宋建強(qiáng)，張振標(biāo)，全 剛，唐和根，孔 閣

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750)

0 引言

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中雷達(dá)所處的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，有效對抗高強(qiáng)度、多樣式電磁干擾，成為提高雷達(dá)作戰(zhàn)水平和生存能力的重要體現(xiàn)。

面對復(fù)雜的電磁干擾，研究者提出了各種抗干擾方法，如頻率捷變、旁瓣匿影、旁瓣對消、低旁瓣、低截獲概率(Low Probability of Intercept，LPI)波形設(shè)計(jì)等[1]，這些措施在對抗副瓣干擾中起到了重要作用，但對自衛(wèi)式干擾和伴隨式干擾等主瓣干擾或近主瓣干擾通常無能為力[2]。對于主瓣干擾，雷達(dá)工作者又提出了和差波束主瓣對消、多站無源定位、盲源分離技術(shù)等[3-4]抗主瓣干擾措施。然而，當(dāng)雷達(dá)面臨未知干擾類型時(shí)，雷達(dá)抗干擾手段很難發(fā)揮有效性能，嚴(yán)重制約雷達(dá)實(shí)戰(zhàn)性能。

2006年HAYKINS S首次提出“認(rèn)知雷達(dá)”的概念[5]，其系統(tǒng)架構(gòu)包括環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)知識庫、判決及人機(jī)交互和自適應(yīng)發(fā)射接收處理等，通過發(fā)射-接收電磁波來感知外部環(huán)境，針對得到的外部環(huán)境信息采取相應(yīng)的對抗措施，并根據(jù)措施的效果反饋，調(diào)整雷達(dá)抗干擾措施，達(dá)到雷達(dá)最佳抗干擾效果[6]。

1 主瓣干擾分類識別

1.1 干擾分類

雷達(dá)面臨的干擾信號類型及干擾樣式根據(jù)具體應(yīng)用場景不同而有所差異。但在現(xiàn)代雷達(dá)對抗中，雷達(dá)面臨的主要干擾通常為主瓣干擾。主瓣干擾包括主瓣壓制和主瓣轉(zhuǎn)發(fā)兩大類，且干擾使用策略、干擾調(diào)制類型、干擾形式等干擾特性可設(shè)置，使得主瓣干擾在時(shí)域、頻域和空域與目標(biāo)回波相互重疊，干擾抑制困難[7]，嚴(yán)重影響了雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測、跟蹤性能。

壓制干擾時(shí)，干擾信號類似“噪聲”，進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)后，其作用和接收機(jī)中本身具有的電噪聲相仿。在壓制干擾中，描頻壓制干擾、寬帶阻塞壓制干擾、寬帶掃頻壓制干擾，其核心都是提高干擾信號的干信比，使接收機(jī)飽和，影響接收機(jī)正常工作或無法分離目標(biāo)信號。

根據(jù)主瓣壓制干擾特點(diǎn)，可以進(jìn)一步將壓制干擾分為窄帶描頻壓制干擾、寬帶阻塞壓制干擾、寬帶掃頻壓制干擾等類型[8]。壓制干擾的主要特征及對雷達(dá)的主要影響如表1所示。

表1 壓制干擾信號主要特性及影響

轉(zhuǎn)發(fā)干擾不同于壓制干擾，其是用假目標(biāo)信息來迷惑雷達(dá)，使雷達(dá)不能區(qū)分出真假目標(biāo)，從而不能正確對目標(biāo)進(jìn)行檢測和跟蹤。轉(zhuǎn)發(fā)干擾工作時(shí)，干擾設(shè)備直接將截獲的雷達(dá)信號放大，并按照干擾要求進(jìn)行各種調(diào)制，然后將調(diào)制后的信號進(jìn)行功率放大后發(fā)射出去。按照轉(zhuǎn)發(fā)干擾主要特征，可以進(jìn)一步將轉(zhuǎn)發(fā)干擾分為3種：密集轉(zhuǎn)發(fā)干擾、間隙采樣干擾和示樣脈沖干擾。轉(zhuǎn)發(fā)干擾的主要特征及對雷達(dá)主要影響如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號主要特性及影響

1.2 干擾識別

干擾分類識別是對干擾信號進(jìn)行接收后，經(jīng)過一系列分析處理，得到干擾信號樣式類別的過程。當(dāng)雷達(dá)收到回波后，首先，對回波信號進(jìn)行信道化處理，這樣有利于信號的快速處理。其次，利用干擾回波幅度特征(即波門內(nèi)過門限點(diǎn)數(shù))對干擾信號進(jìn)行脈沖/連續(xù)波干擾分類。最后，針對識別出的脈沖干擾，通過信號檢測、參數(shù)測量、信號預(yù)分選、干擾樣式匹配等算法，實(shí)現(xiàn)脈沖干擾信號分類識別；針對識別出的連續(xù)波干擾，經(jīng)過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)、頻譜累計(jì)、頻率拼接、頻點(diǎn)量化等算法過程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)波干擾信號分類識別。具體實(shí)現(xiàn)算法過程如下。

1.2.1 雷達(dá)接收數(shù)據(jù)信道化處理

頻率信道化是通過一組覆蓋整個(gè)頻段的濾波器將頻段劃分為若干個(gè)子頻段(信道)，每個(gè)濾波器的輸出就是一個(gè)信道輸出。

將輸入數(shù)X(i)，i=1，2…N分配至各個(gè)信道內(nèi)：

X(p)=X(p×k)，p=1，2…D；k=1，2…N/D

(1)

式(1)中，D為信道數(shù)量，N/D為單個(gè)信道的數(shù)據(jù)長度，N為D的整數(shù)倍，數(shù)據(jù)長度不足整數(shù)倍時(shí)則補(bǔ)零。將信道化濾波器h(i)，i=1，2…M分配至各個(gè)信道內(nèi)：

hp(k)=h(p×k)，p=1，2…D；k=1，2…M/D

(2)

式(2)中，M/D為單個(gè)信道的濾波器階數(shù)，M為D的整數(shù)倍。

對每個(gè)信道濾波器：

Xp=ifft[fft(Xp)×fft(hp)]

(3)

符號調(diào)制，輸出信道的第p點(diǎn)數(shù)據(jù)：

(4)

1.2.2 包絡(luò)檢測、參數(shù)測量

對信道化處理后的每個(gè)信道回波輸出進(jìn)行幅度包絡(luò)檢測，判決該信道是否有信號存在。

設(shè)檢測門限為T(T可通過儀表測量系統(tǒng)噪聲基底得到)，則輸出信號Bk(i)可表示為：

(5)

式(5)中，Ti為直接包絡(luò)檢測門限。

通過與設(shè)定的數(shù)字門限比較，獲得信號的視頻方波，針對該方波可進(jìn)行信號到達(dá)時(shí)間TOA、信號結(jié)束時(shí)間TOE、信號幅度A、頻率f等數(shù)據(jù)測量，得到信號參數(shù)的包絡(luò)集：

{(TOAi、TOEi、Ai、fi)}，i=1，2…Nht

(6)

1.2.3 信道化融合處理

假設(shè)信道化處理后共有D個(gè)信道，形成的信道信息PDW表示為：

{PDWk}，k=1，2…D

(7)

PDWk={PDWk(i)}，i=1，2…Nht,k

(8)

Nht,k為第k個(gè)信道的脈沖數(shù)量。此時(shí)，需要根據(jù)形成的信道信息判斷相鄰信道之間是否存在交疊區(qū)。

(9)

式(9)中，PDWk(i).TOA為第k個(gè)信道信號的脈沖到達(dá)時(shí)間，PDWk(j).TOE為第k個(gè)信道信號的脈沖結(jié)束時(shí)間，ΔT為設(shè)定的信道脈沖寬度容差。

如果滿足式(9)，說明相鄰兩個(gè)通道存在交疊區(qū)，次時(shí)，需要對信道交疊區(qū)進(jìn)行如下處理，完成信道化融合工作：

(10)

1.2.4 已知信號匹配

對干擾信號進(jìn)行分類識別，其實(shí)質(zhì)就是對偵收信號與給定的模板信號進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果將干擾信號歸入相應(yīng)類別。

對于融合之后的PDW(i)，按照系統(tǒng)設(shè)定的已知信號模板[PWtmpk(i)，ftmpk(i)，PRItmpk(j)]，j=1，2…NEm，NEm為已知信號模板數(shù)量，PW=TOE-TOA為脈沖寬度，f為信號頻率，PRI為脈沖重復(fù)間隔。

(11)

式(11)中，TOA(n)為已經(jīng)匹配的PDW信息。如果滿足式(11)，則說明該干擾信號與模板信號相匹配，可將該信號劃歸為相應(yīng)的模板信號類型。如果不滿足上述條件，則說明接收的該干擾信號為新類型，保存其相應(yīng)參數(shù)信息，并將其加入干擾類型庫。

2 干擾分類的自適應(yīng)抗主瓣干擾方法

2.1 干擾與抗干擾策略

在無先驗(yàn)信息或先驗(yàn)信息不完備的情況下，干擾設(shè)備在選擇干擾策略時(shí)，干擾類型選擇的優(yōu)先級一般如下：

遠(yuǎn)區(qū)用壓制干擾：窄帶瞄頻->寬帶掃頻->寬帶阻塞。

近區(qū)用轉(zhuǎn)發(fā)干擾：間歇采樣->示樣脈沖->全脈沖存儲轉(zhuǎn)發(fā)。

基于干擾分類識別的抗干擾策略是在對干擾進(jìn)行分類識別與建庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)干擾類型樣式自適應(yīng)選擇抗干擾措施，并根據(jù)干擾抑制性能，進(jìn)行抗干擾策略的優(yōu)化。

根據(jù)干擾類型和效果，采取發(fā)射波形和工作方式變化，誘使敵方干擾設(shè)備的工作方式往有利于雷達(dá)對抗的方向變化。

針對不同干擾類型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的對抗策略，以有利于干擾抑制；根據(jù)干擾對抗能力，通過分步驟、分階段誘騙，減低干擾效能；根據(jù)干擾對抗效果，自適應(yīng)調(diào)整抗干策略，提高干擾對抗性能。

2.2 自適應(yīng)抗干擾方法

根據(jù)得到的干擾信息，自適應(yīng)抗干擾方法如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)抗干擾工作原理

其中，干擾環(huán)境感知和干擾分類通過寬帶通道和窄帶通道偵收干擾信號，提取干擾信號的頻域、時(shí)域特征，對干擾信號進(jìn)行分類、識別和建庫。干擾特征庫和抗干擾算法庫主要用于存儲、調(diào)度和更新各種應(yīng)對干擾的先驗(yàn)信息(即各種抗干擾技術(shù))，在干擾對抗時(shí)分別為干擾類型樣式和自適應(yīng)干擾抑制提供數(shù)據(jù)支撐。干擾決策模塊主要用于對干擾措施采用最優(yōu)化選擇。干擾效果評估主要用于雷達(dá)抗干擾效果的評估與反饋，通過評估與反饋，為雷達(dá)提供最佳抗干擾效果。

自適應(yīng)抗干擾主要工作流程為：首先，根據(jù)接收到的雷達(dá)波束，提取干擾回波的信號特征，利用干擾分類技術(shù)進(jìn)行干擾識別。然后，基于不同干擾信號類型特征形成有針對性的抗干擾策略，利用抗干擾算法庫，自適應(yīng)選取相應(yīng)抗干擾措施減低干擾效能。最后，根據(jù)干擾對抗效果，自適應(yīng)調(diào)整抗干擾策略，提高干擾對抗性能。

2.3 抗干擾效果評估與反饋

雷達(dá)抗干擾效果評估是對雷達(dá)裝備在一定干擾條件下和一定作戰(zhàn)時(shí)間內(nèi)成功完成其規(guī)定作戰(zhàn)任務(wù)、滿足作戰(zhàn)需要的能力評估，是完成某種既定任務(wù)程度指標(biāo)的模糊綜合定量評價(jià)。雷達(dá)對干擾的效果評估是整個(gè)自適應(yīng)抗干擾過程中的一個(gè)重要步驟，其職責(zé)就是判定某項(xiàng)抗干擾措施是否有效。

抗干擾效果的優(yōu)劣沒有恒定的標(biāo)準(zhǔn)，但通常將影響雷達(dá)目標(biāo)檢測和顯示的3個(gè)主要因素(即干擾剩余、點(diǎn)跡密度和點(diǎn)跡質(zhì)量)作為評價(jià)雷達(dá)抗干擾效果的主要指標(biāo)，且不同的干擾樣式采用不同的干擾對抗效果指標(biāo)進(jìn)行評估，其中干擾剩余指標(biāo)主要針對壓制性干擾；點(diǎn)跡密度和點(diǎn)跡質(zhì)量指標(biāo)主要針對主副瓣轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

對干擾效果進(jìn)行評估后，若評估結(jié)果滿意，則將干擾抑制后的回波數(shù)據(jù)輸出送下一級系統(tǒng)進(jìn)行處理；若評估結(jié)果未達(dá)標(biāo)，則將評估效果反饋給干擾決策模塊，促使干擾決策模塊重新制定抗干擾策略，選擇更優(yōu)抗干擾手段，達(dá)到最佳抗干擾效果。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 主瓣壓制干擾情形

干擾場景如下：干擾類型為干噪比大于30 dB噪聲壓制干擾(寬帶阻塞)，設(shè)置目標(biāo)信號從天線法線入射、干擾入射方向與目標(biāo)方位差0.3°，俯仰差0.5°，干擾信號從雷達(dá)主瓣進(jìn)入。對目標(biāo)回波信號進(jìn)行變頻、數(shù)字化等一系列處理后，雷達(dá)設(shè)備形成和差三路接收波束。對輸入信號進(jìn)行分類識別后，反干擾分類識別模塊根據(jù)干擾信號特征識別出噪聲壓制干擾，在抗干擾算法庫中選擇信號分離技術(shù)抑制噪聲壓制干擾。干擾抑制處理前后脈壓對比效果如圖2所示。

圖2 干擾抑制處理前后脈壓對比

由圖2可知，對于干噪比大于30 dB噪聲壓制干擾，采用該方法對干擾信號進(jìn)行干擾抑制處理后，30 dB的噪聲壓制干擾剩余≤5 dB，干擾抑制方法對和波束信號獲得約25 dB的信干噪比處理增益，表明該方法可以有效抑制噪聲壓制干擾。

3.2 主瓣轉(zhuǎn)發(fā)干擾情形

利用干擾模擬機(jī)設(shè)定干擾場景如下：干擾類型設(shè)定為間隙采樣干擾，信號回波信息經(jīng)過一系列信號變換及處理后，結(jié)果如圖3(a)所示?？梢?，干擾后回波信號中出現(xiàn)了間隙采樣干擾信號。

采用基于干擾分類的自適應(yīng)反干擾方案，干擾分類識別模塊識別出干擾信號為間隙采樣干擾，自適應(yīng)反干擾方案自動(dòng)選擇窄脈沖剔除技術(shù)進(jìn)行干擾抑制處理，抑制處理后脈壓結(jié)果如圖3(b)所示?？梢钥闯觯捎迷摲椒▽Ω蓴_信號進(jìn)行干擾抑制處理后，可以有效抑制間隙采樣干擾。處理結(jié)果表明，干擾抑制后干擾虛警少于10-4。

圖3 干擾抑制前后脈壓結(jié)果對比

4 結(jié)語

針對雷達(dá)面臨主瓣干擾時(shí)，無法有效對目標(biāo)回波信號進(jìn)行檢測或檢測到過多假目標(biāo)的問題，文章提出了一種基于干擾分類識別的自適應(yīng)抗主瓣干擾方法。該方法針對雷達(dá)回波信號，采用干擾分類技術(shù)對干擾信號進(jìn)行分類識別，并基于干擾類型特征形成有針對性的抗干擾策略，利用抗干擾算法庫，自適應(yīng)地選取相應(yīng)的抗干擾措施完成干擾抑制，達(dá)到抗干擾的效果。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能夠有效抑制主瓣干擾，對保障雷達(dá)在對抗條件下正常工作起到較好效果。