高对抗强博弈场景下雷达波形设计思路

王建强 宋思盛 李国卿 张瑞

摘  要：未来陆域突击作战中高对抗强博弈场景使得雷达与目标间博弈日趋激烈，雷达波形作为雷达装备的核心和基础特征，将是提高雷达对目标检测性能的关键因素。该文首先梳理高对抗强博弈场景下的军事需求和发展现状，然后从波形产生与处理、目标和环境信息参数化建模、波形博弈方法等方面展开讨论，可为雷达在复杂电磁环境下如何提升装备作战效能提供设计参考。

关键词：电子战；波束设计；抗干扰；电磁环境；雷达

中图分类号：TN95      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0124-06

Abstract： In the future land assault operations， the strong game scene of high confrontation makes the game between radar and target increasingly fierce. Radar waveform， as the core and basic feature of radar equipment， will be the key factor to improve the performance of radar target detection. This paper first combs the military demand and development status under the scenario of high confrontation and strong game， and then discusses it from the aspects of waveform generation and processing， parameterized modeling of target and environmental information， waveform game method and so on， thereby can provide design reference for radar how to improve equipment combat effectiveness in complex electromagnetic environment.

Keywords： electronic warfare; beam design; anti-jamming; electromagnetic environment; radar

随着电子战技术的快速发展，面对未来陆域突击作战中强敌构建的多维杀伤网所获取的战场制电磁权与信息优势，雷达与目标间的博弈日趋激烈，而雷达波形优化设计是提高雷达对目标检测性能的关键因素。雷达波形，作为雷达装备的核心和基础特征，就像每部雷达装备的DNA序列，雷达发射波形的设计对信号的处理方法、系统分辨力、测量精度以及抗干扰能力等性能有直接影响，具备优良特性的波形可促使雷达充分发挥潜在性能，且不同任务场景，波形优化的出发点各不相同，而单一形式信号难以普适地满足任意应用场景[1]。

现有波形优化方法可根据优化准则分为3类：MI、MMSE和SNR，这些波形设计方法、设计原则均是在假设雷达探测目标自主不具备博弈对抗能力下得到的研究成果[2]。但是在现代电子战环境中，敌方的装备已具备估计雷达波形参数进而自适应改变干扰策略的能力。因此，在雷达与干扰相互博弈条件下如何优化波形，提高复杂背景下对目标检测能力成为亟待解决的问题。近年来，雷达同目标博弈方面受到国内外学者的持续关注[3]。

1  军事需求

1.1  应对复杂对抗背景下探测的需求

信息化战场雷达面临的背景电磁环境更加复杂、电子对抗威胁更加严峻，针对雷达的有源干扰将贯穿战争的始终，当前雷达主要面临来自地面雷达干扰机、投掷式滞空干扰机，直升机/无人机载干扰机等威胁，典型的地面干扰机为美军的AN/VLQ-14型多波段干扰机，作用距离15 km；滞空干扰机通常采用火炮发射方式进行投掷，在干扰机滞空过程中，对雷达实施抵近、滞空、分布式、大区域的主瓣干扰，形成干扰屏障以掩护敌方火炮射击；美军陆军师、陆战师、空中突击师、空降师均配备4到6架EH-60系列电子战直升机，配置AN/ALQ-136脉冲式雷达干扰机和AN/ALQ-162连续波雷达干扰机，执行对地面通信和雷达的侦察和干扰任务。目前干扰样式正由遮盖式干扰转变为针对性更强的智能化存储转发式灵巧干扰，由旁瓣干扰转变为主瓣干扰，由传统单一式干扰向多种干扰样式复合的方式转变，在复杂电磁环境下作战，雷达不仅要具备抗干扰手段，还要具备干扰环境的感知能力以及自适应选择对抗措施和进行波形优化设置的能力，增强装备作战效能[4-5]。

1.2  适应认知电子战飞速发展的需求

围绕“制电磁权”而开展的电子战，已成为所有现代军事斗争不可避免的重要对抗内容，特别是人工智能的飞速发展和广泛应用，使得认知电子战作为一种全新的波形战手段，受到世界各国的广泛关注。认知电子战能够在复杂电磁环境中自适应感知周围态势，在感知的过程中通过机器学习判定威胁等级并做出最佳干扰决策，自动生成最佳干扰信号并评估当前干扰效果[6]。更为灵活智能的干扰波形不仅影响雷达的信号处理能力，而且会抑制系统的测量精度、分辨力等指标。为应对电子战技术发展带来的挑战，设计具备认知对抗能力的雷达波形成为一种重要解决方案。

1.3  满足日益增长的多功能作战的需求

由于敌人的不确定性及战争的不对称性，陆军任务开始大量重叠。传统定义上的前线区域和后方之间的设定边界几乎消失，未来陆战场潜在的敌人可以使用多种系统进行攻击，从常规弹药如迫击炮或复杂性不同的UAS到先进的导弹和战斗机，执行这些复合任务的爆炸性需求增长使得雷达系统多功能化发展，并依赖于各种复杂波形设计与信息处理技术提高性能。例如，美军为应对反无人机需求的增长，要求洛克希德马丁公司对正在生产中的TPQ-53进行反无人机能力扩展。

1.4  适应综合射频一体化发展的需求

为适应未来战争环境需要，作战平台配置的电子设备越来越多，功能越来越复杂，占用空间越来越大。雷达、通信和电子对抗系统是作战平台广泛配置的电子设备，实现雷达、通信和电子对抗设备共享、功能一体是解决上述问题的有效途径。综合射频一体化发展有利于提升作战平台的装备集成度、战场态势感知水平、信息保障能力，为作战的一致信息权提供技术支撑[7]。长期以来，雷达、通信和电子对抗系统并行沿着各自的技术路线演进，其采用的主要波形侧重点也显著不同。随着技术进步，从雷达、通信、电子对抗的工作频段、信号波形、系统结构和信息处理来看，可以共享的趋势明显。通过共享发射系统、接收系统、天线系统等，设计特殊的共用信号可以实现将雷达信号隐藏于通信信号之中，提高信号的隐蔽性，增强电子对抗能力。一体化波形设计直接决定了多功能综合射频系统的功能、实现方式及信息处理方法，是多功能综合射频系统设计的关键。

1.5  雷达探测技术软件化、智能化发展的必由之路

DARPA意在3个在研项目（机器学习系统、软件定义雷达和动态配置射频系统）上取得关键技术的突破，致力于影响并推动雷达市场的发展。其中，RFMLS项目旨在为集成到RF硬件系统中的机器学习解决方案开发所需的算法和结构，规定未来RF系统的性能将由其对所处环境的自适应能力和实时响应决定，通过雷达感知、调整和行动的动态闭环循环过程，实现发射机到接收机的反馈。在动态闭环循环中，波形产生及数据库、算法和决策能力是认知解决方案的基本要素。SDRadar项目旨在展示目标探测和跟踪能力都得到极大增强的软件定义雷达样机，利用SDRadar技术将实现在单一环境中控制与处理多合一解决方案。全新的可扩展软硬件架构将有效满足下一代RF和电子战系统对动态波形的需求。可动态配置的RF系统项目旨在为协同的RF系统和不可预知的平台集成创造一种模块化结构。可动态配置的RF系统项目为确定的RF功能和载荷，开发RF工作模式和软件定义的决策工具。数字化结构正在推动单平台上多种射频端点的共享和中心处理。DARPA预计，与单独的雷达、电子战和通信系统的总和相比，融合的RF系统所需的安装空间和功耗更小，功能更强。可动态配置的RF系统为实现系统波形多样化、复合化发展提供了硬件基础。

2  国内外波形设计发展现状

1965年H.V.Trees提出发射信号的设计更有利于提高雷达性能，指出理想的雷达系统应该能够连续地测量目标的散射函数，并根据环境自适应地调整发射信号的形状和接收机以适应当前的环境。这一理想系统掀起了二十世纪六七十年代对于最优波形设计的研究热潮。早期的工作主要是在目标检测阶段通过确定最优的发射信号与滤波器对以最大化信号与杂波及干扰的功率比，其主要方法为特征值迭代法。在过去几年里，因系统处理能力欠佳而未被检测的威胁已成为战区士兵面临的一个日益严重的问题，美国陆军正在开发创新的雷达波形技术，保证在对抗性和拥塞的无线电环境中雷达系统性能。

作为最早提出认知雷达概念的学者，Simon Haykin教授的研究团队总结了自适应雷达的发射波形，指出波形选择问题的一个实际方式是用脉冲波，该脉冲由等间隔、互不重叠的固定周期小脉冲序列构成。Simon Haykin在2008年提出了一种考虑检测和估计性能折衷情况下的认知雷达最优波形设计问题[8]。Goodman和其研究团队也在这方面做了比较多的工作。2007年，Goodman提出了闭环雷达波形设计的结构。2008年，Goodman将序列假设检验应用于自适应波形设计，以提高雷达的目标检测性能，他比较了2种方法：对角法和信息论法。2009年，Goodman提出了一种在依赖于信号干扰存在情况下匹配于随机目标的波形设计方法，这种波形由SNR和Ml优化得到，作者同时也把它用在认知雷达目标识别中。电子攻击措施的不断升级，也将迫使雷达具备更为灵活快速的波形捷变能力。2019年2月19日，美国海军水面作战中心的官员宣布，将与Vadum公司签订一份为期5年，价值940万美元的合同，以支持“反应式电子攻击措施”（REAM）项目。REAM项目旨在寻求以下技术方面的开发方法：跟上敌人快速变化的雷达频率，识别频移模式，并在这些频率被使用时自动设计方法进行干扰或欺骗。

国内在波形设计领域中以高校为主要力量在理论研究方面完成了大量的研究工作，取得了一批研究成果。2008年，西安电子科技大学针对目标识别问题，依据匹配照射原理，提出特征互信息方法和多特征子空间方法等，用于不同背景下的目标识别，并取得了良好效果[9]。2011年，清华大学针对杂波环境中扩展目标的检测问题，建立了表征雷达回波的参数化模型，根据对回波统计特性的分析，提出了目标冲激响应和杂波协方差矩阵的估计方法，构建了广义似然比检测器（GLRD），并进一步提出了相位调制波形的自适应设计方法，所优化波形用于下一次发射时进行杂波抑制[10]。东北大学针对雷达的自适应波形优化问题，建立了随机动态规划模型，针对雷达目标转移概率未知这一特点，将Q学习方法用于发射波形的自适应选择，有效提高了雷达的目标跟踪性能[11]。空军工程大学针对传统的线性调频（LFM）步进信号抗干扰能力较差的问题，提出一种可以随机发射LFM步进信号子脉冲的波形设计方法，结合压缩感知理论，运用较少的子脉冲实现了对运动目标一维距离像重构和高分辨二维成像[12]。

3  复杂雷达波形设计与实现

3.1  复杂波形产生与处理

3.1.1  抗干扰波形集设计

根据雷达装备战场复杂环境下作战使用特点，结合复杂对抗背景下探测、认知电子战飞速发展、日益增长多功能作战、综合射频一体化发展和雷达探测技术软件化、智能化发展实际需求，分析不同探测任务干扰敏感度，进行空、时、频、极化多维雷达波形集设计。

3.1.2  波形的定制产生

系统探测波形应按照探测任务分为目标搜索、目标确认、目标跟踪、目标识别、环境感知和系统自检等。工作波形具备按照波束驻留或PRF进行波形参数切换的能力。通过工作环境实时感知，统筹考虑平时、战时作战任务，从杂波抑制、目标探测威力、参数提取和抗干扰的需求出发，研究基于发射波束宽度、脉冲重复周期、工作频率、信号形式和波束指向等主要波形参数的子阵级定制产生技术。

3.1.3  基于环境感知的精细化处理

通过采用服务器实现信号处理和数据处理的一体化设计，信号处理给数据处理提供较多的目标信息，使数据处理阶段更好地学习、适应周围的电磁环境和目标环境；同时数据处理将学习后的部分结果反馈给信号处理，进行有关参数的调整。根据环境感知结果，自适应选择信号处理参数和数据处理参数，研究对地处理、对海处理、反气象处理和抗干扰处理等精细化处理方法和策略，实现波形参数多维调制动态优化。

3.2  目标和环境信息参数化建模与认知

3.2.1  目标信息在线实时精确感知技术

目标的动态信息包括目标的运动参数、RCS起伏和回波特性等。目标在运动过程中，其动态特征也在不断变化，对于在杂波环境中检测这些微弱目标十分困难。研究如何在线感知并提取目标多维动态信息，对于提高雷达在复杂条件下的目标跟踪精度、目标航迹质量等指标有重要意义。

3.2.2  环境信息在线实时精确感知技术

对雷达来说，对环境的感知主要是对噪声、杂波和干扰的电磁信号特征的感知。对于动态和快变的环境，先验信息并不足以满足雷达波形对抗的需求。由于环境信息的空间非均匀、时变、非平稳性等特点，有必要研究如何在时域、频域等对环境信息进行实时提取和分析。

3.3  对抗条件下波形博弈方法

3.3.1  干扰信号特征感知评估

干扰信号特征感知是智能化反干扰的前提，以便针对不同的干扰类型采取不同的波形博弈策略。通过设置独立多通道天线（含双极化）和接收处理通道，雷达具备空域瞬时360°频谱信息侦收能力和频域瞬时大带宽全覆盖能力，提供侧向及后向匿影通道，实时分析当前系统和真实信号工作所受到的干扰及影响，获取干扰的空间位置、时频域特征，评估对目标侦察通道的信号检测能力和参数测量性能的影响及采用常规抗干扰措施后的干扰反应时间和干扰效果等，为雷达发射信号波形优化和自适应波形博弈策略选择提供依据。

3.3.2  基于认知的雷达发射信号波形优化

传统方式下雷达发射波形和其他参数通常为固定方式，仅仅依靠接收端的自适应处理，在复杂的环境下探测性能会显著下降，同时也会由于杂波抑制算法无法适应环境的变化出现虚警过大、时间资源紧张、波形对抗能力弱、适应波形战的潜力不足的问题。基于全新的数字阵列体制带来的子阵级差异化波形产生能力，使得雷达在发射端具备足够的自由度，可更加灵活地优化发射信号波形。根据目标和环境的先验特征，在雷达资源约束条件下研究不同对抗场景自适应波形优化技术，提升雷达波形战能力。

3.3.3  基于相关系数特性的抗主瓣干扰

陆军地面雷达面临的主要干扰类型包括主瓣窄带压制性干扰、欺骗式干扰、灵巧干扰，以及强地物和强气象引起的无源干扰，对于从旁瓣进入的干扰，旁瓣对消和旁瓣匿影是传统的雷达抗干扰技术手段。对于从主瓣进入雷达的窄带干扰信号，当干扰信号与目标回波信号的到达角度非常接近时，通过频域、时-频域陷波、空域滤波等抗干扰措施效果不佳。

通过分析不同类型干扰信号二阶矩、相关系数等相参性变化情况，研究基于SQI方法的干扰识别技术，并通过干扰信号识别门限作为干扰识别依据，提升波形对抗场景下雷达抗主瓣干扰能力。

3.3.4  基于雷达工作模式和参数的自适应波形博弈策略

为了防止电子侦察，在不同区域、不同波束发射时可以采用不同的工作频率、复杂波形、脉冲重复频率，通过频率捷变、波形捷变、重频捷变、调制方式捷变、扇区静默和降额工作等方式达到反电子侦察的目的。针对压制式干扰、主瓣应答式干扰、副瓣干扰等不同干扰类型，研究如何根据当前电磁环境与系统所受电子干扰状态，参照历史环境下实施抗干扰措施的经验和知识，实时动态优化新一轮雷达波形在时间、空间、频谱、调制和能量等方面的多维博弈策略，分级设置抗干扰波形，在实现最优干扰抑制的同时完成对目标的有效检测和跟踪。

3.4  雷达对抗波形管理与调度

3.4.1  雷达资源占用率实时评估

本雷达具备动态任务管理能力，实现炮位侦校、对空监视和目标感知、告警同时多任务工作，雷达资源占用率实时评估主要包括对雷达TWS模式下实时批处理能力及目标饱和攻击时多目标实时显示能力、TAS模式下搜索数据率及多目标跟踪能力等进行监测，为雷达波形参数多域管理与分配提供基础。

3.4.2  雷达波形参数多域管理与分配

雷达波形参数多域管理与分配结合当前雷达工作态势评估结果，对系统在时域、空域、能量域、频域、调制域的资源分配进行实时统计，并能将该信息作为辅助信息用于系统资源控制管理器对系统资源调度与管理策略调整的依据，优化雷达跟踪能力和对新目标的发现能力。其中，时域资源分配方面主要包括脉冲重复周期、波束驻留时间、离散定时跟踪间隔的动态设置；空域资源分配方面主要指波束扫描区域、扫描方式的优化设置；能量域分配方面主要指雷达峰值功率管控、集能处理、工作比选择；频域资源分配方面主要指雷达工作频率范围内的频率捷变；调制域资源分配方面主要指雷达波形调制方式的选择。

3.4.3  雷达多任务、多模式对抗波形调度

雷达的探测波形按照探测任务分为目标搜索、目标确认、目标跟踪、目标识别、环境感知和系统自检等。由于雷达的资源是有限的，不同任务对雷达资源需求不同，特别是高速小目标探测背景下，要求系统具备高时效功能捷变重构能力，主要研究基于波驻节拍和随机事件驱动的自适应多任务多模式对抗波形调度策略。

3.5  拟重点研究的关键技术

3.5.1  脉间和子阵级差异化波形产生技术

传统雷达工作波形是固定的几组，不能适应复杂战场环境下的波形对抗要求。依托全新数字子阵的单元级DAC产生能力，结合态势感知实时评估结果，研究脉间和子阵级差异化波形定制产生技术。探测信号的基带波形数据由实时控制计算模块根据战场环境动态确定，并存储在波束形成板的DSP中，可由波束形成板在每个PRF的起始上传至数字收发子阵，能够实现子阵级波形的差异化。通过采用分布式发射波束形成控制的方式，所有数字收发子阵的控制在波束形成板中完成，每个波束形成板只完成本板所对应的数字收发子阵的发射控制和配相，使得雷达具备灵活的发射数字波束形成能力和波形定制产生能力。

3.5.2  目标和环境信息实时多维精确感知技术

如果雷达仅对环境中的目标进行检测，对回波中的杂波分量不进行分析和处理，将面临发射和接收对环境适应性问题。先验信息是静态的、历史的，与当前信息存在差异，不满足强实时复杂波形重建需求。对环境和目标信息的实时精确感知是波形对抗的关键环节，是实现发射信号波形优化的必要前提。通过从回波信息中提取目标的动态信息和电磁环境信息，对于提高雷达在复杂电磁环境中的波形战能力，保障复杂条件下的雷达指标性能具有重要意义。

3.5.3  宽带与窄带侦察相结合的干扰认知技术

干扰环境的认知是智能化反干扰的前提。干扰认知需要干扰的特征提取与分析分类。当雷达工作在干扰对抗模式时，需要更为全面、快速地了解干扰在整个工作带宽的分布状况、干扰的时频变化特点和干扰使用策略。在雷达工作通道窄带搜索的基础上，设置宽带干扰侦察通道，将宽带侦察通道用于宽带干扰分析、识别，采用时频图形特征和瞬时量特征，结合干扰信号特性，在时域、频域、能量域和空间域对干扰源信息进行关联统计分析，为干扰分类与效果评估奠定基础，为自适应波形博弈策略选择提供依据。

3.5.4  大规模阵列发射波形快速优化技术

大规模阵列发射波形快速优化是实现雷达波形对抗的重要研究内容。如何在不影响对目标探测的条件下将干扰方向发射置零，使对方很难侦收到雷达发射的信号，提高雷达战场生存能力，并实现快速迭代优化，拟研究基波束和基波形快速合成发射信号波形设计、基于LFM信号的同时多波束波形设计、基于干扰样本的自适应发射置零波形设计及发射通道误差对发射置零的影响，在平衡目标检测和目标估计对波形要求矛盾的同时，实现发射波形快速优化。

3.5.5  基于相关系数特性的抗主瓣干扰技术

射频转发式干扰是近几年数字信号和光电子技术发展后出现的新的干扰方法，对于雷达来说，被转发的信号波形和雷达自身的信号波形基本上完全相同，雷达无法分辨，很难对付。从射频转发式干扰机实现原理来看，经干扰机加工处理后的信号质量会下降，主要表现在信噪比和相位相参性下降等方面。通过分析接收信号相关系数的变化，检验信号噪声起伏和相参性指标，有可能将回波信号和转发式干扰信号区分开来。该方法是一种创新性方法，适用对抗任何形式的干扰特别是来自主瓣方向的干扰，拟研究不同类型目标回波和各种干扰波形的相关系数实验测试方法，计算不同类型目标回波信号和干扰信号的二阶矩、相关系数，分析比较干扰信号和直接反射回波信号在相关系数上的差异，确定干扰信号识别门限。

3.5.6  捷变高时效系统任务重构技术

随着波形对抗形势的日益严峻，对雷达复杂波形产生和调度的强实时性要求越来越迫切。结合波束驻留节拍的实时时间能量资源自适应调度技术方面的经验积累，拟研究适用于全新波形对抗要求的基于波驻节拍和事件驱动的捷变高时效系统任务重构技术。

以波驻作为任务调度的时间间隔，系统资源管理器同步雷达波驻，实现多功能雷达搜索管理和跟踪管理的有机结合，能更好地与相控阵多功能雷达的工作特征相适应，进一步提高任务调度成功率和系统时间资源利用率，加强对外部随机事件响应的灵活性、动态性、快速性和广谱适应性，实现事件与事件之间无缝连接，借助软件化、雷达组件化、模型化的先天性优势，全面提高波形战背景下雷达系统任务重构能力。

4  结束语

未来战场高对抗强博弈场景下对信息权的争夺更加激烈，信息优势将成为决定战争胜负的关键因素之一。现代雷达面临的干扰样式不断增多，作战场景日趋复杂，作为战争信息获取的重要装备，雷达新质能力需求日渐凸显。本文就雷达复杂波形设计涉及的诸多研究内容展开了讨论，并给出了重点突破的多项关键技术，对电子战技术迅猛发展背景下的雷达系统设计具有一定指导意义。

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