旁瓣对消系统的分布式干扰方法研究

吴克钊，聂海江，刘志武，侯文栋，宋海伟，王 昀

（中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京210007）

0 引言

雷达旁瓣对消(SLC)技术能大幅抑制天线旁瓣接收的干扰功率，有效提升雷达系统在旁瓣干扰条件下的目标探测能力。旁瓣对消处理的效果相当于一部针对干扰信号的空域陷波器，能使天线方向图在干扰方向形成极低增益的波束凹陷，其对消比可达20 d B以上[1]。面对旁瓣对消雷达，传统的远距离大功率支援干扰往往难以取得满意的干扰效果，因此需要探索新的对抗方法来提升干扰作战效能。

近年来，无人系统技术及其作战应用的发展受到了越来越多的关注，无人机电子战系统已经成为现代战场一种重要的电磁作战武器装备，也为提升雷达旁瓣干扰效果提供了新的可能。利用多架无人机搭载电子战载荷实施抵近协同支援干扰存在多种优势：一是抵近作战可显著降低干扰机的功率要求，多机协同则进一步缩减单机资源需求，大大减少电子战装备成本，作战效费比优势明显；二是多机无中心协同工作使得系统更加稳健，部分节点损毁不影响整体作战效能；三是多机系统可获得更高的灵活性和自由度，能在电子战与雷达的高维度对抗中重新夺取优势。本文针对无人机抵近支援干扰作战应用，提出一种多机协同对抗方法，高效反制雷达旁瓣对消系统，理论分析和仿真证实了所提方法的有效性。

1 对抗旁瓣对消系统的可行性分析

1.1 问题模型分析

旁瓣对消技术是利用主辅天线接收信号的相关性，通过调整对消环路的幅度、相位加权实现干扰信号的对消处理。典型旁瓣对消系统由主天线、多个辅助天线以及相应接收通道组成，其原理框图如图1所示。

图1 旁瓣对消系统框图

在不考虑接收机噪声的情况下，旁瓣对消系统输出信号Y为：

式中，x0为主天线接收的干扰信号，X=[x1x2… xM]T为M个辅助天线接收的干扰信号，W=[w1w2… wM]T为辅助通道对消权值。

若干扰信号被完全对消，则根据正交性原理与最小均方误差(MMSE)准则可得：

式中，rxX=E(x0XT)为主辅天线接收信号的协方差矢量，RX=E(XXT)为辅助天线接收信号的协方差矩阵。

为衡量对消处理的干扰压制效果，本文引入对消比(CR)的概念，其定义为对消处理前后干扰功率之比：

理论上系统对消比越大，对消处理效果越好，则对消系统输出的干扰功率越低。在理想对消情况下，主通道的干扰信号被完全对消，则系统对消比CR=∞。

1.2 旁瓣对消薄弱环节分析

旁瓣对消系统实质是一种自适应阵列处理系统，其对空间多个角度干扰源的对抗能力取决于其自由度，而对消系统的自由度就等于其辅助天线数量(或对消环路数量)。实际增加对消系统的环路数量会导致系统复杂度与成本的显著提升，因而雷达系统通常只能配置有限数量的对消环路，典型例子如：“爱国者”雷达有5个对消环路，“宙斯盾”雷达有6个对消环路[2]。因此旁瓣对消系统的薄弱环节之一就是其能够抑制的干扰源数量有限：当不同方向干扰源数量超过其辅助天线数，对消系统就会趋于饱和，引起其抗干扰性能的恶化。而特定干扰角度使得雷达周边地物产生复杂的干扰信号多径传播，也可能导致对消系统快速饱和，使其抗干扰性能降低[3]。

此外，干扰信号的主极化与交叉极化响应通常是不匹配的，这意味着主极化干扰信号对消处理形成的权值无法用于交叉极化干扰信号的对消处理。为了避免交叉极化干扰信号影响雷达系统正常工作，雷达系统往往会通过增设交叉极化对消环路的方式[2]，实现交叉极化干扰信号的对消处理，但这往往会进一步消耗对消处理资源，导致旁瓣对消系统更易趋于饱和。

2 分布式对抗方法

2.1 饱和干扰方法

针对旁瓣对消系统自由度有限的问题，空域饱和干扰是一种可行的对抗方法[4-5]，该方法通过不同方位干扰源同时实施干扰，饱和对消系统处理资源，导致对消形成“零陷”深度明显变浅，实现对旁瓣对消技术的有效对抗。

而本文在空域饱和干扰基础上，针对旁瓣对消系统的极化对消特性提出了极化饱和干扰方法。该方法利用不同空间角度的多架干扰机向目标雷达发射主极化与交叉极化干扰信号，引诱旁瓣对消系统实施主极化与交叉极化对消处理，饱和对消处理资源，削弱旁瓣对消系统的抗干扰性能，其示意图如图2所示。

图2 极化饱和干扰方法示意图

2.2 干扰性能分析

为方便分析干扰效果，本文做出以下假设：

1）每架干扰机到雷达的距离相近且具备同等干扰辐射能力；

2）干扰机发射独立、同分布的噪声干扰信号并满足功率线性叠加[6]；

3）干扰机的运动不影响干扰环境的平稳特性，且不考虑地物产生干扰多径传播；

4）干扰机的通联能力能满足协同作战要求。

若存在N个干扰源同时释放干扰，且对消处理对不同空间角度干扰信号的对消比分别为CRn(θn)(n=1,2,…,N)，则根据雷达基本方程[7]可得雷达接收的目标回波功率Pr、对消前干扰功率PJ、对消系统输入信号的干信比JSR的计算公式：

式中，Pt为雷达的发射功率，G为雷达天线视轴增益，R为被照射目标与雷达的距离，Pjrn表示雷达接收的第n个干扰信号的功率，λ为雷达工作波长(m)，σ为被照射目标的雷达散射截面积；Pj Gj为干扰机等效全向辐射功率(W)，R j为干扰机与雷达的距离(m)，γ为干扰信号与雷达天线的极化损耗系数，Br为雷达接收机带宽(Hz)，Bj为干扰信号带宽(Hz)，G(θn)为干扰角度θn的雷达天线接收增益。

则有系统对消比CR、对消后干扰功率PJSLC、对消系统输出信号的干信比JSRSLC的计算公式：

上述分析结果适用于主极化与交叉极化的旁瓣对消处理，其区别主要在于不同极化下Pj Gj、γ、G(θn)、CRn(θn)等参数存在一定差异。

在多机干扰情况下，雷达旁瓣对消对每架干扰机的对消比可能是一个与对消系统资源、干扰源数量、分布状况等有关的复杂非线性函数，很难用解析公式来表达，因此仿真实验可能是一种现实的分析途径。

3 仿真分析

下文通过仿真方式，对比分析空域饱和干扰与极化饱和干扰对旁瓣对消系统抗干扰性能的影响。仿真假定：

1）雷达共64个天线单元，SLC系统的自由度为8，发射机功率Pt为80 kW，工作波长λ为0.1 m，带宽Br为2 MHz，其天线主瓣的发射增益Gt与接收增益Gr都为29 dB，接收机噪声系数F为13 dB，雷达主天线极化方向图如图3所示；

图3 主天线极化方向图

2）雷达照射目标的雷达散射截面σ为1 m2，与雷达相距20 km；

3）各个干扰机等效全向辐射功率为50 W，其信号带宽B j为20 MHz，与雷达相距5 km，以随机分布或均匀分布分散在30°、60°、90°、120°、150°大小的扇区内；

4）干扰载荷能同时发射主极化与交叉极化干扰信号，主极化信号损耗系数γ为0 dB，交叉极化信号损耗系数γ为-3 dB。

图4为应用空域饱和干扰与极化饱和干扰情况下，系统对消比CR、输出信号的干信比JSRSLC与干扰节点数量、分布状况关系的仿真结果。

图4 仿真结果

从仿真结果可以看出：

1）当干扰节点数小于自由度时，对消系统仍能表现出一定的抗干扰能力，但随着干扰节点数量增加且接近系统自由度，对消系统抗干扰性能不断恶化，系统输出信号的干信比大幅提升，此时干扰节点服从随机分布且分布扇区越小，则达到相同干扰效果所需的干扰节点数量越少。

2）当干扰节点数量接近系统自由度的2倍以上时，对消处理输出信号的干信比与无SLC处理的情况大致相当，SLC系统完全丧失抗干扰能力，可能引起雷达探测性能的严重恶化，此时节点分布状况对干扰效果的影响较低。

与空域饱和干扰方法相比，极化饱和干扰方法有以下特点：

1）受交叉极化接收特性影响，交叉极化干扰信号在接收机的响应幅度低于主极化干扰信号，因而相同节点数量下极化饱和干扰的总干扰功率低于空域饱和干扰。

2）相同干扰节点分布状况下，极化饱和干扰方法能以更少的节点数量实现SLC系统的饱和对抗。

综上所述，空域饱和干扰与极化饱和干扰方法都能大幅削弱SLC系统抗干扰能力，实现对SLC雷达的有效对抗。而相较于空域饱和干扰，极化饱和干扰方法能通过增加干扰维度提升对抗资源的利用效率，通过消耗更少的干扰资源，实现对SLC系统的饱和对抗，因而在面对自由度较大的SLC系统时，极化饱和干扰方法能获得更高的效费比。

4 结束语

本文瞄准雷达旁瓣对消系统自由度有限与极化干扰对消的特点，在空域饱和干扰方法的基础上，研究设计了分布式极化饱和干扰方法，仿真了节点分布方式、分布扇区大小、干扰节点数对系统对消比CR、对消后信号的干信比JSRSLC的影响，仿真结果表明2种干扰方法均能对旁瓣对消系统形成有效干扰，且极化饱和干扰方法在更高自由度的对抗中表现出较高的效费比。这对工程应用中对抗旁瓣对消雷达有较高的参考价值。