相位編碼雷達(dá)干擾技術(shù)研究

李繼鋒 盛驥松

摘 要:由于相位編碼雷達(dá)采用了相關(guān)處理技術(shù),使得傳統(tǒng)的干擾樣式很難達(dá)到理想的干擾效果。為了有效干擾此種雷達(dá),首先分析相位編碼雷達(dá)信號(hào)的特點(diǎn),然后通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證的方式研究射頻噪聲干擾、部分復(fù)制干擾、移頻干擾和基于DDS的相位編碼干擾。仿真分析結(jié)果表明,射頻噪聲干擾對(duì)相位編碼雷達(dá)的干擾效果較差,另外三種干擾樣式則可在低干信比條件下達(dá)到很好的干擾效果。

關(guān)鍵詞:相位編碼信號(hào);射頻噪聲干擾;部分復(fù)制干擾;移頻干擾

中圖分類(lèi)號(hào):TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-016-03

Study of Phase-coded Radar Jamming Technology

LI Jifeng1,SHENG Jisong2

(1.Jiangsu University of Science & Technology,Zhenjiang,212003,China;2.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou,225001,China)

Abstract:Because of using correlation processing technology,phase-coded radar can not be effectively jammed by traditional jamming styles.In order to effectively jam this radar,characteristics of the phase-coded radar signal is firstly analyzed,then radio frequency jamming,part duplication jamming,shift-frequency jamming and phase-coded jamming based on DDS are studied by theoretical analysis and simulation verification.The results of simulation and analysis prove that radio frequency jamming is not effective and the other three jamming styles are effective in the case of low JSR.

Keywords:phase-coded signal;radio jrequency jamming;part duplication jamming;shift-frequency jamming

相位編碼信號(hào)是一種脈沖壓縮信號(hào),它具有大時(shí)寬帶寬積,很好地解決了雷達(dá)大探測(cè)距離和高距離分辨力之間的矛盾,具有優(yōu)良的抗干擾和低截獲概率特性,在現(xiàn)代新體制高性能雷達(dá)中得到廣泛使用[1-4]。相位編碼信號(hào)通過(guò)非線(xiàn)性調(diào)相擴(kuò)展等效頻寬,不僅降低了單位頻帶內(nèi)的信號(hào)能量,使其不易被敵人察覺(jué),同時(shí)也提高了距離分辨力和多普勒分辨力。這種信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)是采用脈沖壓縮技術(shù)后,雷達(dá)的峰值發(fā)射功率得到顯著降低,從而實(shí)現(xiàn)低截獲的目的。

1 相位編碼信號(hào)及其特征分析

相位編碼脈沖信號(hào)是常用的雷達(dá)脈壓信號(hào)之一,與線(xiàn)性頻率調(diào)制(LFM)信號(hào)類(lèi)似,相位編碼信號(hào)也通過(guò)時(shí)域非線(xiàn)性調(diào)相達(dá)到擴(kuò)展等效頻寬的目的[5]。但LFM的調(diào)制函數(shù)在某一有限域內(nèi)為連續(xù)函數(shù),而相位編碼信號(hào)的調(diào)制函數(shù)是離散的有限狀態(tài)。一般隨機(jī)相位編碼信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

S(t)=u(t)ej2πf0t=a(t)ejφ(t)ej2πf0t

(1)

式中:u(t)=a(t)ejφ(t)為其復(fù)包絡(luò);φ(t)為相位調(diào)制函數(shù);f0為載波頻率;a(t)為幅度調(diào)制函數(shù)。對(duì)二相編碼而言,φ(t)∈{0,π}或者表示為二進(jìn)制序列ck=ejφ(t)∈{-1,+1}。若假設(shè)a(t)為矩形函數(shù),Ъ:

a(t)=1, 0

0, 其他

(2)

式中:τc為子脈沖寬度;N為子脈沖個(gè)數(shù)或稱(chēng)碼長(zhǎng);τ=Nτc為編碼信號(hào)的持續(xù)期。

相位編碼雷達(dá)信號(hào)是用一定的碼字序列對(duì)載頻信號(hào)相位進(jìn)行調(diào)制而產(chǎn)生的。調(diào)制編碼序列一般為偽隨機(jī)序列,并要求其自相關(guān)性好,距離旁瓣低。常見(jiàn)的二相編碼序列為13位巴克碼序列,其編碼規(guī)律如圖1所示[6]。

圖1 13位巴克碼序列

13位巴克碼調(diào)制的相位編碼信號(hào)時(shí)域波形如圖2所示。

相位編碼信號(hào)其特征之一就是信號(hào)頻譜被展寬,信號(hào)功率散布在更寬的頻帶上,功率譜密度降低;且利用匹配濾波器處理后可以得到信號(hào)處理增益,因而輻射信號(hào)的功率可以進(jìn)一步降低。二相編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮處理后,輸出信號(hào)被壓縮為窄脈沖,具有很高的壓縮處理增益,且壓縮處理增益的大小與編碼序列的長(zhǎng)度成正比。

圖2 13位巴克碼調(diào)制的二相編碼信號(hào)時(shí)域波形

由匹配濾波器理論知道,信號(hào)通過(guò)匹配濾波器的輸出就是信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)[7,8]。對(duì)于巴克碼而言,其碼元序列為{cn},其中cn∈(+1,-1),n=0,1,…,N-1。其非周期自相關(guān)函數(shù)滿(mǎn)足:

y〣k(m)=∑N-1-|m|k=0ckc﹌+m=N, m≡0

0或±1,m≠0

(3)

巴克碼自相關(guān)函數(shù)的主副瓣比等于壓縮比,即為碼長(zhǎng)N。13位巴克碼調(diào)制的二相編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮處理后,其輸出波形如圖3所示。

圖3 13位巴克碼調(diào)制的二相編碼信號(hào)脈壓后的輸出波形

相位編碼信號(hào)的另一個(gè)特征是不存在距離-多普勒耦合問(wèn)題。這對(duì)于靜止目標(biāo)信號(hào)對(duì)消、提高雷達(dá)作用距離及速度測(cè)量精度、抗距離波門(mén)前拖、脈沖前沿跟蹤等都具有十分重要的意義。

2 相位編碼信號(hào)干擾

2.1 射頻噪聲干擾

噪聲干擾作為一種通用性很強(qiáng)的干擾措施一直得到廣泛應(yīng)用,這是因?yàn)槿魏卫走_(dá)接收機(jī)都有內(nèi)部噪聲,任何雷達(dá)接收機(jī)無(wú)論采用什么手段都無(wú)法消除內(nèi)部噪聲,所以雷達(dá)接收機(jī)的內(nèi)部噪聲一直是影響雷達(dá)探測(cè)能力的主要因素。因此只要能夠使外部噪聲干擾信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī),并使該噪聲干擾信號(hào)具有與內(nèi)部噪聲類(lèi)似的特性,則雷達(dá)無(wú)論采用什么樣的方式都無(wú)法將其去除[9]。同時(shí)噪聲干擾具有對(duì)敵方雷達(dá)信息要求較少這一優(yōu)點(diǎn)。

射頻噪聲干擾的數(shù)學(xué)模型為:

J㏒F(t)=Un(t)cos[ωjt+φ(t)]

(4)

式中:包絡(luò)函數(shù)Un(t)服從瑞利分布;相位函數(shù)φ(t)服從[0,2π]均勻分布,且與Un(t)相互獨(dú)立;載頻ωj為常數(shù),且遠(yuǎn)大于J(t)У鈉卓懟

雷達(dá)接收機(jī)接收到的回波信號(hào)中包含有目標(biāo)回波和干擾信號(hào)兩部分,則回波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為:

Sh(t)=S(t)+J㏒F(t)

(5)

式中:S(t)表示目標(biāo)回波信號(hào);J㏒F(t)表示射頻噪聲干擾信號(hào)。

圖4為射頻噪聲干擾效果圖。仿真參數(shù)為:載波頻率f0=1 MHz;采樣頻率fs=10 MHz;子脈沖寬度│觕=5 μs;碼長(zhǎng)N=13,圖4(a)中干信比JSR=5.542 3 dB,圖4(b)中干信比JSR=35.525 dB。

圖4 射頻噪聲干擾效果圖

從圖4可以看出,在干信比較小的情況下,射頻噪聲干擾不能有效地遮蓋目標(biāo)回波,干擾效果很差;而在干信比較大的情況下,雖然干擾效果有所改善,但仍然不能有效壓制目標(biāo)回波壓縮主峰。通過(guò)多次仿真證實(shí),射頻噪聲干擾對(duì)相位編碼雷達(dá)的干擾效果較差。

2.2 部分復(fù)制干擾

由于噪聲干擾的效果很差,故不得不考慮其他的干擾信號(hào)形式。從相位編碼信號(hào)的處理方法出發(fā),要想對(duì)相位編碼信號(hào)進(jìn)行有效干擾,干擾信號(hào)與相位編碼信號(hào)必須具有一定的相關(guān)性。因此,可以嘗試通過(guò)部分復(fù)制相位編碼信號(hào)作為干擾信號(hào),然后轉(zhuǎn)發(fā)出去。這樣的干擾信號(hào)既可以滿(mǎn)足與雷達(dá)信號(hào)的匹配性,又具有干擾信號(hào)的特性,因而具有較好的干擾效果[10]。

部分復(fù)制干擾1的數(shù)學(xué)模型為:

J﹑1=S(t), τc≤t≤9τc

(6)

圖5為部分復(fù)制干擾的效果圖,其中干信比JSR=3.508 4 dB。由圖5可以看出,復(fù)制干擾經(jīng)壓縮處理后產(chǎn)生了一個(gè)假目標(biāo),假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)相似度特別大,具有非常好的欺騙性干擾效果。

圖5 部分復(fù)制干擾1的效果圖

由上文分析可知,復(fù)制干擾信號(hào)來(lái)源于雷達(dá)信號(hào)的部分復(fù)制,由此可以想到通過(guò)復(fù)制雷達(dá)信號(hào)的不同部分,可能會(huì)產(chǎn)生不同的干擾效果?；谶@種想法,本文給出了部分復(fù)制干擾2的數(shù)學(xué)模型為:

J﹑2=S(t), 5τc≤t≤13τc

(7)

圖6給出了部分復(fù)制干擾2的干擾效果圖,其中干信比JSR=3.012 dB。通過(guò)對(duì)比圖5和圖6可以看出,通過(guò)復(fù)制雷達(dá)信號(hào)的不同部分,確實(shí)產(chǎn)生了不同的干擾效果。圖5中干擾信號(hào)超前于目標(biāo)信號(hào);圖6中干擾信號(hào)滯后于目標(biāo)信號(hào)。

圖6 部分復(fù)制干擾2的效果圖

2.3 移頻干擾

相位編碼信號(hào)的缺點(diǎn)是對(duì)多普勒頻率敏感,不適合探測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)的多普勒頻移會(huì)降低相位編碼信號(hào)在雷達(dá)接收機(jī)中的壓縮效果,不僅壓縮脈沖旁瓣電平會(huì)增大,而且壓縮脈沖主瓣也會(huì)惡化?；谙辔痪幋a的這一缺點(diǎn),可以考慮用移頻方法對(duì)相位編碼信號(hào)進(jìn)行干擾。移頻干擾信號(hào)的表達(dá)式為:

Jd=u(t)ej2π(f0+fd)t=a(t)ejφ(t)ej2π(f0+fd)t

(8)

式中:fd為移頻值,其余參數(shù)的表示意義同上。在移頻干擾作用下,雷達(dá)回波信號(hào)可以表示為:

Sh(t)=S(t)+Jd(t)

(9)

圖7為移頻干擾效果圖。仿真參數(shù)如下:子脈沖寬度τc=5 μs;載波頻率f0=1 MHz;碼字長(zhǎng)度N=13;采樣頻率fs=10 MHz;移頻值fd=15 kHz;干信比㎎SR=7.958 8 dB。

圖7 fd=15 kHz時(shí)的移頻干擾效果圖

由圖7可以看出,在移頻干擾作用下,旁瓣電平抬升,主瓣嚴(yán)重惡化,可以很好地壓制和欺騙雷達(dá)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的檢測(cè)。通過(guò)多次仿真發(fā)現(xiàn),選擇不同的移頻值會(huì)實(shí)現(xiàn)不同的干擾效果。圖8為fd=60 kHz,干信比JSR=9.542 4 dB時(shí)的移頻干擾效果圖。圖中抬升的旁瓣形成了逼真的假目標(biāo),從而可以起到欺騙干擾的效果。

圖8 fd=60 kHz時(shí)的移頻干擾效果圖

2.4 基于DDS的相位編碼干擾

基本原理:利用基于DDS的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)相互獨(dú)立的相位編碼信號(hào),然后通過(guò)干擾機(jī)把該信號(hào)發(fā)射出去,用該干擾信號(hào)模擬雷達(dá)回波信號(hào),通過(guò)延時(shí)、移頻等方式給敵方雷達(dá)制造干擾。

基于DDS的相位編碼干擾信號(hào)的表達(dá)式為:

SJ(t)=G?u(t)ej2πf0t=G?a(t)ejφ(t)ej2πf0t

(10)

式中:G為干擾信號(hào)的增益系數(shù),其余各參數(shù)的意義同上。干擾信號(hào)與真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)的差別在于子脈沖的寬度τcР煌。雷達(dá)收到的回波信號(hào)可以表示為:

Sh=S(t)+SJ(t)

(11)

圖9給出了基于DDS的相位編碼干擾效果圖。仿真參數(shù)如下:子脈沖寬度τc=5 μs;載波頻率f0=3 MHz;碼字長(zhǎng)度N=13;采樣頻率fs=10 MHz;干擾信號(hào)子脈沖的寬度τc=10 μs,干信比JSR=5.105 5 dB。

從圖9中可以看出,干擾信號(hào)的峰值強(qiáng)度明顯高于目標(biāo)回波信號(hào)的強(qiáng)度,能夠很好地欺騙雷達(dá)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的檢測(cè);同時(shí),在干擾信號(hào)的作用下脈壓后的信號(hào)呈現(xiàn)出旁瓣電平抬高,旁瓣寬度惡化現(xiàn)象。通過(guò)多次仿真證實(shí),只有在干信比JSR>3.521 8 dB時(shí),干擾信號(hào)峰值才能壓制住真實(shí)目標(biāo)回波峰值,從而起到干擾作用。

圖9 基于DDS的相位編碼干擾效果圖

在基于DDS的相位編碼干擾的基礎(chǔ)上,同時(shí)實(shí)施移頻干擾,干擾效果如圖10所示。其中圖10(a),(b)中的干信比分別為6.848 5 dB,7.958 8 dB。

圖10 基于DDS的相位編碼移頻干擾效果圖

從圖10中可以看出,在基于DDS的相位編碼干擾的基礎(chǔ)上,同時(shí)實(shí)施移頻干擾后,主瓣和副瓣的惡化程度更加嚴(yán)重。在干信比為6.848 5 dB,移頻值為20 kHz和干信比為7.958 8 dB,移頻值為40 kHz的條件下,干擾信號(hào)的主峰強(qiáng)度都能夠很好地壓制住真實(shí)目標(biāo)回波,能夠達(dá)到預(yù)期的干擾效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

相位編碼雷達(dá)信號(hào)是一種大時(shí)寬帶寬積信號(hào),具有優(yōu)良的低截獲和抗干擾特性。本文首先介紹了相位編碼信號(hào)及其特征,接著給出了相位編碼信號(hào)的壓縮處理過(guò)程,并對(duì)該信號(hào)及其脈壓后的信號(hào)時(shí)域波形進(jìn)行了仿真。重點(diǎn)研究了針對(duì)相位編碼信號(hào)的4種干擾樣式,仿真分析結(jié)果表明射頻噪聲干擾對(duì)相位編碼雷達(dá)的干擾效果較差,其余三種干擾樣式可以在低干信比條件下起到很好的干擾效果。

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作者簡(jiǎn)介 李繼鋒 男,1983年出生,碩士研究生。主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗。

盛驥松 男,1968年出生,研究員。主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗總體。