜波，后逐漸擴展到用于抑制地/海雜波、寬帶阻塞壓制式干擾。POELMAN[2]于1984年提出了多凹口邏輯乘積極化濾波器(MLP)，用于抑制部分極化的雜波和干擾。隨后，意大利學(xué)者GIULI、GHERARDELLI等[3-4]提出了MLP-APC和MLP-SAPC等概念，以提高MLP濾波器的自適應(yīng)能力。

1.2 干擾極化抑制/目標極化增強

僅抑制干擾功率并不能保證雷達檢測能力的提高，與檢測能力直接相關(guān)的是信號干擾噪聲功率比(SINR)，而提升SINR的另一個重要方面就是需要增強目標功率(或稱目標增強)，即通過發(fā)射極化優(yōu)化使目標接收功率增強。實際應(yīng)用中，一般是在干擾(或雜波)背景下通過發(fā)射極化和接收極化的聯(lián)合優(yōu)化選擇，實現(xiàn)抑制干擾、增強目標，稱之為SINR極化濾波器。1993年，NOVAK[5]研究了提升目標檢測性能的最優(yōu)極化處理方法。1995年，STAPOR[6]研究了單一信號源、干擾源和完全極化情況下的以SINR最大為準則的最優(yōu)化問題。2002年，MAIO、GARREN等[7-8]人研究了針對目標的自適應(yīng)最優(yōu)極化及目標檢測問題。2011年，LOMBARDO[9-10]研究了雜波干擾背景下自適應(yīng)變極化以提升雷達目標檢測性能的問題。國內(nèi)王雪松、徐振海、楊運甫等[11-12]人亦對SINR極化濾波問題展開了研究，2005年，施龍飛[13]提出了在估計得到針對干擾的最佳接收極化后，進一步優(yōu)化發(fā)射極化的分步估計方法。

1.3 極化與時-頻-空域聯(lián)合干擾抑制

僅通過極化域濾波對干擾的抑制能力是有限的，極化抗干擾技術(shù)逐漸從單一極化域處理向多域聯(lián)合處理發(fā)展。1995年，韓國學(xué)者PARK等[14-15]利用目標與雜波干擾的極化域、時域和空域特性，采用廣義似然比檢驗(GLRT)，推導(dǎo)得到了一種極化-空-時自適應(yīng)檢測器。2003年，美國佐治亞理工研究院的SHOWMAN[16]提出在空-時自適應(yīng)處理(STAP)之后串聯(lián)一個極化匹配濾波器或極化白化濾波器，用來改善雜波/干擾背景下的目標檢測，稱之為極化-空-時自適應(yīng)處理(PSTAP)，其結(jié)論是利用PSTAP處理比STAP處理的輸出SINR可提高6 dB。美國MITRE公司的FANTE[17-18]提出利用N個雙極化天線進行極化-空-時域的聯(lián)合處理能夠?qū)ο?N-1個干擾。國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位均研究了極化與空、時域聯(lián)合處理的問題，其中，張國毅、喬曉林、宋立眾、毛興鵬等[19-24]人在極化域-頻域聯(lián)合濾波方面，吳迪軍等[25]人在機載相控陣雷達空-時-極化域自適應(yīng)處理方面開展了研究工作，施龍飛等[26]人研究了基于雙極化主輔陣列的主瓣、旁瓣干擾聯(lián)合對消技術(shù)。這些研究表明，相比于極化域處理，極化與空、時、頻域的聯(lián)合處理能夠更好地區(qū)分干擾與目標，提高干擾抑制能力。

1.4 有源假目標干擾的極化鑒別

近年來，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)多位研究者對有源假目標干擾的極化鑒別問題進行了深入研究，先后針對脈沖重復(fù)周期(PRI)間恒定極化假目標、PRI內(nèi)恒定極化假目標、全極化假目標、脈內(nèi)隨機調(diào)制極化假目標的鑒別問題展開了研究，可實現(xiàn)在雷達信號處理階段對假目標的有效鑒別[27-32]。

1.5 角度欺騙干擾的極化對抗

宋立眾、趙宜楠，施龍飛、李永禎等[23-37]人開展了算法和工程應(yīng)用的研究，針對質(zhì)心式角度誘偏干擾、低空鏡像角閃爍干擾、地面反彈式干擾等，從極化分集、波形設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等方面進行了技術(shù)探索。

1.6 無源誘餌的極化識別

在對抗無源欺騙干擾方面，干擾與目標之間極化散射特性的差異亦可發(fā)揮重要的作用。針對雷達導(dǎo)引頭應(yīng)用背景，沈允春、劉慶普[38-39]提出用共極化分量與交叉極化分量的比值作為艦船目標和箔條干擾的鑒別特征量，邵仙鶴等[40-41]人則進一步研究了雨、雪雜波背景下對艦船和箔條的極化鑒別性能，李金梁[42]提出了以極化角為特征量的鑒別方法，湯廣富[43]分析了角反射器干擾的極化特性，研究了對角反射器干擾的極化鑒別方法。

總的來看，極化抗干擾往往是在時、頻、空域抗干擾手段難以奏效的時候顯現(xiàn)出優(yōu)勢，因而吸引了雷達界對極化抗干擾領(lǐng)域越來越強烈的關(guān)注。從雷達抗干擾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，極化抗干擾在以下四方面具有優(yōu)勢：

(1)主瓣干擾抑制方面，主瓣干擾是防空壓制、突防進攻中的主要干擾形式，傳統(tǒng)的旁瓣對消等抗干擾手段難以奏效，而極化提供了有效的抑制手段。

(2)欺騙干擾鑒別方面，欺騙干擾技術(shù)的發(fā)展，使得干擾從波形、頻率、運動特征等多個方面與目標幾無差異，常規(guī)的時、頻、空域抗干擾手段很難鑒別，但利用干擾輻射與目標散射的極化差異，能夠快速、有效地鑒別干擾。

(3)角度誘偏干擾對抗方面，角度誘偏干擾尤其是分布式角度誘偏干擾是雷達/雷達導(dǎo)引頭的重大威脅，極化信息的引入有望提供重要的對抗手段。

(4)無源誘餌識別方面，無源誘餌是彈道導(dǎo)彈突防、機載/艦載平臺自衛(wèi)的重要掩護手段，箔條、角反射器、充氣誘餌是無源誘餌的重要形式，這些無源散射體具有一定的極化散射規(guī)律，雷達可通過發(fā)射變極化和極化特征提取，構(gòu)造識別特征量。

近年來，國內(nèi)多家單位對現(xiàn)役對空情報雷達、雷達導(dǎo)引頭進行了極化改造，以提升其抗干擾能力，亦有多個新型雷達具備了雙極化發(fā)射或接收能力，極化抗干擾技術(shù)正迎來重要的發(fā)展機遇。

2 極化抗干擾的技術(shù)手段及應(yīng)用

雷達極化抗干擾的技術(shù)手段主要包括極化濾波技術(shù)、極化優(yōu)化技術(shù)以及極化特征提取技術(shù)。具體來說，極化濾波主要是通過對雷達接收極化的設(shè)定等將干擾抑制；極化優(yōu)化主要是通過對雷達發(fā)射極化/接收極化進行優(yōu)化，使目標回波最強或信干噪比最大；極化特征提取是通過對雷達接收信號進行特征提取處理，使得目標回波與干擾的極化特征差異最大。

下面分別對極化濾波、極化優(yōu)化、極化特征提取三類極化抗干擾技術(shù)手段的物理內(nèi)涵、數(shù)學(xué)方法進行闡述。

2.1 極化濾波

極化濾波通過對雷達接收極化進行設(shè)定，實現(xiàn)干擾抑制。

2.1.1 極化濾波器的分類

極化濾波器可以分為三類[44]：以輸出干擾功率最小為準則的干擾抑制極化濾波器(ISPF)，以輸出目標功率最大為準則的目標匹配極化濾波器(SMPF)，以輸出信號干擾噪聲功率比最大為準則的SINR極化濾波器。

(1)

(2)

天線極化在電磁波傳播方向法平面上的投影矢量，稱為天線在該方向的有效接收極化；天線有效接收極化與電磁波信號極化矢量的乘積，即為天線的接收電壓系數(shù)。

圖1 電磁波與天線極化矢量

2.1.2 極化濾波的典型應(yīng)用

極化濾波的關(guān)鍵是獲取“最佳接收極化”，即確定極化接收通道間的加權(quán)系數(shù)，計算途徑包括均值估計[47]、迭代計算等[48]。

極化濾波最為典型的應(yīng)用是通過極化對消實現(xiàn)對雷達主瓣干擾的抑制(即ISPF濾波)。常見的雷達主瓣干擾包括隨隊式干擾、自衛(wèi)式干擾等，位于雷達天線探測目標時的天線主波束內(nèi)，往往具有時域、頻域覆蓋目標回波而空域與目標無法區(qū)分的特點，傳統(tǒng)抗干擾措施難以奏效。

極化是抑制主瓣干擾的一種有效手段，即如果干擾信號的極化與目標回波的極化存在足夠大的差別，則可以通過設(shè)定接收極化(干擾極化的交叉極化)，將干擾信號對消。設(shè)干擾極化為hJ(二維矢量)，則最佳接收極化hropt與干擾極化互為交叉極化，此時雷達對干擾信號的接收功率系數(shù)為零，即

(3)

最典型的是自適應(yīng)極化對消器(APC)[48]，其原理是通過自適應(yīng)估計H、V兩個正交極化接收通道的加權(quán)系數(shù)，并對兩通道信號進行加權(quán)合成，將干擾信號對消。APC對消前后的雷達接收極化增益如圖2所示(橫坐標為干擾信號的兩個極化狀態(tài)角，縱坐標為接收極化增益，單位為dB)，圖2a)為對消前的極化增益，可見在干擾極化狀態(tài)上的增益較大，圖2b)為對消后的極化增益，在干擾極化狀態(tài)上的增益顯然處于波谷位置。

圖2 APC對消前后的極化增益圖

APC的對消性能與多個因素有關(guān)，主要包括干擾信號的極化度、多徑效應(yīng)以及雷達接收機帶寬、極化通道間幅相起伏一致性、通道群延遲等，最終由雷達接收機輸出干擾信號的極化度決定，干擾抑制比η與極化度PD的關(guān)系為[45]

(4)

式中：η為干擾抑制比；PD為接收機輸出干擾信號的極化度。按照該公式，若要求干擾抑制比達到20 dB，則極化度不應(yīng)低于0.98，而若要求抑制比達到40 dB，則極化度不應(yīng)低于0.999 8。

2.2 極化優(yōu)化

極化優(yōu)化是通過對雷達發(fā)射/接收極化進行優(yōu)化，使得目標回波增強或信干噪比最大。

極化優(yōu)化主要分為兩種情況：一種是無干擾情況下，通過選擇最佳發(fā)射極化使目標回波的功率最強，稱為目標極化增強；另一種是有干擾情況下，通過選擇最佳發(fā)射極化和最佳接收極化，使得信干噪比最大。

(1)無干擾情況下，雷達最佳發(fā)射極化由目標極化散射矩陣決定。

考慮雷達收發(fā)天線的極化后，目標雷達散射截面積(RCS)重寫為

(5)

即目標RCS與雷達收、發(fā)極化以及目標極化散射矩陣密切相關(guān)(ht和hr分別為發(fā)射極化和接收極化，且|ht|=|hr|=1，S為目標散射矩陣)。目標極化增強的過程就是使目標RCS最大化的過程，其必要條件是對目標回波功率完全接收，即接收極化與目標回波極化匹配

(6)

(7)

σmax和σmin為G的兩個特征值，分別對應(yīng)G的特征矢量htmax和htmin，且

σ|ht=htmax=σmax

(8)

因此，最佳發(fā)射極化htopt即為目標功率矩陣最大特征值對應(yīng)的特征矢量

htopt=htmax

(9)

此時的目標RCS即為目標功率矩陣的最大特征值σmax。

(2)有干擾情況下，最佳發(fā)射極化、最佳接收極化由目標散射矩陣、干擾極化共同決定。

文獻[13]提出了干擾背景下的雷達發(fā)射/接收極化聯(lián)合優(yōu)化方法。該方法中，最佳接收極化為干擾信號極化的交叉極化，而最佳發(fā)射極化則是使目標回波與干擾信號極化差異最大的發(fā)射極化，以減小目標回波在干擾對消過程中的損失。該方法在接收極化優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用發(fā)射多極化技術(shù)，基于最小二乘估計得到最佳發(fā)射極化

(10)

式中：Ht=[ht1,ht2,…,htM]T是由多個發(fā)射極化組成的系數(shù)矩陣；Z=[z1,z2,…,zm,…,zM]T，是由多個接收信號極化系數(shù)組成的觀測矢量。圖3是該方法的流程示意圖[46]，即先通過干擾信號數(shù)據(jù)以優(yōu)化接收極化，再通過發(fā)射多極化信號并對多極化回波進行參數(shù)提取和最小二乘估計，得到最佳發(fā)射極化。

圖3 干擾背景下雷達發(fā)射/接收極化聯(lián)合優(yōu)化過程

2.3 極化特征提取

極化特征提取是通過對雷達發(fā)射/接收極化、波形、信號處理的設(shè)計，獲取干擾與目標間差異擴大化的極化特征。

基于極化特征的極化抗干擾主要對象是雷達欺騙干擾，雷達欺騙干擾與目標之間的極化特征差異主要包括以下三點：

(1) 目標回波極化與雷達發(fā)射極化線性相關(guān)，而單極化天線有源欺騙干擾與其無關(guān)；

(2) 目標極化散射矩陣隨著頻率、姿態(tài)而變化，而雙極化天線有源欺騙干擾難以完全模擬；

(3) 無源欺騙干擾通常具有較為明顯或突出的極化散射特征，如角反射器、箔條等，與雷達目標的極化散射特征變化規(guī)律存在一定的差異。

極化特征提取在雷達抗干擾中非常重要，可以作為干擾存在、干擾類型以及啟用抗干擾措施的判斷依據(jù)，也可以在復(fù)雜的干擾信號環(huán)境中為雷達數(shù)據(jù)處理提供一種重要的支撐信息。

近年來，基于極化特征來鑒別有源假目標成為研究熱點，李永禎、王濤、施龍飛、宗志偉等[27-32]在此方面開展了大量的研究。

根據(jù)有源假目標的極化特征，可以大致分為四類：第一類，是脈沖重復(fù)周期(PRI)間恒定極化假目標，即假目標極化狀態(tài)在PRI之間保持恒定；第二類，是PRI內(nèi)恒定極化假目標，即脈沖重復(fù)周期內(nèi)多個假目標脈沖信號的極化狀態(tài)保持恒定，而PRI間捷變；第三類，是脈內(nèi)恒定極化假目標，即單個假目標脈沖信號在其脈沖寬度時間內(nèi)的瞬時極化狀態(tài)是穩(wěn)定的，而脈沖信號間捷變，又被稱為變極化假目標；第四類，是脈內(nèi)極化調(diào)制假目標，即假目標信號在脈沖內(nèi)的極化狀態(tài)是起伏變化的。

對于這四類假目標，需要提取不同的極化特征進行鑒別，也因此對雷達極化體制提出了不同的要求。

對于第一類、第二類假目標的鑒別，可以采用聚類分析的思路[30]，即利用假目標之間極化狀態(tài)相近的特點，對所有檢測出的“目標”極化狀態(tài)進行聚類分析，依據(jù)偏離聚類中心的“距離”判斷“目標”的真假。這種鑒別方法一般只需要雷達具有雙極化接收能力，但考慮到目標回波與假目標信號極化存在非常接近的情況。因此，如果雷達具有簡單的發(fā)射變極化能力(如兩種極化切換)則會有更好的鑒別效果。

第三類假目標，又可細分為隨機變極化假目標和全極化假目標兩種。對于隨機變極化假目標，需雷達具有同時發(fā)射多極化能力(即同一個發(fā)射脈沖內(nèi)包含多種發(fā)射極化)，利用一個脈沖內(nèi)目標回波極化多樣性與干擾信號極化單一性的差別進行鑒別[36]。而對于全極化假目標，則還需雷達具有同時多頻的發(fā)射能力[31]或采用雷達組網(wǎng)方式，利用目標極化散射矩陣隨頻率變化、隨姿態(tài)變化，而干擾機難以完全模擬這種極化特征的特點進行鑒別。

第四類假目標一般是由雙極化天線干擾機生成的，其兩個極化通道干擾信號的相對調(diào)制系數(shù)隨機變化，使假目標的極化狀態(tài)隨機起伏。鑒別這類干擾需要采用同時發(fā)射多極化體制，利用目標回波極化隨雷達發(fā)射極化線性變化而干擾極化隨機變化的差異進行鑒別。文獻[32]在雷達接收處理中采用極化矢量的張量積接收方式，提取四維復(fù)矢量“測量矩陣”作為極化特征矢量，利用該矢量的空間聚集性差異(即散度)來判斷目標與假目標。

3 雷達極化抗干擾技術(shù)的工程實現(xiàn)

雷達極化抗干擾技術(shù)的應(yīng)用必然會帶來硬件、軟件代價的增長，需要在雷達天線、射頻系統(tǒng)中增加極化通道，需要在信號處理中增加或融入極化域信號處理。表1簡要闡述典型雷達極化抗干擾技術(shù)的工程實現(xiàn)概況。

4 結(jié)束語

極化抗干擾作為雷達抗干擾技術(shù)的重要分支，近年來受到了雷達界的高度關(guān)注，并已經(jīng)在主瓣干擾抑制、欺騙干擾鑒別、角度誘偏干擾對抗等方面得到了成功應(yīng)用，顯示了極化在雷達抗干擾中的應(yīng)用潛力。

面對愈加復(fù)雜的干擾環(huán)境，下一步應(yīng)結(jié)合極化雷達系統(tǒng)的總體設(shè)計，進一步開展極化抗干擾理論和關(guān)鍵技術(shù)的探索、突破，充分挖掘極化信息在雷達抗干擾的應(yīng)用潛力，為解決防空反導(dǎo)、預(yù)警探測、精確制導(dǎo)等領(lǐng)域的抗干擾難題，提供技術(shù)支撐。

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施龍飛 男，1978年出生，博士，副研究員。研究方向為雷達極化抗干擾、雷達對抗技術(shù)。

Recent Developments of Radar Anti-interference Techniques with Polarimetry

SHI Longfei，REN Bo，MA Jiazhi，LI Yongzhen

(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System,National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

The essence of radar anti-interference with polarimetry is to suppress or avoid the effects on radar exploring from the interference, by using the polarization difference between radar interference and radar target. Radar anti-interference techniques with polarimetry has been applied successfully for several bottleneck problems, such as main-lobe interference suppression, decoy discrimination and anti-angle deception jamming. Due to the upgrade of electronic countermeasure, the difference between interference and radar target echo becomes inconspicuous. As a result, it is imperative to research into the new radar anti-interference techniques which excavate fully and utilize synthetically all differences including polarimetry. Development history, key technologies, typical applications of radar anti-interference techniques with polarimetry are described in this paper.

radar; polarimetry; anti-interference; polarization filtering; polarization discrimination; polarization optimization

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.001

國家自然科學(xué)基金資助重大項目(61490692)

施龍飛 Email：longfei_shi@sina.com

2015-11-24

2016-01-29

TN95

A

1004-7859(2016)04-0001-07