基于Keystone變換的正交投影欺騙干擾消除方法

粘朋雷，李國林，尹洪偉

(海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺(tái)　264001)

?

基于Keystone變換的正交投影欺騙干擾消除方法

粘朋雷，李國林，尹洪偉

(海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺(tái)264001)

0引言

線性調(diào)頻脈沖信號(hào)以其高的探測距離和距離分辨率，越來越多的被應(yīng)用于高分辨雷達(dá)和引信設(shè)備中。隨著DSP、DDS、DRFM等數(shù)字器件應(yīng)用于先進(jìn)的干擾設(shè)備，使得各種引信信號(hào)很容易被識(shí)別后存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)引信產(chǎn)生有效的欺騙干擾[1-3]，特別是基于DRFM技術(shù)的假目標(biāo)干擾，對(duì)引信信號(hào)進(jìn)行截獲、采樣、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，具有與引信信號(hào)高度相關(guān)的干擾形式[4]，獲得引信很高的處理增益。假目標(biāo)干擾通過發(fā)射早于回波且功率比回波信號(hào)高的干擾信號(hào)，使得引信誤判早炸，從而保護(hù)真實(shí)目標(biāo)。

基于FRFT等時(shí)頻轉(zhuǎn)換類方法[5]可以在時(shí)頻域?qū)⒏蓴_與回波進(jìn)行分離，但是當(dāng)回波信號(hào)與干擾信號(hào)高度相關(guān)時(shí)，在時(shí)頻域也是高度重合的，無法進(jìn)行有效的分離?；诿}間參數(shù)變換的抗干擾方法[6]可在一定條件下抑制假目標(biāo)欺騙干擾，但是每次參數(shù)變化需要比較大，當(dāng)設(shè)備參數(shù)無法在很大范圍進(jìn)行變化，該方法將無法有效實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[7]提出了一種應(yīng)用于雷達(dá)的靈巧干擾剔除技術(shù)，但是對(duì)于引信這種體積小的裝備不適合安裝體積過大帶發(fā)射接收天線的剔除裝置。文獻(xiàn)[8-9]提出的方法分別從時(shí)域和頻域分離目標(biāo)回波信號(hào)和單個(gè)假目標(biāo)干擾，但無法對(duì)多假目標(biāo)干擾進(jìn)行有效的抑制。

由于干擾設(shè)備可產(chǎn)生與引信信號(hào)形式相同的干擾信號(hào)，在時(shí)域和頻域與目標(biāo)回波信號(hào)高度重疊，導(dǎo)致引信無法正確區(qū)分接收信號(hào)為回波信號(hào)還是干擾信號(hào)，針對(duì)這一問題，本文提出一種基于Keystone變換的正交投影欺騙干擾消除方法。

1Keystone變換識(shí)別假目標(biāo)干擾原理

LFM脈沖引信開始工作后不斷發(fā)射LFM信號(hào)，通過接收信號(hào)與原信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮，獲得目標(biāo)位置，判斷目標(biāo)是否在到達(dá)引信起爆距離。當(dāng)引信受到假目標(biāo)欺騙干擾時(shí)，接收信號(hào)將含有目標(biāo)回波信號(hào)和假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)，由于假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)在頻率上高度重疊，具有很高的相關(guān)性，因此無法通過時(shí)域和頻域以及時(shí)頻域變換的濾波對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行有效抑制。

1.1目標(biāo)回波信號(hào)Keystone變換

考慮到目標(biāo)回波信號(hào)與假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)的頻域基本完全重疊，而時(shí)域上的混疊卻是隨脈沖周期不斷變化，因此從時(shí)域上對(duì)引信回波信號(hào)與干擾信號(hào)進(jìn)行分析。

設(shè)引信發(fā)射的第m個(gè)脈沖信號(hào)為：

(1)

其中，Tr為脈沖重復(fù)周期，Tp為脈沖寬度，f0為載頻，t是總時(shí)間，假設(shè)信號(hào)幅值為單位幅度。令t′=t-mTr是快時(shí)間，tm=mTr是慢時(shí)間，則引信在第m個(gè)脈沖周期內(nèi)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)下變頻后，其基帶信號(hào)可表示為：

(2)

由于引信開始工作發(fā)射信號(hào)時(shí)，彈目距離已經(jīng)較近，且徑向速度近似于勻速，因此假定在tm時(shí)間里，彈目之間以徑向速度v勻速飛行，并以引信開始發(fā)射信號(hào)時(shí)彈目距離為R0，由于假目標(biāo)需要接收引信信號(hào)后才能產(chǎn)生假目標(biāo)干擾信號(hào)，而此時(shí)目標(biāo)回波信號(hào)已經(jīng)反射，因此引信初次脈沖壓縮確定的距離值作為R0，則：

(3)

將回波基帶信號(hào)從快時(shí)間域變換到頻域得：

(4)

(5)

對(duì)式(5)在快時(shí)間域進(jìn)行傅里葉反變換得：

(6)

1.2假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)Keystone變換

引信所解決問題和完成任務(wù)的特殊性使其與雷達(dá)具有一些特殊的工作方式，引信實(shí)質(zhì)上是一個(gè)距離跟蹤設(shè)備，對(duì)引信的干擾效果也就不同于雷達(dá)，如果干擾信號(hào)每次都滯后于回波信號(hào)，則無法使得引信早炸，無法達(dá)到欺騙干擾的效果，所以干擾設(shè)備截獲編譯出假目標(biāo)干擾信號(hào)后，不斷地改變發(fā)射干擾信號(hào)的間隔，以期在引信回波信號(hào)達(dá)到引信起爆條件前，干擾信號(hào)與原信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮時(shí)達(dá)到檢波器所需的比較電平，從而使得引信早炸。因此相對(duì)于引信回波信號(hào)，干擾信號(hào)使得引信處理結(jié)果相當(dāng)于不斷改變假目標(biāo)的距離，即：

干擾信號(hào)所產(chǎn)生的距離變化不僅僅是彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，主要是干擾信號(hào)自身欺騙產(chǎn)生的，因此Rj的相對(duì)于引信回波信號(hào)中的初始距離R0是一個(gè)逐漸變化的值，假設(shè)干擾信號(hào)具有與引信回波信號(hào)相同的信號(hào)形式，因此干擾信號(hào)經(jīng)下變頻后處理得到的基帶信號(hào)可表示為：

(7)

對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行尺度變換后可得：

(8)

(9)

2基于Keystone變換的正交投影假目標(biāo)干擾消除方法

假目標(biāo)干擾信號(hào)為了使引信早炸，在時(shí)間上與目標(biāo)回波信號(hào)存在差異，并且需要不斷地改變與回波信號(hào)時(shí)間的差異值，以其達(dá)到引信起爆條件。由式(9)可見，當(dāng)對(duì)引信接收信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮后，不同脈沖周期的接收信號(hào)的相關(guān)峰中，回波信號(hào)的相關(guān)峰位于相同的位置，而干擾信號(hào)的相關(guān)峰位置不斷發(fā)生較大變化，因此假目標(biāo)干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)屬于不同的信號(hào)空間，使用正交投影方法可將干擾信號(hào)濾除。

圖1系統(tǒng)原理圖
Fig.1The schematic diagram of the system

接收信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮以前，先進(jìn)行Keystone尺度變換，將目標(biāo)回波信號(hào)越距離走動(dòng)現(xiàn)象消除，再通過正交投影將假目標(biāo)干擾信號(hào)消除，最后通過Keystone反變換得到消除干擾的接收信號(hào)，原理框圖如圖1所示。設(shè)引信接收信號(hào)經(jīng)Keystone變換后進(jìn)行正交投時(shí)在離散時(shí)間的n的輸入向量為：

x(n)=[x(1),x(2),…,x(n)]T

(10)

它是目標(biāo)回波向量sr(n)、假目標(biāo)干擾向量sj(n)和加性白噪聲w(n)的混合，即

x(n)=sr(n)+sj(n)+w(n)

(11)

簡記為：

x=sr+sj+w

(12)

當(dāng)數(shù)據(jù)向量x通過投影后得：

(13)

由于欺騙干擾信號(hào)是干擾設(shè)備隨機(jī)發(fā)射，引信無法判斷其發(fā)射時(shí)間，而目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)Keystone變換后，都具有相同的時(shí)間延遲，而且只與起始彈目距離R0有關(guān)，因此投影矩陣[10]可選為

(14)

(15)

(16)

噪聲干擾與線性調(diào)頻信號(hào)是不相關(guān)的，所以

(17)

將式(15)(16) (17)代入式(13)得：

(18)

對(duì)式(18)所得正交投影后的信號(hào)向量進(jìn)行Keystone反變換，可得到消除了假目標(biāo)干擾信號(hào)的接收信號(hào)。

3仿真驗(yàn)證

仿真以線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)為例，對(duì)基于Keystone變換的正交投影方法抗假目標(biāo)欺騙干擾效果進(jìn)行仿真分析，目標(biāo)回波信號(hào)LFM信號(hào)的脈沖寬度設(shè)為200 μs，調(diào)頻率為5 kHz/μs，采樣率為5 MHz。假設(shè)存在兩分量假目標(biāo)干擾回波，每個(gè)分量干擾信號(hào)具有與目標(biāo)信號(hào)相同的信號(hào)形式，相對(duì)于目標(biāo)回波分別延遲50 μs，150 μs，信噪比SNR=-5 dB。

圖2為目標(biāo)回波信號(hào)的時(shí)頻域圖，圖3為引信接收信號(hào)的時(shí)頻域圖，其中接收信號(hào)含有兩分量的假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)，從兩圖的比較可知，目標(biāo)回波信號(hào)與接收信號(hào)在頻域基本完全重合，而時(shí)域回波也被完全淹沒，無法識(shí)別檢測。

當(dāng)SJR=0，引信接收信號(hào)下變頻后經(jīng)脈沖壓縮后得圖4所示波形，假目標(biāo)干擾經(jīng)脈沖壓縮得到與目標(biāo)回波信號(hào)相當(dāng)?shù)脑鲆?，無法正確識(shí)別干擾與回波。經(jīng)本文信號(hào)處理方法后進(jìn)行脈沖壓縮，所得結(jié)果如圖5所示。從圖4知引信無法正確識(shí)別接收信號(hào)是目標(biāo)回波信號(hào)還是假目標(biāo)干擾信號(hào)，經(jīng)過干擾消除后，欺騙干擾信號(hào)被有效的抑制，而且噪聲也被有效的濾除，說明本文方法對(duì)欺騙干擾信號(hào)的消除有良好的效果。

為定量說明本文所提方法的有效性，選取兩個(gè)指標(biāo)來衡量對(duì)干擾信號(hào)的消除性能：對(duì)消前后干擾信號(hào)脈壓峰值功率比(PPRJ)和目標(biāo)回波信號(hào)脈壓峰值功率比(PPRT)，本文中兩個(gè)指標(biāo)取干擾消除前后脈沖壓縮峰值處的功率之比。

圖6和圖7為干擾信號(hào)相對(duì)于目標(biāo)回波信號(hào)延時(shí)0.2 μs時(shí)，信噪比分別為SNR=0 dB，SNR=-5 dB，SNR=5 dB條件下，PPRJ和PPRT隨著信干比SJR的變化關(guān)系圖。

由圖6知，當(dāng)信干比較低時(shí)，干擾信號(hào)脈壓峰值功率下降較大，即干擾信號(hào)越強(qiáng)，干擾抑制效果越好，當(dāng)信干比較高時(shí)，干擾信號(hào)脈壓峰值功率下降較小，但由于此時(shí)信號(hào)功率較強(qiáng)，所以仍會(huì)有較好的干擾抑制效果。而且由于噪聲在不同子空間均具有一定的能量分布，因此當(dāng)信噪比較高時(shí)，其在干擾子空間的能量也相對(duì)較大，相對(duì)補(bǔ)充了正交投影后干擾信號(hào)能量，因此信噪比較高時(shí)，PPRJ也較高。

由圖7知，正交投影較好地保持了信號(hào)子空間的能量，目標(biāo)回波信號(hào)脈壓峰值功率比基本為零，而且由于與干擾信號(hào)屬于不同的子空間，因此基本不受信干比的影響，而且對(duì)噪聲也不敏感。這表明干擾對(duì)消后基本不影響目標(biāo)回波信號(hào)的能量。

圖2　目標(biāo)回波信號(hào)圖Fig.2　The target echo signal

圖3　引信接收信號(hào)圖Fig.3　The fuze received signal

圖4　信號(hào)處理前脈沖壓縮圖Fig.4　Pulse compressionbefore processing signal

圖5　信號(hào)處理后脈沖壓縮圖Fig.5　Pulse compression afterprocessing signal

圖6　PPRJ與SJR的關(guān)系Fig.6　The relationship betweenPPRJ and SJR

圖7　PPRT與SJR的關(guān)系Fig.7　The relationshipbetween PPRT and SJR

4結(jié)論

本文提出基于keystone變換的正交投影欺騙干擾消除方法。該方法研究了干擾信號(hào)與回波信號(hào)經(jīng)keystone變換后在時(shí)域上的差異，精確地構(gòu)造正交投影矩陣，通過正交投影方法將假目標(biāo)干擾消除。

仿真實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠有效地抑制假目標(biāo)干擾信號(hào)，保持目標(biāo)回波信號(hào)的脈壓功率基本不變，并能在欺騙干擾信號(hào)存在多個(gè)假目標(biāo)分量時(shí)有效地檢測出目標(biāo)回波信號(hào)。

參考文獻(xiàn):

[1]張煜,楊紹全.對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的卷積干擾技術(shù)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2007, 29(6): 1408-1411.

[2]葛青林, 王瑩瑩, 李靜. 一種產(chǎn)生雷達(dá)多假目標(biāo)的卷積調(diào)制法[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2012， 40(1): 137-139.

[3]胡敏, 李國林, 張穎. 數(shù)字多時(shí)延靈巧干擾信號(hào)研究[J]. 電訊技術(shù), 2010, 50(6): 21-27.

[4]GrecoM,GiniF,FarinaA.Radardetectionandclassificationofjammingsignalsbelongingtoaconeclass[J].IEEETrans.OnSignalProcissing, 2008, 56(5):1984-1993.

[5]仇兆煬，陳蓉，汪一鳴. 基于FRFT的線性調(diào)頻信號(hào)欠采樣快速檢測方法[J].電子學(xué)報(bào), 2012,40(11):2165-2170.

[6]AkhtarJ.OrthogonalblockcodedECCMschemesagainstrepeatradarjammers[J].IEEETrans.OnAerospaceandElectronicSystems, 2009,45(3):1218-1226

[7]王存衛(wèi),王永良,李榮峰.一種有效的靈巧干擾剔除技術(shù)[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,24(4):244-246.

[8]張淑寧，趙惠昌，熊剛. 基于延時(shí)變化量估計(jì)的偽碼引信抗欺騙式干擾方法[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2008,29(1):326-330.

[9]盧剛，唐斌，羅雙才.LFM雷達(dá)中DRFM假目標(biāo)自適應(yīng)對(duì)消方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2011，33(8):1760-1764.

[10]張賢達(dá).矩陣分析與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004：657-673.

摘要:針對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號(hào)對(duì)線性調(diào)頻引信產(chǎn)生的假目標(biāo)欺騙干擾問題，提出一種基于keystone變換的正交投影干擾抑制方法。該方法利用假目標(biāo)干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)在時(shí)域上的差異，對(duì)引信接收信號(hào)進(jìn)行keystone變換，消除了目標(biāo)回波信號(hào)的越距離單元走動(dòng)，從而構(gòu)造出正交投影矩陣，通過正交投影技術(shù)濾除假目標(biāo)欺騙干擾。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效地抑制假目標(biāo)干擾信號(hào)，并保持目標(biāo)回波信號(hào)的脈壓功率基本不變，同時(shí)對(duì)多目標(biāo)干擾也驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞:欺騙干擾；keystone變換；距離走動(dòng)；正交投影

Deception Jamming Erasing Based on Keystone Transform and Orthogonal ProjectionNIAN Penglei, LI Guolin, YIN Hongwei

(Naval Aeronautical and Astronautial University, Yantai 264001, China)

Abstract:An orthogonal projection method based on Keystone transform to counter the deception jamming to the LFM fuze was proposed in this paper. The difference between the false target signal and the echo signal in time domain was utilized, and through Keystone transform, the echo target range migration was eliminated, then orthogonal projection array was got and used to filtering the false target deception jamming signal. Simulation results showed that the method could effectively excise the false target deception jamming, and keep the echo signal pulse compression power. The method is appropriate to the multi-target jamming erasing.

Key words:deception jamming; keystone transform; range migration; orthogonal projection

中圖分類號(hào):TN973

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-1194(2015)06-0051-04

作者簡介:粘朋雷(1986—)，男，山東萊陽人，博士研究生，研究方向：武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程。E-mail:nianpl@126.com。

*收稿日期:2015-06-10