基于干扰对消的电台主动式干扰管理方法*

刘宏波，张雲硕，孟 进，苏彬彬

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

0 引言

干扰管理需要实时地处理各种随时发生的信息，对处理时间的要求较高，而模型的求解大多是NP-Hard 问题，因此，求解起来十分困难。目前干扰管理大多采用数学模型的方式，干扰管理模型大致分为两类：一类为数学模型，另一类为图模型［4-11］。近几年，干扰管理模型和算法的研究进展较快［12-16］。由于干扰管理问题较为复杂，数学模型也较复杂且抽象，因此，建模工作比较困难。

采用干扰对消技术的干扰管理已经具有消除电子系统电磁干扰的手段和成果。电磁干扰对通信系统带来的危害具体表现为：1）导致接收机前端电路发生非线性饱和失真，形成压制或阻塞干扰，影响接收机正常工作，严重时无法通信［1］；2）增大接收噪声，导致误码率上升、通信接收灵敏度下降，有效通信距离大幅度下降；3）恶化电磁环境［2］，制约频谱资源利用率和用户容量，影响射频集成系统的作战效能发挥。传统的电磁干扰管理方案主要包括：1）合理布局天线，增大收发天线间的隔离度，然而由于平台空间有限，天线布局能够提供的隔离度有限；2）采用滤波器技术滤除接收机带外干扰，但滤波器对于落入到接收机带内和临带的干扰抑制能力有限；3）通过电磁兼容管理手段，使发射机和接收机以时分或频分的方式工作，这种方式以降低频谱利用效率为代价，降低了平台同时通信能力。传统干扰管理技术存在同址干扰和非同址干扰辨识难、应对场景变化感知能力差的问题，无法消除干扰，影响通信系统的作战使用。

综上所述，尽管干扰管理研究已取得了较大的进展，但是目前运用干扰管理方法解决实际问题还存在许多局限。目前干扰管理的相关理论方法大多是针对特定的问题提出，将干扰管理理论应用于解决舰船条件下的通信电台电磁干扰问题，研究干扰产生原因、干扰特征、耦合关系和被干扰机理。由于问题的复杂性和求解的实时性要求，基于干扰对消技术的电台主动式干扰管理方法，是干扰管理的难点问题。

1 干扰对消方法分析

1.1 干扰对消分类

干扰对消是主动方式的干扰管理方法之一，核心思想是利用干扰源来消除干扰，在发射端提取参考信号，通过自适应算法产生对消信号，对消信号与干扰信号在接收机前端抵消，从而消除干扰。

根据干扰对象不同，干扰对消技术分为合作干扰对消和非合作干扰对消，两种干扰对消的数学模型是一样的，区别在于合作干扰对消的参考信号可直接从发射机提取，如图1 所示；非合作干扰对消的参考信号需要通过空域自适应处理方法分离出干扰和通信信号，再进行正负抵消，如图2 所示。

图1 合作干扰对消Fig.1 Cooperative Interference Cancellation

图2 非合作干扰对消Fig.2 Non cooperative interference cancellation

1.2 干扰对消的原理

干扰对消技术的数学原理主要有两个：1）正交矢量分解，把提取的参考信号进行正交两路分解后，分别对其幅度进行调整，得到一个与空间干扰信号大小相等、方向相反的对消信号来消除干扰信号；2）自适应控制，通过不断调整控制权值，使干扰信号与参考信号大小相等、方向相反，从而实现对消。基于干扰对消技术的主动式干扰管理原理如下页图3 所示，其中，图3（a）合作电磁干扰源的参考信号是直接从发射机（共平台）提取的，这种方法只适用于解决同一个平台内设备与系统之间的电磁兼容问题；实际的战场环境还包括对手施加的有意干扰，如图3（b）非合作电磁干扰采用空域信号自适应处理方法，分离出干扰和通信信号，再采用正负抵消方法消除干扰。

图3 基于干扰对消技术的主动式干扰管理方法Fig.3 Active interference management method based on interference cancellation technology

下一步，针对同址干扰和非同址干扰辐射干扰防护的重大需求，设计基于干扰对消技术的主动式干扰管理方法，对系统的干扰管理方法和干扰抑制技术方案进行优化。

2 主动式干扰管理系统的框架设计

2.1 干扰管理的分类

根据工作方式，干扰管理方法可以分为被动方式和主动方式。被动方式包括合理布置离散天线位置或增加隔离物、增大收发系统的频率间隔和系统分时工作。但舰艇平台空间有限，收发天线的距离和位置受空间限制不能随意改变，频率管控牺牲了信道的利用率，时间管控牺牲了系统实时性。通信系统实时性要求高、工作速率高、带宽大，此时空间、频率和时间管控都不能满足系统需求。

根据干扰管理的技术体制不同，可分为时域、频域、空域、码域和多点协作传输等干扰管理方法。各种干扰管理方式特性如表1 所示。

表1 各种干扰管理方式特性Table 1 Characteristics of various interference management modes

2.2 总体框架设计

通信网络干扰管理环如图4 所示。干扰认知技术是前提和基础，实时抗干扰决策技术是必要环节，抗干扰波形设计技术是重要手段。整个过程对收发前端技术、环境感知技术以及优化技术都有较高的要求，可归纳为以“认知-决策-行为”为技术核心的闭环设计过程。

图4 通信网络干扰管理环Fig.4 Communication network interference management ring

主动式干扰管理系统的原理框图如图5 所示，包括干扰感知、干扰管理决策和执行模块。其中，干扰感知模块包括干扰分布和干扰结构特征分析，干扰管理决策模块包括干扰管理策略和干扰管理方式库；执行模块实现干扰对消或资源分配功能。网络干扰环境具有动态特征，一方面源于网络本身，另一方面可能来自干扰管理策略的执行，干扰感知模块又重新对网络环境进行感知，并提供对当前网络性能的评估。

图5 主动式干扰管理系统的原理框图Fig.5 Principle block diagram of active jamming management system

针对通信网络的干扰管理方法主要包括：

1）构建多维度干扰空间

为确立通信网络环境与干扰管理的互动关系，首先需要从多个维度研究干扰状态信息的表征与评价，这需要对不同维度的干扰参数考察量进行有机结合从而形成干扰的多维表示。进一步探索网络环境以及资源分配方法等对干扰形态和分布的影响，通过估计和预测等方法对干扰信息进行加工，以适应不同层次的干扰管理需求。

2）通信资源和干扰的联合管理

多维度的干扰空间能够刻画网络环境与用户间干扰的关系。基于多维度干扰空间，可以充分挖掘干扰的多维特性，即浪费资源的无线干扰和提升容量的无线干扰。以此作为网络资源及干扰的管控依据，联合网络资源设计高效的干扰管理机制，有效利用新型无线传输机制带来的增益，提升网络容量。

3）干扰管理动态机制

确立并完善干扰管理环，设计智能动态的干扰管理机制，实现网络容量的提升。

2.3 干扰管理决策模块设计

舰船电磁环境具有非平稳的特点，干扰形式复杂多变，盲目使用预设波形、算法和协议效果不佳，需要在实时决策的基础上在线设计抗干扰波形。在离线波形库和干扰先验信息的基础上，通过建立抗干扰波形在线优化问题模型，采用快速优化算法设计波形匹配电磁环境，满足系统抗干扰性能需求。

根据干扰认知结果及舰船平台链路质量，在多设备抗干扰门限要求和系统容量要求等约束条件下，采用基于知识库的学习推理和多目标函数优化，完成实时决策过程。干扰管理决策系统框架如图6 所示。

图6 干扰管理决策模块框架Fig.6 Framework of jamming management decision-making module

干扰管理决策系统包含学习推理模块和决策调整模块。其中，学习推理模块基于原有参数和知识库，从环境中学习更新并利用输出系统参数反馈调整；决策调整模块基于学习推理和多目标优化，根据实际需求，在多目标函数对应的解空间中寻找最优解，并通过调整目标函数加权系数改变抗干扰策略。

为解决舰船平台的干扰问题，拟将舰船通信、雷达及电子战等设备的系统参数，以及抗干扰波形设计引入决策空间，利用优化算法实现多个参数的自适应选择。优化目标函数有多个且可能相互矛盾，例如降低误码率需要增大发射功率，与实现功率消耗减小等目标矛盾。因此，在决策调整过程中，多个目标函数不能同时达到最优。可根据实时抗干扰需求，对不同目标函数赋予权值，建立加权多目标优化问题模型。在普通静态环境中，决策系统能在不同约束条件下完成多目标函数的优化，输出最优系统参数和抗干扰波形。然而，舰船平台多设备协同工作，对实时性要求较高，且系统参数与目标函数相互依赖和制约，优化问题会异常复杂，影响了算法的优化速度。因此，如何选择和设计适应性更强、效率更高的算法，是实时决策系统面临的一大挑战。

3 国内外干扰对消技术探讨

3.1 合作干扰对消技术

国外对干扰对消技术的研究集中于合作干扰对消。20 世纪60 年代开始，为了消除舰船、飞机、战车等天线密集平台内部的辐射干扰问题，美国原子公司就提出采用正交矢量合成原理实现闭环干扰对消技术。80 年代初，美国罗马航空发展中心研制出225 MHz～400 MHz 频段的合作干扰对消装置，应用于美国空军机载通信系统，平均干扰对消比为55 dB。80 年代末，英国也开始了合作干扰对消技术研究，由Cobham 公司生产合作干扰对消装置并推广应用。到90 年代初，装置已经在美军的布莱德雷步兵战车、悍马军车、斯普鲁恩斯级驱逐舰、英国“大刀”级导弹护卫舰和EH101 型直升机上取得应用。2003年，Cobham 公司研制出小型化的合作干扰对消装置，体积缩小了4 倍，工作频率范围30 MHz～512 MHz，干扰对消比40 dB～70 dB，最多对消通道数8 个，已成功装备于美国海岸警卫队搜救通信系统、美陆军车载移动战斗指挥系统、美海军陆战队轻型装甲指挥控制车等军用平台。

美海军研制成的多功能电磁辐射系统，核心技术之一就是利用合作干扰对消技术，减少综合桅杆内部发射机对同频段高灵敏度接收机的阻塞干扰，在较小信道保护间隔条件下保障多路超短波电台同时工作。此外，美军在最先进的EA-18G 电子攻击机上使用了共平台主动干扰对消系统，能够在对敌方进行各种压制性宽带干扰的同时，保证己方通信的顺利畅通。上述技术动向表明英、美等发达国家已将合作干扰对消技术应用到舰船、飞机、战车等平台上。

3.2 非合作干扰对消技术

目前的非合作目标干扰取样技术主要集中在雷达旁瓣对消（sidelobe cancellation，SLC）领域，采用辅助天线进行干扰取样。SLC 主要针对远场干扰源，其思路是将干扰取样和雷达接收的干扰下变频之后再利用数字自适应滤波的方法来处理。辅助天线布置：有关SLC 领域辅助天线布置的研究报道较少，仅有的报道大多偏向于定性讨论。辅助天线布置是主要考虑天线数量和与主天线的距离这两个因素，前者决定了旁瓣对消的空间分辨率，后者关系到主辅通道干扰信号的相关性；天线通常选取全向天线，增益与主天线第一旁瓣的电平值相当，以使得主辅通道幅度一致。

自适应算法：从算法结构来看，SLC 算法包括闭环式和开环式两类。闭环SLC 算法存在的主要问题是需要存在一个迭代收敛的过程，才能达到稳定的最优解，对于某些类型雷达实时处理的要求，算法速度偏慢。随着微电子技术、数字技术和各种电子器件的性能不断发展和提高，计算精度、稳定性和收敛速度不断提高，已在部分场合实现工程化。开环算法计算量极大，要求很高的计算精度，通常需要用超大规模集成电路实现，并可能存在病态矩阵问题，在实际使用时也难以实现多辅助天线的应用。

国外的SLC 技术发展比较领先，一部分高性能军用雷达相继采用了旁瓣对消技术。20 世纪80 年代曾有关于美国全数字式开环旁瓣相消器研制的报道，采用的就是单辅助天线结构。Morgan 教授早在1978 年就对自适应阵列阵元的空间排列问题进行了研究，提出了取样天线阵元的排列模型，Hank 在对测高雷达进行旁瓣相消时发现，垂直极化和水平极化偶极子天线做辅助天线都能取得较好的效果。美国军方将这种取样技术应用于雷达抗干扰系统中，他们使用某种辅助天线用以抑制旁瓣有源压制式干扰。国内这项技术虽然起步较晚，从20 世纪70年代末，西安电子科技大学、国防科技大学和南京十四所等单位相继开展对旁瓣对消技术的理论研究与应用工作，理论研究相对比较成熟。国防科技大学已经在90 年代初研制成功了单辅助天线的数字式自适应旁瓣相消器，主要应用于远程警戒雷达。电子科技集团第二十研究所在1997 年也已经研制成功了一维相控阵雷达中双辅助天线的数字式开环自适应旁瓣相消器。海军工程大学马伟明院士团队自2014年起开始了非合作干扰对消技术的研究，在超短波和微波频段取得了较好的效果。

目前国内外SLC 技术的研究集中于对消性能的提高，其面临的主要挑战包括主辅通道频率特性不一致和主瓣干扰等问题。2020 年，美国国防高级研究计划局（DARPA）发布“宽带自适应射频防护”（WARP）项目，开发模拟信号的宽带消除器，消除合作和非合作干扰信号，以保护宽带数字无线电免受干扰和阻塞影响；2021 年又发布了“单元级紧凑型前端滤波器（COFFEE）”项目，开发新型的可集成高频射频滤波器，以实现在复杂电磁环境中使用宽带有源电子扫描阵。

综上所述，SLC 领域利用辅助天线对干扰源进行取样的思路值得借鉴，但其辅助天线主要是利用了远场直达路径平面波到达主辅天线的波程差信息，来实现空域干扰分辨和滤波的。美国在非合作干扰技术方面尚处于起步阶段，国内干扰对消技术取得重大进展。

4 典型应用场景分析

当前国内外争相发展综合射频集成的新型舰船，天线与上层建筑一体化集成，天线之间的电磁耦合关系复杂，干扰设备与敏感设备之间产生了新的电磁环境特征。由于舰艇平台空间有限，数据链通信系统受到雷达设备、干扰机等高功率发射设备的电磁干扰，形成共址辐射干扰，严重影响了通信系统的正常工作，严重时贻误战机。例如，马岛海战中，谢菲尔德舰为了避免干扰，通信与雷达分时使用，被导弹击沉。同时，舰艇编队或者敌人的高功率干扰机对本舰数据链系统，存在非共址辐射干扰。新型舰船干扰问题描述如下页图7 所示，数据链通信系统同时存在共址干扰和非共址干扰情况，其中数据链通信系统受到的共址干扰是电磁兼容问题；受到的非共址干扰是电磁攻防问题，两者共同影响舰艇数据链系统的作战效能。

图7 新型舰船及数据链干扰问题描述Fig.7 Description of interference problem of new type ship and data link

目前干扰管理方法存在共址干扰和非共址干扰辨识难、应对场景变化感知能力差的问题。例如某型舰艇的数据链通信设备与同平台的雷达存在电磁兼容问题，雷达发射功率高，工作频段与数据链频段较近，两者天线之间距离较近，雷达信号的带外分量落入数据链的工作频带，造成数据链的误码率恶化了1 到2 个数量级，导致数据链的通信距离缩短为作战需求的1/10 以下，有时甚至瘫痪，主要影响因素是电磁辐射的杂散干扰，属于电磁兼容问题。某型舰艇的数据链通信设备与非共平台的干扰机之间是互扰或者敌扰问题，主要影响因素是电磁辐射的带内干扰，属于电磁攻防问题。

针对舰艇数据链在复杂电磁环境下的“自扰、互扰、敌扰”问题，借鉴管理科学中的干扰管理思想，采用干扰对消技术，对共址干扰和非共址干扰进行干扰感知和干扰管理决策，以此状态为基础快速生成干扰抑制策略，提高舰艇平台在复杂电磁环境中的生存能力和作战能力。

5 主动式抗干扰算法仿真验证

本章根据非合作干扰对消场景，建立主动式抗干扰算法的数学模型，并进行功能性仿真验证。以20 MHz 带宽的宽带干扰信号为例，采用多音信号合成的形式代表宽带信号，故电台接收天线接收到的信号如下：

其中，n 代表第n 根谱线；N 为谱线总数量。

假设取样天线的接收信号与电台接收天线接收信号的幅度相同，但是存在相位差异，则取样天线的接收信号模型为：

其中，右上标代表取样天线编号。

将各取样天线信号进行加权，得到M 路对消信号与式（1）合成，可以得到误差信号为：

其中，wm为各取样天线对应的加权信号。

加权信号的表达式为：

其中，μ 代表步长因子；*代表共轭计算。

这里为定义抗干扰算法的性能，给出干扰对消比的定义，即干扰信号与误差信号的功率比，表达式为

其中，PI为干扰信号功率；Pe为误差信号功率。

将式（1）与式（3）代入式（5）得到

根据以上主动式抗干扰算法的分析进行仿真验证，仿真参数如表2 所示。

表2 仿真参数Table 2 Simulation Parameters

仿真结果中，对消前后的时域图与频谱图如下页图8（a）、图8（b）所示。

图8 干扰对消仿真结果Fig.8 Simulation results of interference cancellation

由以上仿真结果可知，主动式抗干扰算法可以提供35 dB 以上的干扰对消比，能够有效抑制干扰信号对电台通信的影响。

6 结论

针对电磁干扰对通信系统带来的危害，传统的电磁干扰管理方案主要包括：1）合理布局天线；2）采用滤波器技术滤除接收机带外干扰；3）通过电磁兼容管理手段，使发射机和接收机以时分或频分的方式工作。根据工作方式，干扰管理方法可以分为被动方式和主动方式。干扰对消是主动方式的干扰管理方法，干扰对消的核心思想是利用干扰源来消除干扰。本文设计了基于干扰对消技术的主动式干扰管理方法，从主动式干扰管理的角度，分析干扰源特征、干扰耦合特性和干扰作用机理；针对舰船典型应用场景下通信与雷达同时非合作干扰抵消问题，共址干扰主要影响因素是电磁辐射的杂散干扰，非共址干扰主要影响因素是电磁辐射的带内干扰。最后，以某型舰艇的数据链通信设备与非共平台的干扰机为例，开展了主动式抗干扰算法仿真，通过案例分析验证干扰对消技术的技术创新性和工程应用场景。下一步，需要针对舰船同址干扰和非同址干扰进行干扰管理的试验验证。