基于移頻濾波的脈壓雷達(dá)抗干擾方法*

粘朋雷**1，路翠華

(1.解放軍91550部隊(duì)91分隊(duì)，遼寧 大連 116023；2.海軍航空大學(xué) 七系，山東 煙臺(tái) 264001)

基于移頻濾波的脈壓雷達(dá)抗干擾方法*

粘朋雷**1，路翠華2

(1.解放軍91550部隊(duì)91分隊(duì)，遼寧 大連 116023；2.海軍航空大學(xué) 七系，山東 煙臺(tái) 264001)

針對(duì)線性調(diào)頻(LFM)脈沖壓縮雷達(dá)易受移頻欺騙干擾影響的問題，提出了基于移頻檢測(cè)的起始頻率捷變LFM雷達(dá)抗干擾方法。通過分析匹配濾波器參考函數(shù)、目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)在頻域的相對(duì)位置，利用脈間LFM信號(hào)起始頻率不同的特點(diǎn)，將接收信號(hào)進(jìn)行移頻，使得目標(biāo)回波信號(hào)分量無脈壓輸出，從而確定干擾信號(hào)分量在時(shí)域的位置，通過時(shí)域選通對(duì)未進(jìn)行移頻的接收信號(hào)脈壓結(jié)果中的干擾進(jìn)行濾除達(dá)到抗干擾目的。仿真分析了移頻檢測(cè)抗干擾性能，結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

脈沖壓縮雷達(dá)；線性調(diào)頻；移頻干擾；干擾抑制

1 引 言

線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation LFM)脈沖信號(hào)以其高的探測(cè)距離和距離分辨率，越來越多地被應(yīng)用于高分辨雷達(dá)設(shè)備中。脈沖壓縮技術(shù)由于可獲得很高的處理增益，線性調(diào)頻雷達(dá)多應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)進(jìn)行回波信號(hào)處理。隨著DSP、DDS、DRFM等數(shù)字器件應(yīng)用于先進(jìn)的干擾設(shè)備，使得各種雷達(dá)信號(hào)很容易被識(shí)別后存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生有效的欺騙干擾[1-3]。特別是由于LFM信號(hào)的時(shí)頻耦合特性，通過對(duì)接收到的LFM信號(hào)疊加不同的多普勒頻率，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾效果[4-5]，而且根據(jù)頻偏大小可形成欺騙干擾和壓制干擾效果[6]。

文獻(xiàn)[7]通過分析移頻干擾對(duì)線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)的干擾效果和原理，提出了基于FrFT的抗線性函數(shù)移頻干擾算法。文獻(xiàn)[8]也是通過LFM信號(hào)在分?jǐn)?shù)階傅里葉域中的不同對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行辨識(shí)，從而達(dá)到抗干擾的效果，但是，由于FrFT的運(yùn)算量比較大，因此需要對(duì)抗干擾方法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。根據(jù)文獻(xiàn)[9-11]提出的脈間調(diào)頻率抖動(dòng)抗干擾方法，本文提出起始頻率捷變的LFM雷達(dá)抗干擾方法。由于起始頻率捷變的LFM雷達(dá)在不同周期發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻斜率不變，脈沖寬度不變，但起始頻率是不同的，因此目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)在頻域中的位置是不同的，而且移頻值不同，頻域的重疊也不同。根據(jù)目標(biāo)回波信號(hào)、干擾信號(hào)和匹配濾波器參考函數(shù)(脈沖響應(yīng)函數(shù))在頻域的重疊度不同，對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)和假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)進(jìn)行區(qū)分可達(dá)到干擾抑制的目的。

2 移頻檢測(cè)原理

雷達(dá)第n個(gè)脈沖周期發(fā)射的LFM信號(hào)可表示為

(1)

脈沖壓縮雷達(dá)的脈壓一般都較大，因此匹配濾波器參考信號(hào)的頻譜函數(shù)可近似表示為

(2)

第n個(gè)脈沖周期時(shí)，干擾設(shè)備利用此前第m個(gè)脈沖周期的雷達(dá)信號(hào)生成干擾信號(hào)，與第n個(gè)脈沖周期的雷達(dá)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，接收信號(hào)可表示為

xn(t)=sn(t-τn)+jn(t-τjn)=

sn(t-τn)+Ajsm(t-τjn) 。

(3)

雷達(dá)信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后，接收機(jī)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)的頻譜為

(4)

因此，干擾信號(hào)分量的頻譜為

(5)

在此考慮fm

(6)

其輸出信號(hào)在時(shí)域可表示為

(7)

干擾信號(hào)進(jìn)入匹配濾波器輸出信號(hào)的頻譜函數(shù)可表示為

Jo(f)=Jn(f)H(f)=

(8)

對(duì)其進(jìn)行傅里葉反變換得到干擾信號(hào)的脈壓輸出信號(hào)為

exp(j2πft)df=

exp(j2πft)df=

exp[jπ(t-τjn)(fm+fn)]。

(9)

比較式(6)和式(8)，由于目標(biāo)回波信號(hào)與參考函數(shù)頻域完全重合，因此輸出信號(hào)帶寬為B，而干擾信號(hào)由于只與參考函數(shù)在頻域部分重合，故輸出信號(hào)頻域?qū)挾葍H為重合部分寬度B+fm-fn。由式(8)知，干擾信號(hào)脈沖壓縮輸出信號(hào)只有在fn-fm

對(duì)雷達(dá)接收信號(hào)進(jìn)行頻率為fM>0的移頻處理后，其中的目標(biāo)回波信號(hào)分量變?yōu)?/p>

x′(t)=x(t)exp(j2πfMt) ，

(10)

則回波信號(hào)移頻后的頻譜變?yōu)?/p>

(11)

其脈壓輸出信號(hào)的頻譜函數(shù)為

(12)

則移頻后的回波信號(hào)的脈壓輸出信號(hào)為

exp(j2πft)df=

exp[jπ(t-τn)(fM+2fn)+j2πfMτn]。

(13)

接收信號(hào)中的干擾信號(hào)分量進(jìn)行頻率為fM>0的移頻處理后頻譜為

(14)

匹配濾波后脈壓輸出信號(hào)在頻域和時(shí)域表示為

(15)

exp[jπ(t-τjn)(fm+fn+fM)+j2πfMτjn]。

(16)

當(dāng)fmfn時(shí)，則需fM=-B才能使目標(biāo)回波信號(hào)頻譜與匹配濾波器參考函數(shù)頻譜不相關(guān)。

3 干擾信號(hào)抑制實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)接收信號(hào)進(jìn)入匹配濾波器，其實(shí)質(zhì)是接收信號(hào)與濾波器參考函數(shù)進(jìn)行卷積，轉(zhuǎn)化到頻域即為兩頻率函數(shù)相乘。圖1(a)為匹配濾波器參考信號(hào)、目標(biāo)回波信號(hào)和欺騙干擾信號(hào)的頻域示意圖。正是由于干擾信號(hào)與參考函數(shù)帶寬相同，但是起始頻率不同，導(dǎo)致兩信號(hào)頻域相乘時(shí)，重合部分減少，使得干擾信號(hào)的脈沖壓縮輸出信號(hào)幅值減小，而目標(biāo)回波信號(hào)由于與參考函數(shù)頻域完全重合，因此具有很好的能量聚集特性。

圖1 信號(hào)頻域示意圖Fig.1 Signal frequency domain schematic diagram

圖2 干擾抑制原理圖Fig.2 Principle of jamming suppression

對(duì)干擾抑制方法進(jìn)行總結(jié)如下：

Step1 對(duì)雷達(dá)接收信號(hào)x(t)進(jìn)行式(10)的移頻，移頻值為fM=B，得到移頻后信號(hào)x′(t)。

Step4 對(duì)雷達(dá)接收信號(hào)x(t)進(jìn)行式(10)的移頻，移頻值為fM=-B，得到移頻后信號(hào)x′(t)，重復(fù)Step 2和Step 3，將起始頻率大于目標(biāo)回波信號(hào)起始頻率(fj>fn)的干擾抑制。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及性能分析

仿真取某次雷達(dá)回波信號(hào)的脈沖寬度為T=1 μs，頻率帶寬為B=100 MHz，則調(diào)頻率為μ=100 MHz/μs，起始頻率fn=50 MHz；干擾信號(hào)起始頻率為fm=20 MHz，信干比SJR=-5 dB，信噪比SNR=0 dB；采樣率取fs=500 MHz，并假定干擾信號(hào)與回波信號(hào)同時(shí)到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)。

4.1仿真實(shí)驗(yàn)

假定在第n個(gè)脈沖周期，匹配濾波器參考函數(shù)、目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)的頻域如圖3所示。由圖知，由于目標(biāo)回波信號(hào)與干擾信號(hào)由于起始頻率不同，因此在頻域上與參考函數(shù)的相對(duì)位置也不同。目標(biāo)信號(hào)與參考函數(shù)完全對(duì)應(yīng)重合，而干擾信號(hào)與參考函數(shù)只是部分重合。

圖3 移頻前信號(hào)頻域圖Fig.3 Signal frequency domain before frequency shifting

圖4為雷達(dá)接收信號(hào)經(jīng)匹配濾波器后脈沖壓縮輸出，時(shí)間軸上零點(diǎn)取雷達(dá)接收信號(hào)與匹配濾波器參考函數(shù)卷積輸出初始時(shí)刻。

圖4 移頻前脈沖壓縮輸出圖Fig.4 Pulse compression output before frequency shifting

對(duì)雷達(dá)接收信號(hào)進(jìn)行移頻后，濾波器參考函數(shù)、目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)的頻域如圖5所示。由圖知，由于移頻使得目標(biāo)信號(hào)與參考函數(shù)在頻域基本完全不對(duì)應(yīng)，而干擾信號(hào)與參考函數(shù)仍有部分重合。

圖5 移頻后信號(hào)頻域圖Fig.5 Signal frequency domain after frequency shifting

圖6 移頻后脈沖壓縮輸出圖Fig.6 Pulse compression output after frequency shifting

圖7 干擾抑制后脈沖壓縮輸出圖Fig.7 Pulse compression output after jamming suppression

4.2性能分析

移頻后的脈壓輸出將直接決定著干擾信號(hào)的時(shí)延判斷，因此輸出信號(hào)的峰值旁瓣比(Peak Side Lobe Ratio，PSLR)可作為干擾抑制性能的重要因素，取PSLR為旁瓣最大值與主瓣之比。

圖8表示信干比分別為-10 dB、-15 dB和-20 dB條件下，移頻后信號(hào)的脈壓輸出PSLR隨著信噪比SNR增加時(shí)的性能曲線。隨著信噪比的增加，PSLR逐漸變小，即移頻后脈壓輸出信號(hào)旁瓣值相對(duì)于峰值減小。這是由于對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行fM=B的移頻后，回波信號(hào)幾乎無脈壓輸出，峰值主要為干擾剩余量，而噪聲對(duì)旁瓣影響比較大，而且移頻對(duì)噪聲影響比較小，因此信噪比較低時(shí)，噪聲能量比較大，移頻后輸出PSLR較高。而當(dāng)SNR大于0時(shí)，由于此時(shí)噪聲能量較低，對(duì)輸出旁瓣影響較小，輸出PSLR趨于穩(wěn)定值；隨著信干比的增大，PSLR也增大。這是由于干擾信號(hào)能量降低，移頻后干擾信號(hào)剩余能量也相對(duì)較低，因此輸出PSLR較大。

圖8 PSLR與SJR的關(guān)系Fig.8 Relationship between PSLR and SJR

圖9表示信干比分別為-5 dB、-10 dB和-20 dB條件下，PSLR隨著干擾信號(hào)起始頻率fm變化的性能曲線。由于fn=50 MHz，當(dāng)fm逐漸增大時(shí)，起始頻率相對(duì)將減小，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行移頻后，干擾信號(hào)的剩余能量也將逐漸降低，因此輸出主瓣值將降低，PSLR也逐漸增大。

圖9 PSLR與fm的關(guān)系

5 結(jié) 論

本文針對(duì)脈沖壓縮雷達(dá)易受移頻欺騙干擾影響的問題，提出了移頻檢測(cè)的抗欺騙干擾方法，對(duì)干擾進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，達(dá)到抗干擾目的。通過仿真對(duì)移頻檢測(cè)抗干擾性能進(jìn)行了分析，并驗(yàn)證了方法的有效性。但是，在對(duì)此方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證過程中，是假定目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度是一定的，如果目標(biāo)具有一定的加速度，將會(huì)對(duì)算法的有效性產(chǎn)生影響，對(duì)此需要進(jìn)一步研究。

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JammingSuppressionofPulseCompressionRadarBasedonFrequency-shiftingFilter

NIAN Penglei1,LU Cuihua2
(1.Subunit 91,Unit 91550 of PLA,Dalian 116023,China;2.The 7th Department,Naval Aeronautical University,Yantai 264001,China)

To solve the problem that linear frequency modulation (LFM) pulse compression radar can be affected by the frequency-shifting jamming,a jamming suppression method for initial frequency agility LFM radar based on frequency-shifting detection is presented. The relative position among matched filter reference function,target echo signal and jamming signal in frequency domain is analyzed,and then the character that the initial frequency among interpulse LFM signal is different can be used. The target echo signal is made to have no pulse compression output through shifting the

signal frequency. So the jamming signal can be identified and suppressed. The anti-jamming performance of the proposed method is analyzed through simulation and the result proves its effectiveness.

pulse compression radar；linear frequency modulation；frequency-shifting jamming；jamming suppression

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.10.009

粘朋雷，路翠華.基于移頻濾波的脈壓雷達(dá)抗干擾方法[J].電訊技術(shù)，2017,57(10):1152-1157.[NIAN Penglei,LU Cuihua.Jamming suppression of pulse compression radar based on frequency-shifting filter[J].Telecommunication Engineering,2017,57(10):1152-1157.]

2017-03-30；

2017-06-20 Received date:2017-03-30；Revised date：2017-06-20

**通信作者：nianpl@126.com Corresponding author：nianpl@126.com

TN973

A

1001-893X(2017)10-1152-06

粘朋雷(1986—)，男，山東萊陽人，2010年獲碩士學(xué)位，2015年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)檐娪媚繕?biāo)中近程探測(cè)、識(shí)別與信息對(duì)抗技術(shù)；

Email:nianpl@126.com

路翠華(1978—)，女，山東煙臺(tái)人，2011年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)檐娪媚繕?biāo)中近程探測(cè)。