基于速度拖引的靈巧噪聲干擾設(shè)計與仿真

李書玉，胡增輝

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 技術(shù)部, 蘭州 732750)

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基于速度拖引的靈巧噪聲干擾設(shè)計與仿真

李書玉，胡增輝

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 技術(shù)部, 蘭州 732750)

數(shù)字射頻存儲技術(shù)實現(xiàn)兼具欺騙干擾和噪聲干擾特點的靈巧噪聲干擾，其應(yīng)對旁瓣消隱和旁瓣對消等雷達(dá)抗干擾措施的效果不佳。為解決該問題，文中在分析現(xiàn)代雷達(dá)有源噪聲干擾工作機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合目標(biāo)回波航跡相關(guān)技術(shù)，設(shè)計了一種將速度拖引欺騙和卷積調(diào)制靈巧噪聲相結(jié)合的新型干擾信號形式，以增強兼具欺騙和噪聲壓制干擾的靈巧噪聲干擾效果和應(yīng)對抗干擾措施的能力。仿真實驗驗證了該干擾信號形式的有效性。

速度拖引；靈巧噪聲；航跡相關(guān)；干擾效果

0 引 言

電子對抗與反對抗技術(shù)是現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭的重要組成部分，開展雷達(dá)系統(tǒng)干擾技術(shù)研究是當(dāng)前國內(nèi)外極為重視的課題研究方向之一。

近年來，隨著數(shù)字射頻存儲(DRFM)技術(shù)的逐漸成熟，兼有欺騙干擾和噪聲壓制干擾特點的靈巧噪聲干擾越來越引人注目。該類干擾運用視頻噪聲對截獲的雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行時域上的調(diào)制，產(chǎn)生在時域和頻域上與真正的目標(biāo)回波重疊并且覆蓋目標(biāo)回波的信號波形，信號能量利用率高。

本文從基于卷積調(diào)制的雷達(dá)靈巧噪聲干擾信號出發(fā)，結(jié)合目標(biāo)回波信號航跡相關(guān)技術(shù)，設(shè)計了一種將速度拖引欺騙和卷積調(diào)制靈巧噪聲相結(jié)合的干擾波形，以增強兼具欺騙和噪聲壓制干擾的靈巧噪聲干擾效果，并對該信號形式的干擾效果等進(jìn)行了仿真驗證。

1 卷積調(diào)制靈巧干擾噪聲原理

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號s(t)，其表達(dá)

式為[1-2]

(1)

式中：f0為載頻；μ為調(diào)頻斜率。假設(shè)目標(biāo)為點目標(biāo)，散射截面積為σ，目標(biāo)距離為R，則目標(biāo)的響應(yīng)函數(shù)為

h(t)=σδ(t-τR)

(2)

式中：τR=R/(2c)，c為光速，則目標(biāo)回波為

sr(t)=s(t)?h(t)

(3)

設(shè)脈沖壓縮系數(shù)為s*(-t)，經(jīng)過匹配濾波后，脈壓后目標(biāo)回波表達(dá)式為

spc(t)= s*(-t)?sr(t)=

s*(-t)?s(t)?h(t)

(4)

令h(t)的頻譜為H(f)，s(t)的頻譜為S(f)，則匹配濾波之后結(jié)果的頻譜為

Spc(f)=H(f)|S(f)|2

(5)

其時域表達(dá)式可以寫作

spc(t)=F-1(Spc(f))=F-1(|S(f)|2)?h(t)

(6)式中：F-1(Spc(f))為線性調(diào)頻信號的點擴展函數(shù)。若將線性調(diào)頻信號的頻譜S(f)近似看成矩形函數(shù)，那么，點擴展函數(shù)為sinc函數(shù)，由此可見，目標(biāo)回波脈沖壓縮輸出結(jié)果取決于目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)。

由以上推導(dǎo)可知，任意函數(shù)同線性調(diào)頻信號相卷積，其脈沖壓縮輸出信號為該函數(shù)與點擴展函數(shù)的卷積，亦即可獲得脈沖壓縮處理增益。

1) 脈沖卷積干擾

根據(jù)視頻信號采用的不同形式可以產(chǎn)生不同形式的干擾波形。假設(shè)h(t)為k個幅度不同、時延不同的沖擊脈沖組成的脈沖串，則h(t)可以表示為

(7)

式中：Ui為各脈沖幅度；ti為各脈沖時延。干擾機將截獲的雷達(dá)發(fā)射信號分別移位至k個沖擊脈沖的位置，卷積結(jié)果就相當(dāng)于將k個時延不同、幅度不同的雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行疊加。每個信號與雷達(dá)發(fā)射信號有著相同的時頻特性，因此，可以獲得相同的脈沖壓縮增益。這種情況與多散射點構(gòu)成的目標(biāo)產(chǎn)生距離像的機理相同，即在真實目標(biāo)之后產(chǎn)生了多個假的點目標(biāo)。

2) 靈巧噪聲干擾

由上可知，脈沖序列卷積雷達(dá)發(fā)射信號產(chǎn)生的干擾可以很好地起到欺騙干擾的效果，但是假目標(biāo)數(shù)量太少，無法起到壓制式干擾的作用?？紤]到視頻噪聲信號可以看作很多幅度隨機的沖擊脈沖串，因此，將沖擊脈沖串改作視頻噪聲信號，并與雷達(dá)發(fā)射信號卷積，則產(chǎn)生的干擾就相當(dāng)于很多幅度隨機、時延密集的線性調(diào)頻信號之和。

設(shè)視頻噪聲為n(t)，視頻噪聲與雷達(dá)信號卷積產(chǎn)生的干擾回波為

Jr(t)=s(t)?n(t)

(8)

匹配濾波的結(jié)果為

Jpc(t)=F-1(Jpc(f))=F-1(|S(f)|2)?n(t)

(9)

從時域上看，如此調(diào)制形成的干擾波形經(jīng)過脈沖壓縮的結(jié)果便取決于與之相卷積的視頻噪聲。而且，干擾信號在脈沖壓縮之后可以得到部分或全部增益，產(chǎn)生密集假目標(biāo)，同時兼顧欺騙和壓制式干擾的效果。從頻域上分析，時域卷積相當(dāng)于頻域相乘，線性調(diào)頻信號可以看作通帶是[f0-B/2,f0-B/2]的帶通濾波器。因此，產(chǎn)生卷積調(diào)制干擾時，干擾能量譜和信號譜在帶寬上是匹配的，可以全部進(jìn)入接收機，大幅提高干擾機能量利用率。

2 基于速度拖引的靈巧噪聲干擾信號設(shè)計

要有效干擾雷達(dá)對目標(biāo)的捕獲跟蹤能力，就必須充分利用雷達(dá)設(shè)備的工作特點，從能量、距離、速度及角度多個方面對雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)實施干擾。因此，構(gòu)建的有效噪聲信號必須具有以下兩個特點：

1) 具有高密度假目標(biāo)，能掩蓋真實目標(biāo)的回波；

2) 噪聲信號中的假目標(biāo)回波不僅要求與真實目標(biāo)回波具有相同的脈內(nèi)調(diào)制特征，而且假目標(biāo)回波的航跡必須相關(guān)，以對抗雷達(dá)使用的雜波抑制、速度和多普勒匹配關(guān)聯(lián)等抗干擾措施。

基于以上特點，本文假目標(biāo)回波的航跡相關(guān)通過速度關(guān)聯(lián)實現(xiàn)。

2.1 彈道軌跡生成

彈道導(dǎo)彈目標(biāo)再入段的航程較短，假設(shè)目標(biāo)在再入段為平面運動，建立在速度坐標(biāo)系下再入段運動方程組為[3]

(10)

式中：V為目標(biāo)的飛行速率，單位為m/s；X為目標(biāo)所受的空氣阻力，單位為N；m為目標(biāo)質(zhì)量，單位為kg；g為重力加速度大小，單位為m/s2；r為目標(biāo)地心矢徑大小，單位為m；Θ為速度對當(dāng)?shù)厮骄€傾角，單位為rad；βe為目標(biāo)飛行的射程角，單位為rad。

2.2 干擾回波模擬

雷達(dá)發(fā)射的電磁信號照射到目標(biāo)后，經(jīng)過目標(biāo)的二次散射返回到雷達(dá)天線。此時，目標(biāo)的回波信號與雷達(dá)的發(fā)射信號相比較，在時間、頻率以及幅度三個方面發(fā)生明顯的變化。

1) 時間上的延遲

目標(biāo)回波信號相對于發(fā)射信號在時間上存在一定的延遲，該時延的大小反映了目標(biāo)相對于雷達(dá)的徑向距離，其關(guān)系為

τ=2Rt/c

(11)

式中：Rt為t時刻目標(biāo)與雷達(dá)之間的徑向距離，可利用空間解析幾何公式在地心直角坐標(biāo)系下直接求得；c為光速，即電磁波傳播速度；τ為目標(biāo)回波信號相對于發(fā)射信號的時延。

2) 頻率上的變化

當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)之間存在相對徑向運動時，目標(biāo)回波信號的頻率將發(fā)生變化，即多普勒效應(yīng)。由于多普勒效應(yīng)的影響，目標(biāo)回波信號的頻率與發(fā)射頻率相比存在一個多普勒頻移，其表達(dá)式為

fd=2vRt/λ

(12)

式中：vRt為目標(biāo)在t時刻Rt點時相對于雷達(dá)的徑向速度；λ為雷達(dá)的工作波長。

3) 幅度上的變化

由于目標(biāo)對電磁波的散射作用，只有一部分能量沿著雷達(dá)電磁波的入射方向反射回天線。幅度的衰減很大程度上取決于目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(RCS)，另外，還取決于系統(tǒng)的各種損耗以及傳播過程中各種因素的影響。

基于上述分析，假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號為St(t)，則目標(biāo)回波信號的表達(dá)式為

Sr(t)= ARtst(t-τ)ej2πfdt=

(13)

2.3 速度拖引

速度拖引干擾的目的就是破壞或阻礙雷達(dá)對目標(biāo)的頻率檢測，通過把速度跟蹤波門從真實目標(biāo)的多普勒頻率上拖開，使得雷達(dá)丟失目標(biāo)多普勒頻率而無法進(jìn)行正確跟蹤。根據(jù)雷達(dá)回波信號模型，速度拖引干擾信號相比目標(biāo)回波信號增加了一個多普勒頻率的偏移量，即[4]

s(t)=Atexp[j(ωc+ωd+Δω)(t-2Rt/c)]

(14)

式中：Δω為拖引信號相對于真實目標(biāo)的頻率偏差。在速度波門拖引干擾中，干擾信號多普勒頻率fdj的變化過程表示為

(15)

式中：fd為真實回波信號的多普勒頻率；fv為干擾信號拖引速度的頻率變化率，由投影到雷達(dá)視角方向的干擾信號拖引速度采用式(12)計算后求得，其值不大于雷達(dá)可跟蹤目標(biāo)的最大速度。

3 仿真驗證

針對上述分析，本文根據(jù)假定目標(biāo)在空間的位置和受力情況，首先，利用式(10)得到三條符合目標(biāo)運動特征的航跡；其次，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的干擾釋放位置、偵測獲得的戰(zhàn)技指標(biāo)和波形特征生成和目標(biāo)回波相關(guān)的假目標(biāo)干擾，并對多假目標(biāo)干擾進(jìn)行速度拖引調(diào)制，再用噪聲信號對假目標(biāo)干擾進(jìn)行卷積，產(chǎn)生靈巧噪聲干擾。信號產(chǎn)生框圖如圖1所示，雷達(dá)與干擾機仿真參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 雷達(dá)與干擾機工作參數(shù)

圖1 基于速度拖引的靈巧噪聲信號產(chǎn)生框圖

根據(jù)假定的雷達(dá)與干擾機工作參數(shù)進(jìn)行基于速度拖引的靈巧噪聲干擾信號仿真，結(jié)果如圖2～圖8所示。其中，圖2、圖3為理想情況下雷達(dá)發(fā)射信號波形和目標(biāo)回波脈壓處理結(jié)果；圖4、圖5為三個基于速度拖引的目標(biāo)回波的時域和頻域圖；圖6～圖8為采用雜波對消技術(shù)、動目標(biāo)檢測(MTD)技術(shù)和恒虛警技術(shù)對基于速度拖引的靈巧噪聲干擾信號處理結(jié)果[5-6]。

圖2 雷達(dá)發(fā)射信號波形圖

圖3 理想雷達(dá)回波脈壓處理結(jié)果

圖4 三個假目標(biāo)的回波信號(時域)

圖5 三個假目標(biāo)的回波信號(頻域)

圖6 三個目標(biāo)回波雜波對消處理結(jié)果

圖7 三個目標(biāo)回波最大信號MTD處理結(jié)果

圖8 三個目標(biāo)回波MTD-CFAR處理結(jié)果

從以上仿真結(jié)果可以看出：采用基于速度拖引的靈巧噪聲干擾信號在兼具欺騙和壓制雷達(dá)干擾性能的同時，引入的速度拖引欺騙破壞了雷達(dá)檢測和測距系統(tǒng)跟蹤回路的穩(wěn)定性，使得雷達(dá)對抗中常用的雜波抗干擾措施失效，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。

4 結(jié)束語

本文針對常規(guī)雜波抑制抗干擾技術(shù)特點，在分析卷積調(diào)制靈巧干擾噪聲信號的工作機理基礎(chǔ)上，引入速度拖引欺騙，提出了基于速度拖引的靈巧干擾噪聲信號波形。該波形設(shè)計破壞雷達(dá)檢測和測距系統(tǒng)跟蹤回路的穩(wěn)定性，增強了干擾信號的欺騙與壓制效果，使得常用的回波雜波對消處理、MTD、動目標(biāo)檢測-恒虛警率等抗干擾措施失效。仿真分析表明：基于速度拖引的靈巧噪聲干擾具有較好的干擾效果，具有工程應(yīng)用價值。

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李書玉 男，1969年生，碩士，高級工程師。研究方向為雷達(dá)系統(tǒng)測量技術(shù)與數(shù)據(jù)處理。

胡增輝 男，1982年生，博士，工程師。研究方向為雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理。

Design and Simulation of Smart Jamming Noise Signal Based on Velocity Deception

LI Shuyu，HU Zenghui

(Technical Department, Jiuquan Satellite Launching Center, Lanzhou 732750, China)

Using digital radio frequency memory(DRFM) technology to realize deception jamming and noise characteristics of smart noise jamming, good effects can not be achieved from the side-lobe blanking and sidelobe cancellation of radar anti-jamming measures. To solve the problem, based on the analysis of working mechanism of modern radar active noise, combining with the target echo track-related technology, a speed drawing-out cheat and convolution modulation combined new type of smart noise jamming signal form is designed, in order to enhance both smart noise jamming effect of deception and noise suppressing jamming and respond to the ability of anti-interference measures. Simulation results verify the effectiveness of the jamming signal form.

velocity deception; smart noise; track-related; interference effects

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.11.003

李書玉 Email：zlwlsy@126.com

2016-08-18

2016-10-20

TN972

A

1004-7859(2016)11-0011-04