摘 要： 頻率捷變雷達具備優異的低截獲和電子對抗性能。本文首先簡要回顧了雷達導引頭抗主瓣欺騙干擾的研究成果，重點闡述頻率捷變雷達導引頭的基本概念和技術特點。然后全面梳理了國內外頻率捷變雷達研究成果，總結了三種頻率捷變波形的優缺點及各自信號處理技術的研究進展。最后結合未來戰場強電子對抗環境和導引頭發展趨勢，對自適應頻率捷變和多維參數聯合捷變雷達導引頭技術的發展進行展望。
關鍵詞：雷達導引頭;頻率捷變;頻率捷變信號處理;主瓣角度欺騙干擾
0 引 言
隨著射頻存儲電路技術的快速發展，雷達導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導引頭的檢測、識別與跟蹤帶來新的嚴峻挑戰。拖曳式雷達有源誘餌[1](Towed Radar Active Decoy)和圖1所示的空射誘餌(Air Launched Decoy)[2]通過轉發截獲的雷達發射信號，在雷達導引頭主瓣波束范圍內形成大功率假目標干擾以掩蓋真實目標回波，且由于轉發干擾信號和雷達發射信號高度相關，使得傳統單脈沖測角體制雷達導引頭無法正確區分目標和誘餌，從而無法獲得正確的目標角度信息，最終引起導彈脫靶，嚴重制約和影響了精確制導武器的打擊命中率和戰場殺傷力。
為提高導彈武器系統的作戰效能，國內外相關學者針對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材料、形狀、姿態等特征，極化信息的利用可有效提高雷達導引頭的目標識別與抗干擾能力。文獻[3]中研究了全極化脈沖多普勒雷達導引頭抗干擾技術，根據目標和
干擾的極化散射特性差異，利用極化濾波技術有效抑制干擾。文獻[4]將極化技術應用到相控陣雷達導引頭中，
針對主瓣壓制式干擾，利用正交極化失配原理將干擾信號在接收端進行極化隔離;對于主瓣欺騙式干擾，采用瞬態極化識別[5]和極化相關檢測技術實現有效抑制。文獻[6]提出利用目標和干擾極化相位描述子構造出斜投影算子，采用斜投影處理來抑制雷達導引頭角度欺騙干擾。
(2) 高分辨抗干擾
由于拖曳線的存在，拖曳式誘餌與載機在角度、距離或速度上總存在微小差異。因此，雷達導引頭距離、速度以及角度分辨力的提升將有利于識別載機和誘餌。文獻[7-8]分別利用波形設計和長時間相參積累方法在時域或多普勒域完成目標和誘餌的分辨。文獻[9-10]分別提出了不同的空間角度高分辨方法以滿足導引頭多目標角度超分辨需求，實現目標與誘餌的分辨任務。此外，文獻[11]通過利用兩個相鄰匹配采樣點上蘊含的目標和誘餌特征信息，采用粒子群優化算法聯合估計目標與誘餌的參數，進而對目標和誘餌進行身份辨識。
(3) 信息融合抗干擾
多模復合導引可以更加有效全面地獲取關于目標和誘餌信息，有助于解決復雜場景下干擾對抗和目標識別問題[12]。文獻[13]以微波/紅外雙模復合制導導彈為背景，從數據融合處理角度，研究了雙模復合制導方式抗拖曳式誘餌的方法。文獻[14]基于雷達/紅外信息融合技術，研究了雷達/紅外雙模導引頭對抗拖曳式誘餌技術，針對不同作戰需求研究不同的雙模導引頭構成方案。
此外，還有脈沖前沿跟蹤法、增益突變分析法等抗干擾方法，但上述這些導引頭抗干擾方法多屬于被動抗干擾措施，未來電子對抗中處于主動地位的一方將會更具優勢。文獻[15]提出了一種導引頭主動抗干擾方法—頻率捷變技術，文獻[16]研究了頻率捷變反艦導彈導引頭相參積累技術。相比于傳統固定載頻雷達，頻率捷變雷達獨特的主動波形對抗優勢使其具備優異的低截獲和電子對抗性能，可以有效對抗壓制式和欺騙式干擾。在提升目標探測能力和抑制海浪雜波等方面，頻率捷變雷達也具有明顯的優勢。同時，頻率捷變技術也使雷達在密集電磁環境下實現頻譜資源共享，提升頻譜利用率方面具有極大的潛力。
頻率捷變技術的研究始于20世紀60年代，這一時期主要針對非相參捷變頻體制雷達的基礎特征開展廣泛研究，如測距性能[17]、目標探測性能[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的發展，逐步出現了相參捷變頻雷達技術，且已成為發展的主流，并得到了廣泛應用[23-24]。本文系統介紹了相參捷變頻雷達導引頭特點，在梳理國內外捷變頻體制雷達研究成果基礎上，總結了脈間捷變頻雷達信號處理的研究進展，并且結合未來戰場強電子對抗環境，分析了捷變頻雷達導引頭面臨的問題與未來的發展趨勢。
1 捷變頻雷達導引頭技術特點
捷變頻雷達導引頭是指在相鄰脈沖間，發射信號的載頻在較寬頻帶范圍內偽隨機迅速跳變。相較于傳統固定載頻脈沖多普勒雷達導引頭，捷變頻雷達導引頭具有良好的抗干擾性能和高距離分辨率。捷變頻雷達導引頭載頻跳變方式主要有三種，分別為脈內頻率跳變、脈間頻率跳變以及脈組頻率捷變。早期雷達受限于電子技術，載頻跳頻主要使用旋轉調諧磁控管振蕩器。由于采用機械調諧和自激震蕩方式，存在跳頻速度慢，頻率穩定度差且脈沖間相位隨機，只能實現非相參體制的捷變頻雷達，目標積累增益較低，不利于復雜環境下目標檢測跟蹤。隨著電子器件水平和集成工藝技術的發展以及全相參頻率綜合器的出現，現在捷變頻雷達多采用全相參體制。本文主要討論脈間偽隨機跳變全相參體制捷變頻雷達導引頭。捷變頻雷達導引頭發射信號可表示為
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;Tp為脈沖寬度;t^為快時間;tm=mTr為慢時間，Tr為脈沖重復間隔(pulse repetition interval，PRI);全時間t=t^+tm;u(t)為發射信號復包絡，考慮采用線性調頻信號(linear frequency modulated，LFM)，即u(t)=exp(jπγt2)，γ為調頻斜率;第m個脈沖載頻fm=f0+dmΔf， m∈{0， 1， …， M-1}，M為一個相參積累間隔(coherent processing interval， CPI)內發射脈沖個數，dm為頻率調制碼字，Δf為跳頻間隔;n(t^， tm)表示噪聲。捷變頻雷達導引頭主要具有如下特點：
(1) 強電子對抗能力。捷變頻雷達具有良好的低截獲性能，能有效對抗窄帶瞄準干擾、跨脈沖重復周期干擾及部分前拖干擾。捷變頻發射信號載頻在寬頻帶內以偽隨機方式迅速捷變，單頻點駐留時間短，被掃頻式超外差式截獲接收機偵收的概率低;而對于寬帶截獲接收機而言，雷達發射信號功率譜密度隨載頻序列移動，且截獲接收機沒有跳頻序列的先驗信息，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只能在接收到發射信號后才能進行干擾，因而能有效避免跨脈沖重復周期干擾和部分前拖干擾[26]。
(2) 良好的目標探測能力。脈間頻率捷變降低了目標長期處于雷達散射截面積(radar cross section， RCS)衰落區的可能性，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，可以消除在固定載頻雷達中經常出現的目標回波慢速起伏帶來的檢測概率損失，增加雷達探測距離[28]。此外，地面或海面反射引起的波束分裂，其最小點的角度位置和雷達工作頻率有關，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。在低空目標探測方面，頻率捷變的去相關特性也可以有效減緩多徑效應帶來的負面影響[29]。
(3) 角跟蹤精度的提高。精確制導武器的跟蹤誤差來源有多種，但當雷達導引頭接近目標，特別是諸如飛機、艦船等復雜目標時，角閃爍[30]成為尋的制導的主要測角和跟蹤誤差，其大小可能使導彈偏離目標方向[31]。而脈間頻率捷變將有效去除相鄰脈沖間回波的相關性，結合RCS加權處理，可以有效抑制復雜目標的角閃爍效應，提高雷達導引頭的跟蹤精度[32]。對于艦船等大型目標，采用頻率捷變后，可使跟蹤誤差減小為原來的14～12[33]。
(4) 對海浪雜波的去相關特性。對海末制導雷達的目標檢測能力會受到海浪雜波時間與空間相關性的影響[34]。雷達極化方式、工作頻率、天線視角及海況等因素都會影響海浪雜波特性。可見，采用脈間頻率捷變技術將使海浪雜波特性發生改變，主要表現為使同一距離分辨單元不同脈沖間海浪雜波的相關性降低。而頻率去相關后的海浪雜波在脈沖積累時等效獨立采樣脈沖數將會增多[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檢測，進而有效提升對海末制導雷達的作戰威力。
為驗證捷變頻雷達抗干擾性能，課題組與國內某研究所聯合開展了雷達外場對抗實驗。在外場對抗實驗中，雷達探測海上船舶目標，同時，船舶上載有干擾機對雷達實施干擾。圖2為捷變頻導引頭抗轉發式假目標干擾實測數據處理結果圖，雷達工作在脈沖多普勒(pulse doppler， PD)模式或者捷變頻模式，發射信號頻段為Ka頻段，一個CPI內發射128個脈沖，脈寬1 μs，信號帶寬30 MHz，跳頻間隔4 MHz，跳頻總數256個，跳頻總帶寬1 GHz。圖2(a)為PD模式下回波脈壓結果俯視圖，轉發式假目標欺騙干擾覆蓋了CPI內84.83%的脈沖。圖2(b)為捷變頻模式下回波脈壓結果，圖2(c)為捷變頻模式下按照載頻大小重排后脈壓結果，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結果，可以有效檢測目標，可見捷變頻雷達具有良好的主動波形對抗優勢。
此外，脈間頻率捷變信號也屬于寬帶信號波形，其同樣具有寬帶信號的特點。寬帶信號的顯著特點是高距離分辨力，這將有利于雜波背景下的目標檢測。高距離分辨力使得雜波分辨單元面積減小，雜波強度降低，以及雜波所占距離單元數減少，從而在雜波區中出現很多無雜波或低雜波區，利于提升對地、對海制導武器的目標檢測能力。此外，寬帶信號也可以獲取更多、更豐富的目標特征信息用于導引頭目標識別;而寬帶信號具有的高觀測精度理論上也可使導引頭跟蹤精度和跟蹤正確率大幅度提升[36]。
盡管捷變頻雷達導引頭在低截獲、抗干擾、跟蹤精度、目標識別及低空或雜波背景下目標檢測等方面具有獨特優勢，但在信號處理方面存在一些問題。不同于傳統PD雷達，捷變頻雷達導引頭脈間載頻的隨機非線性變化使得脈間相位也同樣呈現出隨機非線性變化，給脈間相參積累帶來極大挑戰[37]。此外，頻率捷變信號大工作帶寬使得目標不再符合傳統窄帶情況下點散射目標模型，而成為由不同距離單元上多個散射點組成的延展目標，這對目標檢測理論與方法也提出了新要求[36]。
2 捷變頻雷達信號處理技術現狀
1968年，Ruttenberg和 Chanzit首次提出采用脈間頻率步進脈沖串獲取高距離分辨率的方法，將頻率步進引入雷達系統[38]。Einstein在1984年從理論上詳細闡述和分析了頻率步進脈沖串獲取高距離分辨率的方法，同時提出了高分辨距離像(high resolution range profile， HRRP)的概念[39]。現有的頻率步進信號處理算法主要有逆傅里葉變換法、時域合成法、頻域合成法以及時頻處理法等[36]。針對目標與雷達間的相對運動導致回波包絡走動、距離像耦合時移和波形發散問題，文獻[40]詳細討論了頻率步進信號運動補償算法。雖然頻率步進雷達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，極易被電子偵察設備偵獲，且頻率步進信號的模糊函數為“斜刀刃”形，存在距離-多普勒耦合現象，不利于同時精確獲取目標距離、多普勒信息[41]，對此有學者提出采用隨機頻率步進脈沖信號。文獻[42]介紹了隨機頻率步進信號的相參處理方法，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[43]提出了隨機頻率步進雷達的運動補償算法。文獻[44]針對隨機步進頻率波形，提出了一種同時提取多個目標距離和多普勒信息的方法，并進一步提出了自適應分辨參考網格等兩種方法用于減少計算復雜度。脈間頻率無規律變化可以獲得良好的低截獲特性，且隨機頻率步進信號的模糊函數近似為“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的。尤其是當多目標間的旁瓣相互堆疊時，幅度較大的偽峰可能會導致虛警或掩蓋弱小目標[45]。對此文獻[46-47]分別提出Costas碼、雙曲線頻率序列等不同的優化設計載頻序列，以降低類似噪聲的隨機起伏旁瓣平臺。此外，文獻[48]通過設計失配濾波器實現旁瓣抑制。
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