機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)STAP原理及其干擾方法研究

唐孝國(guó)，張劍云

（解放軍電子工程學(xué)院 安徽 合肥 230037）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境復(fù)雜，來襲目標(biāo)常常是大縱深、全方位、多批次、全高度的。及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)來襲目標(biāo)是掌握制空權(quán)的關(guān)鍵。機(jī)載雷達(dá)以其突出的預(yù)警和搜索能力受到了許多國(guó)家的青睞，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演著十分重要的角色，也受到了各國(guó)的高度重視。新一代機(jī)載雷達(dá)采用了相控陣體制，相控陣?yán)走_(dá)具有波束無慣性捷變、控制靈活等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)多目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、遠(yuǎn)作用距離、高數(shù)據(jù)率、強(qiáng)自適應(yīng)能力、高可靠性能的要求。

機(jī)載雷達(dá)經(jīng)常處于下視工作狀態(tài)，地面雜波對(duì)檢測(cè)性能的影響十分嚴(yán)重。地雜波不僅強(qiáng)度大，而且由于不同方向的地面散射體相對(duì)載機(jī)的速度不同，使雜波譜大大展寬[1]。有效地抑制地雜波是機(jī)載雷達(dá)工作的難題，又是必須解決的問題。

解決雜波抑制的傳統(tǒng)技術(shù)包括時(shí)間平均雜波相干機(jī)載雷達(dá)（Time Average Clutter Coherent Airborne，TACCAR）和偏置天線相位中心 （Displaced Phase Center Antenna，DPCA）技術(shù)[2]。TACCAR和DPCA技術(shù)均較成熟，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，可獲得穩(wěn)定的主雜波對(duì)消比，是目前機(jī)載雷達(dá)中廣泛被采用的補(bǔ)充方法。但這兩種技術(shù)對(duì)旁瓣雜波無明顯的抑制，且對(duì)誤差比較敏感，因此在工程上受到很大限制。

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜化，采用傳統(tǒng)技術(shù)的機(jī)載雷達(dá)越來越難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的要求。單純的相控陣天線技術(shù)也很難形成超低副瓣電平，TACCAR技術(shù)和DPCA技術(shù)抑制地雜波能力有限，所以要想高效地抑制地雜波只有通過天線和信號(hào)處理技術(shù)共同完成。空時(shí)二維自適應(yīng)處理（Space-Time Adaptive Processing，STAP）技術(shù)正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的，它可以有效提高機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的地雜波抑制能力[3-5]。由于機(jī)載雷達(dá)地雜波的空時(shí)耦合特性，雜波在空時(shí)二維平面內(nèi)呈刀背式分布，空時(shí)二維自適應(yīng)處理技術(shù)通過與相控陣體制的機(jī)載雷達(dá)有機(jī)的結(jié)合，形成與雜波匹配的斜凹口，同時(shí)又可在一定程度上補(bǔ)償系統(tǒng)誤差的影響，有效地抑制地雜波，并大大改善了系統(tǒng)的檢測(cè)性能[6]。

電子戰(zhàn)越來越成為決定現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)成敗的關(guān)鍵因素。隨著科技不斷發(fā)展，現(xiàn)代電子戰(zhàn)更加多元化，逐漸發(fā)展成為包含雷達(dá)對(duì)抗、通信對(duì)抗、光電對(duì)抗、水聲對(duì)抗、GPS導(dǎo)航對(duì)抗、精確制導(dǎo)武器對(duì)抗、軍事衛(wèi)星對(duì)抗及新概念電子戰(zhàn)武器對(duì)抗等多種對(duì)抗方式的新形態(tài)。雷達(dá)電子戰(zhàn)是電子戰(zhàn)的一個(gè)重要分支，主要包括雷達(dá)電子支援（ES）、雷達(dá)電子進(jìn)攻（EA）和雷達(dá)電子防護(hù)（EP）3個(gè)方面。雷達(dá)電子干擾是雷達(dá)電子戰(zhàn)的主要內(nèi)容之一，旨在制造復(fù)雜的電磁環(huán)境，大幅消弱敵方雷達(dá)的作戰(zhàn)性能，其重要性已經(jīng)被若干戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)例證實(shí)。

現(xiàn)代雷達(dá)各方面性能的提高，對(duì)雷達(dá)對(duì)抗方提出了巨大挑戰(zhàn)：首先，實(shí)施電子干擾的前提是電子偵察設(shè)備能對(duì)有效獲取敵方雷達(dá)的重要信息，否則基本不能有效干擾敵方雷達(dá)，所以首先電子偵察設(shè)備必須能克服雷達(dá)低旁瓣、低截獲概率波形、雷達(dá)信號(hào)參數(shù)捷變等抗截獲技術(shù)的障礙；其次，在電子偵察設(shè)備獲取了敵方雷達(dá)的重要信息后，要有效干擾雷達(dá)，則干擾機(jī)必須保證有效的干擾信號(hào)、足夠大的發(fā)射功率、足夠大的天線增益等，保證干擾信號(hào)能進(jìn)入敵方雷達(dá)并能影響其正常工作；在此些前提下，反輻射彈打擊等后續(xù)對(duì)抗措施才能更容易的實(shí)施?？梢?，對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)干擾技術(shù)的研究具有非常重要的意義，對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)的電子干擾有效與否直接關(guān)系到現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的成敗。

由于STAP技術(shù)能大大加強(qiáng)機(jī)載雷達(dá)的雜波抑制，提高目標(biāo)的檢測(cè)能力，而自古以來，雷達(dá)技術(shù)與雷達(dá)對(duì)抗技術(shù)總是一個(gè)相輔相成、相互競(jìng)爭(zhēng)和相互促進(jìn)的關(guān)系，一項(xiàng)雷達(dá)技術(shù)的突破必將給對(duì)抗放提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，筆者探究了對(duì)STAP技術(shù)的干擾方法及其干擾原理，使得STAP技術(shù)的性能下降，減弱其目標(biāo)檢測(cè)能力，從而達(dá)到減弱其戰(zhàn)斗力而保障己方戰(zhàn)斗力的目的。

1 STAP技術(shù)的基本原理

1.1 雜波幾何模型

不失一般性，假設(shè)雷達(dá)天線采用的矩形平面陣。對(duì)天線陣實(shí)行可分離加權(quán)，每一列微波合成為一路，則形成由個(gè)等效陣元組成的等間距線陣[2]。

圖1 機(jī)載雷達(dá)陣列天線和散射體幾何圖Fig.1 Geometry of airborne radar array and scatters

假設(shè)載機(jī)水平飛行，豎直放置的平面陣天線與地面散射體的幾何關(guān)系上圖所示。其中ψ為主波束高低角，θ為主波束水平指向，ψ為觀察方向，θp為陣列和航向的夾角，V為載機(jī)速度，λ為波長(zhǎng)，則散射體P的回波的多普勒頻率為

對(duì)于空時(shí)二維處理，對(duì)時(shí)域權(quán)的控制相當(dāng)于改變其多普勒（fd）響應(yīng)特性，而控制空域等效線陣的權(quán)相當(dāng)于改變其錐角余弦（cosψ）波束響應(yīng)[7]。因此，要從空時(shí)二維濾波的角度入手研究二維雜波的抑制，取2fd/fr和cosψ作坐標(biāo)是合適的，其中 fr表示脈沖重復(fù)頻率，且 cosψ=cosθcosφ。 則式（1）可改寫為

其中，fdm=2V/λ表示地雜波散射體的最大多普勒頻率。對(duì)于不同的偏航角θp可以得到不同的情況，其中θp=0°稱為正側(cè)視陣，此時(shí)雜波軌跡在2fd/fr-cosψ平面上呈現(xiàn)為一根直線；θp=90°稱為前向陣，此時(shí)雜波軌跡在2fd/fr-cosψ平面上呈現(xiàn)為一簇同心圓；0°＜θp＜90°時(shí)雜波軌跡在 2fd/fr-cosψ 平面上呈現(xiàn)為一簇橢圓。

1.2 二維雜波數(shù)學(xué)模型

對(duì)于一M×N的陣面，經(jīng)微波列合成后等效為一N元線陣，該線陣實(shí)現(xiàn)空域采樣。設(shè)時(shí)域采樣數(shù)（即時(shí)域脈沖數(shù)）為K，則第l個(gè)非模糊距離環(huán)的雷達(dá)空時(shí)快拍采樣信號(hào)可表示為

式中 x（n，k），n=1，…N，k=1，…K 表示第 n 個(gè)天線陣元第 k個(gè)時(shí)刻的空時(shí)二維采樣數(shù)據(jù)，也可用（NK×1）維矢量表示，即

式中 Xl（k）=[x（1，k） x（2，k） … x（N，k）]T，k=1，2，…，K 為第k個(gè)脈沖采樣的陣列數(shù)據(jù)。空時(shí)自適應(yīng)處理通常是以距離環(huán)數(shù)據(jù)為最小處理單元，下文如沒特殊說明所有數(shù)據(jù)只限于一個(gè)相干處理間隔內(nèi)的單位距離環(huán)數(shù)據(jù)。

1.3 STAP算法原理

前面討論了空時(shí)二維雜波的特性，從中可以看出雜波譜分布的復(fù)雜性，反映在二維平面上為強(qiáng)空時(shí)耦合性[8-9]，這就決定了雜波抑制應(yīng)從空間和時(shí)間二維空間中進(jìn)行。Brennan首先提出了空時(shí)二維處理思想，并用于基于相控陣體制的機(jī)載預(yù)警雷達(dá)，其本質(zhì)是將一維空域?yàn)V波擴(kuò)展到了時(shí)間和空間二維域中，并在高斯雜波加確知信號(hào)模型下，根據(jù)似然比理論導(dǎo)出了一種空時(shí)二維自適應(yīng)處理結(jié)構(gòu)，即“最優(yōu)處理器”。空時(shí)二維自適應(yīng)處理原理如圖2所示。圖中，{wnk}為空時(shí)二維權(quán)系數(shù)，n=1，2，3，…N；k=1，2，3，…K。用 NK×1 維表示處理器權(quán)矢量，則

該處理器可以描述為如下優(yōu)化問題

其中R為NK×NK接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，為空時(shí)導(dǎo)向矢量

式中

由（6）式可得空時(shí)二維最優(yōu)化處理器的權(quán)矢量Wopt為

圖2 空時(shí)二維自適應(yīng)處理原理圖Fig.2 Principle of space-time adaptive processing

其中，μ=1/（SHR-1S）。 則最優(yōu)二維響應(yīng)輸出為

圖3、圖4給出了目標(biāo)位于cosψ=0.2與2fd/fr=0處的雜波頻譜圖和最優(yōu)處理器二維頻響圖。同時(shí)說明了式（11）的幾何意義，即最優(yōu)處理器在信號(hào)方向（cosψ=0.5與2fd/fr=0）有最強(qiáng)輸出，而在雜波分布方向形成二維凹口。

圖3 雜波功率譜Fig.3 Power spectral of clutter

2 STAP干擾方法探究

前面闡述了STAP技術(shù)的基本原理，它是利用雜波的空時(shí)二維耦合性來抑制雜波的。然而任何一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)有其優(yōu)點(diǎn)也就必有其弱點(diǎn)或者局限性，下面就從STAP的主要局限性出發(fā)提出可能的干擾方法。

2.1 對(duì)STAP的密集干擾

STAP抑制雜波的前期是系統(tǒng)要有足夠的自由度（Degree of Freedom，DOF），至少要大于雜波的自由度，而有源干擾的引入將使雜波與干擾的自由度大幅度增加，這將使本來就很復(fù)雜的處理系統(tǒng)進(jìn)一步復(fù)雜，因此，對(duì)于很多次最優(yōu)的部分自適應(yīng)降維處理方法而言，當(dāng)有多個(gè)有源干擾時(shí)，系統(tǒng)性能將因缺乏足夠多的自由度而降低，特別是主瓣干擾，其影響就更為嚴(yán)重。

圖4 最優(yōu)二維頻率響應(yīng)Fig.4 Optimal two-demention frequency response

針對(duì)STAP對(duì)系統(tǒng)自由度要求較高這一局限性，可考慮采用密集干擾方法，即從不同的方向施放幾組干擾，每組均密集分布于一個(gè)小的角域內(nèi)，隨著干擾數(shù)目的增加，對(duì)系統(tǒng)的自由度要求將增高，其性能將逐步下降，而且，對(duì)同樣的干擾數(shù)目，干擾強(qiáng)度越強(qiáng)，性能下降也會(huì)越明顯。

2.2 對(duì)STAP的靈巧噪聲干擾

STAP的數(shù)據(jù)域?qū)崿F(xiàn)是由式（12）給出的加權(quán)濾波，而實(shí)際上，雜波協(xié)方差矩陣和表示目標(biāo)信息的空時(shí)導(dǎo)向矢量S都是未知的。處理器用估算值來代替，由此獲得自適應(yīng)加權(quán)矢量

該方法被稱為樣本矩陣求逆（SamplingMatrixInversion，SIM），文獻(xiàn)[4]還介紹了其他自適應(yīng)加權(quán)計(jì)算方法。在高斯雜波加噪聲背景下，由最大似然（Maximum Likelihood，ML）估計(jì)可得

R^稱為采樣協(xié)方差矩陣，L表示距離門數(shù)。利用采樣協(xié)方差矩陣代替真實(shí)協(xié)方差矩陣會(huì)造成系統(tǒng)輸出信雜噪比下降3 dB。要使信雜噪比的下降在，則要同時(shí)滿足兩個(gè)條件[10]。一是參與估計(jì)協(xié)方差矩陣的訓(xùn)練數(shù)據(jù)必須獨(dú)立同分布（Independent Identical Distribution，IID）， 二是訓(xùn)練數(shù)據(jù)總數(shù)L≥2NK。為了避免目標(biāo)自行白化，處理器將剔除訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的檢測(cè)單元和幾個(gè)相鄰單元 （稱為保護(hù)單元或保護(hù)通道），性能損失較大程度是實(shí)際協(xié)方差矩陣與估計(jì)協(xié)方差矩陣的偏差造成的[11-12]。因此，如果引入的干擾使訓(xùn)練樣本在距離-多普勒域呈非均勻狀態(tài)而得不到足夠的IID樣本則會(huì)使得矩陣估計(jì)誤差很大，進(jìn)而濾波器凹口偏差較大，從而導(dǎo)致STAP對(duì)干擾和雜波的抑制性能急劇下降。

針對(duì)STAP對(duì)非均勻環(huán)境下訓(xùn)練樣本不足這一局限性，可采用靈巧噪聲干擾，因?yàn)殪`巧噪聲干擾兼具欺騙和壓制雙重特性，且其功率在距離-多普勒域呈非均勻分布，因而將導(dǎo)致沒有足夠的IID訓(xùn)練樣本數(shù)去估計(jì)雜波協(xié)方差矩陣，使其估計(jì)誤差很大，進(jìn)而濾波器凹口偏差將很大，從而使其性能急劇下降。

2.3 快變干擾

STAP的最大特點(diǎn)是可以對(duì)外部環(huán)境自適應(yīng)的學(xué)習(xí)，但有個(gè)致命的缺陷，即外部環(huán)境變化太快會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)失敗，如果引入在距離向和多普勒向變換（比如功率等）比較劇烈的干擾，將對(duì)STAP的性能造成致命的威脅。

針對(duì)STAP對(duì)快速變化的環(huán)境自適應(yīng)能力差這一局限性，可設(shè)計(jì)一種在距離向和多普勒向變化比較劇烈的干擾樣式（為方便表述，稱其為快變干擾），從而對(duì)STAP技術(shù)造成致命的威脅，無論怎樣設(shè)計(jì)干擾，其初衷必須是變化，從而導(dǎo)致STAP失敗。

2.4 地形散射干擾

機(jī)載雷達(dá)[13-14]在下視工作時(shí)，其雷達(dá)主波束將同地面相交，如果在這一地區(qū)放置幾個(gè)干擾機(jī)，而且它們的發(fā)射的能量可以覆蓋的地面區(qū)域與雷達(dá)波束所覆蓋的相同時(shí)，相當(dāng)部分的反射能量可進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)，這種干擾稱之為地形散射干擾（Terrain Scattering Jamming， TSJ），也稱熱雜波。 現(xiàn)代雷達(dá)天線一般都能實(shí)現(xiàn)低旁瓣或者超低旁瓣，因此它主要作為主瓣干擾，可以嚴(yán)重影響STAP的性能。

因?yàn)镾TAP方法實(shí)質(zhì)上都是基于獨(dú)立的、高斯噪聲條件下的濾波器設(shè)計(jì)，一旦引入高電平、在空時(shí)二維域展寬的非平穩(wěn)的隨機(jī)噪聲，就會(huì)導(dǎo)致其性能和可用性達(dá)不到預(yù)想的目標(biāo)。也就是說，以完成對(duì)消技術(shù)為基礎(chǔ)的空時(shí)自適應(yīng)處理方法，不能有效地消除來自非常規(guī)輻射體的地形散射干擾，這是由于以目標(biāo)線性約束為基礎(chǔ)的空時(shí)自適應(yīng)處理算法，在解決多普勒頻譜展寬的主波束干擾方面基本上是無能為力的[2]。

2.5 相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾

基于數(shù)字射頻存儲(chǔ) （Digital Radio Frequency Memory，DRFM）的相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾（Coherent Repeater Jamming，CRJ），它產(chǎn)生與被干擾的雷達(dá)系統(tǒng)相同的載波頻率、調(diào)制型式、脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率（PRF）的相干脈沖串，具有干擾脈沖的兩次掃描間距延時(shí)隨機(jī)特性和在脈沖串期間具有可調(diào)節(jié)的、線性初始相位漸進(jìn)的特性，實(shí)際上，CRJ產(chǎn)生有隨機(jī)距離和多普勒頻率的與目標(biāo)類似的干擾信號(hào)，因此CRJ對(duì)于以STAP為基礎(chǔ)的AEW系統(tǒng)將產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

對(duì)于以STAP為基礎(chǔ)的常規(guī)系統(tǒng)，CRJ會(huì)引起虛假目標(biāo)。然而，CRJ將干擾用來估計(jì)協(xié)方差矩陣的輔助數(shù)據(jù)矢量，這種干擾使得通常均勻假設(shè)的條件受到嚴(yán)重背離，這一點(diǎn)只有在基于STAP的系統(tǒng)上才會(huì)出現(xiàn)。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代雷達(dá)各方面性能的提高，對(duì)雷達(dá)對(duì)抗方提出了巨大挑。STAP技術(shù)最大的特點(diǎn)是可以對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，但任何一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)也必有其弱點(diǎn)，對(duì)于STAP來說，對(duì)系統(tǒng)自由度要求和在分均勻環(huán)境下缺乏獨(dú)立同分布的樣本就是其兩個(gè)主要的局限，還有一個(gè)致命的缺陷就是對(duì)變化太快的外部環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其自適應(yīng)學(xué)習(xí)的失敗。因此，本文從STAP的原理出發(fā)，分析了其局限性和弱點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上研究對(duì)抗STAP技術(shù)的干擾方法并闡述了其作用機(jī)理，具有一定的理論價(jià)值，當(dāng)然其具體效果還有待針對(duì)具體的方法建立相應(yīng)的干擾數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究。

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