宋之玉，張 進

（中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

現(xiàn)代軍用雷達面臨各種復雜的電子干擾環(huán)境，其中支援式干擾（旁瓣干擾）是使用較多的一種干擾方式，如果沒有旁瓣干擾對消措施，則主瓣接收的目標回波信號很容易被旁瓣接收的干擾信號淹沒，從而大大降低了雷達的探測性能和工作可靠性。軍用雷達天線旁瓣電平較高，這不僅限制了雷達對旁瓣地海雜波的抑制能力，也給敵方被動偵察定位、反輻射攻擊、電子干擾等提供了十分有利的技術條件，因此在雷達設計工程上應盡可能地降低雷達天線收發(fā)旁瓣電平。

雷達自適應旁瓣對消（ASLC）技術自20世紀60年代問世以來得到了迅速發(fā)展，目前已是用來抑制有源干擾信號從雷達旁瓣進入的最經(jīng)濟和最有效的方法。ASLC技術的核心是利用一組輔助天線（輔助通道）接收的干擾信號與主天線旁瓣接收的干擾信號的相關性，對輔助天線（輔助通道）接收的干擾信號進行幅相加權處理并與主天線接收的干擾信號相減，使雷達天線自動在有源干擾方向形成很深的接收零陷，從而達到抑制支援式有源干擾的目的。

為了提高支援式干擾（旁瓣干擾）的戰(zhàn)術效能，有必要研究雷達自適應旁瓣對消的工作原理以及其技術特點，分析可能存在的戰(zhàn)術技術對抗方法以及干擾信號設計方法，為研究各類支援式電子干擾裝備提供理論支撐。

1 自適應旁瓣對消原理

現(xiàn)代軍用雷達陣列天線自適應旁瓣對消系統(tǒng)組成如圖1所示，在雷達主天線的附近安裝1個或幾個低增益的全向天線，也稱輔助天線，各輔助天線的增益相同并且比主天線的第一旁瓣電平略高2~4 dB，如圖2所示。目標信號和干擾信號幾乎同時到達雷達主天線和輔助天線，但輔助天線收到的目標信號相對主天線收到的目標信號很小，可以忽略。自適應對消處理器對主天線和各輔助天線接收的信號進行采樣，并根據(jù)一定的規(guī)則計算一組權值系數(shù)，各輔助天線接收的信號（包括目標信號和干擾信號）分別和權值系數(shù)相乘（加權處理），再和主天線接收到的信號（包括目標信號和干擾信號）相減，則主天線中收到的旁瓣連續(xù)波噪聲干擾信號恰好被對消，留下目標信號輸出。

圖1 主天線與旁瓣對消天線方向圖

圖2 雷達自適應旁瓣對消組成框圖

旁瓣對消的關鍵是權值系數(shù)的計算，計算準則是保證對消剩余最小，即：各輔助天線接收的干擾信號乘以權值系數(shù)后和主天線旁瓣接收到的干擾信號等幅反向，對消（相減）后剩余為0，也就是雷達主天線在干擾方向形成波束零陷。對于連續(xù)波或窄帶噪聲干擾信號，旁瓣對消可以使主天線中的接收信噪比改善20~30 dB。

在圖2中，y(t)表示主天線在t時刻收到的信號采樣；X1(t)，X2(t)，X3(t)，…，XN(t)表示各輔助天線在t時刻收到的信號采樣，N為輔助天線數(shù)量；W1，W2，…，W N表示加權系數(shù)；R表示對消輸出，可表示為：

且：

式中，W?n表示W(wǎng) n的共軛，H表示共軛轉置。式（1）表明對消剩余就是由主天線信號減去權值矢量和副主天線信號的內積，目的是使對消剩余功率最小。用統(tǒng)計表示為：E=(|R|2),即：

式中，R XY為主天線和輔助天線輸入信號的互相關矩陣，R XY=E(X?Y?)；R XX為輔助天線輸入信號的自相關矩陣，R XX=E(X?XH)。

欲使對消剩余P最小，對式（2）兩端的權值矢量W求導數(shù)，并使導數(shù)為0，即可求得每一個權值分量W1，W2，…，W N，即：

可以得到最優(yōu)權值矢量為：

式中，

這樣對消剩余P的最小值為：

式（2）表明，要實現(xiàn)旁瓣對消，必須同時對主通道的波束合成數(shù)據(jù)和輔助通道的數(shù)據(jù)進行采樣，然后計算輔助通道自相關矩陣和主輔通道的互相關矩陣，并對自相關矩陣求逆，逆矩陣和互相關矩陣相乘得到自適應最優(yōu)權值矢量。主通道的波束合成數(shù)據(jù)減去自適應權值矢量與輔助通道數(shù)據(jù)的乘積即得到最佳旁瓣對消輸出，對消比正比于旁瓣干擾功率，旁瓣干擾功率越大，對消比越大。

下面進行對消效能仿真：假定對消系統(tǒng)由20個陣元的主天線和2個輔助天線等距直線陣組成，陣元間距為d=λ/2，目標信號方向為0°，干擾信號為窄帶噪聲，方向分別為20°和40°，對消前后主天線輸出的仿真結果如圖3所示，在圖3（b）中，雷達天線方向圖2個干擾源方向在原副瓣電平基礎上又形成了40多分貝的零陷，顯然這一措施將削減干擾信號40 d B，抑制支援式干擾很有效。

圖3 自適應旁瓣對消波束方向圖

2 自適應旁瓣對消技術特點

陣列雷達自適應旁瓣對消一般在中頻和通道脈壓之前完成，對消的帶寬就是中頻接收帶寬，比雷達信號帶寬略寬一些。據(jù)上文對ASLC原理及權值的求解分析可知，在自適應旁瓣對消系統(tǒng)中，存在2個影響對消效能假定的前提條件，一是假定輔助天線收到的目標信號相對主天線收到的目標信號很小，可以忽略；二是假定輔助天線中收到的干擾信號只和主天線中旁瓣收到的干擾信號相關，而和主天線中收到的目標信號不相關。若違反了這2個假定前提條件，對消效能將會受到嚴重影響。

在自適應旁瓣對消系統(tǒng)中，存在著多種影響干擾對消性能的因素，如量化噪聲、干擾信號的帶寬、干擾信號和目標信號的相關性、接收機的幅相誤差、輔助通道個數(shù)等。由于對消系統(tǒng)的幅度相位誤差、采樣量化誤差、接收機的幅相誤差、輔助通道個數(shù)以及閉環(huán)算法中的自適應對消處理的算法收斂時間等因素屬于雷達系統(tǒng)設計，干擾方并不能利用這些來優(yōu)化旁瓣干擾的效能，故在此并不討論，本文主要討論干擾源數(shù)量（相應于輔助通道個數(shù)）、干擾信號帶寬、干擾信號相關性、閃爍干擾、飽和干擾等干擾方法對自適應旁瓣對消性能的影響?？偨Y起來影響旁瓣對消性能的因素包括：

1）各主輔天線接收機通道的幅相失衡誤差越大，旁瓣相消效果越差；

2）閉環(huán)算法中自適應對消處理的算法收斂時間越長，旁瓣相消效果越差，輔助通道數(shù)不能太多；

3）干擾信號帶寬越寬，旁瓣相消性能越差，原因是最優(yōu)權值必須針對每個頻率計算不同的權值，只對一個頻率計算權值必然增大對消誤差；

4）干擾源個數(shù)大于對消天線個數(shù)，對消產(chǎn)生的零陷個數(shù)不足，旁瓣對消無效；

5）輔助天線接收到的干擾信號和目標信號相關性越好，旁瓣相消性能越差；

6）輔助天線中目標信號電平越大，對旁瓣相消效果越差。

3 自適應旁瓣對消對抗辦法

根據(jù)前面對ASLC性能特點的分析，雖然寬帶干擾信號能夠部分抑制ASLC的性能，但是干擾信號帶寬受到雷達中頻接收帶寬的限制，一旦干擾信號帶寬超出雷達接收帶寬，干擾信號將被雷達接收機濾波，造成干擾功率損失，因此在對抗裝備的工程設計上，干擾信號一般不能采用寬帶噪聲干擾信號。

雖然當分布式干擾源數(shù)量大于雷達對消輔助通道數(shù)量時，ASLC不能形成足夠數(shù)量的天線方向圖零陷對準所有干擾源，致使對消失敗[1]，但是這需要數(shù)量較多的高功率旁瓣干擾機同時干擾一部雷達，工程上實現(xiàn)比較困難。據(jù)公開資料報道，“愛國者”系統(tǒng)的AN/MPQ-53相控陣雷達只有5個用于旁瓣對消的輔助天線通道；“宙斯盾”系統(tǒng)中的AN/SPY-1D雷達有6個輔助天線；俄羅斯C-300系統(tǒng)中的火控雷達則只有2個輔助天線。因此，大功率分布式相參干擾機的數(shù)量至少應在6部以上，才能保證對一部雷達的旁瓣干擾有效。

比較可行的辦法是采用現(xiàn)代相參儲頻技術使大功率干擾信號和目標信號盡量相關，降低雷達的對消比，從而達到旁瓣壓制干擾的目的，相參干擾信號可以是數(shù)字調制的多普勒噪聲信號或者旁瓣密集多假目標信號。

4 相關干擾方法

ASLC技術的核心是輔助天線接收的干擾信號與目標信號不相關，而與主天線旁瓣接收的干擾信號相關，認為主天線旁瓣接收的目標信號為0；如果輔助天線接收的干擾信號和主天線接收的目標信號相關，存在固定的幅度相位關系，則加權后和主天線收到的信號進行對消會嚴重降低對消效果。理論推導表明：如果干擾信號與目標回波信號完全相關，則對消比等于主通道中的干信比[2]，也就是論證干擾功率需求時的壓制比，對干擾功率的需求并不大。

在ASLC中，如果輔助通道接收到的干擾信號和主通道中目標信號存在相關性，則對消時除非干擾信號和目標信號完全不相關，否則輔助通道中的干擾信號加權后除了會對消主通道中的干擾信號以外，還將對消掉主通道中目標信號與之相關的成分，即頻譜混疊部分。而實際上，完全不相關不可能，因為干擾信號與目標信號同頻才能被接收，所以頻譜混疊越多，目標信號與干擾相關性越強，則目標信號被相消越嚴重。

既然對消的機理是假定旁瓣干擾信號和目標信號不相關，旁瓣干擾機采用近距離全脈沖相參儲頻就可獲得和目標信號相關的樣本信號，采用延時+移頻干擾就可有效破壞雷達的旁瓣對消性能。

下面進行對消效能仿真：假設目標回波信號為載頻為10 kHz的正弦信號，干擾信號的頻偏分別為1 kHz和0.2 kHz。頻偏越大，相關性越小，反之則相關性越大。假設干信比JSR為40 dB，目標回波位于0°方向，干擾信號位于40°方向。比較圖4和圖5可知，當干擾信號與目標信號相關性較小時，ASLC能夠很好地抑制旁瓣干擾，仿真中對消比可達38 dB；而當干擾與目標信號相關性較強時，ASLC無法有效抑制旁瓣干擾，對消比只有23 d B。因此，利用轉發(fā)式干擾能夠很好地提高旁瓣干擾效率。

圖4 干擾頻偏為1 kHz時自適應旁瓣對消前后仿真

圖5 干擾頻偏為0.2 kHz時自適應旁瓣對消前后仿真

假設目標信號與干擾信號相關，如圖6所示，陣元數(shù)N=10，陣元間距d=λ/2，干擾信號在30°方向，JNR=50 dB，主瓣θ0=0°方向增益為1。仿真結果在30°干擾方向沒有形成零陷，干擾沒有被抑制。

圖6 相關干擾無法對消抑制

假設2個干擾信號同時存在，如圖7所示。在2個干擾非相關時，自適應波束形成器能夠在2個干擾源真實位置形成相應的零陷；而當2個干擾相關時，在2個干擾位置均未產(chǎn)生零陷，若此干擾為非平穩(wěn)信號，則意味著干擾信號可能無法被有效抑制。

圖7 2個非相關/相關干擾下的對消結果

5 閃爍干擾方法

早期的軍用雷達不能做到距離單元內實時對消權值更新，而是將重復周期分為對消檢測期和休止期，計算對消權值時在雷達的休止期采樣[3]，這樣能保證在休止期內沒有采樣目標回波信號，主輔助通道內獲得的信號樣本只有旁瓣干擾信號，保證主輔助通道內干擾信號的相關性。如圖8所示，雷達的對消權值計算和對消處理是異步進行的，干擾方可以采用以下措施對抗：

圖8 單機閃爍干擾時序設計

1）單機閃爍干擾

單機閃爍干擾就是單臺干擾機自適應雷達重周干擾，即每個雷達重周只干擾50%~80%重復周期的時間，然后關機偵察雷達信號。由于干擾源關機，雷達的權值采樣只有環(huán)境噪聲而沒有干擾，從而使雷達權值計算錯誤，導致對消失敗。

閃爍方式有2種：一種是單機間斷開機干擾，見圖8方式1；另一種是干擾樣式間斷切換干擾，見圖8方式2。其核心是破壞雷達對消權值采樣。

2）多機閃爍干擾

2臺相同的旁瓣支援式干擾機分布在雷達不同的方向，2臺干擾機實時偵察雷達重頻并自適應雷達重頻，采用交替開機進行閃爍干擾，使雷達的自適應旁瓣對消失效，如圖9所示。方式1中，干擾源1實施噪聲干擾，干擾源2實施閃爍干擾；方式2中，2個干擾源實施同步閃爍干擾；方式3中，2個干擾源實施異步閃爍干擾。

圖9 二機閃爍干擾時序設計

下面進行對消效能仿真：假設目標回波信號為中心載頻為11.5 kHz、帶寬為3 kHz的三角掃頻線性調頻信號，目標回波位于0°。干擾信號1為噪聲干擾，干擾信號2為點頻20 kHz的正弦信號，JSR均為40 dB，分別位于20°和40°，采用交替式閃爍工作方式。

若雷達采用開環(huán)算法，假設雷達ASLC技術采樣計算權重時，只采集到了干擾信號1，因此，自適應對消權重中不含干擾信號2的信息。當雷達將該權重用于后續(xù)信號處理時，干擾信號1被有效抑制，而干擾信號2則無法被抑制，如圖10所示。

圖10 閃爍式干擾使雷達對消功能失效

若雷達采用閉環(huán)算法，如LMS準則，當只存在一個干擾時，如圖11（c）示，采用閉環(huán)算法的ASLC技術需要一定收斂時間，達到穩(wěn)定后，系統(tǒng)即可將旁瓣干擾信號很好地消除。當2個干擾采用快速閃爍方式工作時（交替時間間隔小于ASLC算法收斂時間），則雷達ASLC系統(tǒng)無法到達穩(wěn)定狀態(tài)，即旁瓣干擾無法被有效抑制，如圖11（d）所示。因此，采用多個干擾源分布于空間不同角度，合理設置其工作時序，構成空間非平穩(wěn)的干擾，就能夠有效對抗ASLC技術。

圖11 閃爍式干擾前后對閉環(huán)算法影響

6 結束語

現(xiàn)代軍用雷達采用了ASLC技術，對旁瓣支援式干擾的作戰(zhàn)效能影響很大。若干擾信號采用窄帶瞄頻噪聲樣式，則干擾信號能量將至少被削減20 d B以上，理論上徹底對消，干擾效能將嚴重下降。若干擾信號采用強相關多假目標樣式或多普勒噪聲干擾樣式，則根據(jù)仿真，干擾信號被對消的程度有限，干擾功率需求不大，工程上易于實現(xiàn)。干擾方應盡可能采用多點分布式抵近干擾的作戰(zhàn)方式（如各種無人滯空懸浮平臺），由于旁瓣密集假目標個數(shù)在方位和距離上遠遠超過雷達的飽和處理能力，陣列雷達將再也沒有時間分配搜索波束，也就達到了旁瓣壓制的目的?！?/p>