雷达旁瓣对消的分布式协同干扰方法研究

吴克钊，田 达

（1.中国航天科工集团8511 研究所，江苏 南京210007；2.中国航天科工集团第二研究院，北京100854）

0 引言

旁瓣对消（SLC）技术让雷达接收天线能大幅抑制旁瓣方向到达的干扰信号功率，使得雷达系统拥有较强的抗干扰能力。旁瓣对消技术的干扰压制效果可以看作是针对干扰信号到达方向的空域滤波器，在接收方向图上影响表现为干扰信号到达方向上极低增益凹陷，从而极大降低从该方向进入雷达的干扰功率[1]。面对应用旁瓣对消技术的雷达，传统单节点作战的高精尖干扰机难以得到较好的干扰效果，因此干扰方需要针对旁瓣对消技术的特点与缺陷，结合实际工程应用经验探索新的对抗方法。

1 对抗旁瓣对消系统的可行性分析

1.1 问题模型分析

旁瓣对消系统由一个主天线、多个辅助天线以及相应接收通道组成。主天线为强方向性的天线，用于目标回波信号的接收；辅助天线为弱方向性天线，其接收增益与主天线旁瓣的平均增益大致相当。对于主天线而言，目标回波从其主瓣方向进入，干扰信号通常从其旁瓣方向进入。此外，根据采用的干扰类型与信号调制方式的不同，形成有效干扰所需的干信比通常在0～40 dB（以上）范围内变化[2]。因此干扰信号需要拥有较大的功率，使其到达雷达天线口面处的功率密度比目标回波信号强30 dB 以上。典型旁瓣对消系统的原理框图如图1 所示。

图1 旁瓣对消系统框图

以图1 的旁瓣对消系统为例，在假定目标回波信号与干扰信号是不相关且不考虑接收机噪声的情况下，其输出信号Y：

式中，x0为主天线接收的干扰信号，X =[x1x2… xm]T为辅助天线接收的干扰信号，W =[w1w2… wm]T为对应的复权值。

若主天线中的干扰信号被完美对消，则根据正交性原理可得:

式中，rxX=E(x0XH)和RX=E(XXH)分别为主辅天线接收干扰信号的相关系数矢量与协方差矩阵。

此处定义对消比CR 反映对消系统对干扰信号的抑制效果：

理论上对消效果越好，则对消后进入雷达接收机的干扰功率越小。如果权值满足完美对消，即x0=WTX，则有CR=∞；如果实际权值仅能对消部分干扰信号，则有CR ＜∞。

1.2 旁瓣对消薄弱环节分析

旁瓣对消处理压制干扰功率的方式就是在天线幅度、相位加权基础上，利用天线之间的干涉效果在干扰到达方向上形成极低接收增益的“零点”。而干涉作用形成“零点”的数量上限通常被称为自由度，旁瓣对消系统的自由度就等于其辅助天线数量。实际旁瓣对消系统的对消环路配置会带来复杂度与成本的显著提升，所以雷达系统通常仅配置有限数量的对消环路。典型例子如：“爱国者”雷达通常配置有5 个对消环路，“宙斯盾”雷达通常配置有6 个对消环路。因此，雷达旁瓣对消系统的一个潜在问题就是其自由度有限。一旦不同角度的干扰源数量超过辅助天线的数目，旁瓣对消系统就会饱和进而导致其抗干扰性能的急剧恶化[3-4]。

旁瓣对消系统的另一个潜在问题是对消环路的响应问题。典型旁瓣对消系统的工作周期安排如图2所示。单个旁瓣对消处理的周期为T。其中，T1为权值生成期，对消环路会利用这段时间接收到的信号的采样值求取相应的对消权值；T2为对消处理期，雷达系统利用求得的权值对接收的信号进行对消处理。

图2 旁瓣对消系统工作周期

如此设计的对消系统周期与权值生成方式存在着可利用的薄弱点：

1) 权值生成环路的瞬态特性。在非平稳的干扰环境中，对消环路无法长时间处于稳定状态，因此T1时段利用采样值求得的rxX与RX的估计值与实际值之间存在较大偏差。

2) 权值与干扰信号的匹配问题。若旁瓣对消系统单个工作周期内的干扰环境变化剧烈，则对消环路在T1时段生成的权值将无法匹配T2时段的干扰信号。

毫无疑问，上述2 种情况下生成的权值都无法有效处理对消系统接收的干扰信号。

此外，结合正交性原理与式(2)可知，主辅天线接收的干扰信号的相关性也会影响对消处理的效果，理论上两者接收的干扰信号的相关性越强，则对消处理越彻底。但由于信号的频带宽度、天线的空间位置与接收特性的差异，主辅天线接收的信号的相关性会有所降低，最终影响对消系统的抗干扰性能。

2 分布式协同对抗方法

2.1 协同对抗方法

本文提出的针对雷达旁瓣对消技术的分布式协同干扰方法主要针对旁瓣对消的自由度有限、权值生成的瞬态响应以及权值与干扰信号的匹配问题。

分布式协同干扰方法要求干扰方投入足够数量的干扰机以保证作战任务的顺利进行。在飞抵作战区域后，干扰机将按照方案设定的方式分散形成作战编队，随后将环绕雷达飞行并完成协同作战的部署。根据旁瓣对消系统的技术原理与薄弱环节，本文给出下述2 种协同干扰方案：

1) 组间闪烁干扰方案。T1时段，部分干扰机将持续发射干扰信号，“配合”雷达对消系统生成权值；T2时段，己方所有干扰机将对雷达进行干扰。明显，T1时段生成的对消权值无法有效对消T2时段的干扰信号。

2) 组内闪烁干扰方案。T1时段，部分干扰机以时域错开的方式对雷达进行干扰，以构造非平稳的干扰环境，使得对消环路无法长时间处于稳定状态，进而阻碍有效权值的生成。

2.2 典型场景

典型雷达干扰场景中，参与作战的干扰机将在友军信息支援引导下前出执行任务，并利用通信网络实现信息交互、任务分配、组网编队等功能。在飞抵作战区域后，将按照预先制定的干扰方案，环绕雷达飞行执行协同干扰作战任务，此时分布式干扰机与雷达的相对位置关系如图3 所示。

参与作战干扰机必须具备以下能力：1）自主侦察能力。干扰机通过其上搭载的传感器载荷获取作战环境、目标雷达状态、作战成员位置等信息，保证干扰机的作战安全，并为协同作战提供信息支撑。2）组网通信能力。干扰机利用通信网络实现情报交流、任务分配、同步作战等任务，还能根据实际战场态势动态调整组网编队状态，确保协同作战任务的顺利执行。3）独立作战能力。干扰机能利用获取的情报信息调整自身作战状态，依照作战方案的要求执行干扰任务并配合其他成员实现群体协同作战。

干扰机性能要求与协同作战方法并不在本文研究范围，因此将不再赘述。

图3 雷达干扰场景

为便于分析，本文做出如下假设：1）假定干扰机的环绕飞行轨迹近似圆形且作战区域的电磁环境相近，故认为到达天线口面的干扰功率密度相同；2）旁瓣对消处理周期较短，因此认定单个对消处理周期内干扰机位置不发生变化；3）干扰机拥有理想可靠的通信链路。

3 仿真验证

仿真设计的旁瓣对消系统拥有1 个主天线与4 个辅助天线，参与协同干扰作战的干扰机共30 架。仿真中，干扰机以随机分布或均匀分布的方式分散至不同大小的扇区内，以组间闪烁干扰或组内闪烁干扰方案执行干扰作战。图4 为不同作战方案下T1时段干扰机数量与对消比CR 关系的仿真结果。

图4 仿真结果

1）分布方式选择：在干扰机服从随机分布情况下，一旦T1时段干扰机数量超过辅助天线数，则对消比将快速降低，对消系统的抗干扰性能急剧恶化；而服从均匀分布的情况下，在T1时段投入更多的干扰机才能达到同样的干扰效果。

2）干扰方案选择：相比于组间闪烁干扰方案，同样数量的干扰机采用组内闪烁干扰的方案能有效地阻碍对消权值的生成，从而得到更低的对消比CR。

3）分布扇区大小选择：对消系统有限的资源会被分配用于处理多个干扰信号，方向图上表现为“宽”且“浅”的“零陷”。干扰机总量一定，分布扇区越小则分布密度越高，因此邻近的“零陷”将会相互影响，导致对消系统抗干扰性能的降低。

4）T1时段干扰机数量：增加T1时段的干扰机数量会导致对消比的降低。在到达一定数量后，增派干扰机对提升干扰效果的作用并不明显。但实际干扰方无法评估干扰效果且考虑干扰机损毁的情况，投入冗余数量的干扰机是有必要的。

综上所述，在保持干扰机总数不变的情况下，应该采用组内闪烁干扰、小扇区、随机分布的方案，才能获得更好的干扰效果。

4 结束语

本文通过对旁瓣对消技术的原理分析，提出了结合空域饱和干扰与交叉闪烁干扰理论的分布式协同干扰方法，并用仿真的方法验证干扰方法的可行性。仿真结果表明：1）相比其他方案，干扰机采用组内闪烁干扰且随机分布的方案可以获得更好的干扰效果；2）确定的干扰机总量下，参与权值生成干扰的干扰机数量越多，分布越密集，则对旁瓣对消系统的干扰效果越好。■