移頻導前假目標的特性分析及其鑒別方法

馮德軍王俊杰王俊卿

①(國防科技大學電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室 長沙 410073)

②(北京電子工程總體研究所 北京 100076)

移頻導前假目標的特性分析及其鑒別方法

馮德軍*①王俊杰①王俊卿②

①(國防科技大學電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室 長沙 410073)

②(北京電子工程總體研究所 北京 100076)

由于距離-多普勒耦合效應的存在，線性調(diào)頻信號易受到轉(zhuǎn)發(fā)移頻干擾，利用該原理產(chǎn)生的導前假目標具有諸多與真實目標相似的特性，傳統(tǒng)的前沿跟蹤等手段難以剔除，對雷達威脅很大。該文在剖析移頻導前假目標產(chǎn)生的基本原理基礎上，分析了假目標的特性，指出了導致真假目標難以分辨的內(nèi)在原理及現(xiàn)有方法的不足。同時針對干擾信號難以鑒別的難點，利用干擾信號不可避免的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，分析經(jīng)過匹配濾波處理后估計獲得的到達時間與其實際到達時間之間的差異，進而提出了一種對移頻轉(zhuǎn)發(fā)形成的導前假目標鑒別方法并分析了這種方法的性能。最后通過相應的仿真實驗驗證了該方法的有效性。

有源干擾；移頻導前假目標；轉(zhuǎn)發(fā)延遲；干擾鑒別

1 引言

線性調(diào)頻信號(Linear Frequency Modulated,LFM)具有良好的距離和速度分辨率，即使回波具有較大的多普勒頻移，匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的作用，信號處理系統(tǒng)便于實現(xiàn)，因而成為應用最廣的雷達信號形式之一[1]。但距離-多普勒耦合效應的存在也使它容易受到攻擊，轉(zhuǎn)發(fā)移頻干擾是對抗線性調(diào)頻信號最為有效的手段。通過數(shù)字射頻存貯器(Digital Radio Frequency Memory,DRFM)的存貯及頻率調(diào)制，可以產(chǎn)生位置靈活的假目標，導前假目標干擾就是其中最為重要的干擾方式之一。所謂導前假目標干擾，是指通過巧妙利用雷達信號或數(shù)據(jù)處理的缺點，使得虛假目標位置前移，使得雷達“看到”位于真實目標前方的虛假目標，從而誘使其做出錯誤判斷[2,3]。在物理上，真正的導前假目標(或稱前置假目標)是不可實現(xiàn)的，因為采樣、轉(zhuǎn)發(fā)干擾帶來的時間延遲無法避免，這必然導致干擾信號總是滯后于目標回波。在實現(xiàn)時，干擾機通過估計自身的物理延遲時間，采用精確的頻率調(diào)制，利用距離-多普勒耦合效應，可以實現(xiàn)有源假目標相對真實目標的導前。當前，移頻導前假目標干擾已經(jīng)成為雷達對抗領域十分關注的一種新型干擾方式，在導彈突防等領域中具有十分重要的軍事應用價值[4]。

移頻導前假目標產(chǎn)生的原理并不復雜，但其鑒別卻十分困難，根本原因在于其時頻特性與目標回波十分相似。現(xiàn)有的抗干擾方法主要有兩類，一類是脈間抗干擾，通過脈間的調(diào)頻斜率的變化來實現(xiàn)抗干擾[5]，這種方法需要多個脈沖，采用多種不同斜率的調(diào)頻信號，當干擾方采用脈間頻率調(diào)制變化時，該方法失效；另一類是脈內(nèi)抗干擾，通過調(diào)頻斜率的擾動，降低干擾信號獲取的脈壓增益，但這種方法增加了信號處理系統(tǒng)的復雜性[6]。但對于同一個發(fā)射信號脈沖，和實體目標回波相比，干擾信號不可避免地存在著轉(zhuǎn)發(fā)延遲，因此其到接收機前端的時間必然要晚于實際的目標回波，更重要的是，經(jīng)過匹配濾波處理后估計獲得的到達時間必然和其實際到達時間是不一致的。利用這一特點，本文提出了一種對移頻轉(zhuǎn)發(fā)形成的導前假目標鑒別方法，該方法利用干擾機不可避免的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，可以實現(xiàn)移頻產(chǎn)生的導前假目標有效鑒別。

2 移頻導前假目標的生成原理

LFM信號波形匹配濾波器具有群延遲特性，用它來理解移頻導前假目標產(chǎn)生最為簡便[7]，文獻[4]也對導前假目標的產(chǎn)生有詳細論述。下面簡單敘述。本文以線性調(diào)頻信號為例，雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號，其中心頻率為f0，脈寬為Tp，調(diào)頻斜率為，帶寬為B，t0為匹配濾波器輸出達到峰值點時刻，那么發(fā)射信號為：

根據(jù)文獻[4]可知，LFM信號波形匹配濾波器的群延遲為：

而LFM信號的群延遲為：

從式(3)、式(4)可看出，LFM信號匹配濾波器群延遲是頻率的函數(shù)，且隨頻率的增加而減小。LFM波形匹配濾波器群延遲正好和信號群延遲相反，因此LFM信號通過匹配濾波器后相位特性得到補償而使輸出信號相位均勻，保證信號出現(xiàn)峰值。若改變輸入信號群延遲特性，而濾波器不變，則可使峰值點前移或滯后，因此可利用該性質(zhì)，實現(xiàn)對LFM雷達的導前假目標干擾。在整個脈寬范圍內(nèi)，若干擾機在接收的LFM信號基礎上再調(diào)制一個固定的正頻率，則經(jīng)匹配濾波器后形成導前假目標干擾。如果在整個脈寬范圍內(nèi)，干擾機調(diào)制的頻率是時變的，則經(jīng)匹配濾波器形成覆蓋干擾。根據(jù)干擾機調(diào)制頻率，并由式(3)可確定形成的假目標相對目標位置的導前量。若干擾機調(diào)制頻率為fJ>0，導前的距離為：

式中c為光速，fJ為干擾機調(diào)制頻率，可以是固定的，或時變的。通常干擾機要接收到信號后才能轉(zhuǎn)發(fā)，本身還需要一定的反應時間，不妨設其總的延遲時間為，由此帶來的距離延遲為，要實現(xiàn)假目標導前，通常要求

在寬帶雷達照射下，目標表現(xiàn)為分布式的多散射中心。進一步推導，當fJ

其中，K為常數(shù)。當fJ=0時上式即為匹配目標回波的輸出，且在t=t0時刻輸出達到最大。當fJ≠0時為失配干擾的輸出，且在時刻輸出功率達到最大。而fJ

上式和式(6)、式(7)一起約束了導前假目標形成時的前移距離、增益損失等條件。

3 移頻導前假目標的特性分析

從上一節(jié)可以看出，移頻導前假目標的形成原理并不復雜，但對于雷達來說，對它的檢測和鑒別卻甚為困難，原因在于所產(chǎn)生的假目標具有和真實目標十分類似的時頻特性。下面進行具體的分析?？紤]自衛(wèi)干擾的情形，設目標與雷達的距離為RT，干擾機延時為、移頻fJ，在DRFM完全復制信號的情況下，目標回波ST與干擾機回波SJ分別為：

圖1 真假目標信號的頻譜、多普勒普及其匹配輸出Fig.1 Spectrum,Doppler spectrum,and matched filtering of true and false targets

從圖1可以看出，要實現(xiàn)真假目標信號的鑒別是十分困難的。在匹配濾波前，由于移頻量相對信號帶寬很小，兩者之間頻帶高度重疊，頻域濾波方法無法分辯，而在多普勒域兩者波形高度相似，無法分辨；在匹配濾波后，由于距離-多普勒耦合效應，原本滯后的干擾信號經(jīng)匹配輸出可能出現(xiàn)在目標回波的前方，導前的距離可由式(5)、式(6)算出。因此，無論是匹配濾波前的頻域分析還是濾波后的前沿跟蹤判別，均難以判別真假目標。

4 移頻導前假目標的鑒別方法

盡管干擾信號和目標回波具有十分相似的時頻特性，但對于脈內(nèi)自衛(wèi)干擾而言，在時域上干擾信號存在一個顯著特點：在匹配濾波前，由于其不可避免的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，干擾信號到達雷達接收機前端的時間必然滯后于真實目標回波；在匹配濾波后，由于移頻的影響，干擾信號領先于真實目標回波。因此，干擾信號實際到達接收機前端與經(jīng)過匹配濾波后估計到達的時間存在著差異，而真實目標回波卻不存在這種差異。這種差異為真假目標的鑒別提供了物理基礎。

根據(jù)以上原理，本文提出了移頻導前假目標的鑒別方法：在接收機前端信號分成兩路，一路進行匹配濾波和參數(shù)估計[8]，另一路進行延遲存貯，用于后續(xù)的相關處理。再進行匹配濾波并估計出回波信號參數(shù)后，構造相應的參考信號，在估計出的回波到達時間窗口內(nèi)，將參考信號與延遲的回波進行相關處理，如果是實體目標回波，由于實際到達時間與參考信號的時間是一致的，則兩個信號的相關峰值在時間零值附近；反之，如果是有源轉(zhuǎn)發(fā)的信號，由于其實際到達時間晚于信號估計的到達時間，相關處理后其峰值必然偏離時間零點，偏移量與其延遲到達時間、移頻量相關，根據(jù)相關峰偏移的方向和大小可以判定干擾的類型。該方法的基本原理如圖2所示。

圖2 移頻導前假目標鑒別方法流程框圖Fig.2 Diagram of preceded frequency-shift false target’s identification method

下面對以上方法進行詳細說明。

步驟1 將雷達接收到的信號進行預處理，在匹配濾波前將其分成兩路。首先，對雷達接收機收到的信號進行濾波和低噪放大等預先處理，然后將收到的雷達信號分成兩路。第1路進行匹配濾波、參數(shù)估計和信號生成，參數(shù)估計方法可參考文獻[8]。第2路信號進行延遲，用以和以后估計出的信號進行相關處理。延遲的時間D取決于以下3個時間的總和：匹配濾波時間、參數(shù)估計時間、參考信號生成時間，若設這3個時間和為，則設定第2路的延遲時間為。由于這些時間是雷達自身處理花費的時間，因此，通過計時器可以精確地獲知這個時間。

步驟2 將第1路信號進行匹配濾波。將第1路信號進行匹配濾波，匹配濾波處理是線性調(diào)頻信號最常見的處理方法，這里采用的方法與通常的匹配濾波相同。

步驟3 匹配濾波后選擇一個信號，進行回波參數(shù)估計時，依據(jù)所提取出的回波參數(shù)，構造相應的參考信號。具體包括以下步驟：依據(jù)信號參數(shù)估計提供的到達時間、初始頻率、調(diào)頻率和信號幅度，從本振信號中經(jīng)衰減、延遲，得到用于干擾檢測的參考信號。

步驟4 將參考信號和步驟一得到的第2路信號進行時間對齊，然后進行相關處理。

步驟5 根據(jù)相關峰值偏移的位置量，判別是否為有源轉(zhuǎn)發(fā)信號或?qū)嶓w目標回波：如果選擇的匹配濾波輸出信號進行參數(shù)估計生成的參考信號與第2路信號相關處理后的相關峰值有一個出現(xiàn)在零點位置，不發(fā)生偏移，則可判別生成參考信號的匹配濾波輸出信號為目標實體目標回波，否則判決為有源轉(zhuǎn)發(fā)形成的假目標。

為進一步直觀顯示真實目標和干擾信號在進行相關處理前與參考信號的時域關系，圖3分別畫出了兩者的關系圖。

圖3 回波與參考信號的時域關系圖Fig.3 Diagram of time-domain relationship between echo and reference signal

從圖中可以看出，當回波為真實目標時，目標的估計到達時間與其實際到達時間是一致的，因此，時間窗口對齊后兩者不存在時間差；當回波為干擾信號時，參考信號與延遲信號之間存在一個顯著的時間差fJ/k，這是由于移頻干擾所表現(xiàn)出的到達時間與其實際到達時間之間的差異導致的，進行相關處理后，這種差異將表現(xiàn)為相關峰在時間軸上的偏移。

5 仿真試驗與分析

為檢驗本文所提方法的有效性，進行仿真驗證。設定仿真參數(shù)如下：雷達的帶寬B=5 MHz，發(fā)射信號脈寬T=20 μs，干擾機的轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間，信噪比為0 dB。目標和干擾在距離維的相對位置如圖4(a)所示，此時可以看出，由于轉(zhuǎn)發(fā)延遲的影響，干擾信號必然滯后于目標回波，滯后的距離與其轉(zhuǎn)發(fā)延遲相應。干擾機進行移頻后可以改變假目標在距離向的位置，通常要求，這里k=B/T為調(diào)頻斜率。在進行移頻fJ=1 MHz以后，干擾和目標的相對位置如圖4(b)所示，此時可以看出，由于時頻耦合的影響，此時干擾信號的位置分生了變化，已移至目標回波之前，通過仿真參數(shù)可以算出，此時的前移量為μs，干擾信號從滯后μs變成了導前μs。

采用本文所提出的方法進行干擾檢測，檢測結果如圖4(c)–圖4(h)所示。從圖4(c)可以看出，對于真實目標，一個相關峰處于零點，一個相關峰右偏，因此判別生成參考信號的匹配濾波輸出信號為非導前有源干擾，判別結果與實際相符；圖4(d)是對有源導前干擾的檢測仿真圖，從圖中可以看出，對于有源干擾，兩個相關峰值均出現(xiàn)了往左偏移的現(xiàn)象，偏移的大小與移頻量和時延有關。從圖4(c)–圖4(h)的仿真結果可以看出，信噪比的增大只是使噪聲值減小，但對于相關處理后相關峰在時間軸的偏移并不產(chǎn)生本質(zhì)的影響。根據(jù)峰值偏移零點這一現(xiàn)象，可以判別其為有源導前假目標干擾，判別結果與實際相符。因此，采用本文提出的方法，可以實現(xiàn)對移頻轉(zhuǎn)發(fā)形成的前移干擾實現(xiàn)有效檢測。

6 小結

欺騙干擾信號的檢測一直是雷達抗干擾的難點，特別是對于具有距離-多普勒耦合效應的線性調(diào)頻信號，轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號在時頻域均難以分辨。本文提出了一種新的檢測方法，該方法具有如下幾個基本特點：首先，在基本原理上，該方法巧妙利用轉(zhuǎn)發(fā)類移頻干擾所具有的不可避免的時間延遲特點，實現(xiàn)了移頻轉(zhuǎn)發(fā)形成的欺騙類干擾檢測，只要干擾機具有轉(zhuǎn)發(fā)延遲，該方法就能實現(xiàn)有效檢測，與干擾機復制信號的精度無關；其次，在應用范圍上，該方法適用面廣，不僅適用于采用窄帶信號的雷達，也適用于采用中帶和寬帶信號的雷達，不僅適應于導前假目標干擾，而且可以推廣至對其它的移頻類干擾方法檢測；第三，該方法在較強的抗干擾能力，該方法無需利用多個脈沖信息，僅需利用單個脈沖即可實現(xiàn)檢測，即使干擾機所采用的移頻量在脈間捷變，本方法依然能實現(xiàn)干擾檢測，因此，相比于前沿跟蹤等抗干擾方法，該方法的適應性更強，具備較強的實際應用價值。

圖4 干擾和目標的相對位置及其檢測結果Fig.4 Test results of preceded false target and true target

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馮德軍(1972–)，男，湖南人，博士，國防科技大學電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室副教授，研究領域為雷達目標識別、雷達電子戰(zhàn)建模評估與仿真。

E-mail: fdj117@163.com

王俊杰(1991–)，男，湖南人，國防科技大學電子科學與工程學院博士研究生，研究方向為電子信息系統(tǒng)仿真評估。

E-mail: 352446163@qq.com

王俊卿(1974–)，男，吉林人，博士，北京電子工程總體研究所高工，研究領域為主動雷達尋的制導技術、雷達抗干擾技術。

E-mail: wjqx16@163.com

Signature Analysis and Discrimination Method of Preceded Frequency-shift False Target

Feng Dejun①Wang Junjie①Wang Junqing②

①(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics &Information System,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

②(Beijing Institute of Electronic Enginnering,Beijing 100076,China)

Due to the effect of range-Doppler coupling between the time delay and shifted frequency of an LFM waveform,LFM radar is particularly susceptible to shift frequency jamming.A new deceptive jamming method,the Preceded Frequency-shift False Target (PFFT),has a similar signature to real radar targets,which indicates that conventional ECCM,such as leading-edge tracking,could be invalid when countering it.In this paper,the basic principle of PFFT is introduced and its signatures analyzed.Then,a new method for discrimination between a preceded false target generated by Digital Radio Frequency Memory (DRFM) and a radar target is proposed.By comparing the echo arrival time at the radar receiver front end with that estimated after a matched filter,the new method can extract the frequency modulation jamming signature and make a correct judgment.Simulation results are presented to verify the validity of the proposed method.

Active jamming; Preceded Frequency-shift False Target (PFFT); Repeat delay; Jamming discrimination

The National Natural Science Foundation of China (61372170)

TN971

A

2095-283X(2017)04-0325-07

10.12000/JR17026

馮德軍,王俊杰,王俊卿.移頻導前假目標的特性分析及其鑒別方法[J].雷達學報,2017,6(4): 325–331.

10.12000/JR17026.

Reference format:Feng Dejun,Wang Junjie,and Wang Junqing.Signature analysis and discrimination method of preceded frequency-shift false target[J].Journal of Radars,2017,6(4): 325–331.DOI: 10.12000/JR17026.

2017-03-14；改回日期：2017-06-12；網(wǎng)絡出版：2017-07-10

*通信作者： 馮德軍 fdj117@163.com

國家自然科學基金(61372170)