對空情報雷達網密集假目標干擾機理分析*

趙 源，熊 英，唐 斌

(電子科技大學 電子工程學院，成都 611731)

1 引言

對空情報雷達組網是指對應于某個特定監(jiān)視空域(通常稱為該雷達網的責任區(qū))，通過對多部對空情報雷達適當部署，將各雷達站所探測到的信息加以“網”狀收集，最后傳輸到情報中心站進行數據融合處理，并對各雷達站統(tǒng)一有序控制的雷達系統(tǒng)［1］。傳統(tǒng)針對于單部雷達的假目標干擾信號主要是基于數字射頻存儲(Digital Radio－ Frequency Memory，DRFM)技術產生，該干擾信號與雷達發(fā)射信號高度相關，能夠在雷達信號處理中獲得較高處理增益［2］。由于網絡化雷達廣泛采用數據關聯(lián)技術，常規(guī)針對單站雷達的轉發(fā)式干擾對于網絡化雷達的干擾效果較差。數據與信息的融合主要建立在目標檢測層面，幾乎沒有進行多部雷達信號處理域參數層數據融合，對通過協(xié)同產生在各個雷達站都具有相同空間分布的高逼真假目標的識別問題同單部雷達相比無顯著改善［3］。目前，比較有效的方法是同時產生大量高度關聯(lián)的密集假目標對網絡化雷達實施干擾。文獻［4］探討了距離多假目標欺騙干擾技術對抗組網雷達的可行性，但僅考慮距離維干擾會導致較為分散的假目標被雷達網剔除。文獻［5］針對雙基雷達描述了一種多假目標干擾的產生方式，然而對于雷達站的定位精度可能會影響干擾效果。針對單基雷達網的高逼真多假目標干擾［6－10］研究需要對雷達網各子站的工作參數和布站方式進行精準估計，然而目前的研究并沒有分析在進行多假目標干擾時估計誤差對干擾效果的影響。

為解決這一問題，本文在借助文獻［11］提出的角度干擾基礎上研究網絡化雷達在目標數據處理的薄弱環(huán)節(jié)，分析單部干擾機和多部干擾機對于對空情報雷達網密集假目標干擾的作用機理以及影響干擾效果的因素，并通過仿真試驗進行驗證。

2 對空情報雷達網數據處理分析

目前網絡化雷達信號包括相干式和非相干式，其中，非相干式主要包括雙/多基雷達組網，存在時間與相位同步的限制，不利于接收站進行相參積累。因此，目前雷達組網系統(tǒng)仍以單基地雷達組網為主。組網系統(tǒng)的拓撲結構通常分為集中式、分布式和混合式，文獻［6］給出了3 種系統(tǒng)的結構。對于集中式組網系統(tǒng)，需要判斷各個雷達節(jié)點之間的量測誤差是否超過同源檢測門限，其優(yōu)點是可以形成較為精確的關聯(lián)，但數據互聯(lián)較為困難，計算量較大。對于分布式組網系統(tǒng)，每個雷達節(jié)點有獨立的處理系統(tǒng)，獨立地收集點跡信息并送至融合中心作關聯(lián)處理。融合中心在做進一步處理之前對數據進行時間對齊和空間校準，判斷量測是否來自同一個目標核心問題為點跡關聯(lián)。混合式系統(tǒng)兼具集中式和分布式組網系統(tǒng)的優(yōu)點，但拓撲結構通常比較復雜。

本文假設對空情報雷達網系統(tǒng)為3 部單基雷達組網，利用多個雷達站點掃描特定空域檢測特殊空情，各個雷達站為兩坐標機械掃描雷達。為保證量測精度與數據量采用集中式組網結構，即各雷達站將探測信息統(tǒng)一送至融合中心進行數據關聯(lián)，中心站數據關聯(lián)采用加權融合算法［6］。

根據跟蹤濾波理論，定義Xi(k)=為雷達站i(i∈［A，B，C，…］)在k 時刻某觀測目標的真實狀態(tài)，其中雷達A 為融合中心站，x、y 為目標的空間坐標，為目標的速度;并定義為目標在時刻k 雷達站i 對目標的狀態(tài)估計。

定義時刻k 對目標的狀態(tài)估計誤差為

Pi(k|k)為雷達站i 在時刻k 的誤差的協(xié)方差矩陣。

定義雷達節(jié)點i∈［B，C，…］和融合中心站之間狀態(tài)估計誤差為

為簡化分析，僅考慮3 部雷達組網的情況。加權融合算法假設雷達節(jié)點和融合中心對同一目標的狀態(tài)估計誤差獨立，則式(2)的協(xié)方差矩陣為

加權算法采用的檢驗統(tǒng)計量為

利用檢測統(tǒng)計量將關聯(lián)問題轉換為門限檢測問題。

定義H0表示雷達節(jié)點和融合中心的觀測值判定為來自同一個目標，H1表示雷達節(jié)點和融合中心的觀測值判定為來自不同目標，則檢驗判決可表示為

式(4)～(5)中，αAi服從自由度為nx的χ2分布，nx為目標狀態(tài)向量的維數;門限α0=(1－P{H1/H0})，其中P{H1/H0}為錯誤關聯(lián)概率。由式(2)、式(4)和式(5)可知，關聯(lián)概率受到各個雷達站量測精度影響。

對空情報雷達網目標關聯(lián)的核心利用真假目標在組網雷達的觀測空間中狀態(tài)差異來進行目標鑒別，是組網雷達對真假目標甄別的理論依據。當僅考慮距離維干擾時，虛假目標分布在干擾機與被干擾雷達連線上。此時，單部雷達數據處理表征為多目標，但在融合中心處對應空域的假目標并不存在，表征為假目標的檢驗判決接受H1，即融合中心將假目標剔除。若同時引入距離維、多普勒維及角度維干擾，并通過調制使假目標對應的檢驗統(tǒng)計量低于判決門限，則可形成雷達網難以剔除的假目標。

3 對空情報雷達網密集假目標干擾機理分析

為了降低網絡化雷達網內波形信息交叉干擾，對于同頻雷達組網體制，常采用相位編碼波形體制;對于異頻雷達組網體制，各站雷達采用異頻簡單脈沖、線性調頻、相位編碼等波形。因此，網絡化雷達網內各個雷達節(jié)點在工作體制、波形和極化方式等具有較大差異性。要有效實現對網絡化雷達的欺騙干擾，首要解決的是欺騙目標對于網內不同雷達節(jié)點欺騙效果一致性問題。

根據上一節(jié)的分析，利用關聯(lián)算法僅停留在數據處理層面上這一薄弱環(huán)節(jié)，令網中各雷達對假目標觀測空間的狀態(tài)差異保持在檢驗門限范圍內，組網雷達系統(tǒng)就不能有效地剔除假目標。為了實現對網絡化雷達有效的欺騙式干擾，必須滿足以下基本條件:一是截獲各個子站雷達發(fā)射信號;二是干擾機天線主瓣對準各子站雷達接收機天線方向;三是干擾信號頻率瞄準雷達信號工作頻率;四是干擾信號和回波信號相似，又同時帶有一定的虛假信息［2］。同時，密集轉發(fā)的假目標必須滿足在各個子站數據處理空間分布的一致性，避免在關聯(lián)后被剔除。

對空情報雷達通常對遠距離的目標進行探測，具有目標指示功能和目標跟蹤功能，其功能更多為對來襲的目標(主要包括飛機和導彈)進行預警，而不需要像制導雷達或者火控雷達給出精確追蹤，對空情報雷達測量精度通常較低。與此同時，由于大空域數據率的限制，對空情報雷達多采用兩坐標體制，在俯仰向采用較寬的波束進行掃描。對空情報雷達網利用多部雷達探測同一空域，并在數據融合中心進行點跡關聯(lián)以降低虛警并具有隱身目標探測能力，但其高功率、大主瓣寬度的特征常使其暴露在干擾方的干擾下，并可通過密集轉發(fā)時延、多普勒調制后的假目標在其感興趣的空域產生多假目標。

3.1 單部干擾機對空情報網密集假目標干擾產生機理

假設對網絡化雷達實施隨隊支援干擾，即干擾方利用單部干擾機(電子干擾機、無人機或氣球等)伴飛，為降低雷達方探測性能、保護突防目標，在目標對應空域產生大量轉發(fā)式干擾或利用發(fā)射波形特征產生新體制干擾。

單部干擾機采用自適應多波束形成體制，干擾機同時形成不同指向的寬波束，以實現對雷達網的多假目標欺騙干擾并可以有效抑制交叉干擾。干擾機每截獲到一個脈沖，估計其載頻和脈內調制特性參數，這些參數與脈沖重復頻率、到達角、到達時間共同構成了脈沖描述字，用于信號分選。本文假設干擾方已知雷達網的拓撲結構。

單部雷達干擾步驟如下:

Step 1:干擾方通過截獲的信號估計各個雷達節(jié)點的脈沖描述字，利用對雷達波形特征、脈沖寬度等確定各子站工作參數，通過到達角度、到達時間估計確定雷達網拓撲結構;

Step 2:針對雷達網的拓撲結構，以某部雷達為坐標原點設置假目標位置。為產生相互關聯(lián)的假目標，需要滿足式(5)。因此，該問題轉化為非線性最優(yōu)化問題，即

Step 3:求解方程(6)得到相關參數，干擾機對截獲的雷達信號做時延、角度和多普勒調制加工。假設網絡化雷達拓撲結構如圖1 所示，干擾機距離雷達網融合中心為RT(圖中AT)，干擾機參考角度為∠TAC。假目標距離雷達網融合中心為Rj(圖中AJ)，角度為∠JAC，vj為假目標相對于雷達網融合中心的速度。為了在雷達B 中形成相關聯(lián)的假目標，應對截獲的雷達B 波形分別作距離維時延調制、方位維時延調制和速度維多普勒調制，則

式中，RTB為干擾方估計的干擾機距離雷達B 的距離，RJB為假目標距離雷達B 的距離，雷達B 主瓣寬度為θ0，θj為干擾方估計的雷達在干擾機的方位，β為假目標的運動方向。

不斷改變預設假目標位置，重復步驟1～3 即可產生密集假目標。

圖1 假目標干擾示意圖Fig.1 False target jamming diagram

由式(5)和式(6)可知，對雷達組網系統(tǒng)干擾的干擾性能主要由干擾方對雷達網絡節(jié)點距離、角度和速度估計精度決定。單部干擾機定位精度較差且功率有限，當多部雷達組網時，干擾機資源不足，難以形成功率及位置優(yōu)勢，限制了單站干擾機的應用。

距離調制可通過對截獲信號進行時延轉發(fā)產生?，F代干擾機天線通常采用相控陣天線，當雷達站鎖定突防目標處于跟蹤模式下，根據文獻［5］描述的方法，對雷達接收天線波束進行幅度和相位的調制，產生主瓣的方位維時延。速度維多普勒調制可通過在時域上對截獲信號乘積作用一個多普勒調制因子產生。

3.2 多干擾機對空情報網密集假目標干擾產生機理

為解決單部干擾機資源不足問題并提高測距測向精度，常使用多部干擾機對抗網絡化雷達系統(tǒng)。多干擾機可以實施1 部干擾機干擾1 部雷達、1 部干擾機通過波束形成干擾網中的多部雷達和多部干擾機對多部雷達進行協(xié)同干擾的干擾模式，產生以下幾種干擾信號:

(1)超出雷達信號處理系統(tǒng)處理能力的密集假目標干擾信號，使得雷達處理系統(tǒng)飽和;

(2)部分干擾機采用壓制式干擾，另外部分采用欺騙式干擾，降低采用恒虛警檢測的網絡化雷達網檢測概率;

(3)多部干擾機轉發(fā)，且內部進行信號層面的轉發(fā)，可以形成單個或多個高度逼真的假目標干擾，造成異常空情。

前兩種干擾類型利用功率優(yōu)勢，從能量的角度降低網絡化雷達正確檢測目標的概率;第三種干擾類型利用時頻空復雜度換取功率優(yōu)勢，與雷達信號在時域頻域高度重疊從而產生難以剔除的假目標。干擾機不僅可以轉發(fā)本機截獲的信號，也可以轉發(fā)其他干擾機截獲的信號;對于空間分布在被保護目標和雷達之間的干擾機，在雷達波束照射到干擾機后將信號傳遞到其他的干擾機，在雷達波束下次掃描之前，產生具有負時延的假目標(即假目標分布在真實目標之前)。干擾步驟和單部雷達干擾類似，首先將雷達網中的發(fā)射信號進行數字分離、測向、相對時差測量及信號參數測量，估計各雷達站的發(fā)射波形并反演雷達網中各站雷達幾何關系。

為了節(jié)約干擾資源，常采用干擾總功率最小準則作為干擾策略。干擾機最小發(fā)射功率為

式中，Rj為干擾機距雷達距離，γj為極化失配因子，Lj為干擾機饋線和大氣損耗，Gj為干擾機發(fā)射天線增益，Gr為雷達接收天線增益，λ 為信號波長，ξ 為由于DRFM 采樣的量化失真和發(fā)射機功放失真帶來干擾信號和脈沖失配影響因子，為雷達i 靈敏度。

在干擾總功率最小準則下，干擾網調配策略轉化為無約束線性優(yōu)化問題，即

3.3 對空情報網密集假目標干擾的作用機理

在干擾情況下，各站雷達接收機接收到的是回波和干擾混合信號，而由于干擾機采用DRFM 體制，其轉發(fā)波形和雷達發(fā)射波形高度相似。干擾方基于式(6)、式(7)及式(9)通過多次轉發(fā)形成密集假目標干擾信號。干擾信號經過匹配濾波處理可獲得脈壓增益，因此干擾及回波均會形成目標指示。雷達通過恒虛警檢測完成目標識別，各個雷達站將點跡信息送至融合中心，融合中心對每一個量測做數據關聯(lián)檢驗。假設各個雷達站檢測到Ni個量測，則共需要∑iNA·Ni次數據關聯(lián)檢驗，當網絡化雷達受到密集假目標干擾時，超密集的量測將超過雷達網信號處理能力，降低正確關聯(lián)的速度。由于干擾機對雷達的定位存在誤差，因此通過調制轉發(fā)的密集假目標在各個雷達站形成的量測存在狀態(tài)誤差，若誤差滿足式(5)，將形成雷達網難以剔除的密集假目標。

4 干擾仿真分析

由于對空情報雷達網對目標點跡關聯(lián)停留在數據層，干擾性能主要受到干擾機量測精度和波形相似度影響。為了驗證干擾效果，進行了網絡化雷達干擾仿真實驗。仿真中假設雷達網由3 部兩坐標機械掃描雷達組成。為避免信號的混疊，單部雷達站采用異頻線性調頻信號，3 部雷達關注同一空域，選取雷達站A 作為融合中心。選取雷達A 為坐標原點，采用大地地心坐標系，各雷達的相關參數如表1所示。對于較近的目標，對空情報雷達網主要工作在跟蹤模式下。此時，假目標主要影響雷達網的跟蹤性能，破壞航跡形成，擾亂已經形成的航跡。

表1 雷達網預設參數Table 1 Parameters of radar network

(1)實驗1:仿真驗證單部干擾機干擾雷達網的干擾效果

假目標分布在統(tǒng)一坐標系下x∈ (8000，9000)、y∈(11000，13000)的空域范圍內隨機分布。仿真驗證干擾效果如圖2 所示。

圖2 密集假目標干擾效果Fig.2 Jamming effect of dense false target

由圖2 可知，通過本文所描述的方法產生的假目標會在各個雷達站產生量測誤差，經過融合中心后會剔除檢驗統(tǒng)計量高于門限的假目標。

(2)實驗2:仿真驗證由于定位精度導致的預設假目標在各個雷達節(jié)點距離、角度誤差對成功干擾概率的影響

距離誤差從0 變化到200 m 并具有5 m 的步長;角度誤差從0°變化到1.4°，并具有0.1°的步長。經過200 次蒙特卡洛仿真，得到如圖3 和圖4 所示干擾性能曲線。

圖3 距離誤差－成功干擾概率關系曲線Fig.3 Jamming probability curve versus range error

圖4 角度誤差－成功干擾概率關系曲線Fig.4 Jamming probability curve versus angle error

由圖3 和圖4 可得知，網絡由3 部雷達組成比由2 部雷達組成對于干擾方的精度要求更高，否則相同條件下產生的假目標更容易被融合中心剔除。對于仿真中的3 部雷達組網，當假目標距離誤差大于80 m、角度誤差大于1°時，將很容易被網絡化雷達系統(tǒng)剔除。

5 結束語

對空情報雷達網的密集假目標欺騙干擾是現代電子戰(zhàn)在進攻編隊突防中亟需解決的問題之一。本文在分析干擾產生機理的基礎上給出了假目標在空間中的誤差對干擾效果的影響，該研究結果對干擾參數的設置以及干擾方偵查精度提出了約束。

需要指出的是，本文的結論假設雷達網中各子站雷達沒有采用抗干擾技術，且數據關聯(lián)算法僅僅停留在目標層。同時，本文的局限性在于假設各雷達子站掃描方式固定，且已知雷達網的拓撲結構和各子站的工作參數，這些問題都需要進一步研究，以獲得更好的對抗對空情報雷達網的效果。

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