现代反辐射导弹攻防对抗技术面临的新挑战＊

2014-12-21戴幻尧黄振宇

航天电子对抗 2014年6期

戴幻尧，雷昊，赵晶，黄振宇

（1.中国洛阳电子装备试验中心，河南洛阳471003；2.中国人民解放军95868部队，北京100076）

0 引言

被动雷达导引头（PRS）是反辐射武器关键的部件，其性能直接影响反辐射武器的作战效能［1］。传统的PRS主要采用单脉冲测角技术，具有作用距离远、体积小、智能化高、抗噪声干扰能力强等优点，但是也存在很多局限性：PRS 空间和频率分辨能力普遍偏弱，利用雷达组网、有源诱偏等手段，可将反辐射武器引向几个辐射源的功率重心，能够有效地避免反辐射导弹的攻击；PRS 对辐射源信号的依赖性强，利用间歇发射、提前关机等手段切断辐射信号源，可以使PRS不能稳定对目标进行跟踪，甚至丢失攻击目标。这些局限性使传统体制的PRS难以适应现代战场对抗环境。要保持反辐射武器对雷达、干扰源的威慑力，现代反辐射武器采用了许多先进的信号处理方法与复合制导技术来对抗防御方［2-4］。本文首先论述了PRS面临防御方的信号环境，然后梳理了现代反辐射武器采取的新型抗干扰技术，通过仿真实例指出了传统研究结论［5-8］值得商榷之处。

1 反辐射雷达导引头面临的对抗环境

对抗PRS，从技术上讲，雷达可以考虑从空域、时域、频域几个方面采取措施。在空域方面，雷达可采用窄波束探测目标，并尽量降低天线的副瓣电平，目前副瓣电平可以低到-50dB，在时域方面，雷达可以采用宽脉冲发射、闪烁工作、应急关机等控制辐射功率的时间的手段。在频域方面，雷达可采取捷变频、脉冲压缩、扩频等技术。

1.1 低截获概率雷达

低截获概率（LPI）雷达是在雷达设计上使其不被PRS的截获系统截获，或截获概率极低，这样就可以免遭电子干扰和ARM 的攻击。它主要通过采用宽带高占空比的发射机，从而可以将辐射的能量以类噪声的方式分散到一个极宽的频率范围，使快速干扰系统都无法对其进行瞄准式干扰；采用低旁瓣雷达天线可将任何可能发生的截获限制到主瓣区；采用功率管理技术可使雷达仅当需要测量目标特性时才辐射能量，并且仅以与被测目标雷达面积大小相符合的功率电平辐射能量，造成PRS难以侦察截获和跟踪处理。简言之就是极宽的频带、复杂的调制、极窄的类图钉形的模糊函数。

1.2 双／多基地雷达

在雷达系统中，由于接收机是无源寂静工作的，因此在双／多基地雷达系统中，可以把接收机靠前配置，PRS也无法对雷达接收机实施探测，而此时发射机可布置于己方一侧的战区前沿或飞机、卫星等空间平台上，这样就可以大大减少发射机被ARM 跟踪和攻击的概率。若采用多基地雷达，即使个别发射机被摧毁，整个防空系统仍能正常工作。

1.3 捷变频技术［9-10］

捷变频是一种技术而不是一种雷达体制，这种技术可以用于各种不同用处的雷达。例如监视雷达、跟踪雷达、导弹制导雷达等等。捷变频雷达体制是一种用来在频域内对抗有源干扰的重要手段，同时，利用脉间频率捷变还可以减少目标回波幅度起伏（幅度噪声）和角闪烁（角噪声）对雷达性能的影响，提高定向精度。因此可以通过两台捷变频雷达同步触发，以相同的脉宽同时照射同一批ARM；合理选择频率捷变参数，捷变速率应使ARM 寻的雷达伺服系统最佳响应；双台雷达要有合理的发射功率比值，以便获得足够的ARM 寻的雷达定向偏差及其产生的概率。

1.4 多点非相干／相干诱偏干扰

假设雷达信号与诱饵信号同时进入PRS。为此，雷达在每次发射脉冲前应将雷达发射脉冲的参数（包括脉宽、载频、发射时间、功率等）通知诱饵，诱饵就按此调整自己的信号形式同雷达的信号形式一样，并使雷达和诱饵脉冲同时到达ARM。如图1所示，S1是雷达，S2是诱饵，Δθ是PRS与两点源S1与S2构成的夹角，雷达与诱饵之间的距离为L，ΔθR为PRS的角度分辨角，O 为ARM 的瞄准点。

图1 有源诱偏原理示意图

当Δθ＜ΔθR时，PRS对两点源的跟踪角偏差θ 为［1］：

对于非相干两点源干扰：

对于相干两点源干扰：

式中，β为两点源的幅度比，φ 为两点源的相位差。

由式（1）、（2）可以看出，当Δθ＜ΔθR时：比幅体制PRS，导弹跟踪两点的功率重心；比相体制PRS，导引头跟踪两点源的相位重心。因此，当β趋于1，并且Δφ趋于180°时，θ可趋于无限大，即可使导引头跟踪两点源连线以外的位置。可得跟踪角度偏差随两点源干扰信号的幅度比β和两点源干扰信号的相位差Δφ 的变化如图2所示。

图2 角偏差随两点源幅度和相位差的变化

进一步分析可知，随着两点源之间的角距离Δθ增加，特性曲线平衡点的斜率将减小，当Δθ达到某一临界值（分辨率）时，此时系统将进入随遇平衡状态，跟踪点将离开几何中心，而向某一点靠近。当两点源与PRS之间的夹角大于导引头分辨率时，PRS能够分辨两点源，并对其中之一进行稳定的跟踪，以往研究指出［7］，此时导弹与两点源之间的距离比较接近，由于导弹的过载能力有限已经来不及转向，导致ARM 攻击失败。

1.5 高重频脉冲干扰

高重频脉冲干扰是一种基于时间、空间和频率的三维联合控制的新型压制干扰技术［11］，起初设计用于对组网雷达的干扰。利用干扰机发射的远高于雷达脉冲重复频率的干扰脉冲在雷达的自动检测器输出端或显示器上形成远大于雷达自动处理的假目标批数（对固定幅度门限的雷达）或干扰能量使幅度门限抬高，形成黑洞（具有自适应幅度门限的雷达），致使雷达目标处理能力大幅度下降甚至丧失的遮盖性干扰技术，理论上可以利用一部干扰机的有限干扰功率同时实现对多部雷达，特别是组网雷达的压制式干扰。

干扰信号出现的概率取决于干扰信号重频与脉宽的乘积，当选择干扰脉冲宽度小于雷达脉冲宽度时，干扰概率取决于干扰的重频与雷达脉宽的乘积。高重频的干扰信号在雷达信号检测器中出现高概率的误判，从而在显示器上（或数据库中）造成了高密度的假目标过载，这就是高重频脉冲的干扰原理。

利用高重频干扰技术实现对雷达网的压制干扰的另一条新技术途径是利用高功率微波窄脉冲技术。高功率微波窄脉冲频谱很宽，单位频谱能量高，谱密度大，往往能同时覆盖、同时照射目标的雷达网中的几部不同雷达的频率范围，脉冲重频又可以达到很高，因此利用高功率微波窄脉冲技术也可实现对雷达网的遮盖压制干扰。根据该原理不难推断，这种技术也用于干扰PRS，以遮盖目标雷达信号，破坏PRS对真实目标的分选识别和跟踪滤波，从而保护有价值的重点目标雷达。

2 PRS抗干扰新技术

2.1 聚类分选和极化分选

聚类分选的物理内涵：根据导引头前端测量的脉冲描述字（PDW）数据之间的相似性，将数据对象分组为若干个类，使同一个类的元素之间具有较高的相似度，而不同类的元素差别较大［10］。在聚类分选过程中，将每个辐射源当作一个信号类，PDW 中的参数是聚类的特征维数，每个脉冲是一次观测样本。只要聚类时选择的特征参数具有较好的类内聚集性和类间分离性，理论上可以实现较好的聚类分选效果。利用脉冲到达角（DOA）、载频（CF）、脉冲宽度（PW）和脉内调制参数（PM）等进行多参数综合聚类，与传统基于TOA 的脉冲去交错算法（如累积直方图CDIF或PRI变换法）相结合，能够得到非常高的分选正确率，后来还衍生了动态距离聚类算法。

聚类分析中不需要用脉冲流的先验知识，所以它是一种无监督分类方法，它特别适合对缺少先验知识的对象进行分类，因此目前工程应用中通过聚类方法联合其他多参数分选来实现脉冲去交错是雷达信号分选的首选技术方案。

仿真模拟的10部雷达脉冲信号（2部频率捷变雷达、2部PRI参差雷达、1部参差抖动PRI雷达、2部抖动PRI雷达和3部常规雷达），按照到达时间进行混叠。考虑到雷达发射机的机械抖动以及雷达接收机不可避免的测量误差，在模拟雷达脉冲信号时，给CF、PW 等参数增加了随机量，使CF 偏差在1%以内，DOA、PW、k（调频斜率）、B（调制带宽）偏差在5%以内。固定和参差PRI的变化范围1%～3%，抖动PRI的范围为5%～10%。

仿真时采用DOA、CF、PW、k多维参数综合聚类，采用动态距离聚类算法DDC［12］得到的仿真结果如图3所示。为了方便查看，将分选结果投影到了归一化PW-CF 平面，并用不同的符号对分类结果做了标记，从图中可以看到，DDC算法成功分类了10部雷达脉冲，尽管对几类脉冲参数设置得非常接近，但是由于DDC算法采用多维参数聚类，因此在DOA、k 维上被分离得较好。

图3 动态距离聚类算法分选结果

另外，传统的PDW 中不包含雷达信号的极化参数，而极化参数（极化幅度描述子和极化相位描述子）可以拓展PDW 维度，一方面利用极化参数进行粗分选，可以降低脉冲流密度，增加脉冲间的相关性，然后再进行常规参数分选；另一方面，极化参数也可以同其它常规PDW 参数综合运用进行聚类分析，提高分选识别概率［13］。

2.2 空间谱估计

空间谱估计的物理内涵，就是频域上功率谱密度在空域上的延伸与推广，描述了信号空间参数的分布。得到信号的“空间谱”就能得到信号到达方向（DOA），提供了超过“瑞利限”的角度分辨能力［5］，空间谱估计的角度超分辨特性很好地弥补了PRS单脉冲测角体制下的角度分辨能力弱的缺点，利用幅度比较单脉冲测角和相位比较单脉冲测角的结果融合处理就能够解决PRS相位模糊、测角精度、测角稳定性的问题，显著改善PRS对目标辐射源和诱饵的分辨能力，从而提高抗干扰、抗诱偏能力。因此在反辐射武器上应用空间谱估计算法已逐渐从理论研究阶段进入工程应用阶段。

为了分析空间谱测角单元的角度分辨能力，设计如下仿真实验。假设PRS的直径为25cm，导引头一维上安装4个间距相等阵元，阵元之间的距离为8.33cm。只有一个诱饵，诱饵与雷达功率相同。下面实验结果的每个点都是100次Monte-Carlo实验后经过数据统计得到，快拍数为100，信噪比为20dB，干扰形式为非相干诱偏。

非相干干扰条件下采用MUSIC 算法时，分辨概率与辐射源角距离的对应关系如图4中左图所示。非相干干扰条件下采用MUSIC 算法时，分辨概率为70%、80%、90%时的频率与辐射源角距离之间的关系如图4中右图所示。可以看到分辨概率随着辐射源角距离、频率的变大而增加，空间谱估计MUSIC 算法具稳定的角度高分辨能力。

图4 非相干干扰条件下角度分辨能力

2.3 极化分辨技术

极化分辨技术的物理内涵，就是利用诱偏系统中雷达与诱饵天线的极化特性差异来进行目标雷达的分辨和识别，进而控制角度波门的空选范围，最终选择雷达辐射源作为打击目标。下面将具体说明雷达天线和诱饵天线的极化差异。

不同于雷达天线，诱偏系统中诱饵天线受成本、尺寸等因素限制，多用一些简单的全向或宽波束天线来实现，如加反射板的圆环天线或喇叭天线等［14-15］。一般来说，诱偏系统由3～4个诱饵组成，每个诱饵天线波束宽度较宽，朝某一个方向辐射以达到需要的覆盖范围，因此诱饵天线不需要扫描，其极化方式一般认为比较稳定。而雷达天线在目标搜索过程中需要不停地扫描，天线辐射场的极化方式总是在变化。对于相控阵体制的跟踪类雷达，在TWS 和TAS工作模式下，天线也会进行小角度的扫描。所以，尽管诱饵天线与雷达天线的期望极化方式相同，但导引头观测到的雷达和诱饵天线的极化方式存在差异，如图5所示。其分别模拟给出了PRS天线接收到的雷达辐射信号和诱饵信号的极化状态在极化球上的分布，无论是主瓣区间还是副瓣区间，雷达的极化总是在变化，而诱饵的极化变化稳定。这些直观的分析结果对于提高反辐射导弹对雷达和诱饵的区分能力，并进一步提高被动导引头抗诱偏的能力，提供了重要的理论依据和实际应用价值，并逐步迈向工程应用。

图5 雷达天线和诱饵天线的极化特性差异

3 新型干扰挑战

通过第1节的论述可以看出，作为现代反辐射武器攻防对抗的防御方，采用了低截获概率技术、收发分置技术等降低PRS对目标雷达的搜索截获，采用了频率捷变技术影响PRS的正确分选概率，采用了两点源或多点源相干／非相干干扰来破坏PRS的测角、产生错误测角偏差、形成错误的ARM 制导信息，采用高重频脉冲干扰，遮盖目标雷达信号，破坏了对真实目标的分选识别和跟踪滤波。

但是，要想真正实现对ARM 的有效干扰、破坏ARM 的目标截获、分选识别和跟踪还是比较困难的。传统研究中没有考虑PRS的技术发展，仅通过功能仿真得出PRS跟踪能量中心［6-8］或相位中心的结论不能直接用于新体制PRS，值得商榷。

具体说来，利用诱偏系统干扰ARM 的正常工作，实现诱偏干扰效果要满足很多苛刻的条件。例如诱饵数量、功率设置、载频设置、时序关系设置、诱饵间距配置、诱饵的布站方案、诱饵的调制参数等都要满足严格的技术、战术条件。例如，当雷达和诱饵的调制参数不同时，会引起PRS的跟踪状态的不同：

1）当两点源脉冲重复频率相同但不同步时导引头只跟踪一个目标；

2）当两点源脉冲重复频率相同但一个信号的脉冲总是导前另一个脉冲时，导引头总是跟踪脉冲导前的信号；

3）两点源重复频率不同时，被动导引头跟踪重复频率高的信号；

4）当雷达和诱饵在导引头处的信号场强不同且二者功率差值大时，导引头跟踪场强高的目标。

因此，雷达诱饵系统的辐射信号必须保持和雷达信号时间同步、重频相同、前沿基本一致，并且在导引头处场强基本相等，才能起到一定的诱偏效果，但是，在对抗动态的条件下，要保持两个源的信号到达PRS处的相位相差恒定为π，理论上能使导引头跟踪两点源连线之外的某一点，从而达到最佳的诱偏效果，但这在工程上是很难做到的，并且空间谱估计技术的广泛应用，使得在PRS捕获信号后就能对空间角距离较近的目标雷达、诱饵进行角度分辨，从而进行空域目标选择进而稳定跟踪。

第1节提出，合理采用高重频脉冲干扰技术，可以对PRS起到遮盖性压制效果，起到对目标雷达的保护作用。但是同时使用这种技术也存在很大的技术风险，这是因为采用高重频脉冲干扰在一定程度上覆盖了整个时间域，稀释了雷达脉冲数量，虽然干扰了PRS对目标雷达的分选、识别、目标选择和跟踪滤波等一系列处理，但是同时也提高了PRS对干扰脉冲的截获概率，暴露了干扰机的位置，现代反辐射武器前端先进的分选方法能够比较容易地分选出干扰脉冲。由于干扰脉冲重复频率高，通过多级目标逻辑判决，重复频率越高越容易被判断为跟踪制导雷达，威胁等级越高，越容易被优先选择打击，这使得干扰机成为了反辐射武器的打击目标。由于该类干扰机具备了ARM 探测告警装备、脉冲多普勒信号处理机、高重频窄脉冲发射机，还要具备相控阵收发组件，造价必然不菲，甚至可能比期望保护的雷达还要昂贵，因此即便保护了雷达辐射源，其牺牲的代价也是难以承受的。

除此以外，如第1节所述，现代反辐射武器往往采用一系列的抗干扰技术和目标判断程序，例如聚类分选技术、多级目标逻辑判决、空间谱估计、极化分选技术等，通过复杂的信号处理（信号分选识别新技术，目标选择等），ARM 总能有效地选择目标或者干扰源进行攻击，这使得现有的干扰策略和干扰技战术基本失效，无法达到期望的电子对抗作战目的。

4 结束语

综上所述，现代反辐射导弹攻防对抗亟需研究更为有效的干扰手段，例如自适应交叉极化干扰技术，该干扰技术利用了幅度和差单脉冲测角体制对交叉极化信号存在固有的角度跟踪偏差，巧妙地利用了天线本身固有的交叉极化属性，通过自适应地产生和激励天线的交叉极化分量并造成天线的交叉极化响应，从而形成较大的角度跟踪误差，该干扰不仅可以用于飞机、舰船对主被动雷达导引头制导导弹的自卫防护，还可用于导弹突防。基于此，研究更加科学合理的干扰策略，研究更加自动化的干扰机制，无疑是现代反辐射武器给电子对抗试验带来的新挑战。■

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