现代机载雷达中抗干扰ECCM技术

傅有光，陈 翼，王 宁

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

目前，机载雷达面临的挑战可能是该类型军事装备在其生存期最严酷的阶段。随着作战对象和作战环境的改变，雷达的技术性能已不能保障雷达的实战能力。可以毫不夸张的宣称，离开有效的有源干扰对抗手段，雷达就失去了存在地位和理由，海湾及伊拉克等局部战争就充分证明了这个观点［1］。

机载雷达有其特殊性，是所有雷达类型中最易遭电子战攻击的目标，原因有两个:第一，机载雷达是安装在浮空平台上，视距要比地面、舰载雷达大许多，相应的干扰也会更严重［2］;第二，机载雷达要下视观察比自己低的目标，地球就是大反射体，地杂波严重影响目标检测，故多采用脉冲多普勒处理(Pulse Doppler，PD)体制，多组密集脉冲的发射给干扰方带来易侦收易攻击的便利。

在电子战领域，雷达电子对抗(Electronic Counter Measures，ECM)和雷达电子反对抗(Electronic Counter Counter Measures，ECCM)是一对矛盾的双方:

(1)从定义上看:雷达对抗是阻止敌方雷达使用电磁频谱，保护我方电子设备使用电磁频谱;电子反对抗是雷达采取一系列措施，其目的是存在电子干扰时，雷达仍然有效工作;

(2)从交战过程看:第一步是侦察和反侦察的较量。要求电子对抗系统能全方位、全频段近100%侦察到辐射源信号，进行处理、识别和定位。而电子反对抗要求雷达系统采取措施反侦察，阻止雷达信号被对方电子侦察设备截获;即使被截获，也会造成参数测量错误，分选困难;第二步是干扰和反干扰的较量。要求电子对抗系统充分调动和合理使用干扰资源，对威胁雷达进行电子干扰。而电子反干扰要求雷达系统采取措施反干扰，在干扰存在条件下，使雷达不受电子干扰的影响，对目标进行探测、跟踪，完成雷达使命。

雷达对抗中的常用方法有两种，即欺骗式干扰和压制式干扰。压制式干扰采用连续波噪声干扰，使雷达接收机中的目标信号淹没在噪声中，无法检测。欺骗式干扰伪造逼真的虚假信号使雷达作为真实目标处理，大量的假目标使信号处理机和数据处理机过载。雷达反干扰就是针对以上雷达对抗的几个手段进行抑制，消除干扰机的影响。

1 现代机载雷达中的ECCM措施手段概述

1982年，美国电子战工程公司出版的“应用电子对抗”中列出了多项抗干扰的措施，反映了抗干扰技术的发展。在20世纪五、六十年代，国内就对传统雷达中的反干扰措施进行了研究，雷达反对抗的常用措施包括［3］:(1)雷达与干扰机的功率对抗(烧穿技术);(2)超低旁瓣天线技术;(3)自适应天线技术;(4)频率捷变技术(伪随机，自适应);(5)空时自适应处理;(6)低截获信号LPI设计;(7)雷达功率管理;(8)速度距离波门抗拖引;(9)接收机宽限窄;(10)欺骗导频信号;(11)雷达诱饵技术(反辐射导弹诱偏);(12)天线旁瓣匿影;(13)自适应快门限判决;(14)非同步脉冲剔除。

2 现代机载雷达新体制本身带来的反干扰特性

2.1 雷达与干扰机的功率对抗(烧穿技术)

传统雷达采用集中式功放，采用速调管把激励信号放大到天线单元辐射出去。由于受到电源、散热及单管功率的限制，一般雷达的峰值和平均功率都不能做的很大，而相控阵雷达体制中的功放是分散到每个T/R组件中的，辐射功率在每个T/R组件的天线单元辐射到空间后再合成，因此，其辐射功率可以很大。当然这与天线的口径大小及T/R组件的个数有关，一般的有源相控阵天线，组件个数可达5 000个乃至几万个，其合成的功率可达到数兆瓦量级。我们知道，机载吊舱的自卫式干扰机一般功率较小，而支援式电子干扰机一般距离在400 km～500 km之外，并且干扰往往是从雷达的副瓣进入。故干扰机的干扰距离就会缩短，干扰的效能就会大大降低。另外，有源相控阵体制雷达在侦测到干扰机的方向后，可以快速将主波束对准干扰机发射满负荷信号能量，从而依据巨大的辐射能量致盲干扰机的侦收分析设备。

2.2 现代相控阵体制雷达天线波束指向的随机性和捷变能力

干扰机对雷达进行目标航迹的欺骗，必须预测两个关键参数，即雷达的目前波束指向和脉冲重复频率(Pulse Repeat Frequency，PRF)。对于机械扫描的常规雷达，由于机械转动的惯性，在空域的扫描顺序一定是可以根据前面的规律进行预测。对于有源相控阵雷达而言，其天线的波束指向是依据T/R组件中移相器的移相量来完成，完全电控，其两个波束指向的变换时间在几十微秒之间，这大大提高了跟踪目标的个数，节约了时间和能量。而决定雷达工作方式的PRF也与目标的位置特性有关，所以，其PRF不存在明显的规律性。

因此，相控阵雷达的波束指向捷变能力给干扰机带来了极大的麻烦。在平常的条件下，干扰机对随机电扫描的相控阵雷达的假目标航迹欺骗几乎不可能。

2.3 机载雷达中的低副瓣天线技术

机载雷达由于存在强大的地杂波，所以相对于舰载和地面雷达，一般要求天线主副瓣比更苛刻。以前机载雷达是反射面天线，后发展成无源相控阵，现已发展成有源相控阵天线。

有源相控阵体制雷达的发射和接收的天线波束都可以采用对阵面不同分布位置的T/R组件进行相位和幅度的加权，从而实现低副瓣天线性能甚至是超低副瓣天线，接收天线的副瓣能做到-30 dB～-40 dB以下。发射天线的低副瓣性能使得干扰机的侦收设备无法在远距离收到来自雷达副瓣辐射的能量。接收天线的超低副瓣大大抑制了从雷达天线副瓣进入接收通道的干扰能量。

3 机载雷达中反干扰ECCM技术研究

如上所述，雷达的反干扰措施其实很多。我们对几种简单实用的措施进行分析介绍。

3.1 频率捷变和自适应跳频

自适应频率捷变是一种频域抗有源干扰的实用措施，在历次的干扰对抗演练中，都被证明有极好的对抗性能和效果。雷达在工作的频段中一般有几十乃至上百个的工作频点，当雷达受到有源干扰时，它可以跳频工作，以避免或减弱有源干扰的影响。

脉间随机频率捷变工作方式是在雷达受干扰时，雷达发射机以随机的方式工作在所选择的一组频率点上发射信号，使得干扰机的测频系统跟不上雷达工作频率的变化。脉间自适应频率捷变则是针对宽带阻塞干扰的抗干扰方法，如图1所示。

图1 雷达自适应跳频的原理框图

干扰信号的样本应选取雷达的休止期，以避免近距离杂波的影响。将休止期分为若干时间段，对应于雷达的M个工作频率点。雷达接收机在M个时间段上轮流工作于M个频率点上接收干扰信号，让雷达信号处理系统对这M个时间段上的干扰信号进行采样，并计算每个时间段内所有干扰采样信号的均值μmin(正比于干扰的平均功率)。设每个时间段上各有N个采样点，则

μmin是M个时间段中平均功率最小的时间段，所以对应于这个时间段的接收机工作频率fμmin就是所要寻找的干扰功率最弱的频率点，则雷达下一个发射脉冲的中心频率应捷变到这个频率上，以减少干扰对雷达工作的影响。

为了提高对外界干扰频谱的统计效率，又不影响雷达自身工作，在工程实现中，采用单独的接收通道来做分析统计，其工作的频率也是独立变化的，且与正常发射频率不同。

3.2 自适应天线技术-干扰副瓣置零抑制

有源干扰是通过雷达接收天线进入雷达的，通过阵列信号处理技术，即空间滤波的办法可以阻止或减少干扰信号的进入。当有源干扰从雷达天线的主瓣进入时，雷达可以采用无源跟踪方法对干扰测向。雷达天线主瓣宽度一般比较窄，大概在1°左右，而副瓣区是很宽的，当有源干扰很强时，从天线副瓣进入的有源干扰足以影响天线主瓣对目标的探测，所以雷达要有良好的抗副瓣干扰的能力。

抗副瓣干扰最直接的方法是采用超低副瓣天线，但技术难度大，代价高。更常用的方法是降低干扰方向上的副瓣电平，也称天线副瓣置零技术。由于干扰的方向是不可知的，天线的空间指向也在扫描，所以天线副瓣置零技术必须是自适应的。

根据每个辅助通道的加权数量和辅助天线的个数，副瓣对消可以分为单权单环路对消系统和多权多环路对消系统。自适应旁瓣对消的方法有两种:一种是闭环算法的模拟反馈技术，另一种是开环的数字信号处理技术。过去副瓣对消采用的模拟对消闭环方式，性能不稳定，收敛速度慢。随着数字集成技术的发展，现在都采用开环式数字对消。当相关矩阵特征根散布较严重时，闭环算法收敛很慢。而开环算法在不牺牲对消增益的前提下有收敛速度较快的优点，较闭环算法更为优越。该开环算法常称为直接矩阵逆(Direct Matrix Inversion，DMI)或者采样矩阵逆(Sample Matrix Inversion，SMI)算法［4］。图 2 中是 SMI算法的原理图，该算法欲使下式最小

利用采样值y(k)和x(k)，估计干扰的协方差矩阵Rxx和干扰与主波束的互相关向量rxy，然后求得最优权向量

采用该权值对消所有采样点。此处理过程在每个雷达脉冲重复周期内都重复进行。输出为

式中:X(k)=［x1(k)，x2(k)，…，xN(k)］T。

图2 SMI算法自适应旁瓣对消原理图

在充分考虑了接收通道的一致性，带宽色散效应以及主副天线增益匹配等问题，其副瓣对消的性能可做的很好，一般整体雷达对消比指标可达20 dB以上。图3为自适应副瓣置零后的天线方向图。

图3 自适应置零前后的天线波瓣图

3.3 空-时自适应处理技术

机载雷达为了探测掩盖在强大地杂波下的微小目标，往往采用多普勒PD处理，利用地杂波与目标的速度多普勒差异，采用中高重频工作模式，把目标和地杂波在多普勒域分开，从而在清晰区成功检测出目标。而一旦存在干扰后，情况发生根本的改变，由于干扰信号一般都是宽谱的，它会污染整个PD多普勒域的清晰区，目标无法被检测。

在干扰环境下采用空-时自适应处理(Space Time Adaptive Processing，STAP)能有效地抑制杂波和干扰［5］。STAP比以上介绍的副瓣对消又多了一个多普勒的维度，针对性更强，抑制效果更好。图4、图5分别为STAP处理框图和频率响应图。

图4 全空时自适应STAP处理框图

图5 全空间自适应频响应

3.4 低截获信号设计和复杂参数波形运用

雷达在工作时，为了探测远距离的微小目标，往往需要发射极大功率的信号，同时也极容易被敌方的电子对抗设备发现和截获，从而招致敌方的电子干扰和硬杀伤打击。所以提高雷达的隐蔽性，降低被对方电子侦察设备截获的概率是雷达在电子对抗过程中争取主动、免受电子干扰和摧毁的重要措施。

降低脉冲的峰值功率，采用扩谱技术的宽脉冲宽带宽信号或者连续波信号都能降低被截获的概率。所以，现代相控阵体制的雷达广泛采用线性调频信号、非线性调频信号、二相码、多相码及随机编码信号，而且各种波形参数十分繁多，并能随机产生。一般相控阵雷达不同参数的波形数量可达500种以上，美舰载宙斯盾多功能相控阵雷达波形数量达上万种。电子侦收设备根本无法预知雷达信号的规律，从而给信号分选、匹配处理带来极大的困难。

3.5 抗脉冲式欺骗干扰

在干扰机的工作方式中，欺骗式的脉冲干扰无论从雷达的天线主瓣或副瓣进入雷达接收机，都给雷达的信号检测和目标提取带来极大的困难。这也是干扰机有效利用干扰能力的较经济的手段。

副瓣匿影技术是抑制从雷达天线副瓣进入的假目标欺骗干扰的技术。为此，要增加一个辅助保护天线通道，并且保护天线的主瓣很宽，能覆盖主天线的主瓣和副瓣，其增益略大于雷达主天线的副瓣增益，采用两通道幅度判决规则。其实，在工程实现上，匿影辅助通道完全是与保护通道合用的。

判宽剔除脉冲技术是抑制来自雷达主天线主瓣的假目标欺骗干扰的技术，此类欺骗尖脉冲会在雷达脉冲压缩处理后，变成很大的鼓包波形，严重抬高噪声基底，使其附近的目标检测变的困难。现在采用的措施主要是利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的实时判宽电路，如与当前发射的雷达信号脉冲宽度不匹配，就进行剔除。

对抗非同步的脉冲干扰信号也可采用脉冲周期的规律，利用不同PRF的不同周期间的距离点匹配，把不符合目标距离重复性的脉冲剔除。

4 现代机载雷达ECCM发展方向趋势

限于篇幅，以上简单介绍了几种目前在相控阵雷达中常用的反干扰措施，其实还有许多其他措施，如运动目标指示(Moving Target Indication，MTI)和运动目标检测(Moving Target Detection，MTD)可用来对付箔条干扰，脉冲压缩和恒虚警检测处理可一定程度对付噪声干扰，单脉冲测角可对付角度欺骗干扰等，这些措施都不是主要针对有源干扰的，这里就不一一例举了。下面就现代机载雷达反干扰今后发展趋势，作一点分析展望。

4.1 在雷达系统中建立干扰环境感知设备

要在复杂的对抗环境中立于不败之地，必须知己知彼。雷达系统在以前只有一些简单干扰谱分析设备，用于引导频率捷变。而今后要对干扰的形式做进一步的分析和判断，如是连续波还是脉冲、是来自主瓣还是副瓣、脉冲干扰的具体参数、干扰源的类型和方向等，这些信息可以作为雷达采取反干扰手段的策略依据，也是装备智能化的表现［6］。干扰环境感知流程如图6所示。

图6 干扰环境感知流程框图

干扰电磁环境感知主要有以下3大技术:(1)连续波干扰频谱的侦察分析技术;(2)脉冲干扰数字信道化全概率侦收技术;(3)干扰样式参数的分类建库技术。

4.2 采用基于干扰参数样式库的智能专家决策技术

利用侦测的干扰信号结果，再结合原有的干扰样式库，选取有效的反干扰措施进行对抗，并对反干扰的性能效果进行评估，进一步反馈优化措施，认知雷达发展开辟了反干扰新天地［7］。雷达需要检测的目标和面临的任务越来越多，以往依靠雷达操作员根据雷达画面人工选择反干扰措施的方法已略显力不从心，一定要引入智能专家的判决手段。

干扰和反干扰是一对矛盾关系，在战场上表现为对抗双方对电磁频谱使用的控制与反控制，具体表现在各级指挥员斗智斗勇的博弈中。找出对方的薄弱环节，进行针对性的设计，以达到克敌制胜的奇效。实际的电子对抗中，双方在斗争中都在不断地改变策略(根据干扰性能和反干扰性能)以争取胜利，这就需要用博弈论的方法来解决。博弈论的方法比基于策略的自适应技术更进一步，可使某方在斗争中总的利益最大，而总的损失最小。

运用博弈论思想，可以研究雷达对抗中反干扰效果的动态评估问题，把反干扰效果作为博弈盈利函数，从时间、空间、频率、能量等多个方面对反干扰效果进行定量描述，寻求反干扰效果的综合评估算法，从而为参与对抗的雷达方提供决策依据。博弈论思想在反干扰效果动态评估中的应用，可以在不知干扰机采取的具体策略的情形下，对电子对抗结果进行事先评估，这样就可以根据评估结果动态调整对雷达方有利的对抗策略，从而有效、可靠地对抗干扰机施放如压制式干扰等多种类型干扰，这对提高雷达电子装备生存能力具有重大意义。反干扰专家智能决策体系如图7所示。

4.3 反干扰效能评估

反干扰的效能评估十分重要，它将指导今后反干扰发展的方向。过去的反干扰效能评估都是零散技术指标，没有指标关系图，无法系统地评估反干扰的效能［8］。整个雷达反干扰效能可通过两级指标进行了描述:

图7 反干扰专家智能决策框图

(1)与系统总体指标直接关联的一级指标:作用距离，跟踪精度，航迹质量，画面质量，目标检测概率，目标正确起批数，测角测距精度，系统稳定性等;

(2)与反干扰措施算法直接关联的技术底层二级指标如:算法信号损失，算法鲁棒性，干扰抑制比，虚警率漏警率，措施选择策略，波形复杂度和低截获等。

同时，考虑指标相互之间的关系，底层技术指标对系统指标的贡献度等，可扩展到指标及需求管理。

4.4 反干扰信号处理中采用新途径和新算法

目前，数字阵列信号处理技术已经广泛应用到实际工程中，利用空域、时域、频域等多维的联合处理是对付战场杂波和有源干扰的有效手段，空时STAP处理技术也已运用到机载雷达中，时频分析工具如短时傅里叶变换、分数级傅里叶变换等已用于滤除同频脉冲干扰，压缩感知和神经网络等算法也在实际应用中取得良好的效果。

5 结束语

现代作战模式越来越注重协同作战，反干扰技术也向着由单台设备转向多台设备协同(如雷达组网)甚至于体系对抗的方向发展。作战的范围也由传统的简单的地/地，地/空发展到海、陆、空天全方位，所以反干扰也必然覆盖到以上的领域。

针对机载预警雷达的反干扰措施其实一直随着雷达技术和对抗方干扰机的发展而不断进步，本文中涉及的反干扰措施也是目前雷达经常采用的工程方法，而今后反干扰新技术和新措施也在不断研究中。由于不了解国外雷达电子对抗的发展动态和实际性能，我们千万不能盲目乐观自满，要本着对装备负责，对国防军事事业负责的要求，不断创新新理论和新机理，才能在未来电子信息战争中立于不败之地。

［1］ 赵国庆.雷达对抗原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1999.Zhao Guoqing.Radar countermeasure principle［M］.Xi＇an:Xidian University Press，1999.

［2］ 丁鹭飞.耿富录.雷达原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2002.Ding Lufei，Geng Fulu.Radar principle［M］.Xi＇an:Xidian University Press，2002.

［3］ 张光义.提高雷达系统抗干扰能力的一些措施［J］.现代雷达，2001，23(2):6-12.Zhang Guangyi.Some measures for enhancing ECCM capabilities of radar systems［J］.Modern Radar，2001，23(2):6-12.

［4］ 张贤达.现代信号处理［M］.北京:清华大学出版社，1995.Zhang Xianda.Modern signal processing［M］.Beijing:Tsinghua University Press，1995.

［5］ Klemm R.Space time adaptive processing:principles and applications［M］.London:Institute of Electrical Engineers，1998.

［6］ 贲 德，王 峰，雷志勇.基于认知原理的机载雷达抗干扰技术研究［J］.中国电子科学院学报，2013，8(4):368-372.Ben De，Wang Feng，Lei Zhiyong.Key anti-jamming technique of airborne radar based of cognition［J］.Journal of China Academy of Electronics and Information Technology，2013，8(4):368-372.

［7］ Haykin S.Cognitive radar:a way of the future［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2006，23(1):30-40.

［8］ 王 冲，张永顺，郑 海.机载雷达抗干扰评估试验方法研究［J］. 现代雷达，2007，29(6):23-24.Wang Chong，Zhang Yongshun，Zheng Hai.Research on anti-jamming evaluation test method of airborne radar［J］.Modern Radar，2007，29(6):23-24.