一種寬帶多維雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)*

王　魁，姜秋喜，劉方正，潘繼飛

（1.解放軍91604部隊(duì)，山東　龍口　265700；2.電子工程學(xué)院信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥　230037）

一種寬帶多維雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)*

王魁1,2，姜秋喜2，劉方正2，潘繼飛2

（1.解放軍91604部隊(duì)，山東龍口265700；2.電子工程學(xué)院信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230037）

設(shè)計(jì)了一種寬帶多維雷達(dá)信號(hào)，在寬帶噪聲調(diào)頻信號(hào)中通過頻率捷變的方式融合非線性調(diào)頻信號(hào)，將探測(cè)信號(hào)隱匿于寬帶噪聲調(diào)頻信號(hào)中，對(duì)敵方雷達(dá)進(jìn)行干擾的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。仿真表明該信號(hào)具有較好的隱蔽性，且兼具探測(cè)與干擾的雙重功能。

寬帶捷變頻，探測(cè)，干擾，一體化，非線性調(diào)頻

0　引言

隨著各種電子裝備使用數(shù)量的增加，己方雷達(dá)裝備與雷達(dá)干擾裝備之間存在著串?dāng)_的問題，設(shè)計(jì)探測(cè)干擾一體化的信號(hào)成為解決該問題的一種方法。目前，學(xué)者們對(duì)探測(cè)干擾一體化信號(hào)已經(jīng)作了初步的研究，其中隨機(jī)二相編碼信號(hào)應(yīng)用最為廣泛［1-5］，研究發(fā)現(xiàn)該信號(hào)作為探測(cè)與干擾一體化信號(hào)時(shí)存在自相關(guān)旁瓣過高、隨機(jī)性程度不高、干擾效果不明顯等弱點(diǎn)。隨機(jī)二相編碼一體化信號(hào)的設(shè)計(jì)問題屬于多項(xiàng)式復(fù)雜度非確定性問題，很難獲得真正意義上的全局最優(yōu)解，只能通過局部最優(yōu)解得到其全局次優(yōu)解。本文提出一種寬帶多維雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)方法，在寬帶噪聲調(diào)頻信號(hào)中通過頻率捷變的方式融合非線性調(diào)頻（NLFM）信號(hào)，得到一種具有探測(cè)與干擾雙重特性的一體化信號(hào)，克服了傳統(tǒng)隨機(jī)二相編碼信號(hào)存在的缺點(diǎn)，并易于工程實(shí)現(xiàn)。

1　探測(cè)與干擾一體化信號(hào)的設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對(duì)探測(cè)與干擾一體化的設(shè)計(jì)主要有分時(shí)體制、分波束體制和同時(shí)體制。

圖1　探測(cè)干擾分時(shí)體制的產(chǎn)生框圖

分時(shí)體制是指探測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)共用天饋系統(tǒng)，當(dāng)需要探測(cè)時(shí)，選通開關(guān)選通探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)；當(dāng)需要干擾時(shí)，選通開關(guān)選通干擾系統(tǒng)進(jìn)行干擾，如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且不用設(shè)計(jì)新的雷達(dá)波形；缺點(diǎn)在于探測(cè)與干擾無法同時(shí)進(jìn)行，容易產(chǎn)生雷達(dá)探測(cè)的“盲區(qū)”，干擾的回波信號(hào)容易對(duì)自身接收機(jī)造成干擾，影響探測(cè)功能的發(fā)揮。

分波束體制主要利用在相控陣?yán)走_(dá)中，是指將相控陣?yán)走_(dá)的陣面劃分為不同的區(qū)域，分別運(yùn)用于雷達(dá)探測(cè)、干擾、通信等功能。分波束體制實(shí)現(xiàn)一體化的優(yōu)勢(shì)在于一體化系統(tǒng)進(jìn)行干擾的同時(shí)，雷達(dá)仍然能夠同時(shí)進(jìn)行探測(cè)；分波束體制也存在一些缺點(diǎn)，由于將相控陣?yán)走_(dá)的陣面劃分為不同的工作區(qū)域，在總能量一定的情況下，用于探測(cè)和干擾的能量會(huì)相對(duì)下降，對(duì)雷達(dá)測(cè)距、干擾效能會(huì)有所影響。

同時(shí)體制，是指探測(cè)和干擾使用同一波形。同時(shí)體制的優(yōu)點(diǎn)是能夠在干擾的同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，且可以完全使用系統(tǒng)的能量。目前研究較為廣泛的同時(shí)體制波形是隨機(jī)二相編碼信號(hào)，研究發(fā)現(xiàn)該信號(hào)作為探測(cè)與干擾一體化信號(hào)時(shí)存在自相關(guān)旁瓣過高、隨機(jī)性程度不高、干擾效果不明顯等弱點(diǎn)。隨機(jī)二相編碼一體化信號(hào)的設(shè)計(jì)問題屬于多項(xiàng)式復(fù)雜度非確定性問題，很難獲得真正意義上的全局最優(yōu)解，只能通過局部最優(yōu)解得到其全局次優(yōu)解。

2　寬帶多維雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)

為克服傳統(tǒng)隨機(jī)二相編碼信號(hào)存在的以上缺點(diǎn)，本文考慮設(shè)計(jì)一種寬帶多維信號(hào)，其中多維就是指多功能，將NLFM信號(hào)與噪聲調(diào)頻信號(hào)相融合，使該信號(hào)在時(shí)域和頻域上隱匿于噪聲調(diào)頻信號(hào)中，從而增強(qiáng)信號(hào)的反偵察、反識(shí)別的能力，且同時(shí)具有探測(cè)和干擾的雙重性能，以提高現(xiàn)代雷達(dá)的“四抗”能力。

2.1NLFM信號(hào)的設(shè)計(jì)

雖然線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)通過脈壓在一定程度上解決了現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)大時(shí)寬帶寬積的要求，但是它仍然存在主副瓣比較低的問題。通過加權(quán)濾波器可以降低副瓣，但加權(quán)又帶來了信噪比降低和主瓣展寬的問題［6］。許多學(xué)者采用NLFM信號(hào)來解決上述問題。

NLFM信號(hào)是指在脈內(nèi)頻率的調(diào)制斜率為非常數(shù)的一類信號(hào)，它是LFM信號(hào)的一種改進(jìn)。NLFM信號(hào)的設(shè)計(jì)方法有多種類型，常見的有V型調(diào)頻信號(hào)、步進(jìn)調(diào)頻信號(hào)以及運(yùn)用逗留相位原理［7］設(shè)計(jì)的NLFM信號(hào)等。本文主要利用逗留相位原理進(jìn)行近似求解，得到NLFM信號(hào)。

以采樣頻率fs=400 MHz，中頻fc=0 MHz，帶寬B=4 MHz，脈寬T=20 μs的NLFM信號(hào)為例，選用余弦四次方窗，可得NLFM信號(hào)的群延遲曲線如圖2所示，調(diào)頻曲線如圖3所示。

圖2　NLFM信號(hào)的群延遲曲線

圖3　NLFM信號(hào)的調(diào)頻曲線

圖4　NLFM信號(hào)波形及頻譜仿真

2.2帶寬噪聲調(diào)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)噪聲寬帶有色高斯噪聲，產(chǎn)生Nz個(gè)服從［0,1］間均勻分布的隨機(jī)變量X1，X2，…，XNz。

圖5　NLFM信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮后的波形

令

假設(shè)高斯噪聲的均值和方差分別為mean和var，則根據(jù)式（1）即可產(chǎn)生高斯白噪聲。

式（2）中，sum （X）表示對(duì)集合X=｛X1，X2，…，XNz｝所有的元素進(jìn)行求和。

采用巴特沃斯濾波器為帶通濾波器，其階數(shù)為6，截止頻率系數(shù)為（f2-f1）/fs，f1為起始頻率，f2為終止頻率，fs為采樣頻率，將高斯白噪聲Gauss通過該巴特沃斯濾波器，則得到有色高斯噪聲Gauss_color。

采用寬帶有色高斯噪聲序列Gauss_color（t），t=0，，…，對(duì)正弦波信號(hào)的頻率進(jìn)行調(diào)制，生成寬帶噪聲調(diào)頻信號(hào)波形：

式（3）中，Aj為噪聲調(diào)頻波形的幅度，fj為噪聲調(diào)頻波形的起始頻率，kj為調(diào)頻斜率，。

2.3寬帶多維雷達(dá)信號(hào)實(shí)例

根據(jù)2.2中的噪聲調(diào)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)，設(shè)置噪聲調(diào)頻信號(hào)的采樣頻率為 fs=400 MHz，帶寬 B0= 200 MHz，起始頻率f1=0 Mz，終止頻率f2=200 MHz，脈寬T=20 μs，產(chǎn)生噪聲調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域波形，并通過傅里葉變換得到信號(hào)的頻譜，如圖6所示。

圖6　噪聲調(diào)頻信號(hào)波形及頻譜仿真

使用余弦四次方窗為NLFM的窗函數(shù)，采樣頻率fs=400 MHz，中頻fc=4 MHz，帶寬B=4 MHz，脈寬T=20 μs的NLFM信號(hào)S （t）。

窄帶NLFM信號(hào)波形S （t）和寬帶噪聲調(diào)頻波形Sj（t）進(jìn)行時(shí)域合成，即可生成寬帶多維信號(hào)Sc （t），其時(shí)域波形和頻譜圖如圖7所示。

圖7　寬帶多維信號(hào)的時(shí)域波形及頻譜圖

3　寬帶多維雷達(dá)信號(hào)性能分析

3.1寬帶多維雷達(dá)探測(cè)性能分析

根據(jù)NLFM信號(hào)與寬帶多維雷達(dá)信號(hào)的生成原理，作出相應(yīng)的模糊函數(shù)圖、模糊度圖及距離模糊函數(shù)、速度模糊函數(shù)。

圖8為NLFM信號(hào)的模糊函數(shù)圖，下頁圖9為NLFM信號(hào)的模糊度圖及距離模糊函數(shù)、速度模糊函數(shù)。下頁圖10為寬帶多維信號(hào)的模糊函數(shù)圖，下頁圖11為寬帶多維信號(hào)的模糊度圖及距離模糊函數(shù)、速度模糊函數(shù)。

圖8　NLFM信號(hào)的模糊函數(shù)圖

圖9　NLFM信號(hào)的模糊度圖及距離模糊函數(shù)、速度模糊函數(shù)

通過對(duì)NLFM信號(hào)的時(shí)頻域和模糊函數(shù)進(jìn)行分析，可得到特點(diǎn)如下：

①模糊函數(shù)圖的體積大部分集中在 ξ平面原點(diǎn)的主峰內(nèi)，但由于存在剪切效應(yīng)，主峰呈斜刀刃型；

②具有良好的距離分辨力和速度分辨力，但在目標(biāo)距離、速度均未知的情況下，只能測(cè)得目標(biāo)的距離與速度的組合值；

圖10　寬帶多維信號(hào)的模糊函數(shù)圖

圖11　寬帶多維信號(hào)的模糊度圖及距離模糊函數(shù)、速度模糊函數(shù)

通過對(duì)寬帶多維信號(hào)的時(shí)頻域和模糊函數(shù)進(jìn)行分析，可得到特點(diǎn)如下：

①信號(hào)的模糊函數(shù)圖呈“圖釘型”，不存在距離-速度之間的耦合問題；

②距離分辨力與速度分辨力較單純NLFM信號(hào)有所提高；

③由時(shí)域圖和頻譜圖可知，寬帶多維信號(hào)具有更好的隨機(jī)性、隱蔽性，符合低截獲概率雷達(dá)的需求。

3.2寬帶多維雷達(dá)干擾性能分析

進(jìn)行干擾性能仿真時(shí)，選用常見的LFM信號(hào)作為被干擾信號(hào)。假定目標(biāo)出現(xiàn)在12 km處，被干擾的LFM信號(hào)脈寬T=20 μs，中心頻率fc=20 MHz，帶寬B=4 MHz，采樣頻率fs=400 MHz，當(dāng)選用2.1中所述的NLFM信號(hào)作為干擾信號(hào)時(shí)，LFM經(jīng)匹配濾波、脈沖壓縮后，得到的回波信號(hào)如圖12所示。

圖12　經(jīng)NLFM信號(hào)干擾后的LFM信號(hào)脈沖壓縮處理結(jié)果

由圖12可以看出，雖然在信干比達(dá)到-20 dB時(shí)，回波有較大的旁瓣，但仍然可以找到目標(biāo)的位置在t=80 μs處。當(dāng)選用寬帶多維信號(hào)作為干擾信號(hào)時(shí)，LFM經(jīng)匹配濾波、脈沖壓縮后，得到的回波信號(hào)如圖13所示。

圖13　經(jīng)寬帶多維信號(hào)干擾后的LFM信號(hào)脈沖壓縮處理結(jié)果

由圖13可以看出，當(dāng)信干比大于-15 dB時(shí)，干擾效果不佳，仍然可以看出目標(biāo)位置。當(dāng)信干比小于-15 dB時(shí)，干擾效果明顯，已無法找到目標(biāo)的具體位置，主瓣難以辨別，達(dá)到干擾效果。

寬帶多維信號(hào)是一種較好的低截獲概率雷達(dá)信號(hào)。模糊函數(shù)近似為“圖釘型”，具有較好的距離-速度二維分辨力和測(cè)量精度，能夠獲得較大的脈沖壓縮比，又因調(diào)制方式的復(fù)雜性，進(jìn)一步增強(qiáng)了探測(cè)信號(hào)的隱蔽性，且兼具干擾性，有效地提升了雷達(dá)的“四抗”能力。

4　結(jié)論

寬帶多維信號(hào)具有很好的隱蔽性，兼具探測(cè)和干擾功能，該信號(hào)設(shè)計(jì)方法具備開放性、可兼容特性，并具有優(yōu)良的探測(cè)信號(hào)或干擾信號(hào)，且所設(shè)計(jì)的信號(hào)具備良好的“四抗”能力，為雷達(dá)與雷達(dá)對(duì)抗多維設(shè)計(jì)提供了一種信號(hào)設(shè)計(jì)方案，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

［1］楊丹丹，劉以安，唐霜天，等.噪聲-相位編碼復(fù)合調(diào)制一體化信號(hào)設(shè)計(jì)方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（1）：354-357.

［2］楊丹丹.雷達(dá)干擾一體化設(shè)計(jì)的共享信號(hào)研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2011.

［3］鐘璠.雷達(dá)探測(cè)與干擾一體化信號(hào)的研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2007.

［4］邵春平，唐霜天.雷達(dá)干擾機(jī)一體化共享信號(hào)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（10）：208-210，238.

［5］MARIA G，F(xiàn)ULVIC G.Radar detection and classification of jamming signals belonging to a cone class［J］.IEEE Trans-Actions on Signal Processing，2008，56（5）：1984-1993.

［6］陳伯孝.現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與仿真［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

［7］帕波利斯·A.信號(hào)分析［M］.北京：海洋出版社，1981.

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A Design of Broad Band Multidimensional Radar Signal

WANG Kui1,2，JIANG Qiu-xi2，LIU Fang-zheng2，PAN Ji-fei2
（1.Unit 91604 of PLA，Longkou 265700,China；2.Electronic Engineering Institute Laboratory of Information Processing，Hefei 230037，China）

A kind of broad band multidimensional radar signal is designed.A part of the broad band noise FM signal is selected to carry the NLFM signal by broad band frequency agileness as the detection signal.The detection signal hide in the jamming signal to jam the radar and detect the target is put at the same time.The simulation results show that the signal is hard to find and has the function of detection and jamming.

broad band frequency agile，detection，jamming，integration，NLFM

TN958

A

1002-0640（2016）07-0005-05

2015-06-05

2015-07-07
*

國家“863”計(jì)劃重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目

王魁（1990-），男，湖南懷化人，碩士研究生。研究方向：雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)與運(yùn)用工程。