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FDA 干扰技术进展及前景综述*

2023-03-11阳,田波,宫健,陈

火力与指挥控制 2023年1期
关键词:干扰机相控阵干扰信号

陈 阳,田 波,宫 健,陈 赓

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

0 引言

现代战争中对雷达的依赖性不断增强,尤其是地面防空作战中使用的高精度制导导弹,这种导弹通过各种高性能雷达,能够对目标实施精确打击,在战争中对我方造成极大的威胁[1]。因此,如何保护我方目标免遭打击,对敌方雷达实施有效的干扰成为现代战争中面临的主要问题。随着脉冲多普勒雷达(pulsedopplerradar,PD)、合成孔径雷达(syntheticaperture radar,SAR)等高性能雷达技术的不断发展[2-3],其先进的抗干扰技术给雷达的干扰带来了新的挑战,研究更有效的雷达干扰技术显得尤为迫切[4]。

由于相控阵雷达具有角度维依赖性和灵活的波束指向能力,这使其在电子干扰方面具有非常大的优势[5]。但其波束图与距离参数不相关,在针对新体制雷达的干扰等应用中[6],其波束图需要与距离参数相关。为了解决这一问题,频控阵(frequency diverse array,FDA)的概念首次由Antonik 在2006年的IEEE 雷达年会上提出[7],并在美国获得了专利[8]。区别于相控阵只能发送同样的载波,通过在频控阵的各发射阵元间附带一个频率增量,使其天线波束图具有距离-角度维依赖特性,因而频控阵雷达在干扰技术方面具有非常大的应用潜力[9-13]。

1 频控阵干扰原理

1.1 频控阵雷达模型

考虑一个阵元数为M 的均匀线阵,参考载频为f0,相邻阵元间的间隔为半波长d,如图1 所示。

图1 频控阵结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of the FDA

图2 为相控阵发射天线波束图。由图2 可以看出,相控阵的天线发射波束图只在角度维信息上呈现出相关性,而在距离信息上是不相关的,此时在距离参数上其被全部遮盖,而在目标点处的角度参数上出现了峰值,并在此处产生了主瓣。图3 为频控阵发射天线波束图。由图3 可以看出,频控阵的天线波束图具有距离-角度依赖性,当具有相同的角度而距离不同时,频控阵的波束图存在一个频率差,这个频率差使其在电子干扰领域具有独特的应用优势。

图2 相控阵天线波束图Fig.2 The Phased array antenna beam diagram

图3 频控阵天线波束图Fig.3 The FDA antenna beam diagram

1.2 频控阵干扰原理

频控阵干扰机通过发射与敌方雷达信号特性相似的干扰信号,从而对敌方雷达进行欺骗干扰。假设频控阵生成的干扰信号的表达式为[38]:

其中,R0表示雷达接收机到频控阵干扰机的距离。对干扰信号进行去载频后,该回波信号表达式可以写为:

对式(10)傅里叶变换后可以得到:

对式(11)进行匹配滤波,然后对干扰信号进行脉冲压缩,最后得到其表达式为:

其中,A0是复数常量;B 是雷达信号带宽。

2 频控阵雷达干扰技术研究现状

在现代国防和军事领域内,针对雷达干扰的研究占据着极其重要而特殊的作用,甚至是否对雷达进行有效的干扰会直接决定一场战争的成败。由于频控阵具有良好的电子对抗性能,近年来国内外研究学者对其进行了更深层次的研究。在2018 和2020 年的IEEE 雷达年会上,国内外学者针对频控阵进行了专题讨论。目前,国内如西安电子科技大学、电子科技大学和空军工程大学等研究院所也针对频控阵展开了研究[14-17]。根据现有的研究表明,频控阵在干扰技术方面有着极大的应用潜力。

Zhu 等首次提到了关于FDA 雷达干扰的研究问题[18]。胡祺勇等提出了一种基于FDA 雷达的角度欺骗干扰方法,解决了相控阵雷达容易被干扰机获取方位信息而进行干扰的问题[19]。针对敌方无源雷达通过干扰机信号进行测向,对干扰机造成威胁的问题,王博等提出了FDA 雷达交叉测向定位欺骗干扰方法和相邻天线比幅单脉冲测向的角度欺骗干扰方法,使对方无法获取频控阵干扰机位置,提高了干扰机的生存能力[20-21]。张昭建等提出了一种FDA-MIMO 的距离维干扰鉴别方法[22]。谭铭等提出了一种针对FDA-MIMO 雷达的距离维欺骗干扰方法,但其干扰在空域和距离门的位置存在不匹配的问题,很容易被鉴别出来[23-24]。文献[25]提出了一种可以隐藏真实目标,同时针对FDA 产生多个假目标的新的欺骗干扰方法。在仿真分析欺骗干扰类别的基础上,明靖鸥提出了一种基于FDA 雷达的对PD 雷达产生速度-距离二维欺骗干扰方法[26]。文献[27]提出了一种针对SAR 的静态和运动目标的欺骗干扰方法,其在长合成孔径下也可以产生运动目标的干扰信号。文献[28]基于FDA 雷达,提出了一种微动调制的针对SAR 成像的距离-角度二维欺骗干扰,可以有针对性地控制假目标的位置和数量。文献[29]分析了利用FDA 体制产生针对SAR成像的多目标欺骗干扰效果。文献[30]分析了利用FDA 体制对SAR 成像实现多场景干扰的方案,有助于更好地干扰静态场景和移动目标。文献[31-32]分别提出了基于卷积频移FDA 和均匀线性FDA 的星载SAR 干扰新方法,可以产生任意数量和位置的假目标,且其发射波束具有距离-角度-时间维依赖性。文献[33]提出了一种利用FDA 的阵列波束图特性干扰星载SAR 的新方法。黄榜等提出了一种基于FDA 体制的散射波欺骗干扰方法用来干扰SAR 成像,其可以产生距离维的多假目标欺骗干扰,且其角度可以随着频偏的改变而移动[34-35]。文献[36]则将FDA 体制与散射波干扰结合,提出了一种针对ISAR 体制的干扰。汪辉所在的电子科技大学团队构建了频控阵干扰试验平台,填补了国内频控阵雷达试验的空白[37]。

3 频控阵雷达干扰技术

3.1 基于频控阵的脉冲多普勒雷达干扰技术

频控阵干扰机要对PD 雷达进行距离欺骗有两种方法:一是利用线性调频信号在频率和时间上的强耦合性,当信号间有多普勒频移存在时,此时信号的峰值位置会相对应地延后或提前;二是频控阵干扰机和目标相互配合,从而改变干扰脉冲串的时序,然后对期望信号进行延时处理,产生虚假的目标,以此来实现对PD 雷达的距离欺骗[25,36]。

对PD 雷达进行速度欺骗干扰主要是通过频控阵干扰机各发射阵元间的频偏Δf。当运动目标的多普勒频移与此频偏Δf 相近时,会产生多个假的速度维信息,对对方雷达的检测跟踪造成影响,甚至使其检测不到真实目标的多普勒频移,从而对对方雷达产生速度欺骗干扰。

延时转发可对PD 雷达进行距离欺骗干扰,移频转发主要产生速度欺骗干扰。如果可以精确控制各阵元间频偏和延迟时间,则可对PD 雷达产生距离-速度二维联合干扰。

由此可见,只要在载波上设置一个频偏,且按顺序依次发射载波信号,就能针对PD 雷达产生距离-速度维上更逼真的二维假目标。

3.2 基于频控阵的合成孔径雷达干扰技术

频控阵干扰机要对SAR 进行欺骗干扰,首先要获得SAR 的信号带宽、载频等基本参数[25],然后通过对获得的雷达信号参数进行调制、滤波等处理后,生成与SAR 发射信号相关的欺骗干扰信号,最后通过频控阵干扰机将此欺骗干扰信号发送给对方雷达接收机。图4 为频控阵对SAR 欺骗干扰模型。

图4 频控阵对SAR 欺骗干扰模型Fig.4 Deceptive jamming model of FDA to SAR

如图4,频控阵干扰机侦察到对方SAR 雷达信号后,为了防止直接向对方SAR 雷达发射干扰信号而被发现的问题,先将干扰信号发送到SAR 成像平台,再通过平台上的目标将该干扰信号反射给SAR雷达,此时SAR 接收机接收到的是目标信号和干扰信号的叠加信号,对此叠加信号进行成像算法处理,得到最终的SAR 图像[38]。图5 为频控阵干扰信号成像处理流程图。

图5 频控阵干扰信号成像处理流程图Fig.5 The FDA jamming signal imaging processing flow chart

假设频控阵干扰机获得的对方SAR 雷达信号时域表达式为:

其中,σj为目标对干扰的反射系数;σs为目标对雷达的反射系数。

4 频控阵雷达干扰技术应用前景

1)频控阵干扰机:频控阵干扰机通过发射窄波束,使辐射的功率聚焦到一起,更准确、灵活地控制波束指向,从而可以一次干扰多个目标。另外,频控阵由于其发射波束的距离维依赖性、时变性和空变性等特性,还可以研究基于频控阵的新型干扰技术,在距离维和角度维上进行欺骗,以此来对雷达进行有效的干扰。

2)定点波束干扰能力:相控阵由于只有角度维自由度,可以“定向”地发射波束,但不能“定点”地发射波束。相比相控阵,频控阵具有距离维自由度和“干涉效应”,能够实现“定点”地发射波束[39],因此,可以针对频控阵定点干扰的新技术进行相关研究。

3)基于频控阵的多普勒雷达干扰:频控阵由于在其各阵元间引入了一个远小于载频的频偏增量,通过利用这个频偏增量,对雷达多普勒参数检测产生有效的欺骗式干扰,使雷达可以在时域内和多普勒域内同时形成干扰,以此给多普勒体制的雷达造成大范围的目标群体欺骗式干扰。

4)基于频控阵的合成孔径雷达干扰:合成孔径雷达通过匹配滤波在角度维和距离维同时产生高分辨率的二维图像,通过信号处理后得到的合成孔径雷达图像中含有许多信息,频控阵雷达通过运用其距离-角度维依赖性,能够对合成孔径雷达进行多场景的欺骗干扰,这也是雷达干扰领域非常具有价值的研究方向之一。

5)认知频控阵雷达干扰技术:认知雷达通过对空间环境感知,通过实时调整雷达干扰参数,使雷达系统具有最优的性能。在现代空间电磁环境中,认知雷达电子战已经逐渐成为现代战争中电子对抗采用的主要技术手段,频控阵雷达可以动态地感知环境,从而能够主动识别和认知不同的回波信号[40],并自主地选择合适的干扰策略。因此,认知频控阵雷达干扰技术也是未来重要的研究内容之一。

5 结论

本文主要从频控阵雷达干扰技术角度,对频控阵的模型和干扰原理进行了系统地介绍,全面总结了频控阵雷达干扰方面的国内外主要研究现状和文献,分析了频控阵在多普勒雷达、合成孔径雷达方面的雷达干扰方法,分析了频控阵雷达在电子干扰领域未来主要的研究前景。相比相控阵雷达,频控阵不但拥有其所有的特性,还填补了相控阵的波束指向与距离参数不相关的问题。目前针对频控阵雷达的干扰技术还有许多没有解决的问题,但其良好的干扰应用能力,开展新体制雷达更深层次的研究是非常必要和紧迫的。

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