分布式多站雷達轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾研究

趙珊珊 張林讓 李 強 劉潔怡

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分布式多站雷達轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾研究

趙珊珊 張林讓*李 強 劉潔怡

(西安電子科技大學(xué)雷達信號處理國家重點實驗室 西安 710071)

作為一種重要的欺騙干擾樣式，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾通過對雷達發(fā)射信號存儲轉(zhuǎn)發(fā)，形成的距離欺騙假目標在空間上是分散的。而分布式多站雷達進行空間配準時，會將未分布于一個空間分辨單元內(nèi)的假目標剔除，使之失去干擾效果。因此，有必要研究轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對分布式多站雷達的干擾能力。該文在多站雷達中各雷達站相距不遠的條件下，從空間分辨單元的物理含義入手，導(dǎo)出了多站雷達在一定空間分辨率下，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾能對其進行有效干擾的條件。當干擾機位于遠場區(qū)域時，證明了相同時延產(chǎn)生的假目標必然可對多站雷達實現(xiàn)有效欺騙；當干擾機位于近場區(qū)域時，推導(dǎo)出有效干擾的欺騙距離范圍，通過控制轉(zhuǎn)發(fā)延遲量，可保證對多站雷達的欺騙效果。該結(jié)論對多站雷達的干擾和抗干擾均具有重要的指導(dǎo)意義。

分布式多站雷達；空間分辨單元；轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾；最大欺騙距離

1 引言

然而，隨著對分布式多站雷達體制研究的深入，研究者們發(fā)現(xiàn)，對單站雷達體制中干擾效果明顯的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，對這種新體制雷達的干擾能力十分有限。分布式多站雷達利用空間分開布置的多部雷達對目標進行協(xié)同探測，通過正交發(fā)射和匹配接收，得到多個發(fā)射-接收通道對的回波信號，再利用信號級融合算法完成后續(xù)的信號與數(shù)據(jù)處理，以改善單站雷達對目標的檢測概率[11,12]、參數(shù)估計性能[13]和協(xié)同抗干擾能力。多基地雷達系統(tǒng)[8]和分布式MIMO雷達[9,10]都是分布式多站雷達的典型例子，它們在進行信號級融合前，必須經(jīng)過空間配準，即將不同接收站中對應(yīng)于同一個空間分辨單元(Space Resolution Cell, SRC)的數(shù)據(jù)進行對齊。由于各接收站是分開布置的，且常常采用窄波束接收，則轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾產(chǎn)生的假目標一般分布在干擾機與各接收站連線的延長線上，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)式干擾在不同接收站產(chǎn)生的假目標是“分散”的，若假目標的分散程度超過一個SRC，則其將在空間配準過程中被自動剔除，這正是轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對分布式多站雷達干擾效率低下的根本原因所在。

考慮到時間對齊和相位對齊的復(fù)雜性，多站雷達在實際布站時，不同接收站相距并不會很遠，一般在幾公里以內(nèi)，此時，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾產(chǎn)生的假目標“分散”程度不大，仍有可能在一個SRC中形成假目標，對多站雷達形成有效欺騙。因此，本文擬從理論上分析轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對分布式多站雷達的干擾能力。首先介紹了分布式多站雷達的工作流程，并建立了多站雷達下轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號模型，理論推導(dǎo)了轉(zhuǎn)發(fā)式干擾產(chǎn)生假目標在同一個SRC中，即對多站雷達形成欺騙的條件，證明了當干擾機位于遠場區(qū)域時，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾必可對分布式多站雷達進行有效欺騙，當干擾機位于近場區(qū)域時，通過控制轉(zhuǎn)發(fā)時延量的最大值，也可對其成功實施欺騙干擾。

2 分布式多站雷達工作流程

個發(fā)射站和個接收站組成分布式多站雷達，其進行目標探測的示意圖如圖1所示。各發(fā)射站的發(fā)射信號相互正交，設(shè)第個發(fā)射站的發(fā)射信號為,，則,,表示取共軛。各接收站接收到目標回波信號后，通過一個由各發(fā)射信號組成的匹配濾波器組，利用發(fā)射信號的正交性，可以得到共個發(fā)射-接收信道的目標信號，其中，發(fā)射站至接收站組成的信道稱之為信道，其目標回波信號記為,。

圖1 分布式多站雷達目標探測示意圖

分布式多站雷達在進行聯(lián)合處理前，需要進行時間對齊和空間對準，時間對齊只要根據(jù)多站雷達統(tǒng)一時間基準進行對齊即可，多站雷達處理空間對準的方法是利用網(wǎng)格搜索的方式，網(wǎng)格搜索的單位是多站雷達的空間分辨單元SRC，定義為各信道中距離分辨單元的重疊區(qū)域[8]。以一個發(fā)射站和2個接收站組成的多站雷達為例，其空間分辨單元如圖2所示，該多站雷達共有兩個信道組成，每個信道對應(yīng)一個雙基雷達，其距離分辨單元即為相鄰兩個等距離環(huán)中間的區(qū)域，因此，圖2中的多站雷達的空間分辨單元為兩部雙基雷達等距離環(huán)的交叉區(qū)域，如圖中的陰影區(qū)域所示，從圖中可以看到空間分辨單元呈扁長狀的，說明多站雷達的徑向分辨率遠大于與其橫向分辨率。此外，圖2中給出了兩個不同空間位置的分辨單元，可以看到兩接收站的空間探測夾角越小，橫向分辨率變得更差，空間分辨單元變得更加扁長。

多站雷達進行空間搜索，并進行目標檢測和參數(shù)估計的過程描述如下：

(1)按照空間分辨單元SRC，將各信道覆蓋的空間區(qū)域進行劃分；

(2)對每一個空間分辨單元，將所有信道在該分辨單元的信號幅度聯(lián)合起來，組成其回波信號向量；

(3)利用回波信號向量對各空間分辨單元進行聯(lián)合檢測，即判斷空間分辨單元中是否存在目標，一般利用非相參積累檢測器[10]；

(4)若空間分辨單元中存在目標，則可以利用聯(lián)合參數(shù)估計的方法對目標進行精確定位，甚至估算得到目標速度矢量。

圖2 分布式多站雷達空間分辨單元SRC示意圖

3 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號模型

設(shè)多站雷達中各接收站采用窄波束接收，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾通過對截獲的雷達信號進行延遲轉(zhuǎn)發(fā)，可以在干擾機與接收站連線的延長線上產(chǎn)生距離欺騙假目標，由于其產(chǎn)生的假目標分布在干擾機與接收站連線上，其空間分散特性是由接收站的空間分置帶來的。因此，為了簡化分析過程，以由一個發(fā)射站，兩個接收站組成的分布式多站雷達為例，說明轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾對多站雷達的欺騙能力，如圖3所示。

圖3 分布式多站雷達空間轉(zhuǎn)發(fā)式干擾示意圖

以接收站1為坐標原點建立圖3中的直角坐標系，接收站2的坐標為(,0)，一個轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機存在于點，坐標為，延時轉(zhuǎn)發(fā)時間對應(yīng)的欺騙距離大小為，在各接收站相距不遠的情況下，在接收站中產(chǎn)生的假目標距干擾機的距離近似為，則接收站1和接收站2中的產(chǎn)生的假目標如圖3中點和點所示。

4 多站雷達被欺騙條件

分布式多站雷達被欺騙的條件是不同接收站產(chǎn)生的假目標在一個空間分辨單元中，等效于圖3中點和點存在一個空間分辨單元內(nèi)。根據(jù)分辨單元定義可以得到，若下面兩個不等式

(2)

由于三角形兩邊之和大于第三邊，可得

(4)

根據(jù)式(1)，從以下兩個方面分析轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對多站雷達的欺騙能力：(1)當干擾機位于多站雷達遠場區(qū)域時，通過理論證明轉(zhuǎn)發(fā)式干擾必然可以對多站雷達進行有效欺騙；(2)當干擾機位于多站雷達近場區(qū)域時，轉(zhuǎn)發(fā)延遲量需要滿足一定條件，以保證干擾產(chǎn)生的假目標存在于同一個空間分辨單元內(nèi)。

4.1 干擾機位于遠場區(qū)域

根據(jù)式(2)~式(5)，對式(1)進行化簡：

(7)

同理可以得到

(9)

式(6)–式(9)證明了點和點距兩個接收站的距離差均存在極限值，下面利用仿真實驗進行驗證。仿真參數(shù)為：=1 km，干擾機位置坐標(10,30) km。計算得到兩極限值分別為：m,m。在不同欺騙距離的情況下，仿真得到和的變化情況，如圖4所示?？梢钥吹?，兩個距離差均隨著的增加而不斷變大，并趨近于它們的極限值。

根據(jù)式(1)，若式(10)的兩個條件成立，

即兩個極限值均不超過兩接收站的距離分辨率時，任意相同時延產(chǎn)生的假目標均存在于同一個空間分辨單元內(nèi)，此時，多站雷達一定會被轉(zhuǎn)發(fā)式干擾所欺騙。根據(jù)式(7)和式(9)可知兩個極限值和由以下兩個因素決定：(1)兩接收站之間的距離；(2)干擾機的位置坐標。設(shè)=1 km，干擾機位于km的區(qū)域范圍內(nèi)，則和隨干擾機位置情況的分布結(jié)果如圖5所示，當=1.5 km時，相同條件的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖4 不同欺騙距離下，目標距兩個接收站的距離差 圖5 兩個極限值隨干擾機位置分布情況(L=1km) 圖6 兩個極限值隨干擾機位置分布情況(L=1.5km)

4.2 干擾機位于近場區(qū)域

首先，對式(1)中的第1個不等式進行化簡，

(12)

即

(14)

由于，當且僅當式(14)和式(15)中的兩個不等式均成立時，式(1)成立，因此，干擾機在近場區(qū)域時，為保證轉(zhuǎn)發(fā)式干擾可對多站雷達進行有效欺騙，轉(zhuǎn)發(fā)延遲量帶來的欺騙距離需要滿足的條件為

(16)

上述分析證明了當干擾機位于多站雷達遠場區(qū)域時，任意時延的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾均可以對多站雷達進行有效欺騙，在其空間分辨單元內(nèi)產(chǎn)生一個假目標。當干擾機位于多站近場區(qū)域時，只要轉(zhuǎn)發(fā)時延產(chǎn)生的欺騙距離小于式(16)中的最大欺騙距離，即可有效欺騙多站雷達。上述證明和推導(dǎo)是以兩部接收站構(gòu)成的多站雷達為例的，當存在多部接收站時，結(jié)論也是同樣適用的，且應(yīng)選擇相距最遠的兩部接收站為基準，若可以將最遠的兩部接收站進行欺騙，則整個多站雷達均可以被轉(zhuǎn)發(fā)式干擾所欺騙。

根據(jù)圖2可以給出轉(zhuǎn)發(fā)式干擾可有效欺騙多站雷達的物理解釋：多站雷達的空間分辨單元呈扁長狀，即徑向分辨率優(yōu)于其橫向分辨率，且隨著目標距多站雷達越遠，兩接收站的空間探測夾角越小，橫向分辨率變得更差。而轉(zhuǎn)發(fā)式干擾產(chǎn)生的假目標在干擾機與接收站的延長線上，距多站雷達更遠，且相同時延產(chǎn)生的假目標分布在橫向區(qū)域，因此，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾在不同接收站中的假目標完全有可能存在于一個空間分辨單元中，從而有效欺騙多站雷達。

5 結(jié)束語

由于分布式多站雷達具有多視角探測的優(yōu)勢，使其具有天然的抗干擾能力，從而得到的廣泛的關(guān)注。本文在多站雷達中各雷達站相距不遠的條件下，通過分析多站雷達工作流程，建立轉(zhuǎn)發(fā)式干擾模型，理論證明了轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對多站雷達的欺騙能力。當干擾機位于多站雷達遠場區(qū)域時，從理論上證明了相同時延轉(zhuǎn)發(fā)式干擾產(chǎn)生的假目標存在于同一個空間分辨單元內(nèi)，必然可以對多站雷達進行有效欺騙；當干擾機位于多站雷達近場區(qū)域時，給出了為有效干擾多站雷達的最大欺騙距離，只要延時轉(zhuǎn)發(fā)量小于此最大值，即可保證對多站雷達有效欺騙。這一結(jié)論對多站雷達的干擾和抗干擾均具有一定的指導(dǎo)意義。為了對多站雷達實施欺騙干擾，干擾機應(yīng)分布在距雷達較遠或基線以外區(qū)域，且轉(zhuǎn)發(fā)延時越小，越有可能欺騙成功。對于多站雷達，接收站相距越遠，則越不易被轉(zhuǎn)發(fā)式干擾所欺騙。

圖7 干擾機位于多站雷達近場區(qū)域，最大欺騙距離仿真結(jié)果

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趙珊珊： 女，1989年生，博士生，研究方向為統(tǒng)計信號處理、多站雷達信號融合技術(shù)和多站雷達協(xié)同抗干擾技術(shù).

張林讓： 男，1966年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為陣列信號處理、網(wǎng)絡(luò)化雷達協(xié)同抗干擾技術(shù)、雷達成像技術(shù)和雷達建模與仿真技術(shù).

李 強： 男，1991年生，博士生，研究方向為陣列信號處理、統(tǒng)計信號處理和雷達抗干擾技術(shù).

劉潔怡： 女，1991年生，博士生，研究方向為分布式MIMO雷達信號處理技術(shù)和多站雷達抗干擾技術(shù).

Research on Repeater Jamming Against Distributed Multiple-radar System

ZHAO Shanshan ZHANG Linrang LI Qiang LIU Jieyi

(,,710071,)

As an effective category of deception jamming, repeater jamminggenerates range false targets appearing dispersedly by modulating and retransmitting intercepted radar signals. However, distributed multiple-radar system will reject the false targets overstep a space resolution cell automatically in spatial registration. Therefore, it is necessary to discuss the ability of repeater jamming on multiple-radar system. When the distance between different stations is not far, this paper derives the effective jamming condition. When the jammer locates in the far field, it is theoretically proved that the false targets generating by the same delays can always deceive the multiple-radar system. When the jammer locates in the near field, it can also deceive the multiple-radar system by adjusting the time delay. The effective range of time delay is derived. The obtained conclusion is a good guidance for both the jamming and anti-jamming of multiple-radar systems.

Distributed multiple-radar system; Space resolution cell; Repeater jamming; Maximal deception range

TN974

A

1009-5896(2017)01-0138-06

10.11999/JEIT160118

2016-01-26；改回日期：2016-06-15；

2016-09-08

張林讓 lrzhang@xidian.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(61301285, 61301281, 61001213)

The National Natural Science Foundation of China (61301285, 61301281, 61001213)