全英匯 方文 高霞 阮鋒 李亞超 邢孟道

摘 要： 頻率捷變雷達(dá)具備優(yōu)異的低截獲和電子對(duì)抗性能。本文首先簡(jiǎn)要回顧了雷達(dá)導(dǎo)引頭抗主瓣欺騙干擾的研究成果，重點(diǎn)闡述頻率捷變雷達(dá)導(dǎo)引頭的基本概念和技術(shù)特點(diǎn)。然后全面梳理了國內(nèi)外頻率捷變雷達(dá)研究成果，總結(jié)了三種頻率捷變波形的優(yōu)缺點(diǎn)及各自信號(hào)處理技術(shù)的研究進(jìn)展。最后結(jié)合未來戰(zhàn)場(chǎng)強(qiáng)電子對(duì)抗環(huán)境和導(dǎo)引頭發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)自適應(yīng)頻率捷變和多維參數(shù)聯(lián)合捷變雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)導(dǎo)引頭;頻率捷變;頻率捷變信號(hào)處理;主瓣角度欺騙干擾

中圖分類號(hào)：TJ765;TN958.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1673-5048（2021）03-0001-09

0 引? 言

隨著射頻存儲(chǔ)電路技術(shù)的快速發(fā)展，雷達(dá)導(dǎo)引頭所面臨的干擾日新月異，新體制的干擾樣式不斷給雷達(dá)導(dǎo)引頭的檢測(cè)、識(shí)別與跟蹤帶來新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。拖曳式雷達(dá)有源誘餌[1]（Towed Radar Active Decoy）和圖1所示的空射誘餌（Air Launched Decoy）[2]通過轉(zhuǎn)發(fā)截獲的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，在雷達(dá)導(dǎo)引頭主瓣波束范圍內(nèi)形成大功率假目標(biāo)干擾以掩蓋真實(shí)目標(biāo)回波，且由于轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)和雷達(dá)發(fā)射信號(hào)高度相關(guān)，使得傳統(tǒng)單脈沖測(cè)角體制雷達(dá)導(dǎo)引頭無法正確區(qū)分目標(biāo)和誘餌，從而無法獲得正確的目標(biāo)角度信息，最終引起導(dǎo)彈脫靶，嚴(yán)重制約和影響了精確制導(dǎo)武器的打擊命中率和戰(zhàn)場(chǎng)殺傷力。

為提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)上述問題開展了大量抗主瓣欺騙干擾研究。具體分為如下幾個(gè)方面：

（1） 極化域抗干擾

作為電磁波基本屬性之一，極化信息能反映出目標(biāo)材料、形狀、姿態(tài)等特征，極化信息的利用可有效提高雷達(dá)導(dǎo)引頭的目標(biāo)識(shí)別與抗干擾能力。文獻(xiàn)[3]中研究了全極化脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)，根據(jù)目標(biāo)和

干擾的極化散射特性差異，利用極化濾波技術(shù)有效抑制干擾。文獻(xiàn)[4]將極化技術(shù)應(yīng)用到相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭中，

針對(duì)主瓣壓制式干擾，利用正交極化失配原理將干擾信號(hào)在接收端進(jìn)行極化隔離;對(duì)于主瓣欺騙式干擾，采用瞬態(tài)極化識(shí)別[5]和極化相關(guān)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效抑制。文獻(xiàn)[6]提出利用目標(biāo)和干擾極化相位描述子構(gòu)造出斜投影算子，采用斜投影處理來抑制雷達(dá)導(dǎo)引頭角度欺騙干擾。

（2） 高分辨抗干擾

由于拖曳線的存在，拖曳式誘餌與載機(jī)在角度、距離或速度上總存在微小差異。因此，雷達(dá)導(dǎo)引頭距離、速度以及角度分辨力的提升將有利于識(shí)別載機(jī)和誘餌。文獻(xiàn)[7-8]分別利用波形設(shè)計(jì)和長(zhǎng)時(shí)間相參積累方法在時(shí)域或多普勒域完成目標(biāo)和誘餌的分辨。文獻(xiàn)[9-10]分別提出了不同的空間角度高分辨方法以滿足導(dǎo)引頭多目標(biāo)角度超分辨需求，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與誘餌的分辨任務(wù)。此外，文獻(xiàn)[11]通過利用兩個(gè)相鄰匹配采樣點(diǎn)上蘊(yùn)含的目標(biāo)和誘餌特征信息，采用粒子群優(yōu)化算法聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)與誘餌的參數(shù)，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)和誘餌進(jìn)行身份辨識(shí)。

（3） 信息融合抗干擾

多模復(fù)合導(dǎo)引可以更加有效全面地獲取關(guān)于目標(biāo)和誘餌信息，有助于解決復(fù)雜場(chǎng)景下干擾對(duì)抗和目標(biāo)識(shí)別問題[12]。文獻(xiàn)[13]以微波/紅外雙模復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)彈為背景，從數(shù)據(jù)融合處理角度，研究了雙模復(fù)合制導(dǎo)方式抗拖曳式誘餌的方法。文獻(xiàn)[14]基于雷達(dá)/紅外信息融合技術(shù)，研究了雷達(dá)/紅外雙模導(dǎo)引頭對(duì)抗拖曳式誘餌技術(shù)，針對(duì)不同作戰(zhàn)需求研究不同的雙模導(dǎo)引頭構(gòu)成方案。

此外，還有脈沖前沿跟蹤法、增益突變分析法等抗干擾方法，但上述這些導(dǎo)引頭抗干擾方法多屬于被動(dòng)抗干擾措施，未來電子對(duì)抗中處于主動(dòng)地位的一方將會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[15]提出了一種導(dǎo)引頭主動(dòng)抗干擾方法—頻率捷變技術(shù)，文獻(xiàn)[16]研究了頻率捷變反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭相參積累技術(shù)。相比于傳統(tǒng)固定載頻雷達(dá)，頻率捷變雷達(dá)獨(dú)特的主動(dòng)波形對(duì)抗優(yōu)勢(shì)使其具備優(yōu)異的低截獲和電子對(duì)抗性能，可以有效對(duì)抗壓制式和欺騙式干擾。在提升目標(biāo)探測(cè)能力和抑制海浪雜波等方面，頻率捷變雷達(dá)也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，頻率捷變技術(shù)也使雷達(dá)在密集電磁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)頻譜資源共享，提升頻譜利用率方面具有極大的潛力。

頻率捷變技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，這一時(shí)期主要針對(duì)非相參捷變頻體制雷達(dá)的基礎(chǔ)特征開展廣泛研究，如測(cè)距性能[17]、目標(biāo)探測(cè)性能[18-19]、海雜波特性[20]以及角閃爍特性[21-22]等。隨著相參頻率綜合技術(shù)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了相參捷變頻雷達(dá)技術(shù)，且已成為發(fā)展的主流，并得到了廣泛應(yīng)用[23-24]。本文系統(tǒng)介紹了相參捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭特點(diǎn)，在梳理國內(nèi)外捷變頻體制雷達(dá)研究成果基礎(chǔ)上，總結(jié)了脈間捷變頻雷達(dá)信號(hào)處理的研究進(jìn)展，并且結(jié)合未來戰(zhàn)場(chǎng)強(qiáng)電子對(duì)抗環(huán)境，分析了捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭面臨的問題與未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)特點(diǎn)

捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭是指在相鄰脈沖間，發(fā)射信號(hào)的載頻在較寬頻帶范圍內(nèi)偽隨機(jī)迅速跳變。相較于傳統(tǒng)固定載頻脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭，捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭具有良好的抗干擾性能和高距離分辨率。捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭載頻跳變方式主要有三種，分別為脈內(nèi)頻率跳變、脈間頻率跳變以及脈組頻率捷變。早期雷達(dá)受限于電子技術(shù)，載頻跳頻主要使用旋轉(zhuǎn)調(diào)諧磁控管振蕩器。由于采用機(jī)械調(diào)諧和自激震蕩方式，存在跳頻速度慢，頻率穩(wěn)定度差且脈沖間相位隨機(jī)，只能實(shí)現(xiàn)非相參體制的捷變頻雷達(dá)，目標(biāo)積累增益較低，不利于復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)檢測(cè)跟蹤。隨著電子器件水平和集成工藝技術(shù)的發(fā)展以及全相參頻率綜合器的出現(xiàn)，現(xiàn)在捷變頻雷達(dá)多采用全相參體制。本文主要討論脈間偽隨機(jī)跳變?nèi)鄥Ⅲw制捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭。捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射信號(hào)可表示為

sT（t^， tm）=rect（tTp）u（t）exp（j2πfm（t^+tm））+

n（t^， tm）（1）

式中：? rect（x）=1 0≤x≤10 其他 為矩形窗函數(shù);Tp為脈沖寬度;t^為快時(shí)間;tm=mTr為慢時(shí)間，Tr為脈沖重復(fù)間隔（pulse repetition interval，PRI）;全時(shí)間t=t^+tm;u（t）為發(fā)射信號(hào)復(fù)包絡(luò)，考慮采用線性調(diào)頻信號(hào)（linear frequency modulated，LFM），即u（t）=exp（jπγt2），γ為調(diào)頻斜率;第m個(gè)脈沖載頻fm=f0+dmΔf， m∈{0， 1， …， M-1}，M為一個(gè)相參積累間隔（coherent processing interval， CPI）內(nèi)發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)，dm為頻率調(diào)制碼字，Δf為跳頻間隔;n（t^， tm）表示噪聲。捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭主要具有如下特點(diǎn)：

（1） 強(qiáng)電子對(duì)抗能力。捷變頻雷達(dá)具有良好的低截獲性能，能有效對(duì)抗窄帶瞄準(zhǔn)干擾、跨脈沖重復(fù)周期干擾及部分前拖干擾。捷變頻發(fā)射信號(hào)載頻在寬頻帶內(nèi)以偽隨機(jī)方式迅速捷變，單頻點(diǎn)駐留時(shí)間短，被掃頻式超外差式截獲接收機(jī)偵收的概率低;而對(duì)于寬帶截獲接收機(jī)而言，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)功率譜密度隨載頻序列移動(dòng)，且截獲接收機(jī)沒有跳頻序列的先驗(yàn)信息，這都有助于降低截獲概率[25]。此外，脈沖間載頻捷變也使得干擾機(jī)只能在接收到發(fā)射信號(hào)后才能進(jìn)行干擾，因而能有效避免跨脈沖重復(fù)周期干擾和部分前拖干擾[26]。

（2） 良好的目標(biāo)探測(cè)能力。脈間頻率捷變降低了目標(biāo)長(zhǎng)期處于雷達(dá)散射截面積（radar cross section， RCS）衰落區(qū)的可能性，有助于檢測(cè)概率的提高[27]。若相鄰脈沖間的頻差大于臨界頻率可使相鄰回波幅度不相關(guān)，可以消除在固定載頻雷達(dá)中經(jīng)常出現(xiàn)的目標(biāo)回波慢速起伏帶來的檢測(cè)概率損失，增加雷達(dá)探測(cè)距離[28]。此外，地面或海面反射引起的波束分裂，其最小點(diǎn)的角度位置和雷達(dá)工作頻率有關(guān)，而采用頻率捷變可使分裂波瓣相互重疊，從而消除波束分裂的影響。在低空目標(biāo)探測(cè)方面，頻率捷變的去相關(guān)特性也可以有效減緩多徑效應(yīng)帶來的負(fù)面影響[29]。

（3） 角跟蹤精度的提高。精確制導(dǎo)武器的跟蹤誤差來源有多種，但當(dāng)雷達(dá)導(dǎo)引頭接近目標(biāo)，特別是諸如飛機(jī)、艦船等復(fù)雜目標(biāo)時(shí)，角閃爍[30]成為尋的制導(dǎo)的主要測(cè)角和跟蹤誤差，其大小可能使導(dǎo)彈偏離目標(biāo)方向[31]。而脈間頻率捷變將有效去除相鄰脈沖間回波的相關(guān)性，結(jié)合RCS加權(quán)處理，可以有效抑制復(fù)雜目標(biāo)的角閃爍效應(yīng)，提高雷達(dá)導(dǎo)引頭的跟蹤精度[32]。對(duì)于艦船等大型目標(biāo)，采用頻率捷變后，可使跟蹤誤差減小為原來的14～12[33]。

（4） 對(duì)海浪雜波的去相關(guān)特性。對(duì)海末制導(dǎo)雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)能力會(huì)受到海浪雜波時(shí)間與空間相關(guān)性的影響[34]。雷達(dá)極化方式、工作頻率、天線視角及海況等因素都會(huì)影響海浪雜波特性?？梢姡捎妹}間頻率捷變技術(shù)將使海浪雜波特性發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為使同一距離分辨單元不同脈沖間海浪雜波的相關(guān)性降低。而頻率去相關(guān)后的海浪雜波在脈沖積累時(shí)等效獨(dú)立采樣脈沖數(shù)將會(huì)增多[35]，這將改善積累后信雜比，使海浪雜波方差大為減小，利于海雜波背景下的目標(biāo)檢測(cè)，進(jìn)而有效提升對(duì)海末制導(dǎo)雷達(dá)的作戰(zhàn)威力。

為驗(yàn)證捷變頻雷達(dá)抗干擾性能，課題組與國內(nèi)某研究所聯(lián)合開展了雷達(dá)外場(chǎng)對(duì)抗實(shí)驗(yàn)。在外場(chǎng)對(duì)抗實(shí)驗(yàn)中，雷達(dá)探測(cè)海上船舶目標(biāo)，同時(shí)，船舶上載有干擾機(jī)對(duì)雷達(dá)實(shí)施干擾。圖2為捷變頻導(dǎo)引頭抗轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖，雷達(dá)工作在脈沖多普勒（pulse doppler， PD）模式或者捷變頻模式，發(fā)射信號(hào)頻段為Ka頻段，一個(gè)CPI內(nèi)發(fā)射128個(gè)脈沖，脈寬1 μs，信號(hào)帶寬30 MHz，跳頻間隔4 MHz，跳頻總數(shù)256個(gè)，跳頻總帶寬1 GHz。圖2（a）為PD模式下回波脈壓結(jié)果俯視圖，轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)欺騙干擾覆蓋了CPI內(nèi)84.83%的脈沖。圖2（b）為捷變頻模式下回波脈壓結(jié)果，圖2（c）為捷變頻模式下按照載頻大小重排后脈壓結(jié)果，由于載頻在脈沖間跳變的原因，干擾僅覆蓋27.43%的脈沖，相較于PD模式大大降低了干擾的能量。圖2（d）為采用干擾抑制算法后稀疏恢復(fù)結(jié)果，可以有效檢測(cè)目標(biāo)，可見捷變頻雷達(dá)具有良好的主動(dòng)波形對(duì)抗優(yōu)勢(shì)。

此外，脈間頻率捷變信號(hào)也屬于寬帶信號(hào)波形，其同樣具有寬帶信號(hào)的特點(diǎn)。寬帶信號(hào)的顯著特點(diǎn)是高距離分辨力，這將有利于雜波背景下的目標(biāo)檢測(cè)。高距離分辨力使得雜波分辨單元面積減小，雜波強(qiáng)度降低，以及雜波所占距離單元數(shù)減少，從而在雜波區(qū)中出現(xiàn)很多無雜波或低雜波區(qū)，利于提升對(duì)地、對(duì)海制導(dǎo)武器的目標(biāo)檢測(cè)能力。此外，寬帶信號(hào)也可以獲取更多、更豐富的目標(biāo)特征信息用于導(dǎo)引頭目標(biāo)識(shí)別;而寬帶信號(hào)具有的高觀測(cè)精度理論上也可使導(dǎo)引頭跟蹤精度和跟蹤正確率大幅度提升[36]。

盡管捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭在低截獲、抗干擾、跟蹤精度、目標(biāo)識(shí)別及低空或雜波背景下目標(biāo)檢測(cè)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但在信號(hào)處理方面存在一些問題。不同于傳統(tǒng)PD雷達(dá)，捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭脈間載頻的隨機(jī)非線性變化使得脈間相位也同樣呈現(xiàn)出隨機(jī)非線性變化，給脈間相參積累帶來極大挑戰(zhàn)[37]。此外，頻率捷變信號(hào)大工作帶寬使得目標(biāo)不再符合傳統(tǒng)窄帶情況下點(diǎn)散射目標(biāo)模型，而成為由不同距離單元上多個(gè)散射點(diǎn)組成的延展目標(biāo)，這對(duì)目標(biāo)檢測(cè)理論與方法也提出了新要求[36]。

2 捷變頻雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)現(xiàn)狀

1968年，Ruttenberg和 Chanzit首次提出采用脈間頻率步進(jìn)脈沖串獲取高距離分辨率的方法，將頻率步進(jìn)引入雷達(dá)系統(tǒng)[38]。Einstein在1984年從理論上詳細(xì)闡述和分析了頻率步進(jìn)脈沖串獲取高距離分辨率的方法，同時(shí)提出了高分辨距離像（high resolution range profile， HRRP）的概念[39]?，F(xiàn)有的頻率步進(jìn)信號(hào)處理算法主要有逆傅里葉變換法、時(shí)域合成法、頻域合成法以及時(shí)頻處理法等[36]。針對(duì)目標(biāo)與雷達(dá)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致回波包絡(luò)走動(dòng)、距離像耦合時(shí)移和波形發(fā)散問題，文獻(xiàn)[40]詳細(xì)討論了頻率步進(jìn)信號(hào)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。雖然頻率步進(jìn)雷達(dá)具有高距離分辨率和一定的抗無源、有源干擾能力，但是其載頻跳變順序固定，極易被電子偵察設(shè)備偵獲，且頻率步進(jìn)信號(hào)的模糊函數(shù)為“斜刀刃”形，存在距離-多普勒耦合現(xiàn)象，不利于同時(shí)精確獲取目標(biāo)距離、多普勒信息[41]，對(duì)此有學(xué)者提出采用隨機(jī)頻率步進(jìn)脈沖信號(hào)。文獻(xiàn)[42]介紹了隨機(jī)頻率步進(jìn)信號(hào)的相參處理方法，將接收回波按照頻率重組之后通過stretch拓展算法合成高分辨距離像。文獻(xiàn)[43]提出了隨機(jī)頻率步進(jìn)雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。文獻(xiàn)[44]針對(duì)隨機(jī)步進(jìn)頻率波形，提出了一種同時(shí)提取多個(gè)目標(biāo)距離和多普勒信息的方法，并進(jìn)一步提出了自適應(yīng)分辨參考網(wǎng)格等兩種方法用于減少計(jì)算復(fù)雜度。脈間頻率無規(guī)律變化可以獲得良好的低截獲特性，且隨機(jī)頻率步進(jìn)信號(hào)的模糊函數(shù)近似為“圖釘”形，具有好的速度和距離分辨性能[41]，但這都是以旁瓣抬高為代價(jià)的。尤其是當(dāng)多目標(biāo)間的旁瓣相互堆疊時(shí)，幅度較大的偽峰可能會(huì)導(dǎo)致虛警或掩蓋弱小目標(biāo)[45]。對(duì)此文獻(xiàn)[46-47]分別提出Costas碼、雙曲線頻率序列等不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)載頻序列，以降低類似噪聲的隨機(jī)起伏旁瓣平臺(tái)。此外，文獻(xiàn)[48]通過設(shè)計(jì)失配濾波器實(shí)現(xiàn)旁瓣抑制。

不論是脈間頻率步進(jìn)信號(hào)還是脈間隨機(jī)頻率步進(jìn)信號(hào)，都是使用一定頻帶范圍內(nèi)的全部頻點(diǎn)，一旦某些頻點(diǎn)被干擾機(jī)覆蓋，則部分回波脈沖中將存在強(qiáng)干擾信號(hào)，這將極大地影響后續(xù)脈間相參合成處理，進(jìn)而降低雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)跟蹤性能。對(duì)此，有學(xué)者提出只采用寬頻帶范圍內(nèi)的部分頻點(diǎn)，即脈間頻率捷變，主動(dòng)規(guī)避被干擾機(jī)覆蓋的頻段，這種信號(hào)形式具有更強(qiáng)的主動(dòng)波形對(duì)抗優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)有力地提升了雷達(dá)系統(tǒng)抗干擾性能，但是這也進(jìn)一步提升了脈間相參處理的困難。脈間隨機(jī)頻率捷變導(dǎo)致回波信號(hào)慢時(shí)間相位表現(xiàn)為非線性變化，使得無法直接使用逆傅里葉變換法等頻率步進(jìn)信號(hào)處理算法。此外，稀疏隨機(jī)捷變波形只使用部分頻點(diǎn)，這也導(dǎo)致其隨機(jī)起伏旁瓣平臺(tái)比隨機(jī)頻率步進(jìn)信號(hào)更強(qiáng)，在設(shè)計(jì)頻率捷變信號(hào)相參處理算法的同時(shí)，也要考慮旁瓣平臺(tái)的抑制問題。頻率捷變相參處理算法主要包括：

（1） 先距離補(bǔ)償，再使用傅里葉變換進(jìn)行相參積累。文獻(xiàn)[16]在分析頻率捷變反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波相位變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了影響脈間相參積累的兩個(gè)因素，即頻率捷變帶來的跳頻序列與距離、與速度的耦合項(xiàng)，利用參差脈沖重復(fù)間隔法補(bǔ)償跳頻序列與速度的耦合項(xiàng)，對(duì)于跳頻序列與距離的耦合項(xiàng)采用基于最大積累幅度準(zhǔn)則或最小波形熵準(zhǔn)則的代價(jià)函數(shù)補(bǔ)償方法，最后采用傅里葉變換完成脈沖間的相參積累。

（2） 先運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，再合成高分辨距離像。文獻(xiàn)[49]提出了一種新的基于非均勻快速傅里葉變換（nonuniform fast Fourier transform， NUFFT）的多普勒處理器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于快速傅里葉變換的多普勒處理器，消除速度相位項(xiàng)的影響。此外，設(shè)計(jì)了新的合成距離高分辨方法，在實(shí)現(xiàn)距離高分辨的同時(shí)達(dá)到抑制脈間頻率捷變帶來的高距離旁瓣的目的。文獻(xiàn)[50]針對(duì)頻率捷變雷達(dá)高速目標(biāo)檢測(cè)問題，采用keystone變換進(jìn)行距離徙動(dòng)校正，利用radon變換對(duì)多普勒頻率模糊進(jìn)行補(bǔ)償，并通過chirp-z變換對(duì)回波進(jìn)行相干積分，最后通過逆傅里葉變換進(jìn)行相參積累。上述頻率捷變相參積累方法雖然可以在較好地抑制隨機(jī)起伏旁瓣平臺(tái)的同時(shí)，完成頻率捷變脈間相參積累，但是也存在一些不足之處，如分辨力、參數(shù)估計(jì)精度不高，當(dāng)缺乏關(guān)于待檢測(cè)目標(biāo)的一些先驗(yàn)信息時(shí)參數(shù)補(bǔ)償搜索區(qū)間不可預(yù)測(cè)等。

稀疏表示與重構(gòu)理論[51]給頻率捷變雷達(dá)信號(hào)處理提供一種新思路。對(duì)于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的典型作戰(zhàn)場(chǎng)景，如空中目標(biāo)打擊、彈道導(dǎo)彈攔截以及海面艦艇摧毀等均滿足稀疏重構(gòu)理論的稀疏性要求[52]，可以通過構(gòu)造與目標(biāo)距離、速度等信息相關(guān)的字典矩陣，采用壓縮感知算法重建雷達(dá)導(dǎo)引頭稀疏觀測(cè)場(chǎng)景，并進(jìn)行目標(biāo)參數(shù)估計(jì)[53-54]。文獻(xiàn)[55-56]分析了頻率捷變雷達(dá)觀測(cè)矩陣的相干性，證明了觀測(cè)矩陣滿足互不相關(guān)性（mutual incoherence property， MIP）的可能性很高，進(jìn)而保證了壓縮感知算法用于頻率捷變雷達(dá)可以準(zhǔn)確或穩(wěn)健地重構(gòu)觀測(cè)場(chǎng)景。文獻(xiàn)[57-59]討論了幾種不同的隨機(jī)頻率步進(jìn)雷達(dá)目標(biāo)距離和速度參數(shù)估計(jì)算法，在分辨率和旁瓣抑制方面相較于傳統(tǒng)算法更好，并且研究了自適應(yīng)載頻優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，以進(jìn)一步提高重建算法的性能。文獻(xiàn)[45]將頻率捷變雷達(dá)目標(biāo)距離-速度聯(lián)合估計(jì)問題建模為欠定方程組求解問題，通過利用觀測(cè)場(chǎng)景的稀疏性特征，采用壓縮感知算法準(zhǔn)確重建觀測(cè)場(chǎng)景并且較好地抑制旁瓣。文獻(xiàn)[60]研究了高頻雷達(dá)隨機(jī)跳頻信號(hào)的距離-多普勒二維高分辨處理。結(jié)合頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用稀疏信號(hào)處理技術(shù)，構(gòu)建距離-速度二維冗余時(shí)頻字典矩陣，通過稀疏優(yōu)化求解，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的二維高分辨成像。文獻(xiàn)[61]系統(tǒng)研究了隨機(jī)稀疏步進(jìn)頻波形，即脈間頻率捷變波形，在達(dá)到和步進(jìn)頻相同的距離分辨率時(shí)，僅使用較少的頻譜資源，同時(shí)利用稀疏重構(gòu)技術(shù)獲取目標(biāo)的高分辨距離和多普勒信息，且推導(dǎo)了脈間頻率捷變波形下保證稀疏重構(gòu)的條件。文獻(xiàn)[62]針對(duì)具有脈沖重復(fù)頻率抖動(dòng)的頻率捷變雷達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)高分辨率距離-多普勒像重構(gòu)問題，提出了一種基于壓縮感知的稀疏優(yōu)化方法。

為驗(yàn)證基于稀疏重構(gòu)的捷變頻雷達(dá)相參積累方法的有效性，課題組開展了脈間頻率捷變雷達(dá)觀測(cè)空中無人機(jī)實(shí)驗(yàn)。圖3為脈間頻率捷變雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，雷達(dá)工作在Ka波段，信號(hào)脈沖寬度為10 μs，帶寬為40 MHz，脈沖重復(fù)周期為50 μs，跳頻帶寬為512 MHz，一個(gè)相參處理間隔內(nèi)發(fā)射脈沖數(shù)為128個(gè)。圖3（a）為脈間頻率捷變雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)脈壓結(jié)果，圖3（b）～（c）分別為采用相關(guān)法和壓縮感知方法的距離-速度兩維高分辨處理結(jié)果。可見，與直接進(jìn)行距離-速度二維參數(shù)估計(jì)的相關(guān)法相比，基于壓縮感知的稀疏重構(gòu)方法有效抑制了頻率捷變帶來的高旁瓣，從而盡可能避免高旁瓣導(dǎo)致的虛警及掩蓋微弱目標(biāo)問題。

上述稀疏重構(gòu)算法有效的前提條件是回波信號(hào)中不存在強(qiáng)雜波或強(qiáng)干擾信號(hào)。但是對(duì)于復(fù)雜電磁對(duì)抗場(chǎng)景下執(zhí)行對(duì)地、對(duì)海打擊任務(wù)的導(dǎo)彈，其回波信號(hào)中會(huì)存在大量的強(qiáng)雜波和強(qiáng)干擾信號(hào)。若雷達(dá)導(dǎo)引頭回波信號(hào)中存在強(qiáng)雜波或強(qiáng)干擾情況

下直接采用上述算法，則觀測(cè)場(chǎng)景重構(gòu)精度及穩(wěn)健性將會(huì)大大降低。針對(duì)頻率捷變雷達(dá)中的雜波抑制問題，文獻(xiàn)[63]提出一種基于最優(yōu)輸出信雜比的雜波濾波器的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[37]在已知雜波功率譜先驗(yàn)信息情況下，提出了一種基于CS和雜波加權(quán)抑制矩陣的稀疏重構(gòu)算法。文獻(xiàn)[34]研究了頻率捷變末制導(dǎo)雷達(dá)的海浪雜波特性和目標(biāo)回波頻域特性，并開展了一些驗(yàn)證試驗(yàn)。針對(duì)頻率捷變雷達(dá)中的干擾抑制問題，文獻(xiàn)[64]提出采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和最大類間方差法實(shí)現(xiàn)捷變頻體制下的干擾抑制。文獻(xiàn)[65]提出采用Hough變換實(shí)現(xiàn)頻率捷變體制下的欺騙式干擾抑制。但是目前關(guān)于頻率捷變體制下的強(qiáng)干擾、強(qiáng)雜波抑制研究仍十分有限，相關(guān)的理論和算法仍處于論證和探索階段。

為驗(yàn)證基于稀疏重構(gòu)的相參積累方法的跟蹤性能，課題組與國內(nèi)某研究所聯(lián)合開展了脈間頻率捷變雷達(dá)觀測(cè)空中運(yùn)動(dòng)無人機(jī)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為雷達(dá)位于馬路中央，以30°仰角觀測(cè)運(yùn)動(dòng)中的無人機(jī)目標(biāo)。無人機(jī)目標(biāo)起始運(yùn)動(dòng)位置位于雷達(dá)波束中心位置附近，與雷達(dá)的水平距離約為250 m，離地面飛行高度約為130 m，飛行軌跡為朝向雷達(dá)方向維持同一高度水平飛行。雷達(dá)工作在Ka頻段，一個(gè)CPI內(nèi)發(fā)射128個(gè)脈沖，雷達(dá)一個(gè)CPI內(nèi)發(fā)射脈沖的載頻序列如圖4（a）所示，圖4（b）為某一個(gè)CPI稀疏恢復(fù)結(jié)果俯視圖，圖4（c）～（d）分別為1 120個(gè)CPI內(nèi)目標(biāo)距離變化曲線圖和速度變化曲線圖。圖4（c）中兩個(gè)數(shù)據(jù)提示分別表示第1個(gè)CPI和第1 120個(gè)CPI無人機(jī)與雷達(dá)間的徑向距離，計(jì)算得到1 120個(gè)CPI內(nèi)無人機(jī)目標(biāo)的徑向距離走動(dòng)為23.8 m，圖4（d）中兩個(gè)數(shù)據(jù)提示分別表示第一個(gè)CPI和最后一個(gè)CPI無人機(jī)相對(duì)雷達(dá)的徑向速度，通過對(duì)目標(biāo)速度變化曲線積分可得無人機(jī)徑向移動(dòng)23.726 5 m。由此可見，基于稀疏重構(gòu)的相參處理算法可以實(shí)現(xiàn)捷變頻雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤慢速小目標(biāo)，且跟蹤精度高。

3 捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭未來展望

3.1 自適應(yīng)頻率捷變

目前捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭采用固定的載頻跳變序列。為滿足強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾能力提升的需求，需要對(duì)空間復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，在線動(dòng)態(tài)優(yōu)化載頻捷變序列。文獻(xiàn)[66]介紹了一種基于軟件無線電的自適應(yīng)寬帶頻率捷變偽碼調(diào)相防空導(dǎo)彈PD引信系統(tǒng)組成和工作原理，并重點(diǎn)分析了設(shè)計(jì)中要考慮的幾個(gè)問題及關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[67]針對(duì)認(rèn)知雷達(dá)從電磁頻譜兼容性能和模糊函數(shù)角度出發(fā)進(jìn)行雷達(dá)波形設(shè)計(jì)，并提出了波形設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的求解算法，同時(shí)通過構(gòu)建的試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證并評(píng)估了優(yōu)化后雷達(dá)信號(hào)的電磁頻譜兼容性能。此外，對(duì)于飛機(jī)、艦船等彈道導(dǎo)彈攻擊的復(fù)雜目標(biāo)來講，目標(biāo)RCS對(duì)空間電磁波頻率的變化是極為敏感的[68-69]。雷達(dá)載頻依據(jù)目標(biāo)RCS特性優(yōu)化，這將有利于目標(biāo)檢測(cè)概率的提高。文獻(xiàn)[45， 59]研究了根據(jù)接收回波數(shù)據(jù)和觀測(cè)場(chǎng)景信息，自適應(yīng)改變發(fā)射頻率以提高稀疏重構(gòu)性能，從而改善目標(biāo)的HRRP和參數(shù)估計(jì)精度?？梢?，基于干擾環(huán)境和目標(biāo)RCS特性的自適應(yīng)頻率捷變，將進(jìn)一步提高捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭的抗干擾能力和目標(biāo)信息獲取能力，更有利于發(fā)揮頻率捷變波形的主動(dòng)對(duì)抗優(yōu)勢(shì)。自適應(yīng)頻率捷變示意圖如圖5所示。

3.2 多維參數(shù)聯(lián)合捷變

隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及超高速采樣技術(shù)的飛速發(fā)展，瞬時(shí)頻率測(cè)量技術(shù)有了顯著提升，可在密集的電磁空間環(huán)境中完成多個(gè)復(fù)雜信號(hào)瞬時(shí)頻率的測(cè)量。電子偵察技術(shù)的發(fā)展使得針對(duì)頻率捷變雷達(dá)的即時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)干擾成為可能。此外，隨著干擾帶寬不斷增加，在未來復(fù)雜對(duì)抗場(chǎng)景下脈間載頻捷變有可能失效。為了進(jìn)一步提高抗干擾能力，雷達(dá)導(dǎo)引頭除了利用頻域維度外，也可在空域、時(shí)域、極化域和碼域等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)波形。多維參數(shù)聯(lián)合捷變不僅增加發(fā)射波形的隨機(jī)性和復(fù)雜度，降低被偵察接收機(jī)截獲的概率，而且也可以獲取目標(biāo)和干擾在空、時(shí)、頻、極化等多域上的信息，進(jìn)而通過多域聯(lián)合處理識(shí)別目標(biāo)和干擾，達(dá)到更好的抗干擾效果。文獻(xiàn)[70-71]討論了極化和頻率聯(lián)合捷變?cè)谥鲃?dòng)式尋的制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了一種極化和頻率聯(lián)合捷變單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，并探討了相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)。文獻(xiàn)[72]在脈沖多普勒體制雷達(dá)基礎(chǔ)上提出了載頻、脈沖重復(fù)頻率、極化和碼型四種參數(shù)聯(lián)合捷變體制，給出了相應(yīng)的信號(hào)模型和模糊函數(shù)，并分析了多維參數(shù)捷變?cè)诳垢蓴_方面的優(yōu)勢(shì)。

4 總? 結(jié)

頻率捷變雷達(dá)具有的主動(dòng)波形對(duì)抗優(yōu)勢(shì)，使其得到了廣泛的應(yīng)用與研究。本文主要介紹了頻率捷變雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)，重點(diǎn)闡述了捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭的基本概念和技術(shù)特點(diǎn)，梳理并總結(jié)了脈間頻率捷變雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)展與現(xiàn)狀，最后對(duì)頻率捷變雷達(dá)導(dǎo)引頭的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。雖然頻率捷變雷達(dá)導(dǎo)引頭在抗干擾、目標(biāo)檢測(cè)跟蹤以及抑制海浪雜波等方面具有出色的性能，但是干擾技術(shù)的發(fā)展使得干擾的類型和樣式也日趨復(fù)雜多變，頻率捷變技術(shù)已不能有效提升雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾能力，具有一定的局限性。從干擾和抗干擾的博弈對(duì)抗過程來看，抗干擾技術(shù)也將走向精細(xì)化與智能化。

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Review on Frequency Agile Radar Seeker

Quan Yinghui1*，F(xiàn)ang Wen1，Gao Xia1，Ruan Feng2，Li Yachao3，Xing Mengdao3

（1. School of Electronic Engineering， Xidian University， Xian 710071， China;

2. Xian Institute of Electronic Engineering Research， Xian 710100， China;

3. National Key Laboratory of Radar Signal Processing， Xidian University， Xian 710071， China）

Abstract： Frequency agile radar has excellent low intercept and electronic countermeasures performance. In this paper， the research results of anti-main-lobes deceptive jamming of radar seeker are briefly reviewed， and the basic concepts and technical characteristics of frequency agile radar seeker are described. Then， the research results of frequency agile radar seeker at home and abroad are introduced， and the advantages and disadvantages of three frequency agile waveforms and the research progress of each signal processing technology are summarized. Finally， the development of adaptive frequency agility and multi-parameter combined agility radar seeker technology is prospected based on the future battlefield complex electromagnetic environment and seeker development trend.

Key words： radar seeker;frequency agility;frequency agility signal processing;main lobe angle deception interference

收稿日期：2020-10-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61772397）

作者簡(jiǎn)介：全英匯（1981-），男，浙江麗水人，教授，研究方向是捷變雷達(dá)信號(hào)處理。