相控阵雷达抗主瓣干扰技术综述

王志刚，朱 灿，刁志龙，洪 畅

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，江苏 南京 211106)

0 引 言

根据国家海洋战略发展趋势，围绕海洋权益的斗争日益激烈，我国海洋国土面临的安全形势日益复杂。东海、南海等海域已成为我军目前最重要的海上战场，同时我军水面舰艇的活动区域也随着海军“大洋存在、两极拓展”发展战略的稳步推进而不断延伸。随着近几年南海和东海部分岛礁维权斗争形势的不断升级，海军舰载雷达装备作战使用方式也发生了明显变化，军事斗争准备和常态化的非军事运用对雷达装备在复杂海况和地理环境下的不间断警戒探测能力提出了越来越高的要求。与此同时，从信息对抗的发展态势来看，海战场各种有意、无意的干扰源数量越来越多，干扰功率越来越大，干扰手段越来越精细，干扰作战样式越来越灵活，对舰载雷达装备在复杂电磁环境下的抗干扰能力提出了前所未有的高要求。

本质而言，雷达对抗的过程既是技术对抗也是战术对抗[1-2]。实际作战中，电子进攻的战术手段复杂多变，按照干扰机与被掩护突防目标的空间位置关系可以分为：支援式电子干扰、随队式电子干扰、自卫式电子干扰以及复合式电子干扰。按照干扰从雷达副瓣还是主瓣、近主瓣进入雷达接收机和处理机，可将电子干扰分为副瓣干扰和主瓣干扰，而所谓复合式干扰通常同时从雷达的主瓣和副瓣进入。随着对雷达对抗技术认识的进一步加深，为提高掩护战斗机或导弹突防的干扰有效性，主瓣干扰样式将逐步成为未来战争中电子战装备的优先选择，来自于舰载电子战飞机的远距离支援式主瓣干扰、随队式主瓣干扰战斗机载/反舰导弹弹载自卫式干扰是未来海战中舰载预警探测面临的主要干扰场景。

随着电子战装备以及电子对抗措施(ECM)领域专项技术的不断发展，各种各样具有特定干扰效果的雷达有源压制和欺骗干扰样式相继被提出，给现代雷达对战场干扰环境的感知能力和抗干扰能力提出了新的挑战。对于副瓣来向的有源干扰信号，相控阵雷达可采用超低副瓣天线、副瓣匿影、副瓣对消或自适应副瓣置零等抗副瓣干扰技术进行有效抑制，这些技术目前已在实际工程中广泛应用并取得了良好的效果，基本解决了雷达副瓣干扰问题。然而当干扰来自天线主瓣或近主瓣区域时：在空域上，干扰和目标均在主瓣波束范围内，获得相近的雷达增益；在时域上，干扰强度大；在样式上，主瓣干扰具有多种类型，包括扫频式噪声干扰、转发式欺骗干扰、灵巧干扰、杂乱脉冲干扰等等。对于主瓣进入的有源干扰，现有较为成熟的抗副瓣干扰技术已经基本失效，而雷达应对主瓣干扰的手段仍十分有限，未能形成有效的对抗措施，严重制约了各类预警探测雷达的实战性能。正因为此，如何有效地抑制主瓣干扰已经成为现代雷达电子反对抗中亟待解决的共性难题[3-4]。

1 主瓣干扰概念

主瓣干扰是指从雷达主瓣进来的干扰，与真实目标回波相比，主瓣干扰不仅在能量上具有绝对的优势，而且部分样式干扰在空域、时域和频域等多个维度上都与真实目标回波信号具有高度的相似性，很难在处理阶段被完全剔除。正因为此，抗主瓣干扰也是雷达领域国际公认的难题。对于压制性主瓣干扰而言，无论是瞄准式、阻塞式还是扫频式噪声干扰，其本质都是提高雷达回波信号中的干信比，使雷达无法在干扰环境中可靠地检测出目标信号；对于欺骗性主瓣干扰而言，干扰信号与目标回波信号具有相似的时频域特征，而在空域上两者又同处于雷达主瓣波束之内，这就使得雷达难以在高置信度假目标群中有效提取出真实目标，大量的虚假目标也会大幅消耗相控阵雷达的可用资源。此外，在单平台预警探测雷达常态化面临的支援式、自卫式或随队式主瓣干扰场景下，雷达自身难以获得干扰方精确的距离、角度和速度信息，这些先验知识的缺失也给主瓣干扰抑制措施的有效性带来了较大的挑战。

2 抗主瓣干扰技术研究现状

从雷达抗干扰能动性角度可将抗主瓣干扰技术分为主动对抗和被动抑制2个方向，其中主动对抗主要表现在雷达的低截获性能和主动诱骗、干扰电子战设备，被动抑制主要表现在信息处理阶段精细化主瓣干扰判别与剔除算法。雷达对抗过程是一个不完全信息动态博弈过程，针对主瓣干扰的主动对抗和被动抑制算法对副瓣也适用，甚至是相通的。

2.1 主动对抗抗干扰

捷变频[5]雷达平时可伪装成固定频率雷达，只有在关键时刻才采用捷变频。雷达的发射频率在不断变化，可增加电子战截获、探测和定位以及性能参数提取的难度；频率捷变的载频随机捷变，故不能预测其变化规律，能有效地抗窄带瞄准干扰；由于雷达的工作频率在较宽的范围内跃变，这就迫使干扰机将干扰功率分布在雷达可能应用的整个带宽内，干扰功率密度就大大降低，故能抗宽带阻塞干扰；宽带阻塞式干扰机能在很宽的频带内产生白噪声，但阻塞式宽带干扰频谱在宽带覆盖中往往存在“弱区”，这是由干扰频带分布不均匀所致，应用自适应能力的捷变频技术，即干扰分析与发射选择技术，能实时测出“弱区”频率，并用此频率发射；回答式干扰机能对雷达实施距离拖引干扰，但它对频率捷变雷达只能实现距离后拖，而不能实现距离前拖，因为干扰机将接收到的雷达发射脉冲信号延迟一个重复周期转发给雷达，以干扰下一个周期的目标回波脉冲信号，而下一个脉冲信号的频率已变，因此起不到干扰作用；频率捷变雷达的发射频率是以随机方式进行脉间跃变，发射信号落入相邻雷达的探测频率的概率很小，因此能减小友邻雷达之间的相互干扰，达到抗同频异步干扰的目的。

2.1.2 频率分集阵

与传统相控阵列的发射信号不同，频率分集阵列不同阵元发射载频不同的信号。因此引入了额外的相位项，该项与频差和距离相关，使得波束指向在距离向上不再保持恒定，所以频率分集阵列具有距离依赖性方向图。该概念提出后，在美国空军、海军等国防研究机构中引起较为广泛的关注。近年来，多个国内外期刊和会议上也涌现出了不少频率分集阵雷达相关的研究论文[6]。

频率分集阵雷达在抗主瓣干扰方面具有两方面优势。首先，频率分集阵雷达波形复杂，干扰机处理难度大，在空间中特定空域形成发射主瓣，干扰机接收到的能量小，从而实现低截获。其次，频率分集阵雷达具有角度-距离二维天线方向图，针对目标角度和干扰源角度相同的场景，利用自适应或者非自适应处理算法，可实现主瓣欺骗干扰的自适应抑制。但该体制发射、接收端设计较为复杂，对工程实现有一定要求。

2.1.3 相参捷变频

在强化雷达在对抗环境中的存活能力的同时，提高雷达探测分辨力是现代雷达技术的主要发展目标。相参捷变频波形在这两个方面都有良好的发展前景：一方面，相参可以带来积累增益上的好处；另一方面，频率捷变可以使雷达在电子反对抗中获得优势。因此，相参捷变频[7]被认为是未来雷达发展中很有竞争力的波形体制之一。捷变相参体制雷达系统框图如图1所示。

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图1 捷变相参体制雷达系统框图

早在二战期间，英美等国家就逐渐使用可变频率雷达替代固定频率雷达，在减轻各友邻雷达之间同频串扰的同时躲避敌人故意施加的瞄频干扰。早期的可变频雷达采用磁控管发射机，脉冲载频的改变通过机械调谐机构实现，只能实现非相参处理或者接收相参。1965年开始，清华大学茅于海等人开始对全相参捷变频雷达的研究工作，全相参频率综合器是全相参捷变频雷达的关键设备，要求在各捷变频频点上产生高纯度、稳定度的信号，并能通过数字控制在频点之间快速切换，一般由晶体振荡器、倍频混频器以及数字开关等组成。相参体制的雷达信号能够保存回波中的多普勒信息(在捷变频雷达中，也包括载频变化引起的回波相位变化)，其稳定度要优于非相参和接收相参机制，从而能通过对脉冲之间相位的处理精确估计目标运动速度、抑制地/海杂波和有源干扰，也能实现合成带宽获得高分辨距离像。经过多年的技术发展，具备相参能力的捷变频雷达技术已经成为发展的主流并得到广泛应用。

2.1.4 射频掩护

射频掩护作为一种充分彰显雷达主动行为优势的抗干扰手段，具有工程实现简单且抗干扰性能优异等突出特点。电子战设备针对各种体制雷达的有效干扰均需及时、正确的侦察引导，而侦察引导依赖于正确截获雷达工作信号的特点。因此雷达方有意识地炮制复杂威胁信号环境，造成侦察引导的迷失和错误，是一种行之有效的主动抗干扰手段。其主要设计思想是：针对电子战设备干扰通道资源有限以及弹载和部分机载干扰设备无人工干预的弱点，雷达发射虚假信号掩护真实探测信号，迷惑和欺骗干扰侦测系统，引导干扰频率、波形锁定掩护信号，保护雷达真实探测信号不被干扰或尽量少被干扰。

掩护信号有效作用机理完全针对电子战设备的截获测量与干扰引导环节。当电子战侦察系统测量出高威胁信号的频率与波形时，将引导干扰系统进行相应频点波形的高功率辐射，这决定了掩护信号有效性的设计和使用原则。掩护信号实现对电子战设备有效诱骗的3个主要条件为：(1)在工作时序上，掩护信号不滞后于真实探测信号，保证电子战设备的侦察接收机首先截获到掩护信号；(2)掩护信号在时频域具有较高的强度，保证其威胁度高于真实探测信号，从而能够被优先锁定；(3)掩护信号与真实探测信号在时/频/波形域具有充分的隔离度，最小化掩护信号与目标探测信号之间的自扰。

2.1.5 智能抗干扰

要在复杂的对抗环境中处于优势地位，必须知己知彼，经过专门的侦察分析设备，侦察、分析干扰机的工作参数，据此制定抗主瓣干扰策略，比如根据干扰机对目标威胁度判断准则，有意发射虚假高威胁度的雷达信号，误导干扰机的判断；根据干扰机收发时间开关规律设计雷达工作模式，使得雷达的抗干扰效果达到最佳，即智能化雷达[8]。

智能化雷达抗干扰技术的核心即为自动识别干扰类型并自动采取抗干扰措施，完成干扰的对抗。智能化抗干扰体系主要体现在以下3个方面：(1)基于宽带侦察与窄带通道的干扰环境认知功能；(2)基于雷达系统综合设计的抗干扰技术；(3)基于干扰分类识别的干扰措施调度处理技术。智能化雷达抗干扰技术强调雷达抗干扰问题不能依赖于某个算法或者某个分系统技术解决，而是需要雷达系统的各项技术综合协调地解决。在抗干扰的设计准则下，针对天线、接收、信号处理、数据处理的各个环节进行综合抗干扰设计，形成一个优化的抗干扰体系，从更高的层次解决雷达的抗干扰问题。

2.2 被动抑制抗干扰

2.2.1 自适应波束形成

自适应波束形成(ADBF)技术[9]能够实时地对空间中变化的干扰环境做出反应，自动在干扰方向上形成零陷，在滤除干扰信号的同时保证了目标信号的有效接收。其核心问题是在某一准则下寻求阵列的最优加权矢量，具体包括：最小均方误差(MMSE)准则、最大信干噪比(MSINR)准则以及最小噪声方差(MNV)准则。

如图2所示，在主瓣干扰场景下，自适应波束形成技术在主瓣内形成零陷的同时会导致副瓣电平的升高、主波束变形和波束指向的偏移，进而导致输出信干噪比的下降和虚警概率的急剧增加。同时，对于干扰和目标在波束主瓣中完全不可分辨的场景，自适应波束形成在抑制干扰信号的同时也将同等地抑制目标回波信号，所以该技术无法对抗自卫式干扰及同轴支援式干扰。

图2 自适应波束形成方向图

2.2.2 阻塞矩阵预处理法

阻塞矩阵预处理法[10](BMP)是针对自适应波束形成技术处理主瓣干扰时所暴露出的波束变形等缺陷而提出的，其实质就是通过阻塞矩阵对接收数据进行预处理以显著抑制主瓣干扰信号，然后用预处理后的接收数据进行自适应波束形成，这时接收数据中仅有目标和副瓣干扰信号，期望信号和主瓣干扰在计算协方差阵时对特征值没有影响，求出的自适应权值在波束形成时就不会在信号和主瓣方向上形成零点，减弱了信号相消和主波束变形的问题。

如图3所示，阻塞矩阵预处理法能有效地解决自适应波束形成引起的主波束变形及副瓣电平升高等问题，但波束峰值偏移依然存在，可以通过自适应波束保形(权系数补偿、白化处理和对角加载)方法进行补偿改善。由于阻塞矩阵是利用相邻天线单元进行相消处理抑制主瓣干扰，相当于对数据进行降维操作。虽然降维操作有利于阵列信号处理算法的工程应用，但同时也会带来阵列处理自由度的损失。苏保伟等对阻塞矩阵法抗主瓣干扰的性能作了仿真实验，在目标信号及主瓣干扰的方位角已知条件下验证了该方法的有效性；李荣锋等将阻塞矩阵法应用在强主瓣干扰环境中，通过引入阻塞矩阵预处理消除了线性阵列接收信号中的主瓣干扰分量，结合自适应波束形成算法，同时解决了主副瓣干扰问题，波束指向偏移量较ADBF方法有所下降。阻塞矩阵构建过程中对主瓣干扰到达角度的测量精度要求很高，在工程应用中，干扰源精确的高分辨或超分辨测角结果是阻塞矩阵抗主瓣干扰方法应用的基本前提。

图3 预处理前和预处理后方向图

2.2.3 特征投影矩阵预处理法

特征子空间投影预处理法[11](EPB)的实质是基于对阵列数据协方差矩阵特征值的处理，消除雷达接收信号中的主瓣干扰分量。特征子空间投影预处理法的一个基本假设是：干扰能量远大于信号和噪声。阵列天线的接收数据中包含了干扰、信号和噪声，利用阵列接收快拍数据构成协方差矩阵并将其特征值从大到小排序，由于干扰能量远大于信号和噪声，故可将前面r个(r为干扰源个数)大特征值对应的特征向量张成干扰子空间，后M-r个小特征值对应的特征向量张成信号和噪声子空间。由于干扰、信号和噪声相互独立，干扰子空间正交于信号和噪声子空间，将数据矢量投影到干扰子空间，理论上由于信号和噪声在干扰子空间的投影分量为零，故投影分量中将只含有干扰投影分量，再用原信号减去干扰投影分量即可将强干扰信号滤除。

特征子空间投影法从空间谱估计的角度对强干扰信号进行滤除，同时不损失阵列自由度。但当干扰源个数先验信息缺失时，若干扰特征值个数选择偏少则干扰对消不充分，干扰特征值选多时会将信号对消掉。另外，该方法最重要的基本前提是干扰与信号及噪声不相关，当不满足该约束时必须要对数据矢量进行空间平滑的解相关处理。同时，特征投影矩阵预处理法主瓣峰值偏移的情况依然存在，可以通过自适应波束保形(权系数补偿、白化处理和对角加载)方法进行补偿改善，如图4所示。另外，特征投影矩阵预处理法抑制副瓣干扰效果较差，而且主瓣干扰和旁瓣干扰同时存在时，主瓣干扰能量要比旁瓣干扰弱20 dB以上，否则旁瓣干扰的抑制效果就会变差甚至无法抑制。

图4 预处理前和预处理后方向图

2.2.4 盲源分离

盲源分离[12]就是在不知道源信号和传输信道参数的情况下，根据源信号的统计特性，仅由观测信号来恢复或分离出源信号的过程，经典算法有快速固定点独立成分分析法(FastICA)和特征矩阵联合近似对角化法(JADE)。相控阵雷达可根据数字波束合成技术，分别基于同时多波束、和差波束和主辅通道3种模型，产生多路观测信号。然后通过去均值实现所有源信号相关矩阵和协方差矩阵的一致性，再对观测信号进行预白化处理去除各观测信号之间的相关性，最后通过对白化后的接收数据的四阶累积量矩进行特征值分解(JADE)或是负熵逼近(FastICA)得到分离矩阵，恢复出源信号集合。然而由于盲分离算法的顺序不确定性，还需通过设定的综合分类器进行目标和干扰通道的分类识别，如图5所示。

图5 多通道盲源分离抗主瓣干扰流程图

盲源分离方法需要利用多个接收通道实现目标回波和干扰信号的分离，所需通道数与干扰源和目标的数量有关，一般情况下要求通道数不小于目标和干扰数量的总和，所以盲源分离算法需要准确的干扰源数量先验信息。盲源分离算法分离效果与目标和干扰之间的来向差有关，对于非目标方向的干扰(压制式和欺骗式)，都有很好的抑制效果。但随着来向差异变小，分离效果会逐渐变差，所以对自卫式主瓣干扰或同轴支援式干扰而言，盲源分离方法无法有效提取出目标信号。

2.2.5 基于波形熵的异步干扰抑制

主瓣内高重频窄脉冲干扰经脉冲压缩后，脉冲宽度被展宽，幅度有所衰减，因此只要选择足够大的干扰功率，提高干扰脉冲的重频，增大干扰脉冲与目标的重合概率，窄脉冲干扰就会具有较好的覆盖干扰效果。

熵描述了在某一给定时刻一个系统可能出现的有关状态的不确定程度，解决了对信息的量化度量问题，波形熵则是一种借用熵的概念来表征信号平稳度的物理量。基于波形熵的异步干扰抑制即是基于异步窄脉冲干扰在多个雷达脉冲回波之间呈现位置随机性的特点实现异步干扰检测及抑制的技术。

对于某个距离单元的多脉冲回波，如果是目标或正常地物回波，其波形熵的值较大；如果是异步窄脉冲干扰，其波形熵的值较小。通过计算各距离单元上多脉冲的波形熵值，将计算结果和一个门限进行比较，如果波形熵的值小于门限值，则认为是异步窄脉冲干扰，做个干扰标记1，最后将干扰标记为1的相关脉冲以最小值或其他规则输出，达到抗异步窄脉冲干扰的功能，如图6所示。

图6 基于波形熵异步干扰检测的干扰抑制流程图

3 结束语

本文首先详细介绍了相控阵雷达主瓣干扰的基本概念和抑制难点。然后从主动对抗和被动抑制两个方向梳理了现有单装雷达抗主瓣干扰的方法，着重介绍了代表性成果及其最新进展，分析相应算法实现思路及存在的问题。传统雷达设计时往往关注探测任务，比如探测威力、精度等方面的性能，并没有针对可能遇到的干扰场景进行有针对性的设计，面对主瓣干扰的威胁，未来雷达设计必须将反干扰作为设计的重要指标，从受雷达体制限制被动设计抗干扰算法转向由抗干扰技术和抗干扰需求主动引导雷达设计，这样才能转被动为主动，更好地满足复杂电磁环境中的探测要求。