捷变频雷达导引头技术现状与发展趋势

　　摘 要： 频率捷变雷达具备优异的低截获和电子对抗性能。本文首先简要回顾了雷达导引头抗主瓣欺骗干扰的研究成果，重点阐述频率捷变雷达导引头的基本概念和技术特点。然后全面梳理了国内外频率捷变雷达研究成果，总结了三种频率捷变波形的优缺点及各自信号处理技术的研究进展。最后结合未来戰场强电子对抗环境和导引头发展趋势，对自适应频率捷变和多维参数联合捷变雷达导引头技术的发展进行展望。

　　关键词：雷达导引头;频率捷变;频率捷变信号处理;主瓣角度欺骗干扰

　　0 引 言

　　随着射频存储电路技术的快速发展，雷达导引头所面临的干扰日新月异，新体制的干扰样式不断给雷达导引头的检测、识别与跟踪带来新的严峻挑战。拖曳式雷达有源诱饵[1](Towed Radar Active Decoy)和图1所示的空射诱饵(Air Launched Decoy)[2]通过转发截获的雷达发射信号，在雷达导引头主瓣波束范围内形成大功率假目标干扰以掩盖真实目标回波，且由于转发干扰信号和雷达发射信号高度相关，使得传统单脉冲测角体制雷达导引头无法正确区分目标和诱饵，从而无法获得正确的目标角度信息，最终引起导弹脱靶，严重制约和影响了精确制导武器的打击命中率和战场杀伤力。

　　为提高导弹武器系统的作战效能，国内外相关学者针对上述问题开展了大量抗主瓣欺骗干扰研究。具体分为如下几个方面：

　　(1) 极化域抗干扰

　　作为电磁波基本属性之一，极化信息能反映出目标材料、形状、姿态等特征，极化信息的利用可有效提高雷达导引头的目标识别与抗干扰能力。文献[3]中研究了全极化脉冲多普勒雷达导引头抗干扰技术，根据目标和

　　干扰的极化散射特性差异，利用极化滤波技术有效抑制干扰。文献[4]将极化技术应用到相控阵雷达导引头中，

　　针对主瓣压制式干扰，利用正交极化失配原理将干扰信号在接收端进行极化隔离;对于主瓣欺骗式干扰，采用瞬态极化识别[5]和极化相关检测技术实现有效抑制。文献[6]提出利用目标和干扰极化相位描述子构造出斜投影算子，采用斜投影处理来抑制雷达导引头角度欺骗干扰。

　　(2) 高分辨抗干扰

　　由于拖曳线的存在，拖曳式诱饵与载机在角度、距离或速度上总存在微小差异。因此，雷达导引头距离、速度以及角度分辨力的提升将有利于识别载机和诱饵。文献[7-8]分别利用波形设计和长时间相参积累方法在时域或多普勒域完成目标和诱饵的分辨。文献[9-10]分别提出了不同的空间角度高分辨方法以满足导引头多目标角度超分辨需求，实现目标与诱饵的分辨任务。此外，文献[11]通过利用两个相邻匹配采样点上蕴含的目标和诱饵特征信息，采用粒子群优化算法联合估计目标与诱饵的参数，进而对目标和诱饵进行身份辨识。

　　(3) 信息融合抗干扰

　　多模复合导引可以更加有效全面地获取关于目标和诱饵信息，有助于解决复杂场景下干扰对抗和目标识别问题[12]。文献[13]以微波/红外双模复合制导导弹为背景，从数据融合处理角度，研究了双模复合制导方式抗拖曳式诱饵的方法。文献[14]基于雷达/红外信息融合技术，研究了雷达/红外双模导引头对抗拖曳式诱饵技术，针对不同作战需求研究不同的双模导引头构成方案。

　　此外，还有脉冲前沿跟踪法、增益突变分析法等抗干扰方法，但上述这些导引头抗干扰方法多属于被动抗干扰措施，未来电子对抗中处于主动地位的一方将会更具优势。文献[15]提出了一种导引头主动抗干扰方法—频率捷变技术，文献[16]研究了频率捷变反舰导弹导引头相参积累技术。相比于传统固定载频雷达，频率捷变雷达独特的主动波形对抗优势使其具备优异的低截获和电子对抗性能，可以有效对抗压制式和欺骗式干扰。在提升目标探测能力和抑制海浪杂波等方面，频率捷变雷达也具有明显的优势。同时，频率捷变技术也使雷达在密集电磁环境下实现频谱资源共享，提升频谱利用率方面具有极大的潜力。

　　频率捷变技术的研究始于20世纪60年代，这一时期主要针对非相参捷变频体制雷达的基础特征开展广泛研究，如测距性能[17]、目标探测性能[18-19]、海杂波特性[20]以及角闪烁特性[21-22]等。随着相参频率综合技术的发展，逐步出现了相参捷变频雷达技术，且已成为发展的主流，并得到了广泛应用[23-24]。本文系统介绍了相参捷变频雷达导引头特点，在梳理国内外捷变频体制雷达研究成果基础上，总结了脉间捷变频雷达信号处理的研究进展，并且结合未来战场强电子对抗环境，分析了捷变频雷达导引头面临的问题与未来的发展趋势。

　　1 捷变频雷达导引头技术特点

　　捷变频雷达导引头是指在相邻脉冲间，发射信号的载频在较宽频带范围内伪随机迅速跳变。相较于传统固定载频脉冲多普勒雷达导引头，捷变频雷达导引头具有良好的抗干扰性能和高距离分辨率。捷变频雷达导引头载频跳变方式主要有三种，分别为脉内频率跳变、脉间频率跳变以及脉组频率捷变。早期雷达受限于电子技术，载频跳频主要使用旋转调谐磁控管振荡器。由于采用机械调谐和自激震荡方式，存在跳频速度慢，频率稳定度差且脉冲间相位随机，只能实现非相参体制的捷变频雷达，目标积累增益较低，不利于复杂环境下目标检测跟踪。随着电子器件水平和集成工艺技术的发展以及全相参频率综合器的出现，现在捷变频雷达多采用全相参体制。本文主要讨论脉间伪随机跳变全相参体制捷变频雷达导引头。捷变频雷达导引头发射信号可表示为

　　sT(t^， tm)=rect(tTp)u(t)exp(j2πfm(t^+tm))+

　　n(t^， tm)(1)

　　式中： rect(x)=1 0≤x≤10 其他 为矩形窗函数;Tp为脉冲宽度;t^为快时间;tm=mTr为慢时间，Tr为脉冲重复间隔(pulse repetition interval，PRI);全时间t=t^+tm;u(t)为发射信号复包络，考虑采用线性调频信号(linear frequency modulated，LFM)，即u(t)=exp(jπγt2)，γ为调频斜率;第m个脉冲载频fm=f0+dmΔf， m∈{0， 1， …， M-1}，M为一个相参积累间隔(coherent processing interval， CPI)内发射脉冲个数，dm为频率调制码字，Δf为跳频间隔;n(t^， tm)表示噪声。捷变频雷达导引头主要具有如下特点：

　　(1) 强电子对抗能力。捷变频雷达具有良好的低截获性能，能有效对抗窄带瞄准干扰、跨脉冲重复周期干扰及部分前拖干扰。捷变频发射信号载频在宽频带内以伪随机方式迅速捷变，单频点驻留时间短，被扫频式超外差式截获接收机侦收的概率低;而对于宽带截获接收机而言，雷达发射信号功率谱密度随载频序列移动，且截获接收机没有跳频序列的先验信息，这都有助于降低截获概率[25]。此外，脉冲间载频捷变也使得干扰机只能在接收到发射信号后才能进行干扰，因而能有效避免跨脉冲重复周期干扰和部分前拖干扰[26]。

　　(2) 良好的目标探测能力。脉间频率捷变降低了目标长期处于雷达散射截面积(radar cross section， RCS)衰落区的可能性，有助于检测概率的提高[27]。若相邻脉冲间的频差大于临界频率可使相邻回波幅度不相关，可以消除在固定载频雷达中经常出现的目标回波慢速起伏带来的检测概率损失，增加雷达探测距离[28]。此外，地面或海面反射引起的波束分裂，其最小点的角度位置和雷达工作频率有关，而采用频率捷变可使分裂波瓣相互重叠，从而消除波束分裂的影响。在低空目标探测方面，频率捷变的去相关特性也可以有效减缓多径效应带来的负面影响[29]。

　　(3) 角跟踪精度的提高。精确制导武器的跟踪误差来源有多种，但当雷达导引头接近目标，特别是诸如飞机、舰船等复杂目标时，角闪烁[30]成为寻的制导的主要测角和跟踪误差，其大小可能使导弹偏离目标方向[31]。而脉间频率捷变将有效去除相邻脉冲间回波的相关性，结合RCS加权处理，可以有效抑制复杂目标的角闪烁效应，提高雷达导引头的跟踪精度[32]。对于舰船等大型目标，采用频率捷变后，可使跟踪误差减小为原来的14～12[33]。

　　(4) 对海浪杂波的去相关特性。对海末制导雷达的目标检测能力会受到海浪杂波时间与空间相关性的影响[34]。雷达极化方式、工作频率、天线视角及海况等因素都会影响海浪杂波特性。可见，采用脉间频率捷变技术将使海浪杂波特性发生改变，主要表现为使同一距离分辨单元不同脉冲间海浪杂波的相关性降低。而频率去相关后的海浪杂波在脉冲积累时等效独立采样脉冲数将会增多[35]，这将改善积累后信杂比，使海浪杂波方差大为减小，利于海杂波背景下的目标检测，进而有效提升对海末制导雷达的作战威力。

　　为验证捷变频雷达抗干扰性能，课题组与国内某研究所联合开展了雷达外场对抗实验。在外场对抗实验中，雷达探测海上船舶目标，同时，船舶上载有干扰机对雷达实施干扰。图2为捷变频导引头抗转发式假目标干扰实测数据处理结果图，雷达工作在脉冲多普勒(pulse doppler， PD)模式或者捷变频模式，发射信号频段为Ka频段，一个CPI内发射128个脉冲，脉宽1 μs，信号带宽30 MHz，跳频间隔4 MHz，跳频总数256个，跳频总带宽1 GHz。图2(a)为PD模式下回波脉压结果俯视图，转发式假目标欺骗干扰覆盖了CPI内84.83%的脉冲。图2(b)为捷变频模式下回波脉压结果，图2(c)为捷变频模式下按照载频大小重排后脉压结果，由于载频在脉冲间跳变的原因，干扰仅覆盖27.43%的脉冲，相较于PD模式大大降低了干扰的能量。图2(d)为采用干扰抑制算法后稀疏恢复结果，可以有效检测目标，可见捷变频雷达具有良好的主动波形对抗优势。

　　此外，脉间频率捷变信号也属于宽带信号波形，其同样具有宽带信号的特点。宽带信号的显著特点是高距离分辨力，这将有利于杂波背景下的目标检测。高距离分辨力使得杂波分辨单元面积减小，杂波强度降低，以及杂波所占距离单元数减少，从而在杂波区中出现很多无杂波或低杂波区，利于提升对地、对海制导武器的目标检测能力。此外，宽带信号也可以获取更多、更丰富的目标特征信息用于导引头目标识别;而宽带信号具有的高观测精度理论上也可使导引头跟踪精度和跟踪正确率大幅度提升[36]。

　　尽管捷变频雷达导引头在低截获、抗干扰、跟踪精度、目标识别及低空或杂波背景下目标检测等方面具有独特优势，但在信号处理方面存在一些问题。不同于传统PD雷达，捷变频雷达导引头脉间载频的随机非线性变化使得脉间相位也同样呈现出随机非线性变化，给脉间相参积累带来极大挑战[37]。此外，频率捷变信号大工作带宽使得目标不再符合传统窄带情况下点散射目标模型，而成为由不同距离单元上多个散射点组成的延展目标，这对目标检测理论与方法也提出了新要求[36]。

　　2 捷变频雷达信号处理技术现状

　　1968年，Ruttenberg和 Chanzit首次提出采用脉间频率步进脉冲串获取高距离分辨率的方法，将频率步进引入雷达系统[38]。Einstein在1984年从理论上详细阐述和分析了频率步进脉冲串获取高距离分辨率的方法，同时提出了高分辨距离像(high resolution range profile， HRRP)的概念[39]。现有的频率步进信号处理算法主要有逆傅里叶变换法、时域合成法、频域合成法以及时频处理法等[36]。针对目标与雷达间的相对运动导致回波包络走动、距离像耦合时移和波形发散问题，文献[40]详细讨论了频率步进信号运动补偿算法。虽然频率步进雷达具有高距离分辨率和一定的抗无源、有源干扰能力，但是其载频跳变顺序固定，极易被电子侦察设备侦获，且频率步进信号的模糊函數为“斜刀刃”形，存在距离-多普勒耦合现象，不利于同时精确获取目标距离、多普勒信息[41]，对此有学者提出采用随机频率步进脉冲信号。文献[42]介绍了随机频率步进信号的相参处理方法，将接收回波按照频率重组之后通过stretch拓展算法合成高分辨距离像。文献[43]提出了随机频率步进雷达的运动补偿算法。文献[44]针对随机步进频率波形，提出了一种同时提取多个目标距离和多普勒信息的方法，并进一步提出了自适应分辨参考网格等两种方法用于减少计算复杂度。脉间频率无规律变化可以获得良好的低截获特性，且随机频率步进信号的模糊函数近似为“图钉”形，具有好的速度和距离分辨性能[41]，但这都是以旁瓣抬高为代价的。尤其是当多目标间的旁瓣相互堆叠时，幅度较大的伪峰可能会导致虚警或掩盖弱小目标[45]。对此文献[46-47]分别提出Costas码、双曲线频率序列等不同的优化设计载频序列，以降低类似噪声的随机起伏旁瓣平台。此外，文献[48]通过设计失配滤波器实现旁瓣抑制。

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