對脈沖壓縮雷達(dá)的偵收、識別與干擾

吳 揚，司 毅，馬 力

（1.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州225001；2.海軍駐揚州723所軍事代表室，揚州225001）

0 引 言

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，電磁信號環(huán)境變得越來越復(fù)雜，新體制雷達(dá)不斷涌現(xiàn)，其抗干擾能力不斷完善，這對當(dāng)代雷達(dá)對抗系統(tǒng)內(nèi)雷達(dá)偵察設(shè)備的信號接收、分選、識別及有源干擾設(shè)備對其實施有效干擾提出了新的挑戰(zhàn)。脈沖壓縮雷達(dá)就是在21世紀(jì)初發(fā)展起來的一種新型雷達(dá)設(shè)備。其具有多個優(yōu)點：脈沖壓縮雷達(dá)采用寬脈沖發(fā)射以提高發(fā)射機的平均功率，保證足夠大的作用距離；而接收時采用相應(yīng)的脈沖壓縮算法，獲得窄脈沖，以提高距離分辨率，較好地解決了雷達(dá)作用距離和距離分辨率之間的矛盾；同時寬脈沖的應(yīng)用可使雷達(dá)帶寬擴展，使脈內(nèi)載波信號的頻率、相位調(diào)制變得十分容易，而且使雷達(dá)多普勒系統(tǒng)的分辨率得到提高；由于脈沖壓縮是雷達(dá)內(nèi)部對已知的發(fā)射信號回波做相關(guān)處理，故具有較強的抗干擾性［1］；尤其是大時寬帶寬積的脈沖壓縮雷達(dá)信號使得在搜索與引導(dǎo)雷達(dá)的發(fā)射機設(shè)計中應(yīng)用固態(tài)功率器件成為可能。

對當(dāng)今雷達(dá)對抗系統(tǒng)內(nèi)的雷達(dá)偵察設(shè)備而言，其信號處理分機僅僅依據(jù)偵收到的雷達(dá)脈沖的載頻、到達(dá)時間、到達(dá)角度和脈寬等雷達(dá)信號的外部特征已無法快速、準(zhǔn)確地完成對包括脈沖壓縮雷達(dá)在內(nèi)的低截獲概率雷達(dá)信號的分選和識別?；诶走_(dá)信號脈內(nèi)細(xì)微特征的提取、分析、識別技術(shù)已成為當(dāng)代雷達(dá)偵察設(shè)備必不可少的重要組成部分。而采用脈沖壓縮體制的雷達(dá)利用其收、發(fā)雷達(dá)波形的相干性來實現(xiàn)相干積累，顯著降低了傳統(tǒng)雷達(dá)對抗系統(tǒng)有源干擾設(shè)備對其所采用的壓制或欺騙干擾效果，因此采用相干干擾技術(shù)也已成為現(xiàn)代有源干擾設(shè)備設(shè)計的必然方向。

圖1 脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)組成方框圖

1 脈沖壓縮雷達(dá)技術(shù)概述

1.1 脈沖壓縮雷達(dá)的組成

脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)組成見圖1。

由圖1可見脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)與其它體制雷達(dá)的最大區(qū)別，是在主振放大鏈發(fā)射機中多了一個脈沖壓縮波形產(chǎn)生器，在雷達(dá)接收機中多了一個脈沖壓縮處理器，其它部分則與一般雷達(dá)相同。

1.2 脈沖壓縮雷達(dá)信號波形調(diào)制形式及其優(yōu)缺點

脈沖壓縮雷達(dá)的設(shè)計包括脈沖壓縮信號的設(shè)計、信號的產(chǎn)生和處理這3個方面的內(nèi)容。目前常用的脈壓信號有線性調(diào)制信號和非線性調(diào)制信號。典型的線性調(diào)制脈壓信號是線性調(diào)頻信號，而典型的非線性調(diào)制信號有非線性調(diào)頻信號和相位編碼信號2類。不同脈沖壓縮信號的系統(tǒng)性能各不相同，而與之相應(yīng)的處理設(shè)備和技術(shù)復(fù)雜程度也不一樣。

線性調(diào)頻信號最容易產(chǎn)生，壓縮脈沖的形狀和信噪比對多普勒頻移不敏感，因而很受歡迎。但它也存在缺點：一是目標(biāo)測量與其回波信號的多普勒頻移相關(guān)；二是為降低脈沖壓縮后回波的時間副瓣電平，需在時間域和頻率域上進(jìn)行加權(quán)處理，從而會引起1～2dB的信噪比損失，同時會導(dǎo)致其距離分辨率也有所下降。非線性調(diào)頻信號通過信號設(shè)計可以達(dá)到特定的距離副瓣電平，無需做加權(quán)處理，故無信噪比損失，但當(dāng)回波信號受到多普勒頻率調(diào)制時，信噪比會迅速下降，同時因其系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，現(xiàn)在其實際應(yīng)用還較少。

相位編碼信號將寬脈沖分為許多短的子脈沖。這些子脈沖寬度相等，但各以特殊的相位發(fā)射，以實現(xiàn)極低的距離副瓣。由于這類信號的相位是離散狀態(tài)，它的產(chǎn)生和處理與調(diào)頻信號相比要簡單得多，也更適合用數(shù)字方式處理［2］。常用的有二相編碼信號和四相編碼信號這2種。二相編碼信號的相位編碼多采用長度為7位或13位的Barker碼；四相編碼信號的相位編碼多采用長度為13位的Frank碼。雖然相位編碼信號有以上優(yōu)點，但其在受多普勒頻率調(diào)制時，時間副瓣會增加，信噪比會迅速下降。

2 對脈沖壓縮雷達(dá)信號的偵收、分選與識別

脈沖壓縮雷達(dá)具有大時寬帶寬的特點，且隨著計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，對其脈內(nèi)載頻參數(shù)、相位參數(shù)進(jìn)行調(diào)制已經(jīng)不再是難題，而且調(diào)制形式不斷變化，愈加復(fù)雜。近年來在雷達(dá)對抗系統(tǒng)內(nèi)雷達(dá)偵察設(shè)備信號處理領(lǐng)域圍繞對脈沖壓縮雷達(dá)等低截獲概率雷達(dá)信號的分選識別提出了不少雷達(dá)信號脈內(nèi)細(xì)微特征分析、提取、識別的方法，同時高保真地接收處理雷達(dá)信號的數(shù)字化接收機也應(yīng)運而生。

2.1 雷達(dá)信號脈內(nèi)細(xì)微特征分析、提取、識別技術(shù)概述

脈內(nèi)細(xì)微特征分析、提取、識別技術(shù)的重點在于從已偵收到的雷達(dá)信號中提取包含脈沖包絡(luò)在內(nèi)的脈內(nèi)頻率調(diào)制和相位調(diào)制等信息。目前脈內(nèi)細(xì)微特征提取方法有很多，主要有時域自相關(guān)法、時域倒頻譜法、時序倒頻譜法、譜相關(guān)法、調(diào)制域分析法、數(shù)字中頻處理法、時頻分析法和新近正在研究的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法與小波－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等。

時域自相關(guān)法是利用求取信號的自相關(guān)函數(shù)Rs（t，t1）提取信號的細(xì)微特征的。對于脈內(nèi)不同調(diào)制信號，其自相關(guān)函數(shù)也不同，據(jù)此可達(dá)到識別信號的目的。這種方法具有實時性強、頻帶寬、原理簡單和易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點，但其只能提取少數(shù)脈內(nèi)調(diào)制特征，如線性調(diào)頻和二相編碼等，而對多相編碼以及脈內(nèi)附帶調(diào)制等復(fù)雜信號特征的提取相當(dāng)困難。

時域倒頻譜法是針對時域卷積型信號的一種處理方法，倒頻譜法首先將時域卷積信號做快速傅里葉變換（FFT），求出頻譜（功率譜），將時域卷積轉(zhuǎn)化為頻域相乘，然后取對數(shù)，變成相加，最后取逆FFT，再變換到時域。

時序倒頻譜法引入了時間序列自回歸（AR）模型，以避免傳統(tǒng)倒頻譜的模糊現(xiàn)象。這種方法運算量大，難以做到實時處理。

譜相關(guān)法是利用信號頻域的二階統(tǒng)計特性，分析信號頻率和相位調(diào)制特征，可使功率譜相近的信號區(qū)別開來，同時由于平穩(wěn)噪聲和干擾在非零周期頻率處的譜相關(guān)函數(shù)恒等于零，使得分析可以擺脫噪聲和干擾的影響。

調(diào)制域分析法以相位進(jìn)程計數(shù)為基礎(chǔ)，通過精確識別和記錄輸入信號每個零點的發(fā)生時間來分析信號相位隨時間變化的規(guī)律，直觀反映信號的調(diào)制信息，可提取各種復(fù)雜的脈內(nèi)細(xì)微特征，且具有分析脈內(nèi)附帶調(diào)制特征能力，是信號分析的重要方法，但易受噪聲影響，工程實現(xiàn)難度大。

數(shù)字中頻處理法是將射頻信號下變頻至中頻，用高速模／數(shù)（A／D）變換器對保持全部相位和幅度信息的中頻信號進(jìn)行高保真采樣，采樣后采用多種數(shù)字信號處理方法，如頻域分析、幅度和相位提取以及時頻分析相結(jié)合的綜合方法，從時域、頻域、時頻域進(jìn)行綜合提取分析，以充分利用脈壓雷達(dá)信號全部信息，其中時頻分析是研究重點。目前該方法已廣泛應(yīng)用。

時頻分析法是近年來提出的一種新的信號分析法，克服了傳統(tǒng)的短時傅里葉分析的不足，在分析非平穩(wěn)信號時可同時獲得良好的時、頻分辨率，而且信號的時頻分布直觀地反映出信號功率（幅度）、頻率（相位變化）與時間三者之間的分布關(guān)系?；谠摲椒ǖ膮?shù)提取技術(shù)，在雷達(dá)信號細(xì)微特征分析中有很好的應(yīng)用前景。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法是新近提出的一種新的雷達(dá)信號分析法，典型的有基于徑向基概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)信號識別法，它綜合了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBFNN）具有的結(jié)構(gòu)簡單、學(xué)習(xí)速度快的優(yōu)點和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）在樣本數(shù)據(jù)足夠多時可逼近貝葉斯分類器而獲得最佳分類器分類性能等優(yōu)點，可以靈活、快速和高效地識別各種復(fù)雜體制雷達(dá)，尤其對參數(shù)不全、參數(shù)畸變的雷達(dá)信號，其識別率和識別置信度也都是很高的。

小波－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法也是新近提出的一種新的雷達(dá)信號分析法。它利用小波包可對信號進(jìn)行多維多分辨率分析的特點，對雷達(dá)信號進(jìn)行信號特征提取，然后將各種雷達(dá)的信號特征作為ART2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，對其進(jìn)行雷達(dá)信號類型的識別。小波－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法雷達(dá)信號識別流程如圖2所示。

圖2 小波－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法雷達(dá)信號識別流程

小波包與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可實現(xiàn)雷達(dá)指紋識別的人工智能化。這不僅可靈活、快速和高效地識別各種復(fù)雜體制雷達(dá)，識別率高，而且對未知的雷達(dá)信號具有學(xué)習(xí)功能。

時頻分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法以及小波－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法都立足于數(shù)字化接收機，已都在當(dāng)代雷達(dá)偵察設(shè)備中實現(xiàn)應(yīng)用。

2.2 數(shù)字化接收機的設(shè)計應(yīng)用

隨著脈沖壓縮雷達(dá)脈內(nèi)頻率、相位調(diào)制日益復(fù)雜，若雷達(dá)偵察設(shè)備采用模擬接收機，將會造成偵收信號脈內(nèi)信息的丟失，致使后面的信號處理部分不能對其完成準(zhǔn)確的測量、分選和識別。而數(shù)字化接收機在采樣過程中能保留下信號的全部信息，使其對脈壓雷達(dá)進(jìn)行有效偵收。

據(jù)外媒報道，英國泰利斯公司已研制出從接收前端到后端均全數(shù)字化、全頻譜，不需濾波器，直接在天線處將射頻信號數(shù)字化，然后利用軟件和固件算法完成對所接收雷達(dá)信號的分選、識別、告警、顯示處理。以色列艾利斯萊電子戰(zhàn)公司已研制出第3代數(shù)字接收機，采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，在盡可能靠近天線的地方進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其采樣速率高達(dá)1.5GHz。該接收機的頻率分辨率為2MHz，靈敏度為－65dBm，動態(tài)范圍大于60dB，能提供百分之百的探測概率和極高的精度，并能在100ns時間內(nèi)非模糊地識別威脅，具有很高的效費比。而美國海軍水面艦艇電子戰(zhàn)改進(jìn)項目SENIP BLOCK2也為廣泛列裝在美海軍艦艇上的SLQ－32系列引入了新型數(shù)字接收機技術(shù)，并由洛克希德馬丁公司于2009年開始經(jīng)過方案設(shè)計、評審、生產(chǎn)、鑒定各階段，近兩年來已陸續(xù)進(jìn)入安裝、調(diào)試、檢測、使用階段。

在數(shù)字化接收機內(nèi)，其關(guān)鍵器件模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣速率決定了接收機的輸入帶寬和動態(tài)范圍。其面臨的工作頻率范圍一般都要求在0.5～40GHz范圍內(nèi)，而直接要作出反應(yīng)的威脅頻率也寬達(dá)2～18GHz。若以ADC器件采樣速率（fs）為1GHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，則接收機最大瞬時帶寬就限在500MHz（fs／2）左右。因此在數(shù)字接收機的實際設(shè)計中，對于其前端可以采取與傳統(tǒng)接收機相結(jié)合的方法，其中瞬時測頻、超外差及信道化體制都可應(yīng)用。

3 對脈沖壓縮雷達(dá)的有源干擾

脈沖壓縮雷達(dá)利用雷達(dá)波形的相干性來實現(xiàn)相干積累。相干波形可以顯著降低電子干擾的壓制或者欺騙效果，因而現(xiàn)代雷達(dá)對抗系統(tǒng)的電子干擾設(shè)備必須采用相干干擾技術(shù)來抵消雷達(dá)的相干處理得益。隨著高速數(shù)字電路與信號處理技術(shù)在電子戰(zhàn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)字射頻存儲器（DRFM）、直接數(shù)字合成器（DDS）等技術(shù)成為對抗包括脈沖壓縮雷達(dá)在內(nèi)的相干雷達(dá)的重要手段。究其原理，基于DRFM或DDS的相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾在數(shù)學(xué)上其實就是對雷達(dá)信號進(jìn)行不失真數(shù)字采樣、經(jīng)過一定處理后再恢復(fù)為模擬信號的過程［3］。為了保持信號的相干性，要求干擾機對雷達(dá)信號的采樣頻率必須滿足奈奎斯特采樣定律。另一方面，在工程實現(xiàn)上，一般需要干擾機采用收發(fā)隔離的2個天線同時工作，以期盡快地把轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號輻射出去［4］。

3.1 數(shù)字射頻存儲器

數(shù)字射頻存儲器（DRFM）是用于支持電子對抗措施的一項重要研發(fā)成果，它能對接收到的復(fù)雜波形進(jìn)行快速分析并生成對抗波形。DRFM能將干擾系統(tǒng)對抗復(fù)雜波形的有效性提升多個dB。其原理框圖如圖3所示，DRFM將接收到的信號下變頻成合適的中頻（IF），進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，隨后將IF信號的帶寬數(shù)字化；數(shù)字化后的信號存儲在一個存儲器中以待發(fā)送至計算機；計算機對信號進(jìn)行必要的分析和調(diào)整，以支持所采用的干擾技術(shù)；接著調(diào)整后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬射頻（RF）。變頻器接收到的頻率所采用的本振（LO）與最初變頻所采用的相同。只采用一個LO是為了保持下變頻和上變頻過程中信號相位相關(guān)。DRFM將接收到的信號數(shù)字化，發(fā)送至計算機進(jìn)行調(diào)整，重新生成相關(guān)的調(diào)整信號，再重新發(fā)送。

圖3 數(shù)字射頻存儲器原理圖

DRFM的關(guān)鍵單元是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），對其數(shù)字化的頻段，ADC必須支持2.5個采樣／Hz的數(shù)字化采樣率，且必須輸出同向正交（I＆Q）數(shù)字信號。如圖3所示，I＆Q數(shù)字化對已數(shù)字化的RF信號進(jìn)行2次／Hz采樣，相位差為90°，這樣就捕獲了數(shù)字信號的相位。值得注意的是2.5個采樣／Hz大于數(shù)字接收機所需的2個采樣／Hz的奈奎斯特采樣定律，需要這種過采樣是因為要重建信號。

DRFM有寬帶和窄帶之分，寬帶DRFM對一個可能包含多個信號的寬帶IF頻段進(jìn)行數(shù)字化，干擾機系統(tǒng)在其必須干擾的威脅信號的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，并輸出帶寬能被DRFM處理的IF信號；窄帶DRFM的帶寬只要能捕獲干擾機必須處理的最寬信號就足夠了，這意味著窄帶DRFM使用一個現(xiàn)代化ADC就能工作了。

DRFM在對抗脈沖壓縮雷達(dá)方面特別有價值。線性FM技術(shù)在每個發(fā)射脈沖上附加了線性頻率調(diào)制（FM）處理。在雷達(dá)接收機端，壓縮濾波器降低了有效脈寬，壓縮率等同于FM掃描范圍與雷達(dá)相干帶寬之比。如果干擾機生成的信號不具備這種FM，有效干信比會以壓縮因子的倍數(shù)而減小。DRFM通過生成線性FM干擾脈沖來保持充分的干信比。巴克碼脈壓技術(shù)對每個編碼的脈沖進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控FM。DRFM能生成具有正確巴克碼的干擾脈沖，保持充分的干信比。

3.2 對脈沖壓縮雷達(dá)的幾種常見干擾方式

脈沖壓縮雷達(dá)利用雷達(dá)波形的相干性來實現(xiàn)相干積累。相干波形可以顯著降低電子干擾的壓制或者欺騙效果，從而迫使現(xiàn)代的電子干擾設(shè)備必須采用相干干擾技術(shù)來抵消雷達(dá)的相干處理得益。據(jù)國內(nèi)外資料報導(dǎo)介紹，針對脈沖壓縮雷達(dá)信號波形的不同調(diào)制形式常有下列干擾方式：

（1）對線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)有鋸齒波調(diào)頻干擾［5］、間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾、正弦加權(quán)調(diào)頻干擾［6］、間歇采樣正弦調(diào)頻干擾、移頻干擾、卷積干擾、移頻＋卷積相結(jié)合的干擾［7］，規(guī)則方波和隨機方波調(diào)制干擾、前沿循環(huán)復(fù)制干擾、前沿循環(huán)復(fù)制后再進(jìn)行隨機方波調(diào)制干擾等。

（2）對相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)有間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾，而其中又有直接轉(zhuǎn)發(fā)和重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)之分。對間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾在實際干擾效果上，它能形成類似群目標(biāo)干擾，盡管這樣會帶來更高的功率要求，但在很多場合，這種干擾方式仍然有一定的應(yīng)用價值。目前對此方式進(jìn)一步的研究方向就是利用脈壓雷達(dá)相位編碼的特點，通過間歇采樣、預(yù)測編碼然后轉(zhuǎn)發(fā)以達(dá)到更佳的匹配效果。

4 結(jié)束語

以上結(jié)合工作和日常學(xué)習(xí)，綜述了脈沖壓縮雷達(dá)及其現(xiàn)代電子對抗裝備對其偵收、分選、識別、干擾的有關(guān)技術(shù)，以與同行們進(jìn)一步交流與探討，推動現(xiàn)代電子對抗裝備總體設(shè)計的發(fā)展。

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