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分布式系统多主瓣压制干扰下的协同波形设计研究

作者及机构
本研究由电子科技大学信息与通信工程学院的Rui Tan（学生会员，IEEE）、Yi Bu（学生会员，IEEE）、Bunian Pan、Xianxiang Yu（会员，IEEE）和Guolong Cui（高级会员，IEEE）合作完成，发表于2024年3月的*IEEE Sensors Journal*第24卷第6期。

一、学术背景

研究领域与动机
该研究属于雷达电子对抗领域，聚焦于多主瓣压制干扰（multiple mainlobe blanket jamming）的抑制问题。主瓣干扰通过雷达波束主瓣进入接收机，分为压制式（blanket）和欺骗式（deception）两类，其中压制干扰通过高功率噪声覆盖真实目标回波，导致信噪比（SNR）急剧下降，严重影响雷达探测性能。现有方法（如滤波技术、盲信号分离）在干扰与目标信号差异较小时效果有限，而基于频率捷变的抗干扰策略易被干扰机跟踪。因此，作者提出一种频域协同波形设计策略，通过多站点协作生成复杂频谱，干扰敌方干扰机的识别能力。

理论基础
研究基于以下关键理论：
1. 干扰机工作机制：干扰机通过信道化接收机（channelized receiver）测量雷达信号频率，优先干扰高功率频段。
2. 分布式系统优势：多站点协同可形成复杂电磁环境，降低单站点被干扰风险。
3. 波形优化理论：通过设计相位编码信号（phase-coded signal）和线性调频信号（LFM）的频谱特性，实现干扰抑制与欺骗。

研究目标
设计一种由三个站点（1个收发站、2个发射站）协同工作的波形策略，通过窄带检测信号、宽带保护信号和窄带欺骗信号的组合，使敌方干扰机无法识别真实检测信号，从而降低干扰效率。

二、研究流程与方法

1. 系统模型与协同策略

研究对象：
- 站点配置：1个收发站（Site 1）发射窄带检测信号（带宽10 MHz），2个发射站（Site 2/3）分别发射宽带保护信号（带宽60 MHz）和窄带欺骗信号（带宽10 MHz）。
- 干扰模型：两个主瓣干扰机（Jammer 1为自卫式干扰机，Jammer 2为远距离低RCS干扰机）。

信号设计：
- 检测信号（s1）：相位编码信号，优化自相关特性以提升检测性能。
- 保护信号（s2）：宽带信号，频谱在检测信号频段（25–35 MHz）形成凹槽，功率配置满足a1≈a2√(b1/(b2−b1))，使叠加后频谱平坦。
- 欺骗信号（s3）：窄带LFM信号，频段（−35至−25 MHz）与检测信号分离，功率更高（a3>a1），吸引干扰机注意力。

协同机制：三站点信号叠加后形成复杂频谱（图3d），干扰机无法准确识别检测信号，导致干扰能量分散。

2. 波形优化算法

检测信号优化（问题PP）：
- 目标：最小化局部旁瓣电平（PSL），约束其他旁瓣电平上限。
- 方法：采用MM-PMM算法（Majorization Minimization-Proximal Method of Multipliers），通过FFT/逆FFT将自相关函数转化为频域优化问题，引入辅助变量r和y，迭代更新相位编码序列p。
- 复杂度：单次迭代复杂度为O(10l log l+12l)，优于传统坐标下降法（O(l³/8)）。

保护信号优化（问题PX）：
- 目标：设计频谱凹槽以匹配检测信号频段。
- 方法：采用SHAPE算法，通过傅里叶基矩阵约束频谱形状。

3. 数值仿真验证

实验设置：
- 参数：检测信号长度M=100，保护信号K=1000，脉冲宽度T=10 μs。
- 场景：目标距离100 km，速度100 m/s，干扰信噪比（JSR）20 dB。

对比基准：
- SISO模式：单站点发射检测信号（功率41 kW）。
- MIMO模式：三站点发射正交检测信号（每站点功率13.67 kW）。

性能指标：
- 信干噪比（SINR）：定义为目标回波功率与干扰平均功率之比。
- 抗干扰效果：通过距离-多普勒（R-D）平面分析目标检测能力。

三、主要结果

1. 波形特性：

   • 检测信号旁瓣电平优化至−43 dB（局部区域）和−30 dB（其他区域），显著提升检测性能（图5）。
     
   • 保护信号在25–35 MHz频段形成凹槽，欺骗信号在−35至−25 MHz频段功率突出（图9）。
     

2. 抗干扰性能：

   • 协同模式：R-D平面清晰显示目标（图14c），SINR在JSR≤35 dB时保持>13 dB（图15）。
     
   • 对比模式：SISO/MIMO模式下目标被干扰完全覆盖（图14a-b）。
     
   • 复合干扰抑制：对压制-欺骗复合干扰（如ISDRJ、ISPRJ），协同模式仍能有效检测目标（图17）。
     

3. 适用性分析：

   • 目标距离<200 km时，站点功率需求合理（<500 kW），适合中短程探测（图16）。
     

四、结论与价值

科学价值：
1. 提出首个针对多主瓣压制干扰的频域协同波形设计框架，结合欺骗与保护双重机制。
2. 开发MM-PMM算法，高效解决相位编码序列的非凸优化问题。

应用价值：
1. 为分布式雷达系统抗干扰设计提供实用方案，尤其适用于电子战环境。
2. 通过功率与频谱的协同配置，降低单站点被攻击风险，提升系统生存能力。

五、研究亮点

1. 创新性策略：首次利用多站点频谱协作干扰敌方干扰机决策。
   
2. 算法优势：MM-PMM算法较传统方法提升计算效率，适用于长序列优化。
   
3. 全面验证：覆盖单一压制干扰、复合干扰等多种场景，验证策略鲁棒性。
   

其他发现：
- 欺骗信号功率配置需满足a3>a1，但过高会导致资源浪费，需权衡实战需求（表V）。
- 协同模式下非线性放大器可工作于近饱和区，降低波形失真风险（备注1）。

此研究为雷达抗干扰领域提供了理论突破与工程实践指导，相关算法与策略可扩展至其他电子战场景。