基于DRFM的雷達(dá)超前干擾技術(shù)*

趙忠凱， 張繼娜

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

基于DRFM的雷達(dá)超前干擾技術(shù)*

趙忠凱， 張繼娜

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

針對雷達(dá)接收機采用脈沖前沿抗干擾技術(shù)偵察目標(biāo)的問題，提出了一種基于數(shù)字射頻存儲器(DRFM)的雷達(dá)超前干擾方法.利用高速ADC對雷達(dá)信號進行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流，通過FPGA設(shè)計重頻跟蹤器，實現(xiàn)對雷達(dá)射頻信號的跟蹤預(yù)測，并完成對雷達(dá)信號的無失真存儲和延時疊加處理，最終調(diào)制出與雷達(dá)信號具有相干性的超前干擾信號.結(jié)果表明，干擾信號超前于目標(biāo)回波信號，并且具有欺騙與壓制兩種干擾效果，試驗結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果.

抗干擾； 數(shù)字射頻存儲器； 超前干擾； 重頻跟蹤器； 跟蹤預(yù)測； 無失真存儲； 延遲疊加； 相干性

雷達(dá)電子干擾是電子戰(zhàn)的主要內(nèi)容之一，旨在制造復(fù)雜的電磁環(huán)境，對抗雷達(dá)對目標(biāo)的探測、跟蹤及截獲，大幅度削弱敵方雷達(dá)的作戰(zhàn)性能[1].隨著雷達(dá)抗干擾技術(shù)的不斷提高，如何能夠?qū)δ繕?biāo)實現(xiàn)保護的同時對雷達(dá)進行有效干擾成為了干擾機設(shè)計的重點[2].新體制的現(xiàn)代雷達(dá)廣泛采用匹配接收和脈沖壓縮等技術(shù)，使得目標(biāo)回波信號可獲得幾十dB的信號處理能力[3-4].對于傳統(tǒng)的干擾方法而言，干擾機接收雷達(dá)射頻信號，再經(jīng)過延遲轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生噪聲類壓制干擾信號，這樣得到的干擾信號滯后于目標(biāo)回波信號，目標(biāo)能夠被雷達(dá)檢測到，并且為了要達(dá)到同樣的壓制系數(shù)，需要更大的干擾輸出功率[5-7].

針對雷達(dá)偵察技術(shù)的不斷提高，本文提出了基于數(shù)字射頻存儲器(DRFM)的雷達(dá)超前干擾方法[8-10].利用FPGA作為主控器件，通過對高速ADC采樣的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)對雷達(dá)射頻信號的跟蹤預(yù)測、無失真存儲，并通過時序設(shè)計調(diào)制出多假目標(biāo)超前干擾信號，使得干擾信號超前于目標(biāo)回波信號，實現(xiàn)對干擾機的有效保護[11].利用DRFM技術(shù)對射頻信號進行相干存儲，調(diào)制得到的多假目標(biāo)干擾信號具備有與目標(biāo)回波信號相似的相干處理增益.當(dāng)作用于雷達(dá)目標(biāo)檢測和跟蹤系統(tǒng)時，DRFM技術(shù)能夠在特定的功率下增加雷達(dá)干擾的性能和效率，解決了傳統(tǒng)非相參干擾的功率損失嚴(yán)重等問題，能夠達(dá)到迷惑和擾亂雷達(dá)對真正目標(biāo)檢測和跟蹤的目的.根據(jù)設(shè)定的假目標(biāo)信號之間時序關(guān)系的差異，可以實現(xiàn)超前欺騙性效果或者超前壓制性效果.

1 超前干擾模型分析

雷達(dá)是通過對目標(biāo)回波信號進行接收，再做一些檢測處理來識別復(fù)雜回波中的有用信息.對于一般情況，雷達(dá)發(fā)射信號，通過接收目標(biāo)的回波信號并做相應(yīng)的處理，以此來實現(xiàn)對目標(biāo)的偵察.圖1為超前干擾模型.為了實現(xiàn)對目標(biāo)的有效保護，需要干擾機發(fā)射的干擾信號超前于目標(biāo)回波信號到達(dá)雷達(dá)接收機，使得雷達(dá)對目標(biāo)的位置產(chǎn)生誤判，實現(xiàn)了對目標(biāo)的保護.圖1中真實目標(biāo)到雷達(dá)的距離為R，雷達(dá)偵察測得的假目標(biāo)距離為Rj，且Rj

圖1 超前干擾模型

線性調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

(2)

對于一般情況來說，根據(jù)目標(biāo)回波信號模型，雷達(dá)接收機接收到的目標(biāo)回波信號為

(3)

雷達(dá)接收機接收到的干擾信號為

(4)

2 超前干擾系統(tǒng)設(shè)計

圖2為超前干擾系統(tǒng)，主要包括微波前端和基于DRFM技術(shù)的數(shù)字信號處理板.FPGA作為系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)信號的收發(fā)控制、信號測量、信號存儲以及信號轉(zhuǎn)發(fā).射頻信號接收階段：FPGA打開接收開關(guān)，接收天線在接收到射頻信號后，在微波中經(jīng)過下變頻處理得到中頻信號和包絡(luò)檢波，高速ADC對中頻信號進行高速采樣得到數(shù)字信號，F(xiàn)PGA對采樣后的信號進行測頻比較及無失真存儲；干擾信號輸出階段：FPGA打開發(fā)射開關(guān)，將處理好的干擾數(shù)字信號經(jīng)過DAC重構(gòu)得到模擬信號，傳送給微波進行上變頻處理轉(zhuǎn)換為射頻信號發(fā)出.

圖2 超前干擾總體設(shè)計Fig.2 Overall design of advanced jamming

FPGA芯片選擇XC6VSX315T，此器件除了具有高性能邏輯結(jié)構(gòu)之外，還包括許多內(nèi)置的系統(tǒng)級模塊.配合高速ADC和DAC，主要完成信號偵察和干擾工作.利用高速ADC芯片ADC08D1500以1.3 GHz對雷達(dá)信號進行采樣，得到量化為8 bit的采樣數(shù)據(jù).通過并串轉(zhuǎn)換模板將數(shù)據(jù)進行8倍偶變換，得到的數(shù)據(jù)速率為162.5 MHz，降速后傳送給FPGA.采用AD9739將FPGA處理完成后的干擾信號進行時序轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出.

圖3為FPGA模塊，主要分為CORDIC測頻模塊、RAM存儲、時序控制模塊和干擾處理模塊.

圖3 FPGA模塊內(nèi)部功能Fig.3 Internal function of FPGA module

為了實現(xiàn)雷達(dá)超前干擾效果，需要能夠預(yù)測射頻信號的到達(dá)時間，保證干擾信號能夠超前于目標(biāo)回波信號到達(dá)雷達(dá)接收機.利用FPGA產(chǎn)生重頻跟蹤器，實現(xiàn)對雷達(dá)信號的實時跟蹤預(yù)測.FPGA在收到ADC采樣后的信號和包絡(luò)檢波后，利用CORDIC測頻模塊測量信號的脈沖前沿頻率，作為區(qū)分雷達(dá)信號的特征值.利用雷達(dá)脈沖信號的檢波前沿作為觸發(fā)，對其進行前沿測頻比較，考慮捷變頻的情況，前沿測頻比較需要有一定的容差.選取正確的雷達(dá)脈沖作為重頻跟蹤電路的起始脈沖，開始進行脈沖重復(fù)周期(PRI)的測量.對于之后到達(dá)的脈沖均進行頻率比較，當(dāng)判斷為同一雷達(dá)脈沖后，測得PRI，產(chǎn)生一個相應(yīng)的預(yù)測波門，使得雷達(dá)脈沖能出現(xiàn)在波門內(nèi).當(dāng)判斷為不同脈沖時，需要再次建立一個重頻跟蹤電路，該脈沖作為這一雷達(dá)信號的起始脈沖.產(chǎn)生預(yù)測波門后還要繼續(xù)檢測雷達(dá)脈沖，以便隨時對預(yù)測波門進行調(diào)整，使預(yù)測波門具有時效性，根據(jù)不同的信號可以產(chǎn)生多個不同的預(yù)測波門，從而解決復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)偵察的問題，重頻跟蹤器設(shè)計流程如圖4所示.

圖4 重頻跟蹤器設(shè)計流程Fig.4 Flow chart for design of PRI tracker

FPGA在接收到雷達(dá)信號后，通過測頻模塊測量出的前沿頻率作為判斷雷達(dá)信號的標(biāo)志.在判斷為新信號時，將雷達(dá)信號無失真地存儲到RAM的相應(yīng)空間內(nèi).當(dāng)需要發(fā)射干擾信號時，通過頻率信息選擇相應(yīng)的讀地址，將RAM中的數(shù)據(jù)讀出，經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)制形成干擾信號發(fā)出.

本文設(shè)計的干擾機通過對雷達(dá)信號進行調(diào)制，主要實現(xiàn)壓制以及欺騙效果.圖5為信號延遲疊加流程，假目標(biāo)信號的疏密程度都可以通過調(diào)整延遲時間ti來進行控制，假目標(biāo)信號的數(shù)量可以通過調(diào)節(jié)延遲級數(shù)來進行控制.FPGA利用之前存儲在RAM中的雷達(dá)信號通過FIFO和加法器來實現(xiàn)延遲疊加，并且通過控制FIFO與加法器進行級聯(lián)進行多次延遲疊加，產(chǎn)生多個假目標(biāo)信號.其中，F(xiàn)IFO的深度控制假目標(biāo)之間的距離，F(xiàn)IFO和加法器級聯(lián)的個數(shù)影響假目標(biāo)的個數(shù).為了滿足不同情況，可以對延遲疊加的最后一級輸出結(jié)果J(t)進行幅度和相位上的調(diào)整.

圖5信號延遲疊加流程
Fig.5Flowchartfortime-delaysuperpositionofsignal

一般來說，假目標(biāo)在接收到雷達(dá)信號之后經(jīng)過延遲疊加得到的ti均是正的，即假目標(biāo)均延遲目標(biāo)回波信號，這樣就不能起到對目標(biāo)的掩護作用.而對于超前干擾的假目標(biāo)來說，第一個假目標(biāo)的位置是預(yù)測波門的前t時間.圖6為超前干擾示意圖，預(yù)測波門前t時間內(nèi)假目標(biāo)的延遲時間是負(fù)的，預(yù)測波門之后的假目標(biāo)的延遲時間是正的，即第i個假目標(biāo)的延遲時間ti既可能是正的，又可能是負(fù)的.

圖6 超前干擾示意圖Fig.6 Schematic diagram of advanced jamming

通過多級延遲疊加的方法形成了多假目標(biāo)，能夠保證干擾信號同雷達(dá)發(fā)射信號之間的相干性.由于產(chǎn)生的不再是一個峰值的點目標(biāo)，而是產(chǎn)生了多個假目標(biāo)，這樣就與目標(biāo)回波一樣，具有距離向特征.對于多級延遲疊加產(chǎn)生的干擾信號而言，由于延遲時間和幅度的不同，可以在不同位置產(chǎn)生多個幅度不同的假目標(biāo)干擾信號，再加上與目標(biāo)回波信號具有相似的距離向特征，從而達(dá)到了有效欺騙干擾的目的.

對于傳統(tǒng)的典型噪聲壓制干擾而言，由于脈沖壓縮處理技術(shù)可以使目標(biāo)回波信號獲得幾十dB的增益，如果想要壓制目標(biāo)回波信號，就需要干擾機有更大的輸出功率.利用對雷達(dá)信號進行延遲疊加轉(zhuǎn)發(fā)的方法，發(fā)射的干擾信號與原信號具有相干性，干擾機能夠獲得脈沖壓縮處理之后的增益，從而提高了干擾機的效率.

3 仿真結(jié)果

雷達(dá)參數(shù)為：以線性調(diào)頻信號為研究對象，設(shè)信號載頻fc=0 Hz，調(diào)頻帶寬B=5 MHz，信號脈沖寬度τ=10 μs，脈沖重復(fù)周期PRI=1 ms，信噪比SNR=40 dB.

3.1 超前欺騙效果仿真

圖7為超前欺騙干擾仿真.設(shè)目標(biāo)距離雷達(dá)130.7 km，在重頻預(yù)測的基礎(chǔ)上，利用延遲疊加產(chǎn)生16個假目標(biāo)信號，分別位于124.9、125.7、126.4、127.0、127.8、129.0、130.0、131.1、132.3、133.6、134.5、135.8、136.8、138.5、139.6、141.1 km.其中，前7個假目標(biāo)干擾信號的位置在目標(biāo)回波之前達(dá)到了超前的效果，并且通過增加干擾信號的強度，使其遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波信號，在掩蓋了真實目標(biāo)回波的同時，并且由于假目標(biāo)間距不是均勻的，可達(dá)到更好的欺騙效果.

圖7 超前欺騙干擾仿真Fig.7 Simulation for advanced deception jamming

3.2 超前壓制效果仿真

圖8為超前壓制干擾仿真.設(shè)目標(biāo)距離雷達(dá)130.7 km，從仿真中可以看出，利用延遲疊加產(chǎn)生了密集假目標(biāo)，這樣的假目標(biāo)距離近，并且數(shù)量多，已經(jīng)達(dá)不到欺騙的效果，而是得到壓制效果.由于干擾信號的幅度較大，真實目標(biāo)回波信號已經(jīng)淹沒在干擾信號中，并且因為一部分假目標(biāo)信號是在回波信號之前發(fā)出的，所以達(dá)到了超前的效果，實現(xiàn)對目標(biāo)的保護.

圖8 超前壓制干擾仿真Fig.8 Simulation for advanced suppression jamming

3.3 頻譜儀時域測試

信號源設(shè)置為：射頻信號載頻4.1 GHz，脈沖重復(fù)周期1 ms，脈沖寬度10 μs，頻譜儀顯示的干擾信號時域效果如圖9所示.頻譜儀掃頻2 ms，采用射頻信號同步觸發(fā)，通過1 ms處可以發(fā)現(xiàn)，在射頻信號到達(dá)之前，干擾機已經(jīng)發(fā)射干擾信號，達(dá)到了超前干擾的效果.干擾信號具有壓制效果，并且干擾信號的強度為4.6 dB，能夠掩蓋住目標(biāo)回波信號.

圖9 頻譜儀測試結(jié)果Fig.9 Test results with spectrum analyzer

4 結(jié) 論

本文討論了傳統(tǒng)雷達(dá)干擾方法的弊端以及提出超前干擾方法的原因，介紹了基于DRFM技術(shù)實現(xiàn)超前干擾的方法.以FPGA為控制中心，通過設(shè)計重頻跟蹤器對雷達(dá)信號進行跟蹤預(yù)測以及無失真存儲，并通過對雷達(dá)信號延遲疊加產(chǎn)生假目標(biāo)的方法實現(xiàn)超前假目標(biāo)干擾.根據(jù)多假目標(biāo)的疏密程度可以實現(xiàn)欺騙以及壓制兩種效果，由于假目標(biāo)與雷達(dá)信號具有相干性，這就使假目標(biāo)與目標(biāo)回波信號相似，產(chǎn)生較好的干擾效果.MATLAB仿真結(jié)果表明，超前干擾系統(tǒng)設(shè)計具有一定的可行性，并且通過具體的硬件電路設(shè)計以及頻譜儀的時域圖驗證了超前干擾的有效性.

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(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

RadaradvancedjammingtechnologybasedonDRFM

ZHAO Zhong-kai, ZHANG Ji-na

(College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Aiming at the problem that the pulse front anti-jamming technology is used to detect the targets in the radar receivers, a radar advanced jamming method based on digital radio frequency memory (DRFM) was proposed. The radar signal was sampled and converted into the digital bit stream with the high speed ADC, and the pulse repetition interval (PRI) tracker was designed with FGPA to achieve the tracking and prediction of radar radio frequency signal. In addition, the non-distortion storage and time delay superposition processing of radar signal were completed. Finally, the advanced jamming signal with the coherence of radar signal was modulated. The results show that the jamming signal is ahead of the target echo signal, and has both deception and suppression effects. The experimental results achieve the expected effect.

anti-jamming; digital radio frequency memory; advanced jamming; pulse repetition interval (PRI) tracker; tracking and prediction; non-distortion storage; time-delay superposition; coherence

TN 953

： A

： 1000-1646(2017)05-0524-05

2016-09-01.

國家自然科學(xué)基金資助項目(61571146).

趙忠凱(1979-)，男，山東臨沂人，講師，博士，主要從事寬帶信號檢測、處理及識別等方面的研究.

* 本文已于2017-01-19 18∶00在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1800.024.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.09