雷達(dá)偽隨機(jī)序列編碼方式抗干擾性能研究

劉樹(shù)鋒

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第 723研究所,江蘇揚(yáng)州 225001)

相位編碼信號(hào)是廣泛采用的一種脈沖壓縮信號(hào),其模糊函數(shù)大多呈近似圖釘形,具有很高的時(shí)延和多普勒分辨能力,易實(shí)現(xiàn)波形捷變。由于相位編碼信號(hào)雷達(dá)采用擴(kuò)譜技術(shù),其峰值功率很低,這使得常規(guī)的雷達(dá)偵察機(jī)對(duì)信號(hào)的偵收變得非常困難,甚至無(wú)法檢測(cè)到該信號(hào)。如何對(duì)相位編碼脈沖信號(hào)雷達(dá)進(jìn)行有效的干擾,各種干擾方式對(duì)相位編碼脈沖信號(hào)雷達(dá)的干擾效果是雷達(dá)設(shè)計(jì)和干擾機(jī)設(shè)計(jì)共同關(guān)心的課題。本文通過(guò)幾種干擾樣式對(duì)PR(Pseudo Random,偽隨機(jī))序列相位編碼雷達(dá)干擾的效果仿真,研究采用 PR序列相位編碼方式的雷達(dá)的抗干擾性能。

1 PR序列相位編碼原理

相位編碼波形與調(diào)頻波形不同,它將脈沖分成許多子脈沖,每個(gè)子脈沖的寬度相等,但各自有特定的相位。每個(gè)子脈沖的相位根據(jù)一個(gè)給定的編碼序列來(lái)選擇。應(yīng)用最廣泛的相位編碼波形使用兩個(gè)相位來(lái)編碼。發(fā)射信號(hào)的相位按照碼元的次序在 0°和 180°間交替變換[1],如圖1所示。由于發(fā)射頻率通常不是子脈沖寬度倒數(shù)的整倍數(shù),因此,編碼信號(hào)在反相點(diǎn)上一般是不連續(xù)的。在接收端,通過(guò)匹配濾波或相關(guān)處理得到壓縮脈沖。壓縮脈沖半幅度點(diǎn)的寬度應(yīng)等于子脈沖的寬度。因此,距離分辨力就正比于編碼碼元的時(shí)間寬度,壓縮比等于波形中子脈沖的數(shù)目,即編碼碼元的數(shù)目,波形如圖1所示。

圖1 二進(jìn)制相位編碼信號(hào)

PC方法中最常見(jiàn)的形式是使用二進(jìn)制相位編碼。相位編碼信號(hào)可表示為[2]

其中,Ci為N位碼元(N為碼元個(gè)數(shù)),脈寬 τ=N×τ0(τ0為碼元寬度), 并且

最大長(zhǎng)度序列編碼是使用中較常見(jiàn)的一種二進(jìn)制相位編碼。其結(jié)構(gòu)類(lèi)同于隨機(jī)序列,因而具有我們期望的自相關(guān)數(shù)。它們是線(xiàn)性反饋移位寄存器所能獲得的最長(zhǎng)序列。而且,結(jié)構(gòu)與偽噪聲碼相似,因而具有理想的自相關(guān)函數(shù)。最大長(zhǎng)度序列常被稱(chēng)為偽隨機(jī)數(shù)編碼(PRN)。一個(gè)典型的移位寄存產(chǎn)生器如圖2所示。

圖2 移位寄存產(chǎn)生器

最大序列的長(zhǎng)度是 2n-1,n為移位寄存產(chǎn)生器的級(jí)數(shù)。從 n級(jí)移位寄存產(chǎn)生器所能獲得的最大長(zhǎng)度序列的總數(shù)M為[3]

式中,pi為N的素?cái)?shù)因子。對(duì)于一個(gè)給定的n值存在許多不同的序列,這一點(diǎn)對(duì)那些需要長(zhǎng)度相同,序列不同的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是很重要的。通過(guò)研究原始多項(xiàng)式或不可約多項(xiàng)式,可以確定提供最長(zhǎng)序列的反饋連接。

最大序列的長(zhǎng)度N等于序列中子脈沖的數(shù)目,也等于雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)寬和帶寬的乘積。低級(jí)數(shù)寄存器能得到大的時(shí)寬帶寬積。系統(tǒng)的帶寬由時(shí)鐘的速率決定。改變時(shí)鐘速率和反饋連接方式可產(chǎn)生各種脈寬、各種帶寬和各種時(shí)寬帶寬積的脈沖。在最長(zhǎng)序列中,或的轉(zhuǎn)變次數(shù)等于 2n-1。

2 PR序列編碼方式的抗干擾性能仿真

PR序列編碼方式因?yàn)榭刹捎脽o(wú)周期性的碼字,較線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)具有更低的波形截獲概率。外部的干擾信號(hào)與真正隨機(jī)的噪聲信號(hào)做相關(guān)處理后均被隨機(jī)化,然后通過(guò)距離旁瓣抑制技術(shù)將隨機(jī)化后的外來(lái)干擾信號(hào)抑制到一個(gè)工程實(shí)用的水平。在很多性能上都優(yōu)于線(xiàn)性調(diào)頻雷達(dá)。

下面主要就白噪聲干擾,連續(xù)波干擾,相干轉(zhuǎn)發(fā)式干擾三種干擾樣式對(duì)二相碼編碼雷達(dá)的干擾效果進(jìn)行仿真,研究二相碼編碼方式雷達(dá)的抗干擾性能。

仿真條件:仿真均為在基帶的仿真,干擾信號(hào)的頻率均位于載頻上。二相碼回波放入基帶電壓為1 V,干擾電壓為 2 V。

2.1 白噪聲干擾

圖3所示為噪聲干擾對(duì)二相碼編碼方式雷達(dá)的干擾效果仿真。

圖3 白噪聲干擾

通過(guò)仿真,可以看出,噪聲干擾效果較差,因?yàn)镻C系統(tǒng)的匹配濾波器是一相關(guān)器,隨機(jī)噪聲與信號(hào)完全不相關(guān),得不到任何相關(guān)增益,而全相關(guān)的目標(biāo)則能得到全部處理增益。處理后,信號(hào)的幅度電壓為31 V,而干擾信號(hào)的最大幅度電壓為 7.5 V,可見(jiàn)白噪聲的干擾效果較差。

2.2 連續(xù)波干擾

圖4所示為連續(xù)波干擾對(duì)二相碼編碼方式雷達(dá)的干擾效果仿真。

圖4 連續(xù)波干擾

通過(guò)仿真,可以看出,連續(xù)波干擾效果較差,但較噪聲干擾效果要好。因?yàn)檫B續(xù)波信號(hào)一般會(huì)在 PC匹配濾波器中產(chǎn)生一定的相關(guān)性,可得到比噪聲波形稍高的功率增益。處理后,信號(hào)的幅度電壓為 31 V,而干擾信號(hào)的最大幅度電壓為 10 V。從圖中可以看出,雖然干擾效果較白噪聲干擾要好,但沒(méi)有明顯干擾效果。

2.3 相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾

圖5所示為相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)二相碼編碼方式雷達(dá)的干擾效果仿真,相干轉(zhuǎn)發(fā)一半的 PC波形,將兩個(gè)半碼加 1的組合方式填充 PC網(wǎng)絡(luò)。

圖5 相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾

通過(guò)仿真,可以看出,相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果較好,因?yàn)橄喔赊D(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)一般會(huì)在 PC匹配濾波器中產(chǎn)生相關(guān)性,可得到和信號(hào)類(lèi)似的較高的功率增益。它在匹配濾波器的輸出端產(chǎn)生兩個(gè)跨騎在真實(shí)目標(biāo)回波上的假目標(biāo),如圖所示。處理后,信號(hào)的幅度電壓為31V,而干擾信號(hào)的最大幅度電壓可達(dá)到30V。可以看出相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾具有明顯的干擾效果。

由于相位編碼雷達(dá)信號(hào)一般是寬脈沖或準(zhǔn)連續(xù)波信號(hào),如果將整個(gè)脈沖進(jìn)行干擾調(diào)制并發(fā)出,則干擾信號(hào)經(jīng)雷達(dá)接收機(jī)壓縮后,形成的干擾效果也會(huì)受到影響,因此,一般采用部分脈沖復(fù)制的方法,此時(shí)有較好的干擾效果[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析 PR序列碼的編碼原理,運(yùn)用仿真研究了雷達(dá) PR序列編碼方式的抗干擾性能,發(fā)現(xiàn)雷達(dá) PR序列編碼方式能有效地對(duì)抗白噪聲干擾和連續(xù)波干擾,但對(duì)抗相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果較差。因此,相干地部分轉(zhuǎn)發(fā)截獲波形的干擾方式可以有效地對(duì)付采用PR序列碼編碼方式的雷達(dá)。

[1] 丁鷺飛.雷達(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2002.

[2] 王國(guó)玉,汪連棟.雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真評(píng)估[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[3] Merrill I Skolnik.雷達(dá)手冊(cè)[M].王軍,譯.北京:電子工業(yè)出版社, 2003.

[4] 施來(lái)赫 D C.信息時(shí)代的電子戰(zhàn)[Z].成都:中電集團(tuán)第 29研究所電子對(duì)抗國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2000.