数字阵列雷达在空域抗干扰方面的优势和局限性分析

郁文贤，舒 汀，唐 斌，陈新竹

(上海交通大学 上海市智能探测与识别重点实验室， 上海 200240)

·DBF在现代雷达中的应用·

数字阵列雷达在空域抗干扰方面的优势和局限性分析

郁文贤，舒 汀，唐 斌，陈新竹

(上海交通大学 上海市智能探测与识别重点实验室， 上海 200240)

分析了数字阵列雷达在空域抗有源干扰方面的优势，提出了一种适用于地面数字阵列雷达系统的综合抗干扰方法，该方法基于同时接收数字多波束的处理架构，能够在抗干扰的同时改善对低空飞行目标的测角精度。文中结合外场试验结果和实测数据进行了验证分析，还从现代雷达电子战的角度对数字阵列雷达的空域抗干扰的局限性进行了分析，以期望对新体制数字阵列雷达在抗干扰方面的优势和面临的挑战有一个更加全面的认识。

数字阵列雷达；抗有源干扰；抗多径干扰；雷达电子战

0 引 言

随着电子技术的飞速发展，种类繁多、体制复杂的军事电子装备集结在雷达的探测区域内，各种电磁信号充斥于空间，呈现出“频域密集交叠、空域纵横交错、时域突发多变、能量域强弱多样”的特点，形成了复杂的战场电磁环境[1]。各种形式的有源和无源干扰，以及地、海杂波通过接收天线的主瓣或副瓣进入雷达接收机和信号处理系统，严重影响雷达系统的探测性能。因而，雷达抗干扰已发展成当前雷达与电子战工程和学术领域颇受关注和及其重要的研究内容。

相控阵雷达由于具备较多的空域自由度[2-4]，使其在空域抗干扰方面具备优势。近年来，随着数字技术的高速发展，数字阵列雷达技术[5-7]也受到了国内外广泛的重视，该体制已应用于许多新型雷达装备中。相比传统的相控阵雷达，数字阵列雷达不再含有模拟的移相器。在上行波束形成时，数字阵列雷达通过多路直接数字频率合成(DDS)产生不同相移幅度的数字信号，再经数模转换(DAC)、上变频和射频天线单元辐射后，在空间合成波束。下行时，数字阵列雷达在模数转换(ADC)后，在数字域形成所需的接收波束。相比传统的相控阵雷达，数字阵列雷达具备以下技术优势：1)提供大的接收信号动态范围；2)灵活实现发射波束赋形和接收多波束；3)可实现超低副瓣，有利于抗副瓣杂波和干扰；4)空域自由度大，便于进行自适应抗干扰；5)功能软件化，便于实现软件雷达的持续升级。

本文首先简要分析了当前数字阵列雷达的发展现状和国外电子战的最新发展趋势。随后，在综合课题组前期研究的基础上，针对数字阵列体制的地面多功能对空情报雷达，设计了一种基于数字波束形成(DBF)的综合抗有源/无源干扰的处理方法，该方法可以在对消多个副瓣支援式干扰的同时，对消一个主瓣区域随队干扰；同时，通过增设低仰角区的辅助波束，可以有效改善目标多径，提升对低空目标的测高性能；通过外场实测数据分析，验证了该方法的性能；最后，对当前数字阵列雷达抗干扰的局限性和面临的挑战进行分析，并结合目前雷达抗干扰验证方式和手段、抗干扰指标体系等方法的局限性展开探讨，以期望对新体制数字阵雷达在抗干扰方面优势和面临的挑战有一个更加全面的认识。

1 国外相关进展

1.1 国外数字阵列雷达进展简析

数字阵列雷达自从问世以来便受到了国内外广泛的重视，并已应用于当前最新的各型雷达装备中。如图1所示，美国雷声公司最新研制的P波段地基远程三坐标雷达3DELRR是一部阵元级的二维相扫数字阵列雷达，具备强大的抗有源干扰功能；洛克希德·马丁公司正在研制的太空电子篱笆系统就是一部S波段的全数字阵雷达，针对86 000个接收通道进行阵元级DBF处理，该系统采用了氮化镓(GaN)技术，可探测各种空间目标；法国泰雷兹公司的Ground Master400是一部S波段阵元级DBF机动式三坐标对空情报雷达，已于2010年前后交付使用，该雷达对典型民航飞机的探测距离在470 km，具备较强的抗有源干扰能力。此外，英国、德国、意大利、南非、以色列等国家在近年新研制地面相控阵雷达系统中均采用了数字阵列或DBF体制。可见，数字阵列雷达已成为当前各国地面对空情报雷达的首选体制。

与传统相控阵相比，基于数字阵列体制的地面相控阵雷达系统具有如下突出的潜在优势: 1)阵面孔径资源分配能力强，具有资源和功能可重构的能力，为多功能雷达和综合射频系统的实现提供了可能；2)抗干扰的潜在能力突出，系统除了空域具有更大的自由度和灵活性以外，还能够基于直接数字频率合成(DDS)技术在综合出更加复杂的低截获波形，为空域、时域、频域以及能量域上对抗干扰提供了可能。

1.2 国外雷达电子战进展简析

数字阵列雷达的抗干扰潜在性能优异，然而其实战性能尚未进过检验。与此同时，外军在雷达电子战技术发展方面从没有停止脚步。如图2所示，美国除了已有的装备EA-18G型电子战飞机以外，B52增设的电子战飞机可以施放灵巧噪声干扰和多种密集假目标干扰，小型空射诱饵(MALD)可以产生各种攻击机的回波特性，F-22/35都载有新型的一体化综合电子战系统。雷声公司正在研制的下一代干扰机(NGJ)采用了先进有源相控阵天线、宽带数字储频器(DRFM)、光学波束合成等先进技术，使其有效辐射功率更高，干扰资源更加充足，干扰样式更加灵活多变；系统还采用了先进的干扰管理技术，可同时处理更多的雷达信号。更新一代的电子战系统还将具备认知技术，采用连续的感知、学习和自适应的过程进行动态和有针对性的干扰对方的雷达。

图2 外军先进的机载电子战系统

以上这些电子战新技术势必对我国现役雷达装备构成更大威胁，也对我国新型雷达的抗干扰能力提出了更高的要求。

2 基于数字波束形成的地面相控阵雷达综合抗干扰处理

2.1 综合抗干扰处理架构

地面对空情报雷达的主要任务是发布防空警报、引导战斗机截击敌方飞机和为防空武器系统提供指示目标。当前的多功能对空情报雷达大多工作于S波段以下(包括S波段)，多采用二维相扫数字阵列体制，该体制即能够为抗有源干扰提供更多的空域自由度，也可增加对目标的驻留时间实现跟踪加搜索(TAS)模式，便于对空情报雷达实现高分辨ISAR成像功能。

基于数字阵列雷达体制，本文结合本团队先前的研究基础和当前雷达装备的技术现状，提出一种较为实用的同时数字多波束综合抗干扰处理方法。该方处理架构的示意图如图3所示。

系统工作时，首选对空情报雷达按照一定的时间周期对目标搜索的空域进行干扰源测向，并形成干扰源方位指向线，干扰源测向期间雷达需处于静默状态。当系统工作在搜索模式时，雷达在每个波位，需要形成和/差数字波束；同时，在干扰源方位上形成多个干扰辅助波束，用于干扰对消处理。当雷达搜索在低俯仰角区域，可启动多径对消功能，此时，通过同时形成多个低俯仰角区域的辅助波束，进行多径对消处理，提升低俯仰角的测高精度。此外，雷达可同时形成用于副瓣匿影的匿影波束。

上述所有工作均在数字阵列模块(DAM)中进行集中式处理，随后通过高速光纤接口，将波束形成后的数据打包下传到信号处理分系统中进行后续处理。

图3 综合抗干扰处理架构

2.2 副瓣干扰对消处理

副瓣干扰对消处理[2-3]是当前雷达应对副瓣区域的支援式干扰的重要手段，并已在多型装备中应用。副瓣对消对于连续波形式的干扰或大占空比的脉冲干扰，在实践中能够取得很好的效果。

在图4所给出的方案中，采用已测得干扰源方向上的多个高增益辅助波束取代传统全向低增益辅助接收天线获取干扰源的数据。采用该方法进行对消权值计算，在实际应用中可以获得更好的对消比。

图4 基于同时数字多波束处理的辐昂首挺胸干扰对消架构

此外，对于阵元级接收DBF的雷达，还可以采用自适应-自适应(AA)算法[7]进行副瓣干扰对消处理，其潜在的性能同图4中的数字波束副瓣对消方法是一致的。

应该指出的是，无论采用哪一种形式的副瓣对消算法，由于其原理上是利用了干扰信号样本在主副通道之间的统计相关特性。所以，副瓣对消的性能取决于干扰样本数据的选取以及对其统计特性的估计精度，上述两项如有一项不能满足，都将极大程度地限制副瓣对消的性能。

2.3 主瓣干扰对消处理

主瓣干扰的抑制一直是雷达工程界和学术界重点关注的问题。在机载电子战领域，主瓣干扰可进一步分为自卫式主瓣干扰和伴随式主瓣干扰，自卫式干扰具有与目标相同的角度，而伴随式干扰在角度上同目标分离。这两种干扰均无法通过副瓣对消的方法进行处理，如果在主瓣区域内仍采用传统的副瓣对消进行处理，将丢失有用的目标信息和主瓣的增益[4,8]。

本课题组近年来研究了基于特殊阵型和子阵处理的主瓣伴随式干扰对消方法[9-11]，在目标角度和主瓣干扰角度不完全重叠的情况下，利用对称结构阵列的子阵方向图特性以及“差-差波束”的空域自由度，可实现对消一个主瓣伴随式干扰，并维持主瓣区域目标的单脉冲测角性能。

同副瓣对消类似，主瓣对消其处理方法上也利用了干扰信号样本在不同波束通道之间的统计相关特性[8]，所以，该方法适用于连续波形式的干扰或大占空比的脉冲干扰。对于自卫式主瓣干扰，空域的自适应处理手段无能为力。

2.4 多径干扰对消处理

当雷达搜索在低俯仰角区域时，低空目标的回波会夹杂复杂的多径信号，这些信号会从次主瓣和旁瓣中进入雷达接收机，从而影响低空目标的测高精度，如图5所示。此时，雷达可启动多径对消方法[12]来提升测高精度。

图5 基于同时数字多波束处理的低空多径目标对消处理

采用该方法，首先，要在水平线以下的俯仰角区域内(通常-1°～-7°)同时形成多个辅助波束；其次，求辅助波束的输出为ri(t)和主波束输出x(t)的互相关c0i(t)，并求得cii(t)的自相关

(1)

(2)

(3)

最后，经过多径对消处理后的主波束信号z(t)，可按照图3所示的流程再进行副瓣对消以及后续的信号处理。

2.5 副瓣匿影波束处理

副瓣匿影波束处理的流程如图6所示。该方法从数字阵列雷达系统的波束形成特点考虑，从全阵中选取若干阵元，并在接收时采用阵元数据复用的方法，通过DBF形成所需要的匿影波束。相比常规的副瓣匿影方法，采用波束处理方法可以设计更加灵活和满足要求的匿影波束形状，也使得系统结构更加紧凑。

图6 基于同时数字多波束处理的副瓣匿影处理

3 试验与分析

本节结合试验相控阵雷达的外场试验结果和检飞实测数据进行分析。试验雷达采用俯仰角接收DBF一维相扫体制。系统发射时采用宽波束，在接收时采用俯仰角同时数字多波束形成，并结合辅助数字波束进行副瓣干扰对消处理，在信号处理后端进行比幅单脉冲测俯仰角。

3.1 抗干扰试验与分析

在外场检飞试验中，一部试验干扰机对雷达施放噪声调频干扰加密集假目标干扰，雷达采用副瓣对消和副瓣匿影作为主要抗干扰手段。图7给出了雷达在开启抗干扰前后性能对比，可以很明显地看出，当雷达未启动抗干扰措施时，显示屏上铺满了虚假点迹，信号处理趋于饱和；当雷达同时启动副瓣对消和副瓣匿影功能之后，虚假点迹大幅减少。另一方面，我们也注意到由于副瓣匿影的正反两面作用，雷达对真实目标的检测性能也受到了较大的影响。

图7 抗干扰试验雷达性能分析

3.2 多径对消试验与分析

在检飞数据录取试验中，某架次民航飞机飞行高度为10.612 km(二次雷达数据)，距离在100 km左右。这里给出试验数据的事后分析结果，采用DBF多径对消处理进行低仰角测高验证，形成四个辅助波束，其方向图如图8所示。其中，1号～8号主波束用于目标探测区域俯仰角的覆盖，9号～12号辅助波束用于多径对消处理。在多径对消处理环节，采用2.4节的方法进行处理。图9和图10分别给出了连续航迹跟踪结果和测高的结果，图10中，我们将采用DBF多径对消处理的测高结果同未采用对消处理的测高结果以及二次雷达的高度数据进行了比对分析，可以看出在距离远端，采用DBF多径对消处理的测高结果的误差明显的优于常规单脉冲的测高结果，提升测高精度200 m量级。试验结果表明：采用DBF多径对消处理，对低空目标探测性能具有明显的改善作用。

图8 同时数字多波束处理的实测方向图

图9 航迹跟踪处理

图10 测高结果比较

4 局限性分析

上文分析了数字阵列雷达在空域抗干扰方面的潜在的性能和优势，然而，其实战性能还存在很大程度的未知。

4.1 空域抗干扰的局限性

目前，数字阵列雷达系统主要的空域抗干扰手段依旧是副瓣对消、副瓣匿影等技术。空域处理方法本身存在着一定的局限性。

1)副瓣对消的局限性

副瓣对消对于连续波干扰效果较好，但对于脉冲式干扰效果不佳。如果干扰机采用了脉冲式干扰，则会严重恶化副瓣对消的效果。同时，对于脉冲式干扰，由于干扰与雷达是异步的，在雷达脉冲积累期间内会造成干扰在一个相参处理周期(CPI)内表现为连续性，进而抬高了噪声基底，严重恶化系统检测性能。

2)副瓣匿影的局限性

对于个别来自副瓣区域的孤立杂波和脉冲干扰效果较好，但对于密集假目标干扰，若采用副瓣匿影，将在主波束通道中丢失大量的真实目标信号，严重降低系统检测性能。

3)复杂干扰样式的挑战

随着电子战技术的飞速发展，基于数字储频技术(DRFM)的新型干扰样式不断出现，如灵巧噪声干扰、梳状谱干扰、切片干扰、密集假目标干扰等各种复合干扰。例如：当灵巧噪声干扰表现为对某一个局部区域形成大量假目标时，副瓣对消技术难以奏效。

4)新型电子战干扰技术的挑战

美军新一代干扰机(NGJ)采用了有源相控阵天线，在干扰功率、精度、反应时间、定向性等方面也有了巨大的改进。系统能够应对全球范围内广泛使用的副瓣匿影和副瓣对消等雷达抗干扰手段，对雷达进行有效抗干扰带来严峻的挑战。据有关资料显示，NGJ已经初步具备使用综合干扰控制技术攻击雷达副瓣对消/匿影的能力。

美军的新型空射诱饵(MALD)能够产生各种假目标回波和压制干扰。由于空射诱饵体积小、成本低，在战术使用中会同时释放大量的空射诱饵对雷达进行全方位的饱和干扰。当单部雷达的主瓣副瓣同时受到大量的有源干扰时，其空域自由度很难发挥有效作用。

4.2 雷达抗干扰验证方式和手段的局限性

目前，雷达抗干扰验证方式和手段较为单一，雷达抗干扰试验验证还不充分。在外场试验环节，当前的雷达干扰模拟器均采用固定地面或者在有限范围架高的方式进行干扰模拟和对抗演练，由于其静态的特点，无法模拟真实的电子战环境。此外，目前国内的雷达干扰模拟器模拟能力不足，还不能真实模拟EA-18G、NGJ、MALD等电子战装备构建的复杂电磁环境。这些均导致了雷达装备的抗干扰能力无法得到充分的验证。

4.3 雷达抗干扰指标体系的局限性

目前，雷达抗干扰的指标比较单一，抗干扰指标体系[13]还需不断完善。例如：在考核副瓣对消时，采用的对消抑制比指标仅仅表现了对消前后干扰功率的变化，并没有反应出目标信干噪比的损失。同样，对于副瓣匿影而言，也应该从目标和干扰多个角度去制定合理的指标。只有不断完善抗干扰指标体系，才能够更加合理的检验雷达的综合抗干扰能力。

5 结束语

本文分析了当前颇受关注的数字阵列雷达在空域抗有源干扰方面的优势，并提出了一种适用于地面数字阵列雷达系统的综合抗干扰处理方法，该方法基于同时接收数字多波束的处理架构，能够在抗干扰的同时改善对低空飞行目标的测角精度，论文结合外场试验结果和实测数据进行了验证分析。此外，本文通过对国内外雷达电子战现状的研究，对数字阵列雷达的空域抗干扰的局限性进行了分析，以期望对新体制数字阵列雷达在抗干扰方面优势和面临的挑战有一个更加全面的认识。

应该指出的是，作为一种新体制雷达系统，数字阵列雷其发展和应用前景是非常光明的，但是，雷达抗干扰的任务是艰巨的。科研工作者只有在不断理解和消化国内外最新技术的基础上，不断完善抗干扰验证手段和抗干扰指标体系，才能够真正达到提升雷达装备综合抗干扰能力的目的。

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郁文贤 男，1964年生，博士，教授。研究方向雷达信号处理与目标识别技术，高分辨SAR图像解译，北斗导航与位置服务等。

舒 汀 男，1981年生，博士，助理研究员。研究方向为雷达与电子战射频仿真技术，实时信号处理系统设计与开发，相控阵雷达数字波束形成技术等。

唐 斌 男，1968年生，博士，研究员。研究方向为宽带雷达电子战系统研制，雷达与电子战射频仿真技术等。

陈新竹 女，1992年生，博士研究生。研究方向为雷达阵列信号处理，雷达抗干扰技术，雷达与电子战系统建模与仿真技术。

Analysis of the Performance of Digital Array Radar on Spatial ECCM

YU Wenxian，SHU Ting，TANG Bin，CHEN Xinzhu

(Shanghai Key Laboratory of Intelligent Sensing and Recognition,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The advantages of spatial ECCM performance of digital array radar (DAR) are discussed. For practical consideration, a novel ECCM technique for ground based DAR is proposed. The novel technique is based on architecture of the multiple simultaneously DBF, which can improve the performance of the ECCM as well as the angle accuracy of the low-flying targets. The performance of the novel method is evaluated using measured data recorded by an experimental 3D DBF phased array radar. At the same time, the limitations of spatial ECCM performance of DAR are also discussed in this paper. It is believed that the research and the discussion in this paper would be helpful for understanding the development of the ECCM and the challenge of the DAR．

digital array radar; jamming cancellation; multipath cancellation; electronic warfare

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.003

国家自然科学基金资助项目(61571294)；航空科学基金资助项目(2015ZD07006)

舒汀 Email：tingshu@sjtu.edu.cn

2016-09-17

2016-11-18

TN958；TN973

A

1004-7859(2016)12-0016-05