摘 要： 頻率捷變雷達(dá)具備優(yōu)異的低截獲和電子對(duì)抗性能。本文首先簡要回顧了雷達(dá)導(dǎo)引頭抗主瓣欺騙干擾的研究成果，重點(diǎn)闡述頻率捷變雷達(dá)導(dǎo)引頭的基本概念和技術(shù)特點(diǎn)。然后全面梳理了國內(nèi)外頻率捷變雷達(dá)研究成果，總結(jié)了三種頻率捷變波形的優(yōu)缺點(diǎn)及各自信號(hào)處理技術(shù)的研究進(jìn)展。最后結(jié)合未來戰(zhàn)場強(qiáng)電子對(duì)抗環(huán)境和導(dǎo)引頭發(fā)展趨勢，對(duì)自適應(yīng)頻率捷變和多維參數(shù)聯(lián)合捷變雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

　　關(guān)鍵詞：雷達(dá)導(dǎo)引頭;頻率捷變;頻率捷變信號(hào)處理;主瓣角度欺騙干擾

　　0 引 言

　　隨著射頻存儲(chǔ)電路技術(shù)的快速發(fā)展，雷達(dá)導(dǎo)引頭所面臨的干擾日新月異，新體制的干擾樣式不斷給雷達(dá)導(dǎo)引頭的檢測、識(shí)別與跟蹤帶來新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。拖曳式雷達(dá)有源誘餌[1](Towed Radar Active Decoy)和圖1所示的空射誘餌(Air Launched Decoy)[2]通過轉(zhuǎn)發(fā)截獲的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，在雷達(dá)導(dǎo)引頭主瓣波束范圍內(nèi)形成大功率假目標(biāo)干擾以掩蓋真實(shí)目標(biāo)回波，且由于轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)和雷達(dá)發(fā)射信號(hào)高度相關(guān)，使得傳統(tǒng)單脈沖測角體制雷達(dá)導(dǎo)引頭無法正確區(qū)分目標(biāo)和誘餌，從而無法獲得正確的目標(biāo)角度信息，最終引起導(dǎo)彈脫靶，嚴(yán)重制約和影響了精確制導(dǎo)武器的打擊命中率和戰(zhàn)場殺傷力。

　　為提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)上述問題開展了大量抗主瓣欺騙干擾研究。具體分為如下幾個(gè)方面：

　　(1) 極化域抗干擾

　　作為電磁波基本屬性之一，極化信息能反映出目標(biāo)材料、形狀、姿態(tài)等特征，極化信息的利用可有效提高雷達(dá)導(dǎo)引頭的目標(biāo)識(shí)別與抗干擾能力。文獻(xiàn)[3]中研究了全極化脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)，根據(jù)目標(biāo)和

　　干擾的極化散射特性差異，利用極化濾波技術(shù)有效抑制干擾。文獻(xiàn)[4]將極化技術(shù)應(yīng)用到相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭中，

　　針對(duì)主瓣壓制式干擾，利用正交極化失配原理將干擾信號(hào)在接收端進(jìn)行極化隔離;對(duì)于主瓣欺騙式干擾，采用瞬態(tài)極化識(shí)別[5]和極化相關(guān)檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效抑制。文獻(xiàn)[6]提出利用目標(biāo)和干擾極化相位描述子構(gòu)造出斜投影算子，采用斜投影處理來抑制雷達(dá)導(dǎo)引頭角度欺騙干擾。

　　(2) 高分辨抗干擾

　　由于拖曳線的存在，拖曳式誘餌與載機(jī)在角度、距離或速度上總存在微小差異。因此，雷達(dá)導(dǎo)引頭距離、速度以及角度分辨力的提升將有利于識(shí)別載機(jī)和誘餌。文獻(xiàn)[7-8]分別利用波形設(shè)計(jì)和長時(shí)間相參積累方法在時(shí)域或多普勒域完成目標(biāo)和誘餌的分辨。文獻(xiàn)[9-10]分別提出了不同的空間角度高分辨方法以滿足導(dǎo)引頭多目標(biāo)角度超分辨需求，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與誘餌的分辨任務(wù)。此外，文獻(xiàn)[11]通過利用兩個(gè)相鄰匹配采樣點(diǎn)上蘊(yùn)含的目標(biāo)和誘餌特征信息，采用粒子群優(yōu)化算法聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)與誘餌的參數(shù)，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)和誘餌進(jìn)行身份辨識(shí)。

　　(3) 信息融合抗干擾

　　多模復(fù)合導(dǎo)引可以更加有效全面地獲取關(guān)于目標(biāo)和誘餌信息，有助于解決復(fù)雜場景下干擾對(duì)抗和目標(biāo)識(shí)別問題[12]。文獻(xiàn)[13]以微波/紅外雙模復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)彈為背景，從數(shù)據(jù)融合處理角度，研究了雙模復(fù)合制導(dǎo)方式抗拖曳式誘餌的方法。文獻(xiàn)[14]基于雷達(dá)/紅外信息融合技術(shù)，研究了雷達(dá)/紅外雙模導(dǎo)引頭對(duì)抗拖曳式誘餌技術(shù)，針對(duì)不同作戰(zhàn)需求研究不同的雙模導(dǎo)引頭構(gòu)成方案。

　　此外，還有脈沖前沿跟蹤法、增益突變分析法等抗干擾方法，但上述這些導(dǎo)引頭抗干擾方法多屬于被動(dòng)抗干擾措施，未來電子對(duì)抗中處于主動(dòng)地位的一方將會(huì)更具優(yōu)勢。文獻(xiàn)[15]提出了一種導(dǎo)引頭主動(dòng)抗干擾方法—頻率捷變技術(shù)，文獻(xiàn)[16]研究了頻率捷變反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭相參積累技術(shù)。相比于傳統(tǒng)固定載頻雷達(dá)，頻率捷變雷達(dá)獨(dú)特的主動(dòng)波形對(duì)抗優(yōu)勢使其具備優(yōu)異的低截獲和電子對(duì)抗性能，可以有效對(duì)抗壓制式和欺騙式干擾。在提升目標(biāo)探測能力和抑制海浪雜波等方面，頻率捷變雷達(dá)也具有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)，頻率捷變技術(shù)也使雷達(dá)在密集電磁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)頻譜資源共享，提升頻譜利用率方面具有極大的潛力。

　　頻率捷變技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，這一時(shí)期主要針對(duì)非相參捷變頻體制雷達(dá)的基礎(chǔ)特征開展廣泛研究，如測距性能[17]、目標(biāo)探測性能[18-19]、海雜波特性[20]以及角閃爍特性[21-22]等。隨著相參頻率綜合技術(shù)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了相參捷變頻雷達(dá)技術(shù)，且已成為發(fā)展的主流，并得到了廣泛應(yīng)用[23-24]。本文系統(tǒng)介紹了相參捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭特點(diǎn)，在梳理國內(nèi)外捷變頻體制雷達(dá)研究成果基礎(chǔ)上，總結(jié)了脈間捷變頻雷達(dá)信號(hào)處理的研究進(jìn)展，并且結(jié)合未來戰(zhàn)場強(qiáng)電子對(duì)抗環(huán)境，分析了捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭面臨的問題與未來的發(fā)展趨勢。

　　1 捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)特點(diǎn)

　　捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭是指在相鄰脈沖間，發(fā)射信號(hào)的載頻在較寬頻帶范圍內(nèi)偽隨機(jī)迅速跳變。相較于傳統(tǒng)固定載頻脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭，捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭具有良好的抗干擾性能和高距離分辨率。捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭載頻跳變方式主要有三種，分別為脈內(nèi)頻率跳變、脈間頻率跳變以及脈組頻率捷變。早期雷達(dá)受限于電子技術(shù)，載頻跳頻主要使用旋轉(zhuǎn)調(diào)諧磁控管振蕩器。由于采用機(jī)械調(diào)諧和自激震蕩方式，存在跳頻速度慢，頻率穩(wěn)定度差且脈沖間相位隨機(jī)，只能實(shí)現(xiàn)非相參體制的捷變頻雷達(dá)，目標(biāo)積累增益較低，不利于復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)檢測跟蹤。隨著電子器件水平和集成工藝技術(shù)的發(fā)展以及全相參頻率綜合器的出現(xiàn)，現(xiàn)在捷變頻雷達(dá)多采用全相參體制。本文主要討論脈間偽隨機(jī)跳變?nèi)鄥Ⅲw制捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭。捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射信號(hào)可表示為

　　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 為矩形窗函數(shù);Tp為脈沖寬度;t^為快時(shí)間;tm=mTr為慢時(shí)間，Tr為脈沖重復(fù)間隔(pulse repetition interval，PRI);全時(shí)間t=t^+tm;u(t)為發(fā)射信號(hào)復(fù)包絡(luò)，考慮采用線性調(diào)頻信號(hào)(linear frequency modulated，LFM)，即u(t)=exp(jπγt2)，γ為調(diào)頻斜率;第m個(gè)脈沖載頻fm=f0+dmΔf， m∈{0， 1， …， M-1}，M為一個(gè)相參積累間隔(coherent processing interval， CPI)內(nèi)發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)，dm為頻率調(diào)制碼字，Δf為跳頻間隔;n(t^， tm)表示噪聲。捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭主要具有如下特點(diǎn)：

　　(1) 強(qiáng)電子對(duì)抗能力。捷變頻雷達(dá)具有良好的低截獲性能，能有效對(duì)抗窄帶瞄準(zhǔn)干擾、跨脈沖重復(fù)周期干擾及部分前拖干擾。捷變頻發(fā)射信號(hào)載頻在寬頻帶內(nèi)以偽隨機(jī)方式迅速捷變，單頻點(diǎn)駐留時(shí)間短，被掃頻式超外差式截獲接收機(jī)偵收的概率低;而對(duì)于寬帶截獲接收機(jī)而言，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)功率譜密度隨載頻序列移動(dòng)，且截獲接收機(jī)沒有跳頻序列的先驗(yàn)信息，這都有助于降低截獲概率[25]。此外，脈沖間載頻捷變也使得干擾機(jī)只能在接收到發(fā)射信號(hào)后才能進(jìn)行干擾，因而能有效避免跨脈沖重復(fù)周期干擾和部分前拖干擾[26]。

　　(2) 良好的目標(biāo)探測能力。脈間頻率捷變降低了目標(biāo)長期處于雷達(dá)散射截面積(radar cross section， RCS)衰落區(qū)的可能性，有助于檢測概率的提高[27]。若相鄰脈沖間的頻差大于臨界頻率可使相鄰回波幅度不相關(guān)，可以消除在固定載頻雷達(dá)中經(jīng)常出現(xiàn)的目標(biāo)回波慢速起伏帶來的檢測概率損失，增加雷達(dá)探測距離[28]。此外，地面或海面反射引起的波束分裂，其最小點(diǎn)的角度位置和雷達(dá)工作頻率有關(guān)，而采用頻率捷變可使分裂波瓣相互重疊，從而消除波束分裂的影響。在低空目標(biāo)探測方面，頻率捷變的去相關(guān)特性也可以有效減緩多徑效應(yīng)帶來的負(fù)面影響[29]。

　　(3) 角跟蹤精度的提高。精確制導(dǎo)武器的跟蹤誤差來源有多種，但當(dāng)雷達(dá)導(dǎo)引頭接近目標(biāo)，特別是諸如飛機(jī)、艦船等復(fù)雜目標(biāo)時(shí)，角閃爍[30]成為尋的制導(dǎo)的主要測角和跟蹤誤差，其大小可能使導(dǎo)彈偏離目標(biāo)方向[31]。而脈間頻率捷變將有效去除相鄰脈沖間回波的相關(guān)性，結(jié)合RCS加權(quán)處理，可以有效抑制復(fù)雜目標(biāo)的角閃爍效應(yīng)，提高雷達(dá)導(dǎo)引頭的跟蹤精度[32]。對(duì)于艦船等大型目標(biāo)，采用頻率捷變后，可使跟蹤誤差減小為原來的14～12[33]。

　　(4) 對(duì)海浪雜波的去相關(guān)特性。對(duì)海末制導(dǎo)雷達(dá)的目標(biāo)檢測能力會(huì)受到海浪雜波時(shí)間與空間相關(guān)性的影響[34]。雷達(dá)極化方式、工作頻率、天線視角及海況等因素都會(huì)影響海浪雜波特性?？梢?，采用脈間頻率捷變技術(shù)將使海浪雜波特性發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為使同一距離分辨單元不同脈沖間海浪雜波的相關(guān)性降低。而頻率去相關(guān)后的海浪雜波在脈沖積累時(shí)等效獨(dú)立采樣脈沖數(shù)將會(huì)增多[35]，這將改善積累后信雜比，使海浪雜波方差大為減小，利于海雜波背景下的目標(biāo)檢測，進(jìn)而有效提升對(duì)海末制導(dǎo)雷達(dá)的作戰(zhàn)威力。

　　為驗(yàn)證捷變頻雷達(dá)抗干擾性能，課題組與國內(nèi)某研究所聯(lián)合開展了雷達(dá)外場對(duì)抗實(shí)驗(yàn)。在外場對(duì)抗實(shí)驗(yàn)中，雷達(dá)探測海上船舶目標(biāo)，同時(shí)，船舶上載有干擾機(jī)對(duì)雷達(dá)實(shí)施干擾。圖2為捷變頻導(dǎo)引頭抗轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖，雷達(dá)工作在脈沖多普勒(pulse doppler， PD)模式或者捷變頻模式，發(fā)射信號(hào)頻段為Ka頻段，一個(gè)CPI內(nèi)發(fā)射128個(gè)脈沖，脈寬1 μs，信號(hào)帶寬30 MHz，跳頻間隔4 MHz，跳頻總數(shù)256個(gè)，跳頻總帶寬1 GHz。圖2(a)為PD模式下回波脈壓結(jié)果俯視圖，轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)欺騙干擾覆蓋了CPI內(nèi)84.83%的脈沖。圖2(b)為捷變頻模式下回波脈壓結(jié)果，圖2(c)為捷變頻模式下按照載頻大小重排后脈壓結(jié)果，由于載頻在脈沖間跳變的原因，干擾僅覆蓋27.43%的脈沖，相較于PD模式大大降低了干擾的能量。圖2(d)為采用干擾抑制算法后稀疏恢復(fù)結(jié)果，可以有效檢測目標(biāo)，可見捷變頻雷達(dá)具有良好的主動(dòng)波形對(duì)抗優(yōu)勢。

　　此外，脈間頻率捷變信號(hào)也屬于寬帶信號(hào)波形，其同樣具有寬帶信號(hào)的特點(diǎn)。寬帶信號(hào)的顯著特點(diǎn)是高距離分辨力，這將有利于雜波背景下的目標(biāo)檢測。高距離分辨力使得雜波分辨單元面積減小，雜波強(qiáng)度降低，以及雜波所占距離單元數(shù)減少，從而在雜波區(qū)中出現(xiàn)很多無雜波或低雜波區(qū)，利于提升對(duì)地、對(duì)海制導(dǎo)武器的目標(biāo)檢測能力。此外，寬帶信號(hào)也可以獲取更多、更豐富的目標(biāo)特征信息用于導(dǎo)引頭目標(biāo)識(shí)別;而寬帶信號(hào)具有的高觀測精度理論上也可使導(dǎo)引頭跟蹤精度和跟蹤正確率大幅度提升[36]。

　　盡管捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭在低截獲、抗干擾、跟蹤精度、目標(biāo)識(shí)別及低空或雜波背景下目標(biāo)檢測等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，但在信號(hào)處理方面存在一些問題。不同于傳統(tǒng)PD雷達(dá)，捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭脈間載頻的隨機(jī)非線性變化使得脈間相位也同樣呈現(xiàn)出隨機(jī)非線性變化，給脈間相參積累帶來極大挑戰(zhàn)[37]。此外，頻率捷變信號(hào)大工作帶寬使得目標(biāo)不再符合傳統(tǒng)窄帶情況下點(diǎn)散射目標(biāo)模型，而成為由不同距離單元上多個(gè)散射點(diǎn)組成的延展目標(biāo)，這對(duì)目標(biāo)檢測理論與方法也提出了新要求[36]。

　　2 捷變頻雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)現(xiàn)狀

　　1968年，Ruttenberg和 Chanzit首次提出采用脈間頻率步進(jìn)脈沖串獲取高距離分辨率的方法，將頻率步進(jìn)引入雷達(dá)系統(tǒng)[38]。Einstein在1984年從理論上詳細(xì)闡述和分析了頻率步進(jìn)脈沖串獲取高距離分辨率的方法，同時(shí)提出了高分辨距離像(high resolution range profile， HRRP)的概念[39]。現(xiàn)有的頻率步進(jìn)信號(hào)處理算法主要有逆傅里葉變換法、時(shí)域合成法、頻域合成法以及時(shí)頻處理法等[36]。針對(duì)目標(biāo)與雷達(dá)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致回波包絡(luò)走動(dòng)、距離像耦合時(shí)移和波形發(fā)散問題，文獻(xiàn)[40]詳細(xì)討論了頻率步進(jìn)信號(hào)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。雖然頻率步進(jìn)雷達(dá)具有高距離分辨率和一定的抗無源、有源干擾能力，但是其載頻跳變順序固定，極易被電子偵察設(shè)備偵獲，且頻率步進(jìn)信號(hào)的模糊函數(shù)為“斜刀刃”形，存在距離-多普勒耦合現(xiàn)象，不利于同時(shí)精確獲取目標(biāo)距離、多普勒信息[41]，對(duì)此有學(xué)者提出采用隨機(jī)頻率步進(jìn)脈沖信號(hào)。文獻(xiàn)[42]介紹了隨機(jī)頻率步進(jìn)信號(hào)的相參處理方法，將接收回波按照頻率重組之后通過stretch拓展算法合成高分辨距離像。文獻(xiàn)[43]提出了隨機(jī)頻率步進(jìn)雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。文獻(xiàn)[44]針對(duì)隨機(jī)步進(jìn)頻率波形，提出了一種同時(shí)提取多個(gè)目標(biāo)距離和多普勒信息的方法，并進(jìn)一步提出了自適應(yīng)分辨參考網(wǎng)格等兩種方法用于減少計(jì)算復(fù)雜度。脈間頻率無規(guī)律變化可以獲得良好的低截獲特性，且隨機(jī)頻率步進(jìn)信號(hào)的模糊函數(shù)近似為“圖釘”形，具有好的速度和距離分辨性能[41]，但這都是以旁瓣抬高為代價(jià)的。尤其是當(dāng)多目標(biāo)間的旁瓣相互堆疊時(shí)，幅度較大的偽峰可能會(huì)導(dǎo)致虛警或掩蓋弱小目標(biāo)[45]。對(duì)此文獻(xiàn)[46-47]分別提出Costas碼、雙曲線頻率序列等不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)載頻序列，以降低類似噪聲的隨機(jī)起伏旁瓣平臺(tái)。此外，文獻(xiàn)[48]通過設(shè)計(jì)失配濾波器實(shí)現(xiàn)旁瓣抑制。

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