一種對相位編碼雷達(dá)導(dǎo)前假目標(biāo)干擾的新方法*

甄曉鵬，艾小鋒，李永禎，馮德軍

(國防科技大學(xué) 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，湖南 長沙　410073)

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一種對相位編碼雷達(dá)導(dǎo)前假目標(biāo)干擾的新方法*

甄曉鵬，艾小鋒，李永禎，馮德軍

(國防科技大學(xué) 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，湖南 長沙410073)

摘要：相位編碼脈沖雷達(dá)匹配濾波器不具色散效應(yīng)的獨特優(yōu)勢，使得對其進(jìn)行導(dǎo)前假目標(biāo)干擾成為技術(shù)難點與研究熱點。首先分析了相位編碼信號的特性，提出一種針對對稱結(jié)構(gòu)相位編碼序列的部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，并對假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率與復(fù)制碼元長度的關(guān)系作了詳細(xì)分析。理論分析及仿真結(jié)果表明，該方法實現(xiàn)途徑簡單，是一種頗具潛力的新型干擾方法。

關(guān)鍵詞：相位編碼；模糊函數(shù)；m序列；部分碼復(fù)制；反向轉(zhuǎn)發(fā)；導(dǎo)前假目標(biāo)

0引言

相位編碼雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的廣泛應(yīng)用使得對其進(jìn)行有效干擾成為研究的必然，國內(nèi)外在此方向的研究多集中停留在對相位編碼信號特性分析、序列優(yōu)化上，可對其進(jìn)行有效假目標(biāo)干擾的研究成果則較少。

文獻(xiàn)[1-3]分析了偽碼調(diào)相雷達(dá)工作原理，抗干擾、抗截獲及良好的測距等特性，并指出相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)信號不存在距離-多譜勒耦合問題。文獻(xiàn)[4-5]從匹配濾波器群延遲(色散效應(yīng))角度闡述了移頻干擾對線性調(diào)頻信號可形成導(dǎo)前假目標(biāo)，而對單載頻信號、相位編碼信號無法實現(xiàn)假目標(biāo)導(dǎo)前的內(nèi)在機理。文獻(xiàn)[6-7]提出運用部分碼復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)假目標(biāo)的導(dǎo)前，事實上，這種方法利用了偽隨機碼“01”局部分布不均，如對m序列整體有均衡性(0，1個數(shù)之差為1)而截取其一段則該段并沒有此特性，該方法所形成的假目標(biāo)位置和幅度有較大隨機性，并且對干擾功率要求較高。文獻(xiàn)[8]針對相位編碼m序列的編碼特點，提出了一種基于間歇采樣的預(yù)測轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，在理想條件下可取得較好假目標(biāo)導(dǎo)前的干擾效果，但前提是對碼元的準(zhǔn)確獲取并分析出整個碼元序列，干擾效果很大程度上依賴于解碼算法的準(zhǔn)確度和實時性。

本文在上述工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入分析了典型相位編碼信號的特性與結(jié)構(gòu)，提出一種基于對稱結(jié)構(gòu)編碼序列的部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，并分析了假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率與復(fù)制碼元長度的對應(yīng)關(guān)系。理論分析及仿真結(jié)果表明，該方法實現(xiàn)途徑簡單，是一種頗具潛力的新型干擾方法。

1相位編碼信號的特性

相位編碼雷達(dá)信號是雷達(dá)脈沖脈內(nèi)調(diào)制信號之一，屬于脈沖壓縮信號，壓縮處理增益與編碼序列長度成正比，雷達(dá)接收機可利用匹配接收得到壓縮處理增益，降低發(fā)射信號的峰值功率。脈內(nèi)相位編碼調(diào)制一般有二相編碼調(diào)制和多相編碼調(diào)制，設(shè)二相編碼雷達(dá)發(fā)射信號可描述為如下復(fù)數(shù)形式：

x(t)=a(t)ejφ(t)ej2πf0t,

(1)

式中：a(t)為脈寬為T1的矩形脈沖；ej2πf0t為載頻信號；φ(t)為調(diào)相函數(shù);且有

(2)

式中：pi為相位編碼信號的第i個碼元；τ為碼元寬度。

相位編碼信號具有接近圖釘型的模糊函數(shù)[9](如圖1)，這表明相位編碼信號具有較好的距離分辨力，且對多普勒頻移較為敏感。當(dāng)雷達(dá)探測運動目標(biāo)時，存在的多普勒頻移將使回波信號各子脈沖特定的相位關(guān)系受到破壞，導(dǎo)致回波在壓縮處理時增益降低，尤其是當(dāng)雷達(dá)探測高速運動目標(biāo)時，若不補償則多普勒頻移引起的失配更為嚴(yán)重。

圖1　雷達(dá)二相編碼信號模糊函數(shù)Fig.1　Ambiguity function of binary phase-coded radar signal

同時,由圖1也可以看出與線性調(diào)頻信號不同，相位編碼信號不存在距離-多普勒耦合問題，頻移并未能影響匹配接收輸出時延，故應(yīng)用移頻干擾或間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾等對線性調(diào)頻信號產(chǎn)生導(dǎo)前假目標(biāo)的干擾方法對相位編碼信號將不再適用。其本質(zhì)原因是相位編碼信號的群延遲由編碼序列P和子脈沖寬度τ決定而與頻率無關(guān)，故調(diào)制頻率不能改變匹配濾波輸出時延，探索對相位編碼信號的導(dǎo)前假目標(biāo)干擾也成為電子對抗干擾方亟待解決的問題。

2部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾

2.1干擾原理

m序列是偽隨機序列中最重要序列中的一種，序列的最大長度決定于移位寄存器的級數(shù)，而碼的結(jié)構(gòu)決定于反饋抽頭的位置和數(shù)量，不同的抽頭組合可以產(chǎn)生不同長度和不同結(jié)構(gòu)的碼序列[10-11]，它不但具有易于產(chǎn)生的特點，還具有良好的自相關(guān)特性，在擴(kuò)頻通信及相位編碼雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

通過對部分碼復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果分析可知，當(dāng)用窗函數(shù)截取m序列的一段，可得該段與原序列的互相關(guān)性將降低的結(jié)論。因此可以考慮，將m序列復(fù)制前一段后進(jìn)行反向轉(zhuǎn)發(fā)，其互相關(guān)性又將如何？經(jīng)反復(fù)分析發(fā)現(xiàn)m序列除具有周期性、均衡性外，在一定條件下還具有局部對稱性，即在一定級數(shù)移位寄存器抽頭結(jié)構(gòu)與初始狀態(tài)下將產(chǎn)生局部對稱結(jié)構(gòu)的m序列，如文獻(xiàn)[12]運用平移截斷法通過計算機篩選所獲得的最優(yōu)409位及101位m序列相位編碼信號就具有該對稱結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)將該兩序列復(fù)寫如下，序列的自相關(guān)函數(shù)如圖2所示，由文獻(xiàn)[12]及編碼優(yōu)選理論分析，知該兩序列有最大的主旁瓣比(28.7，24.6)dB。

A、409位長

B、101位長

圖2　給定碼組相位編碼信號的自相關(guān)函數(shù)Fig.2　Autocorrelation function of phase-coded signal with the given sequence

經(jīng)分析可發(fā)現(xiàn)若A序列以b點為截點分為前后2部分，b點之前的188位碼元以a點對稱，b點之后的221位碼元則以c點對稱，而101位相位編碼具有類似的對稱結(jié)構(gòu)。對于具有該局部對稱結(jié)構(gòu)的相位編碼信號可以通過部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)前與滯后的假目標(biāo)，具體干擾過程可描述為：在干擾機探測到雷達(dá)發(fā)射信號之后，運用數(shù)字射頻存儲(DRFM)技術(shù)[13-14]對信號無失真采樣，截取其中一段并對該段相位編碼信號反轉(zhuǎn)放大發(fā)出，對雷達(dá)接收站進(jìn)行干擾。

以該409位相位編碼信號為例(下文同)，干擾信號在理想條件下(未考慮噪聲、干擾機系統(tǒng)延遲等其它因素時)，干擾信號與目標(biāo)回波信號通過匹配濾波器的過程如圖3所示，圖中對稱排列的數(shù)字代表對稱的碼元結(jié)構(gòu)。在t1時刻復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號將出現(xiàn)峰值，雷達(dá)回波信號通過匹配濾波器后在t2時刻出現(xiàn)峰值，即在目標(biāo)回波匹配輸出之前出現(xiàn)干擾峰值，實現(xiàn)假目標(biāo)的導(dǎo)前。

圖3　部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾匹配濾波過程示意圖Fig.3　Matched filtering process of partial elements copy and reverse repeater jamming

2.2干擾參數(shù)分析

由上節(jié)圖3干擾過程可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)的碼元在一個對稱結(jié)構(gòu)的前半部分中時，復(fù)制的碼元長度(L)越長則干擾的幅值越大，所需干擾功率越小。復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)的末端(N1)越接近對稱點(N0)，t1，t2越靠近，則假目標(biāo)導(dǎo)前的距離越小。設(shè)一個對稱結(jié)構(gòu)碼元長度為M0，使所干擾雷達(dá)接收干信比為ndB時，真實目標(biāo)幅度與假目標(biāo)幅度之比為

(3)

式中：M為雷達(dá)信號碼元長度。

假目標(biāo)導(dǎo)前距離可表示為

d=cτ(M0-2N1)/2，

(4)

式中：c為光速；τ為碼元寬度；N1為復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)末端碼元編號。

若保證假目標(biāo)與真實目標(biāo)幅值相當(dāng)，所需干擾機有效輻射功率與雷達(dá)參數(shù)關(guān)系[15]為

(5)

當(dāng)干擾機復(fù)制碼元的起始位置一定時，如起始位置為第一個碼元時(L=N1)，則將有復(fù)制的碼元長度(L)越長，復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)的末端(N1)越接近對稱點(N0)，干擾峰值越大，假目標(biāo)導(dǎo)前的距離越小。

3干擾效果仿真分析

設(shè)定仿真參數(shù)：雷達(dá)峰值功率P=200 kW，雷達(dá)天線增益40 dB，目標(biāo)RCS為σ=1 m2，干擾機與雷達(dá)距離R=500 km，碼元寬度τ=0.125 μs，信號脈沖寬度51.1 μs，載頻1 GBZ，截取上節(jié)2.1(A)中該相位編碼信號前60位、85位碼元，在理想條件下(未考慮噪聲、干擾機系統(tǒng)延遲等其他因素時)，干擾機有效輻射功率2.9 mW，1.4 mW，干擾效果如圖4所示。

圖4　對給定碼組相位編碼信號的部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾Fig.4　Partial elements copy and reverse repeater jamming of the phase-coded signal with the given sequence

由公式(4)知該干擾信號將分別超前目標(biāo)回波信號68，18個碼元的時間，碼元寬度為0.125 μs時，則該干擾將超前目標(biāo)回波峰值(t2時刻)8.5，2.25 μs的時間，干擾分別在目標(biāo)回波峰值之前8.5,2.25 μs處出現(xiàn)，仿真結(jié)果與理論值相符合，此時對應(yīng)的假目標(biāo)導(dǎo)前徑向距離分別為1 275，337 m。同時，復(fù)制的碼元長度直接決定雷達(dá)接收干擾及回波信號功率相等(0 dB)時的真實目標(biāo)與假目標(biāo)的幅度之比(此處分別為：60/409，85/409)，若保證假目標(biāo)與真實目標(biāo)幅值相當(dāng)，則需結(jié)合公式則需提供所需有效干擾功率?？梢?，復(fù)制的碼元位數(shù)對假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率有復(fù)合性的影響。

在該仿真條件下，由式(3)～(5)可得出部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾所生成假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率與復(fù)制碼元長度關(guān)系如圖5所示。

圖5　假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率與復(fù)制碼元長度關(guān)系Fig.5　Relations between the distance of false targets, the requirement for repeater power and the length copied

可以看出復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾截取信號長度、位置對干擾功率、導(dǎo)前距離均有影響，即：截取信號長度的增加將節(jié)省轉(zhuǎn)發(fā)所需的干擾功率，但同時也將損失假目標(biāo)導(dǎo)前的距離。因此，對于具有該局部對稱結(jié)構(gòu)的相位編碼雷達(dá)信號，采用部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾時，應(yīng)綜合考慮復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)長度，干擾功率及假目標(biāo)導(dǎo)前距離等因素，并結(jié)合循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)以期達(dá)到多假目標(biāo)欺騙的干擾效果。

4結(jié)束語

通過本文研究可以看出，對于具有對稱結(jié)構(gòu)的相位編碼序列，部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)可以產(chǎn)生導(dǎo)前假目標(biāo)干擾，且對于具有雙(或多)對稱結(jié)構(gòu)的相位編碼序列，復(fù)制各對稱結(jié)構(gòu)的前半部分均可產(chǎn)生導(dǎo)前的假目標(biāo)，復(fù)制對稱結(jié)構(gòu)后半部分則將產(chǎn)生滯后假目標(biāo)。該方法無需對相位編碼序列進(jìn)行精確計算，實現(xiàn)方法較預(yù)測轉(zhuǎn)發(fā)干擾更為簡單易行，功率要求適中。理論上，復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)對稱結(jié)構(gòu)相位編碼序列的固定部分，可產(chǎn)生導(dǎo)前距離與幅值穩(wěn)定的假目標(biāo)，與部分碼復(fù)制直接轉(zhuǎn)發(fā)相比該方法所產(chǎn)生假目標(biāo)在導(dǎo)前距離及幅值上具有更高可控性、穩(wěn)定性。

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New Method of Preceded False Target Jamming Against Phase-coded Radars

ZHEN Xiao-peng, AI Xiao-feng, LI Yong-zhen, FENG De-jun

( National University of Defense Technology,State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information System,Hunan Changsha 410073, China)

Abstract:Phase-coded radar has no dispersion effect, so its unique advantage makes the preceded false target jamming against phase coded radars become one of the technical difficulties and research focuses. The characteristics of phase-coded signal are analyzed first. Aimed at the symmetric phase-coded sequence, a novel jamming approach, partial elements copy and reverse repeater, for forming preceded false targets is proposed. Then the relations between the distance of the preceded false target, the requirement for repeater power and the length copied are analyzed in detail. Theoretical analysis and simulation results show that the new jamming method is easy to achieve and has potential value in practice.

Key words:phase-coded；ambiguity function; m sequence；partial elements copy；reverse repeater；preceded false target

*收稿日期：2015-02-05；修回日期：2015-07-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金(61372170)

作者簡介：甄曉鵬(1988-)，男，河北邯鄲人。碩士生，研究方向為雷達(dá)電子對抗。 E-mail：zhenxiaopeng0520@126.com

通信地址：410073湖南省長沙市國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院CEMEE國家重點實驗室

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.007

中圖分類號：TN95；TN972

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-02-0043-05

空天防御體系與武器