對線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)的多載波調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾

王杰貴 張鵬程

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對線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)的多載波調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾

王杰貴 張鵬程*

(電子工程學(xué)院 合肥 230037)

目前對線性調(diào)頻(LFM)脈沖壓縮雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾主要通過移頻調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)和采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)，常規(guī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣式簡單，干擾信號規(guī)律性強(qiáng)、復(fù)雜度低。該文提出一種基于間歇采樣的多載波調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)新型干擾樣式。首先引用碼片的概念對間歇采樣過程重新建模，在此基礎(chǔ)上，通過對當(dāng)前采樣碼片附加不同移頻量，結(jié)合多載波并行調(diào)制體制對其進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，利用不同次轉(zhuǎn)發(fā)信號各子載波間的干擾累積，實(shí)現(xiàn)對LFM脈沖壓縮雷達(dá)的數(shù)量、幅度、空間分布可控的逼真假目標(biāo)干擾。仿真表明該干擾樣式比移頻干擾和直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾具有更好的干擾效果。

雷達(dá)；線性調(diào)頻信號；多載波調(diào)制；間歇采樣；數(shù)字射頻存儲器；轉(zhuǎn)發(fā)干擾

1 引言

線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulated, LFM)信號在脈沖壓縮體制雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，其脈內(nèi)非線性相位特征獲得的大時(shí)寬帶寬積，很好地解決了作用距離與分辨力和測量精度之間的矛盾，回波處理采用脈沖壓縮技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的抗噪聲、抗雜波等非相干干擾性能[1,2]。如何對采用LFM信號的雷達(dá)進(jìn)行有效的干擾已成為雷達(dá)對抗領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3]。

目前，針對LFM脈沖壓縮雷達(dá)的干擾方式以相干干擾為主，主要包括直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾和調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾[4,5]。由于相干干擾需要比較準(zhǔn)確地獲取雷達(dá)信號的相關(guān)信息，通常多采用數(shù)字射頻存儲器(Digital Radio Frequency Memory, DRFM)來實(shí)現(xiàn)，考慮到收發(fā)隔離問題，干擾機(jī)主要工作在收發(fā)分時(shí)模式。對于直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾而言，采用全脈沖存儲轉(zhuǎn)發(fā)干擾能夠產(chǎn)生一個(gè)高逼真假目標(biāo)，但由于LFM信號具有很寬的脈沖寬度，使得假目標(biāo)至少滯后于真目標(biāo)一個(gè)脈沖寬度而很容易被采用距離保護(hù)門技術(shù)的雷達(dá)有效鑒別[6]；采用短脈沖存儲轉(zhuǎn)發(fā)干擾雖然解決了假目標(biāo)滯后時(shí)間過長問題，但是干擾信號相干性差，無法對LFM雷達(dá)形成有效干擾；采用間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾很好地解決了假目標(biāo)滯后時(shí)間過長問題，同時(shí)兼顧相干性，但也存在一些不足：文獻(xiàn)[7]指出間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)能夠形成以主假目標(biāo)為中心的服從辛格分布的假目標(biāo)串，但主假目標(biāo)始終滯后于真目標(biāo)，次假目標(biāo)幅度衰減很快，有效假目標(biāo)較少。文獻(xiàn)[8,9]提出了間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，通過犧牲干擾信號的相干性產(chǎn)生數(shù)量眾多的假目標(biāo)，因此對干擾機(jī)功率提出很高要求，同時(shí)由于次假目標(biāo)幅度過小且衰減較快，無法形成有效的導(dǎo)前干擾效果。針對直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾無法形成有效的導(dǎo)前干擾，文獻(xiàn)[10]基于LFM信號在距離多普勒頻率間的強(qiáng)耦合性，提出了移頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣式，該干擾樣式通過對采樣到的信號附加一個(gè)移頻量，使得假目標(biāo)在距離上產(chǎn)生一個(gè)前移，從而實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)前假目標(biāo)群干擾效果。但是在干擾過程中，為了防止雷達(dá)利用該移頻量進(jìn)行抗干擾，則要求移頻量不能太大，對于自衛(wèi)干擾而言，移頻量過小又達(dá)不到有效的干擾效果。文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]針對該問題，提出了階梯波移頻、線性函數(shù)移頻、分段線性函數(shù)移頻、隨機(jī)移頻等改進(jìn)方法，改進(jìn)移頻干擾的思想是把整個(gè)脈沖分段，在每段內(nèi)附加不同的移頻量，最終產(chǎn)生多個(gè)假目標(biāo)的干擾效果達(dá)到隱藏移頻特征而不易被雷達(dá)所識別，盡管每一段信號都與原信號是相干的，但是脈沖壓縮時(shí)各段干擾效果不能累積，使得生成的假目標(biāo)幅度均只有改進(jìn)前的單個(gè)主假目標(biāo)幅度的1/，無法形成有效干擾。通過以上分析，可以看出，直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣式簡單，無法形成有效導(dǎo)前干擾；移頻調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果的有效性與干擾信號的抗識別性不可兼得。

針對上述問題，本文將多載波調(diào)制(Multi- Carrier Modulation, MCM)[13,14]應(yīng)用到調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾中，提出了一種基于間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)體制的多載波調(diào)制新型干擾樣式，通過對間歇采樣信號進(jìn)行多載頻并行調(diào)制，很好地解決了上述問題。同時(shí)研究了關(guān)鍵參數(shù)對干擾效果影響，得到了假目標(biāo)數(shù)目、幅度以及空間分布與干擾參數(shù)之間的關(guān)系。通過對典型LFM脈沖壓縮雷達(dá)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，與直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾和移頻調(diào)制干擾相比，該干擾樣式復(fù)雜度高，相干性強(qiáng)，產(chǎn)生假目標(biāo)數(shù)量多，分布范圍廣。

2 脈沖壓縮原理和多載波調(diào)制

2.1 LFM脈沖壓縮原理

脈沖壓縮雷達(dá)通過發(fā)射大時(shí)寬帶寬積信號，接收時(shí)采用相關(guān)接收或匹配濾波對回波信號進(jìn)行壓縮，獲得窄脈沖信號，從而解決了作用距離和分辨力之間的矛盾。在該雷達(dá)系統(tǒng)中，大時(shí)寬帶寬積信號和脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)脈沖信號壓縮的關(guān)鍵，大時(shí)寬帶寬積信號的非線性相位譜提供了信號被“壓縮”的可能性，相關(guān)器和匹配濾波器則是實(shí)現(xiàn)脈沖信號壓縮的必要條件[15]。

LFM矩形脈沖信號是典型的大時(shí)寬帶寬信號，具有拋物線式的非線性相位譜。其復(fù)數(shù)形式可以寫為

回波信號通過脈沖壓縮濾波器進(jìn)行壓縮，脈沖壓縮濾波器是匹配濾波和相關(guān)接收理論的實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)匹配濾波理論可知，匹配濾波器在時(shí)刻與相關(guān)器是等價(jià)的。以匹配濾波器為例，其回波處理框圖如圖1所示。

鑒于脈沖壓縮器是脈沖壓縮雷達(dá)區(qū)別于其它雷達(dá)的最大特點(diǎn)，不失一般性，可對回波處理模型進(jìn)行簡化，忽略射頻信號在傳輸中受到的影響，回波信號經(jīng)混頻后的中頻輸出與相同的結(jié)構(gòu)。針對該信號，根據(jù)匹配濾波理論，可得匹配濾波器的單位沖激響應(yīng)為

可以看出，匹配濾波后輸出信號是單載頻信號，頻率為LFM信號的中心頻率，復(fù)包絡(luò)為

圖1 回波處理框圖

2.2 多載波調(diào)制

MCM體制在通信系統(tǒng)和新體制雷達(dá)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，其本質(zhì)是頻分復(fù)用技術(shù)，通過把可用的頻帶劃分成若干個(gè)子頻帶，在每個(gè)子頻帶上傳輸一路信號，將要傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到各子載波上同時(shí)發(fā)射出去，而實(shí)現(xiàn)信號頻帶的復(fù)用。相對于單載波調(diào)制，MCM的最大優(yōu)勢在于其并行性，各子載波傳輸?shù)目梢允莵碜酝恍旁磾?shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，也可以是來自不同信源的不同數(shù)據(jù)。子載波上的信號形式?jīng)Q定了信號的性能。在新體制雷達(dá)系統(tǒng)中，為了獲得更加復(fù)雜的波形，通過在各子載頻上與其它調(diào)制技術(shù)結(jié)合，從而提出了基于MCM體制提出的多種雷達(dá)信號形式，如多載波線性調(diào)頻信號和多載波相位編碼信號。

MCM信號的一般表達(dá)式可寫為

3 多載波調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾

在雷達(dá)系統(tǒng)中，采用MCM技術(shù)，目的是合成大帶寬提高距離分辨率和目標(biāo)的檢測概率，由于各子載波上的信號形式?jīng)Q定了信號的性能，因此在接收端需完全分離各路信號，這就要求在設(shè)計(jì)發(fā)射信號時(shí)，各路已調(diào)信號是嚴(yán)格正交的。而在干擾系統(tǒng)中，采用MCM技術(shù)，更多利用的是多載波信號的并行性，由于匹配濾波器是一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)，滿足齊次和疊加性，因此在干擾信號的設(shè)計(jì)時(shí)則無需考慮各子載波載頻間的正交性，使得干擾信號設(shè)計(jì)變得更加靈活。

3.1 間歇采樣模型

間歇采樣調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾是指截獲到雷達(dá)信號后，利用DRFM高保真采樣其中的一段后，馬上進(jìn)行調(diào)制并轉(zhuǎn)發(fā)，再采樣再調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)，采樣和轉(zhuǎn)發(fā)交替分時(shí)工作，直到采樣結(jié)束。其基本原理如圖3所示。

間歇采樣函數(shù)為一矩形脈沖脈沖串[16]，可表示為

同樣，利用分割的思想可將雷達(dá)信號表示為

間歇采樣過程為

將式(7)和式(8)式代入式(9)得

圖2 LFM信號匹配濾波時(shí)域輸出????????????圖3 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)原理示意圖

可以看出間歇采樣干擾效果為轉(zhuǎn)發(fā)信號與原信號重合碼片的脈沖壓縮輸出的疊加，其干擾效果如圖5所示。

3.2 基于DRFM的間歇采樣MCM轉(zhuǎn)發(fā)干擾

根據(jù)3.1節(jié)所得結(jié)論，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果可以看成是頻帶重合碼片的相關(guān)輸出，由于轉(zhuǎn)發(fā)碼片為順序轉(zhuǎn)發(fā)，所以轉(zhuǎn)發(fā)碼片頻帶重合均在處，如果對各碼片轉(zhuǎn)發(fā)的順序進(jìn)行調(diào)整，則碼片頻帶重合的時(shí)刻就會發(fā)生變化，即假目標(biāo)的位置會發(fā)生改變，且會在多個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生假目標(biāo)，假目標(biāo)的幅度正比于頻帶重合的碼片個(gè)數(shù)。在當(dāng)前時(shí)刻我們知道采樣時(shí)刻前奇數(shù)位碼片的信息，偶數(shù)位則可根據(jù)相鄰兩奇數(shù)位進(jìn)行估計(jì)，采樣時(shí)刻之后的信號則也可通過當(dāng)前采樣時(shí)刻碼片通過附加一定的移頻量估計(jì)得到，然而，如果只是單純地改變碼片的轉(zhuǎn)發(fā)次序，雖然單個(gè)碼片內(nèi)頻率是線性增加的，但是碼片間頻率則不再是線性增加，則很容易被雷達(dá)方識別，而且該類干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)幅度較小，很可能不能形成有效干擾。

圖4 接收機(jī)間歇采樣信號的瞬時(shí)頻率?????????????圖5 各碼片干擾效果疊加原理圖

基于DRFM間歇采樣MCM轉(zhuǎn)發(fā)干擾的思想是指干擾機(jī)采樣一段雷達(dá)信號后，根據(jù)采樣信號帶寬把發(fā)射信號整個(gè)頻帶劃分成個(gè)子頻帶，各子頻帶可以有重疊部分，根據(jù)子頻帶數(shù)量和信號帶寬之間的關(guān)系選擇各子頻帶的起始頻率，子載波上的LFM信號的調(diào)諧頻率和脈沖寬度分別與采樣信號的調(diào)頻斜率和脈沖寬度相等，根據(jù)上述參數(shù)產(chǎn)生MCM干擾信號并轉(zhuǎn)發(fā)。干擾信號可看成是原信號順序相接碼片的串并轉(zhuǎn)換，碼片可以部分重疊，然后同時(shí)發(fā)射出去，利用多次轉(zhuǎn)發(fā)中斜率在同一直線上的各碼片干擾效果的累積生成多個(gè)有效假目標(biāo)。采樣時(shí)刻之后的信號以及偶數(shù)位碼片均需要估計(jì)，為了能夠充分利用采樣到的信號的相干性，在劃分頻帶時(shí)，取頻帶寬度為，且頻帶連續(xù)相接，產(chǎn)生滯后假目標(biāo)時(shí)則可直接將DRFM中的信號進(jìn)行讀取，干擾信號的設(shè)計(jì)也就變?yōu)榱舜a片的選擇和組合。MCM線性調(diào)頻干擾信號的瞬時(shí)頻率結(jié)構(gòu)如圖6所示。

根據(jù)式(12)，可以寫出該信號轉(zhuǎn)發(fā)后經(jīng)過匹配濾波器的輸出信號為

將式(16)代入式(18)，便可得到最終干擾效果。

由于延遲轉(zhuǎn)發(fā)周期正好是假目標(biāo)間隔的整數(shù)倍，所以在延遲轉(zhuǎn)發(fā)過程中，各次轉(zhuǎn)發(fā)信號的干擾效果具有累積性，各次轉(zhuǎn)發(fā)信號在某時(shí)刻重疊次數(shù)越多，生成的假目標(biāo)幅度越大；當(dāng)延遲周期不是假目標(biāo)間隔的整數(shù)倍時(shí)，各次轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果則不具有累積性，生成假目標(biāo)更密集。導(dǎo)前或滯后距離越大，生成的假目標(biāo)幅度越??；同時(shí)還可通過幅度調(diào)制因子對幅度進(jìn)行補(bǔ)償或減弱，從而實(shí)現(xiàn)破壞假目標(biāo)分布的對稱性，也可通過選擇部分碼片，或者對采樣信號附加不同的頻移量破壞假目標(biāo)分布的規(guī)律性。

4 仿真分析

由圖9可以看出，基于間歇采樣的MCM轉(zhuǎn)發(fā)干擾可形成多個(gè)導(dǎo)前導(dǎo)后的假目標(biāo)串，獨(dú)立的假目標(biāo)具有辛格包絡(luò)。假目標(biāo)數(shù)目、幅度、分布可由干擾參數(shù)控制，假目標(biāo)數(shù)目由子載波個(gè)數(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)共同決定，假目標(biāo)幅度則與當(dāng)前時(shí)刻轉(zhuǎn)發(fā)碼片和濾波器中對應(yīng)碼片完全重合個(gè)數(shù)有關(guān)，重合個(gè)數(shù)越多，假目標(biāo)幅度越大，假目標(biāo)間距由采樣周期和子載波中心頻率間隔共同決定，采樣周期越大，假目標(biāo)距離越大，子載波中心頻率越小，假目標(biāo)間隔就越小，反之亦然，假目標(biāo)的導(dǎo)前最大距離由間歇采樣周期決定，采樣周期越小，導(dǎo)前距離越大?？梢?，仿真結(jié)果與理論分析一致。與間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾和移頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾相比，MCM轉(zhuǎn)發(fā)干擾的干擾信號復(fù)雜，設(shè)計(jì)靈活，干擾范圍廣，具有比前者更好的干擾效果。

圖6 MCM干擾信號的瞬時(shí)頻率??????圖7 信號串并轉(zhuǎn)換干擾效果?????圖8 間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)和移頻干擾效果

圖9 間歇采樣MCM轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前LFM脈沖壓縮雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)干擾存在的一些問題，本文提出了一種多載波調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)新型干擾樣式，在理論上對干擾效果進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了干擾參數(shù)與干擾效果之間的約束關(guān)系，可以看出，多載波干擾可以實(shí)現(xiàn)對LFM導(dǎo)前、導(dǎo)后的假目標(biāo)群干擾，通過合理選擇子頻帶個(gè)數(shù)、采樣周期和子載波幅度調(diào)制參數(shù)，可以控制假目標(biāo)幅度起伏特性、假目標(biāo)數(shù)量以及假目標(biāo)導(dǎo)前和滯后距離，是一種新型的干擾樣式，通過仿真分析，驗(yàn)證了理論分析的正確性，本文的分析結(jié)果可為新型干擾機(jī)設(shè)計(jì)和干擾戰(zhàn)術(shù)實(shí)施提供理論依據(jù)。

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Multi-carrier ModulationRepeaterJamming against Linear Frequency Modulated Pulse-compression Radar

Wang Jie-gui Zhang Peng-cheng

(,230037,)

Repeater deception jamming against Linear Frequency Modulated (LFM) pulse-compression radar is realized by frequency-shift repeater and direct repeater jamming so far. Conventional repeater jamming type is simple. Regularity of jamming signal is strong and complexity is low. A new repeater jamming type with multi-carrier modulation based on intermittent sampling is proposed. Firstly, the model of intermittent sampling is rebuilt with the code chip concept. Based on this, lifelike false targets with the quantity, amplitude and space distribution which can be controlled are produced by attaching different frequency-shift component to the present sampling code chip, deserializing signal used multi-carrier parallel modulation system and utilizing the accumulation of different times repeater signal jamming effect among sub-carriers. The simulation results show that the new jamming type has better performance than frequency-shift jamming and direct repeater jamming.

Radar; Linear Frequency Modulated (LFM) signal; Multi-carrier modulation; Intermittent sampling; Digital Radio Frequency Memory (DRFM); Repeater jamming

TN958

A

1009-5896(2015)11-2727-08

10.11999/JEIT150193

2015-02-03；改回日期：2015-04-01；

2015-06-26

張鵬程 15755109092@139.com

國家自然科學(xué)基金(61171170)

The National Natural Science Foundation of China (61171170)

王杰貴： 男，1969年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娮訉?、信號與信息處理、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等.

張鵬程： 男，1990年生，碩士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)及雷達(dá)對抗理論與技術(shù).