朱 紅,張德平,王 超,袁乃昌
(國防科技大學(xué) 四院微波中心,湖南 長沙 410073)
為提高雷達(dá)探測距離和距離分辨率,現(xiàn)代雷達(dá)普遍采用線性調(diào)頻信號。這是因為線性調(diào)頻信號通過脈內(nèi)或脈間的相干性,使得其經(jīng)過匹配濾波后能夠獲得很高的相干處理增益,可以顯著降低非相干電子干擾的壓制或欺騙干擾。文獻(xiàn)[1]針對線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)提出了一種新的相干干擾技術(shù):卷積調(diào)制干擾。其原理是將接收到的雷達(dá)信號與某視頻信號進行卷積后轉(zhuǎn)發(fā)。該方法能靈活產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙干擾和噪聲遮蓋干擾。文獻(xiàn)[2]闡述了幅度調(diào)制的一種特殊情況:間歇采樣的數(shù)學(xué)原理,對干擾效果進行了仿真,為天線收發(fā)分時體制在相干干擾上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。本文將兩種方法加以融合,形成一種可采用數(shù)字射頻存儲(DRFM)實現(xiàn)的多假目標(biāo)干擾方法。該方法可以應(yīng)用于天線收發(fā)分時體制干擾設(shè)備。
為方便討論,對文獻(xiàn)[1]中的卷積調(diào)制基本原理進行簡要介紹。設(shè)干擾設(shè)備接收到的敵方雷達(dá)信號為x(t),用一視頻信號f(t)與接收到的信號卷積后轉(zhuǎn)發(fā),即得到干擾信號為
為產(chǎn)生多假目標(biāo)欺騙干擾,視頻信號f(t)可以選為N個幅度不同、時延不同的沖擊脈沖組成的脈沖串,即
因此,卷積結(jié)果相實際上當(dāng)于將干擾設(shè)備接收的線性調(diào)頻信號經(jīng)過不同時延的延時線后加權(quán)疊加。如圖1所示。工程實現(xiàn)上,采用DRFM可以很容易實卷積調(diào)制。
圖1 加權(quán)延時疊加Fig.1 Weighted delay Stack
根據(jù)文獻(xiàn)[2]介紹間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾的基本原理,間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾可以看成是一種幅度調(diào)制干擾方法。間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在干擾設(shè)備上的基本工作過程如圖2所示。
圖2 間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾Fig.2 Interrupted-sampling and directly repeater jamming
從圖2可知,其工作過程為用一矩形脈沖串對大時寬雷達(dá)信號(一般情況下T>Ts)進行采樣,同時在前后兩個采樣間隙對采樣的信號進行轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)延時量一般大于矩形脈沖寬度。工程實現(xiàn)上可采用數(shù)字射頻存儲技術(shù)(DRFM)來實現(xiàn)。
現(xiàn)設(shè)采樣脈沖串為:
對應(yīng)的頻譜為:
式中fs=1/Ts。進入干擾設(shè)備接收機的雷達(dá)信號為x(t),以p(t)對其進行間歇采樣,則得到的采樣信號為
其頻譜為:
由(5)式,得:
因此,干擾信號頻譜是原雷達(dá)信號的周期加權(quán)延拓,加權(quán)系數(shù)為 an=τfssinc(πnfsτ)。 當(dāng) n=0 時,即為原信號頻譜。 因此該分量經(jīng)匹配濾波后會在雷達(dá)脈沖結(jié)束時刻形成與真實目標(biāo)波形完全相同的主假目標(biāo),其幅度為τfs<1,稱為采樣占空比。而其他分量X(f±nfs)發(fā)生了±nfs的頻移,可以看成是附加了±nfs的頻移干擾信號。若雷達(dá)信號為線性調(diào)頻信號,利用線性調(diào)頻信號頻移和時延之間的強耦合性,經(jīng)過脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)后,在時域上就會形成多個徑向分布的不同幅度的假目標(biāo),且以主假目標(biāo)為中心對稱分布[2-4]。但是隨n逐漸增大,頻移分量X(f±nfs)經(jīng)過匹配濾波后的失配越嚴(yán)重,輸出脈沖寬度逐漸展寬,且其幅度也不斷降低。因此,間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾一般最多只能產(chǎn)生3~5個有效的假目標(biāo)干擾。
圖3 間歇采樣經(jīng)脈壓的輸出波形Fig.3 Output of interrupted-sampling after pulse compression
如圖 3 所示,雷達(dá)信號帶寬為 100 M,脈寬為 48 μs,τ=3 μs,Ts=6 μs。一種特殊的情況是,fs=1/Ts大于信號帶寬,則所有頻移分量X (f±nfs)(n≠0) 均位于雷達(dá)匹配濾波帶寬之外,此時,干擾信號表現(xiàn)為一個主假目標(biāo)干擾。這是該干擾樣式的局限性[2,5]。
文中提出的聯(lián)合干擾方式可以根據(jù)需要產(chǎn)生所需的假目標(biāo)數(shù)目。其工作過程如圖4所示。其思想是利用卷積調(diào)制干擾能產(chǎn)生數(shù)目不受限制的假目標(biāo)的性質(zhì),同時利用間歇采樣在特定干擾平臺(機載、彈載)的工程可實現(xiàn)性。
圖4 聯(lián)合干擾示意圖Fig.4 Schematic of combination jamming
根據(jù)式(1)和式(5),可得聯(lián)合干擾信號為:
由式(2)得:
其頻譜為:
其中 Ji(f)=aiej2πftiXs(f)。 假設(shè)干擾信號 Xs(f)經(jīng)匹配濾波后的時域脈壓信號為ys(t),的首個主假目標(biāo)出現(xiàn)在T時刻,即ys(t)的主峰值出現(xiàn)雷達(dá)脈沖結(jié)束時刻。根據(jù)傅里葉變換性質(zhì),Ji(f)經(jīng)過匹配濾波后所形成的主假目標(biāo)在時間軸上比首個主假目標(biāo)滯后ti。因此J(f)經(jīng)匹配濾波后總體效果可以表示為
根據(jù)上節(jié)的討論,該式表示形成的主假目標(biāo)個數(shù)為N,同時每個主假目標(biāo)周圍分布著幅度較小的次假目標(biāo)。
工程實現(xiàn)上,根據(jù)均勻間歇采樣特性,合理選擇延遲時間,如圖 4 所示,t1=τ,ti=τ+(i*m-1)Ts,動態(tài)改變采樣脈沖寬度τ和采樣脈沖周期Ts,可以實現(xiàn)假目標(biāo)的動態(tài)分布。
合理選擇N值,可以實現(xiàn)在整個雷達(dá)脈沖重復(fù)周期內(nèi)均有假目標(biāo)出現(xiàn),實現(xiàn)假目標(biāo)的大范圍空間分布。例如,脈沖重頻為1 ms,Ts=2 μs,則在1 ms內(nèi)最多可出現(xiàn)500個主假目標(biāo)。當(dāng)然實現(xiàn)這個目標(biāo)還需考慮工程實現(xiàn)的可能性。同時,當(dāng)ti>T,即雷達(dá)脈沖結(jié)束時,可令 tj=τ+(j*m-1)Ts+Δτ,改變 Δτ,m,可實現(xiàn)主假目標(biāo)的非均勻分布。
根據(jù)圖 4 及式(12),設(shè) N=3,τ=1 μs,Ts=2 μs,雷達(dá)脈沖寬度48 μs,帶寬為100 M,加權(quán)系數(shù)全為1。仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5 聯(lián)合干擾脈壓輸出Fig.5 Output of combination jamming after pulse compression
從圖5中可以看到,第一個主假目標(biāo)出現(xiàn)在48 μs時刻,即脈沖結(jié)束時刻,其余兩個主假目標(biāo)分別出現(xiàn)在50 μs和52 μs時刻。主假目標(biāo)間距為間歇采樣周期。仿真結(jié)果與上節(jié)分析一致。
DRFM可以截獲、存儲、處理并復(fù)制雷達(dá)信號,干擾方式靈活可變,且產(chǎn)生的干擾信號與雷達(dá)信號是相干的[4]。為驗證上文所述干擾方法,可依托現(xiàn)有的DRFM平臺。該平臺主要由 FPGA、DAC與 ADC組成,DAC與 ADC工作時鐘為2.4 GHz,系統(tǒng)瞬時工作帶寬為1 GHz。測試?yán)走_(dá)信號為線性調(diào)頻信號,由 DDS產(chǎn)生,帶寬為 7 MHz,中心頻率 300 MHz,脈寬為50 μs。 信號采集設(shè)備為力科 (LeCroy)8400A型示波器,最高采樣速率達(dá)20GS/s。信號處理采用Matlab。主假目標(biāo)數(shù) N=8,τ=3 μs,Ts=6.2 μs,加權(quán)系數(shù)均為 1。 同時為在雷達(dá)徑向距離上形成假目標(biāo)分布帶,增加干擾設(shè)備對雷達(dá)的壓制距離,可在雷達(dá)信號結(jié)束時,多次讀取并復(fù)制先前存儲的雷達(dá)信號。此時,仍然保留采樣窗口,但不進行信號存儲,即工作方式保持不變。實測結(jié)果如圖6、7、8所示。
圖6 實測DDS產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號及其頻譜與自相關(guān)結(jié)果Fig.6 The spectrum and autocorrelation results of LFM signal generated by DDS
圖7 聯(lián)合干擾實測結(jié)果Fig.7 Results of combination jamming
圖8 假目標(biāo)群細(xì)節(jié)Fig.8 Details of the false target group
圖6、7、8的脈壓輸出均未加窗。從圖7時域波形可以看到,干擾信號含有較多的低頻成分,這是由DRFM平臺所帶來的影響。在用Matlab進行信號處理時,應(yīng)先濾除帶外頻譜成分。從圖7的處理結(jié)果可以看到,在時間軸上出現(xiàn)以8為單位的假目標(biāo)群,該假目標(biāo)群又以一定的周期重復(fù)出現(xiàn),形成假目標(biāo)分布帶,可以掩護處于該距離段內(nèi)的所有真實目標(biāo)。圖7所示的掩護距離達(dá)到300 μs。且該值可以任意設(shè)定。從圖8可知,對于距離分辨率低的線性調(diào)頻體制雷達(dá),可形成類似噪聲干擾的效果,且該噪聲干擾具有很強的相參性。
另外,假目標(biāo)個數(shù)N的設(shè)置還需考慮發(fā)射機的有效發(fā)射功率。在發(fā)射機功率一定的情況下,假目標(biāo)數(shù)目越多,每個假目標(biāo)獲得的有效功率越小,則其干擾距離越小。因此,實際應(yīng)用時,應(yīng)根據(jù)電子戰(zhàn)環(huán)境合理設(shè)置假目標(biāo)數(shù)目。
文中在分析卷積調(diào)制與間歇采樣的原理基礎(chǔ)上,形成適用于機載彈載等特定干擾平臺的干擾方式。該干擾方式具有形成的假目標(biāo)數(shù)目與掩護距離任意設(shè)定的特點,具有很強的實用性,可以對SAR等線性調(diào)頻體制雷達(dá)形成有效的干擾。
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