掩護信號抗轉發(fā)干擾技術研究

胡祺勇, 謝軍偉, 張浩為, 張昭建, 盛 川

(空軍工程大學防空反導學院, 西安 710051)

0 引言

基于數(shù)字射頻存儲器(DRFM)的轉發(fā)式干擾是一種被廣泛使用的干擾方式[1-3],由于與雷達接收機特性相干,干擾信號可以獲得大的匹配壓縮增益,產生逼真的假目標欺騙干擾[4-5],造成雷達錯誤跟蹤假目標,跟蹤斷續(xù)甚至無法發(fā)現(xiàn)真實目標。

目前,針對此類干擾的對抗方法多從發(fā)射端和接收端對信號進行處理,如頻率分集(FDA)[6-7]、波形設計[8-10]、高階譜分析[11-12]等,取得了一定效果,但都存在技術復雜的缺陷。

針對以上問題,文中以彈載干擾機為研究對象,提出了基于掩護雷達抗有源轉發(fā)干擾的方法。利用高功率掩護信號對低功率探測信號的增益壓制作用,減弱進入探測雷達接收機干擾功率。在此基礎上,結合信號模型和功率模型,對該方法的抗轉發(fā)式干擾效果進行了分析。通過電路實驗,驗證了增益壓制效應;通過仿真分析,證明了該方法可有效抑制有源轉發(fā)式干擾,顯著提高雷達作用距離。

1 干擾對抗原理

1.1 干擾機功放特性

考慮到彈載干擾機的重量、體積由于受到嚴格限制,作出如下假設:

1)為獲得最大的干擾輸出功率,干擾機工作在飽和發(fā)射狀態(tài)[13];

2)干擾機不對信號進行復雜的分選識別,而是依據(jù)功率原則對信號進行放大轉發(fā)。

設有恒功率放大器:飽和輸入信號電壓為VT,飽和輸出功率為PO;信號s0(t):頻率為f0,幅度為A0;信號sc(t):頻率為fc,幅度Ac,兩信號頻率均在放大器工作帶寬內,且VT

若只有s0(t)輸入,則對信號s0(t)的輸出功率為PO;若sc(t)和s0(t)同時輸入,對s0(t)的輸出功率將小于PO,輸出功率值與k有關。這是因為在飽和狀態(tài)下,sc(t)的高功率使得自動增益控制(AGC)電路壓低了對信號的增益,因而s0(t)的輸出功率有所降低,稱之為增益壓制效應。

因此,可以利用掩護信號sc(t)對探測信號s0(t)進行掩護,減小干擾機對探測雷達的干擾效果。

1.2 干擾功率模型

為使回波功率最大,探測雷達天線會始終對準導彈方向,而在在掩護雷達作用下,干擾機波束中心對準掩護雷達天線。

探測雷達接收到的導彈回波功率為:

(1)

式中:P1為雷達發(fā)射機峰值功率;Gt1、Gr1為雷達發(fā)射、接收天線最大增益;λ1為工作波長;σ1為導彈的RCS;D1為雷達抗干擾改善因子;Ft1、Fr1為雷達天線方向圖發(fā)射、接收傳輸因子;R1為導彈與雷達距離;Lrj1為雷達波到目標的單程傳輸損耗;Lt1、Lr1為雷達發(fā)射、接收綜合損耗。

設掩護雷達作用下的功率壓制系數(shù)為ε,則探測雷達收到的轉發(fā)干擾功率為:

(2)

由于掩護功率較大,因此有必要考慮掩護信號回波進入到探測雷達的情況。探測雷達對散射的掩護信號的接收功率為:

(3)

式中:P2為雷達發(fā)射機峰值功率;Gt2為雷達發(fā)射天線最大增益;λ2為工作波長;R2為導彈與雷達的距離;γj2為極化失配損失。

干擾機對探測雷達轉發(fā)的掩護信號功率為:

(4)

設天線方向圖為高斯型,則發(fā)射傳輸因子為:

(5)

式中θ0為波束寬度。

沒有掩護雷達作用時,彈載干擾機天線主瓣對準探測雷達波束主瓣,此時干擾機對探測雷達的轉發(fā)功率達到飽和輸出功率Pj。

探測雷達接收導彈回波功率為:

(6)

式中σ1為導彈雷達反射截面積。

接收機接收的轉發(fā)干擾功率為:

(7)

1.3 轉發(fā)干擾原理

ISDR干擾是指干擾機采樣到一段信號經過放大后,馬上進行轉發(fā),再采樣、放大、轉發(fā),采樣和轉發(fā)交替分時工作,直至雷達信號結束。

根據(jù)文獻[14]的分析,選擇LFM信號作為探測信號,單載頻連續(xù)波信號作為掩護信號。設探測雷達發(fā)射信號起始頻率為f1,脈寬為T,調頻帶寬為B,則調頻斜率為μ=B/T,信號可表示為:

(8)

接收機的脈沖響應函數(shù)為h(t),根據(jù)匹配濾波理論,h(t)為發(fā)射信號的復共軛。

(9)

式中:k為濾波器的增益常數(shù),取為1;t0為物理可實現(xiàn)延遲時間,基于觀測時間最小準則,t0取為脈寬T。

目標的回波信號通過脈沖壓縮的輸出信號為:

ys(t)=s1(t)?h(t)=

(10)

式中:t′=t-T,γ=πBt′(1-|t′|/T)。

即匹配濾波后的輸出信號是固定單載頻信號,載頻是原LFM信號的中心頻率。

設間歇采樣函數(shù)是一個矩形包絡脈沖串,記為p(t),脈寬為τ,重復周期為Ts,則:

(11)

采樣過程可表示為:

xs(t)=p(t)·s1(t)

(12)

干擾機收發(fā)分時工作,轉發(fā)信號會延遲回波信號至少一個采樣脈寬,因此轉發(fā)干擾信號形式為:

(13)

式中：N為采樣段數(shù),為簡化分析,假設N=T/Ts。

回波信號和干擾信號的脈壓輸出為:

y1(t)=(s1(t)+xs(t))?h(t)

(14)

整理得到:

(15)

由式(10)、式(15)可知,回波信號和干擾信號經過匹配濾波后的輸出信號為中心頻率在f1+B/2上的單頻振蕩,輸出中包含真實目標和多個假目標,主假目標的幅度為真實目標的τ/Ts,且比真實目標滯后一個采樣脈寬τ。

設掩護雷達信號頻率為f2,則掩護信號為:

s2(t)=cos2πf2t

(16)

掩護信號通過探測雷達的接收機后,輸出為:

yc(t)=s2(t)?h(t)

(17)

干擾機對掩護雷達信號的轉發(fā)干擾形式為:

(18)

該干擾通過探測雷達的脈沖壓縮后輸出為:

yjc(t)=sjc(t)?h(t)

(19)

2 抗干擾性能分析

不考慮噪聲影響,在沒有掩護雷達作用時,通過匹配接收機的信號主要有目標回波信號和轉發(fā)干擾信號,接收機輸出為:

(20)

有掩護雷達作用時,接收機輸出為:

yO2(t)=

(A2s1(t)+B2xs(t)+Csjc(t)+Ds2(t))?h(t)=

A2ys(t)+B2yj(t)+Cyjc(t)+Dyc(t)

(21)

分析式(20)、式(21)可知,接收機輸出與導彈和探測雷達之間的距離密切相關。干擾機對探測信號的轉發(fā)功率和探測信號的回波功率隨著距離的增大而減小。此外,掩護信號與接收機特性不相干而輸出功率很低,因此不影響對真實目標的判斷。

3 仿真分析

設探測雷達為某X波段的LFM脈沖壓縮雷達,相關參數(shù)設定為:P1=100 kw,Gt1=Gr1=40 dB,λ1=0.037 5 m,f1=8 GHz,B=10 MHz,T=200 μs,σ1=0.05 m2,σ2=0.01 m2。掩護雷達為連續(xù)波雷達,參數(shù)設為:P2=500 kw,Gt2=40 dB,λ2=0.038 5 m,f2=7.8 GHz。彈載干擾機為恒功率轉發(fā),參數(shù)為:Pj=0.5 w,Gj=13 dB,θ0=20°,fs=100 MHz,采樣周期Tr=10 μs。其他參數(shù):ε=100,γj1=0.9,γj2=0.8,D1=1,不計雷達和干擾機的收發(fā)綜合損耗、信號的傳輸損耗。

圖1給出了進入接收機信號的功率與距離的關系?？梢钥闯?隨著距離的增大,進入接收機的探測信號回波功率和探測信號轉發(fā)功率都呈現(xiàn)下降趨勢,在相同距離處,無掩護時的探測信號回波功率略小于有掩護時的探測信號回波功率,干擾機的探測信號轉發(fā)功率則與此相反。增設掩護雷達前后,干擾信號與目標回波信號等功率點分別在0.29 km和37.28 km,說明該方法有效擴展了雷達的探測距離。

圖1 功率隨距離的變化

圖2給出了無掩護雷達時,在不同距離及采樣時寬下接收機輸出結果。可以看出,真實目標出現(xiàn)在200 μs處,主假目標相對真目標延遲一個采樣時寬,后者幾乎淹沒在假目標中。這說明在無掩護雷達作用情況下,干擾機只需要較低的發(fā)射能量,就能對探測雷達取得較好的干擾效果。

圖3給出了有掩護雷達作用的情況下接收機的輸出結果。對比圖3(a)和圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)發(fā)現(xiàn),在采樣占空比不變情況下,隨著距離增大,真目標幅值與假目標幅值比將減小;在距離一定時,占空比增大會使得假目標幅值變大,原因在于通過匹配濾波的干擾能量增多。對比圖2發(fā)現(xiàn),掩護雷達可有效提高探測雷達的作用距離。仿真結果與理論分析吻合。

4 實驗驗證

為驗證恒功率放大電路中大功率信號對小功率信號的增益壓制效應,分別進行單輸入功放實驗和兩個信號同時輸入功放實驗,測得實驗數(shù)據(jù)如表1所示,某次實驗結果如圖4。

表1 輸出功率

注:兩個信號同時輸入時,s2(t)=-10 dBm。

圖2 不同占空比及距離下的接收機輸出

圖3 不同占空比及距離下的接收機輸出

圖4 某次實驗結果

從表1可以看出,當只有s1(t)單獨輸入時,達到飽和點后,輸出功率隨輸入功率呈現(xiàn)極小幅度的增加;當s1(t)和s2(t)同時輸入時,s1(t)的輸出功率隨輸入功率增加,但其值遠小于單獨輸入時的值,說明s2(t)會壓制對s1(t)的輸出功率,實驗結果與理論分析基本吻合。

5 結語

針對彈載干擾機轉發(fā)干擾導致的假目標問題,提出一種基于掩護雷達的抗干擾方法。利用干擾機的恒功率放大特性,在理論上對掩護雷達的抗干擾效果進行了分析,得到了干擾機采樣脈寬、距離與掩護效果的關系。通過電路板實驗,驗證了干擾機功率壓制效應;通過仿真分析,驗證了該方法可有效提高雷達作用距離。

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