對脈壓信號(hào)的移頻干擾效果分析

王 強(qiáng)

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

對脈壓信號(hào)的移頻干擾效果分析

王 強(qiáng)

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

針對線性調(diào)頻雷達(dá)信號(hào)距離和多普勒頻率存在強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，提出了多種移頻干擾技術(shù)，并對不同移頻干擾方法的效果進(jìn)行了分析和仿真，該研究結(jié)果可指導(dǎo)干擾信號(hào)的波形設(shè)計(jì)。同時(shí)也分析了移頻干擾對相位編碼雷達(dá)信號(hào)的干擾效果，并對典型巴克碼信號(hào)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，移頻干擾不適用于相位編碼雷達(dá)信號(hào)。

移頻干擾；線性調(diào)頻；相位編碼

0 引 言

為了探測導(dǎo)彈、無人機(jī)和隱身飛機(jī)等雷達(dá)截面(RCS)小的目標(biāo)，雷達(dá)需要提高發(fā)射功率，但是無限提高發(fā)射功率不僅會(huì)出現(xiàn)技術(shù)瓶頸，而且不利于射頻隱身，容易遭受反輻射武器的攻擊。為了解決這個(gè)問題，先進(jìn)的雷達(dá)一般都會(huì)利用相干波形來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測[1]，常用的相干波形為線性調(diào)頻信號(hào)和相位編碼信號(hào)。當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)對遠(yuǎn)處的隱身飛機(jī)進(jìn)行探測時(shí)，脈沖寬度通常在0.1～1 ms之間，如果機(jī)載干擾吊艙實(shí)施自衛(wèi)干擾，在收發(fā)隔離度不能滿足要求的情況下，產(chǎn)生的干擾信號(hào)會(huì)滯后目標(biāo)信號(hào)15 km以上，雷達(dá)可以采用前沿跟蹤技術(shù)剔除干擾信號(hào)。由于線性調(diào)頻信號(hào)在距離和多普勒頻移之間存在強(qiáng)耦合，脈壓后會(huì)引起距離隨著多普勒頻移的變化而產(chǎn)生測距誤差，可以利用雷達(dá)的這一特點(diǎn)，在干擾信號(hào)上附加多普勒頻移，實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)的距離欺騙[2]。

文獻(xiàn)[3]～[7]分別論述了單點(diǎn)移頻、階梯波移頻和隨機(jī)噪聲移頻干擾對線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾效果，文獻(xiàn)[8]對比分析了移頻干擾對線性調(diào)頻和相位編碼信號(hào)的干擾效果。本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，針對線性調(diào)頻雷達(dá)信號(hào)，研究了采用多點(diǎn)、階梯波和線性函數(shù)移頻的干擾效果，得出了各種移頻干擾使用的邊界條件。同時(shí)，分析了移頻干擾對相位編碼脈壓信號(hào)的干擾效果，確認(rèn)相位編碼雷達(dá)信號(hào)具有較強(qiáng)的抗移頻干擾能力。

1 對LFM信號(hào)的移頻干擾效果分析

1.1 工作原理

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射正向線性調(diào)頻信號(hào)，表達(dá)式為s(t)=ej(2πf0t+πKt2),0≤t≤T，其中f0是初始頻率，K是調(diào)頻斜率，T為脈寬。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)時(shí)頻圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)發(fā)射信號(hào)時(shí)頻圖

干擾機(jī)中的數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)模塊對截獲的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)，該樣本信號(hào)的相位與雷達(dá)信號(hào)相位有固定關(guān)系，可以形成相干干擾。如果利用數(shù)字上變頻電路使存儲(chǔ)的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)額外頻移，這樣就形成了移頻干擾。假設(shè)ζ為附加頻移，則移頻干擾信號(hào)可表示為：

(1)

干擾信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)后，在匹配濾波器的輸入端表現(xiàn)為s(t)的頻率發(fā)生了ζ的頻移，移頻干擾經(jīng)雷達(dá)匹配濾波后的輸出信號(hào)是一個(gè)單頻振蕩信號(hào)，假設(shè)B為輸入信號(hào)的帶寬，那么匹配濾波器輸出信號(hào)為：

yζ(t)=

0

(2)

匹配濾波器輸出信號(hào)的包絡(luò)為：

|yζ(t)|=

0

(3)

1.2 干擾效果分析

當(dāng)ζ≠0時(shí)，脈壓輸出主峰將偏移到t=T-ζ/K處；ζ>0時(shí)主峰導(dǎo)前，反之主峰延后。也就是時(shí)延量t-T與頻移ζ存在耦合關(guān)系，所以附加有頻移的干擾信號(hào)經(jīng)匹配濾波處理后會(huì)引起失配，輸出主峰寬度展寬，幅度按三角包絡(luò)下降，相應(yīng)的干擾功率會(huì)出現(xiàn)失配損失，頻移越大，失配越嚴(yán)重。

當(dāng)BT?1時(shí)，匹配濾波器的幅度譜在f∈[0,B]內(nèi)近似為一矩形。當(dāng)移頻量ζ>0時(shí)，干擾信號(hào)的幅度譜在f∈[ζ,B+ζ]內(nèi)也近似為一矩形，根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)理論知，只有它們重合的部分才能產(chǎn)生干擾輸出。|ζ|越大，它們重合的部分越少，即假目標(biāo)的能量越小。當(dāng)|ζ|≥B時(shí)，則不會(huì)產(chǎn)生假目標(biāo)。如果雷達(dá)接收相同功率的干擾和目標(biāo)，可以得到以下3個(gè)結(jié)論：

綜上所述，如果干擾信號(hào)中附加了頻移ζ，一方面可以使假目標(biāo)相對真目標(biāo)發(fā)生前移或后移，表現(xiàn)為距離欺騙干擾效果；另一方面它還會(huì)使雷達(dá)匹配濾波后的載波頻率發(fā)生改變，改變量為ζ/2。如果頻移量ζ不是很大，干擾信號(hào)的頻偏沒有超出雷達(dá)接收機(jī)的帶寬，那么就會(huì)得到預(yù)期的干擾效果；否則，干擾信號(hào)與匹配濾波器完全失配，得不到應(yīng)有的干擾效果。

1.3 干擾效果仿真

移頻干擾的目的是使雷達(dá)產(chǎn)生距離誤差，在自衛(wèi)式干擾場景下，假目標(biāo)可以移到真目標(biāo)的前面，達(dá)到了掩蓋真實(shí)目標(biāo)的目的。在DRFM模塊中，可以采用數(shù)字正交上變頻的方式來疊加頻率偏移，頻偏量可以是固定值、階梯波函數(shù)和線性函數(shù)，不同的頻偏方式產(chǎn)生的干擾效果不同，下面通過仿真來分析不同頻偏的干擾效果。

(1) 多點(diǎn)移頻干擾仿真

在干擾信號(hào)中疊加多個(gè)固定的多譜勒頻率，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)移頻干擾。

仿真參數(shù)設(shè)置如下：雷達(dá)信號(hào)的脈寬τPW=30 μs，重頻fPRT=300 μs，線性調(diào)頻帶寬B=5 MHz，正斜率調(diào)制。如果采用多點(diǎn)移頻干擾方式，干信比15 dB，移頻量分別為f1=1.6 kHz，f2=3.3 kHz，f3=5 kHz，f4=6.7 kHz，干擾信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器脈壓后的信號(hào)如圖2所示。

圖2 對LFM雷達(dá)信號(hào)的多點(diǎn)移頻干擾效果

從圖2可以看出，多點(diǎn)移頻干擾可在雷達(dá)距離門上形成多個(gè)突前于真實(shí)目標(biāo)的假目標(biāo)，假目標(biāo)的位置相對固定。

(2) 階梯波移頻干擾仿真

將接收信號(hào)脈寬分為N段，每段內(nèi)附加一個(gè)固定移頻ζ=ζ0+nΔζ(n=1,…,N-1)，則對于每一段干擾信號(hào)而言，都是一個(gè)窄的失配的LFM脈沖，故每段干擾信號(hào)都可能產(chǎn)生一個(gè)假目標(biāo)，假目標(biāo)個(gè)數(shù)為：

(4)

仿真參數(shù)設(shè)置如下：接收信號(hào)脈寬分為6段，起始段階梯波的調(diào)制頻率為12.5 kHz，脈沖段間移頻增量0.2 MHz，干信比為15 dB。干擾信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器脈壓后的信號(hào)如圖3所示。

圖3 對LFM雷達(dá)信號(hào)的階梯波移頻干擾效果

由于每段干擾信號(hào)都可視為一個(gè)窄的失配的線性調(diào)頻脈沖，它所產(chǎn)生的干擾主峰與單頻點(diǎn)移頻假目標(biāo)相比具有一定展寬。

(3) 線性函數(shù)移頻干擾仿真

干擾信號(hào)的附加頻移為線性函數(shù)fj=fj0+Kjt，干擾帶寬為Bj=KjT。這種類型的移頻干擾經(jīng)匹配濾波輸出后，可形成覆蓋一定區(qū)域的前移干擾。

仿真參數(shù)設(shè)置如下：干擾信號(hào)起始頻移為125 kHz，調(diào)制斜率為10 MHz/μs，干信比為20 dB。干擾信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器脈壓后的信號(hào)如圖4所示。

圖4 對LFM雷達(dá)信號(hào)的線性函數(shù)移頻干擾效果

2 對相位編碼信號(hào)的移頻干擾效果分析

2.1 工作原理

現(xiàn)代雷達(dá)中使用的相位編碼信號(hào)形式多樣，編碼規(guī)律也很復(fù)雜，但常用的相位編碼信號(hào)為二相碼，編碼規(guī)律為巴克碼、偽隨機(jī)碼和M序列，本文主要討論對二相碼信號(hào)的干擾效果。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的編碼信號(hào)為s(t)=ejφ(t)ej2πf0t，φ(t)為二進(jìn)制相位序列{φk=0,π}，或ejφ(t)為二進(jìn)制序列{ck=ejφk=+1,-1}。編碼信號(hào)有p個(gè)碼元，每個(gè)碼元寬度為τ，脈寬為T=pτ的二相編碼信號(hào)s(t)的復(fù)包絡(luò)為：

(5)

u(t)的功率譜為：

|U(f)|2=τ2sinc2(fτ)[p+

pτ2sinc2(fτ)

(6)

約等號(hào)成立的條件是采用的二元碼字具有良好的非周期自相關(guān)性，巴克碼具有最好的自相關(guān)性。

以13位巴克碼為例，假設(shè)雷達(dá)信號(hào)的編碼規(guī)律ck=[-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1]，碼元寬度τ=1 μs，其碼元與頻譜如圖5所示。

圖5 相位編碼信號(hào)編碼規(guī)律和頻譜

2.2 干擾效果分析

如果在二相編碼信號(hào)的載頻上附加頻率偏移ζ，產(chǎn)生的干擾信號(hào)可表示為sζ(t)=ejφ(t)ej2πf0tej(2πζt+φ)，去掉載頻后干擾信號(hào)經(jīng)過雷達(dá)匹配濾波器后的脈壓信號(hào)可用式(7)表示:

(7)

(2) 當(dāng)頻移ζ=0時(shí)，sζ_compmax=pτ；

2.3 干擾效果仿真

為了說明移頻干擾對相位編碼信號(hào)的干擾效果，假設(shè)雷達(dá)采用13位巴克碼，碼元寬度τ=1 μs，針對不同的頻移量ζ，計(jì)算干擾信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器后的增益損失，如圖6所示。

圖6 相位編碼信號(hào)編碼規(guī)律和頻譜圖

從圖6可以看出，二相編碼信號(hào)對頻率的偏移十分敏感，移頻干擾的脈壓輸出幅度呈現(xiàn)辛格函數(shù)的形式，第一零點(diǎn)出現(xiàn)在ζ=77 kHz，通過仿真分析，可以得到以下2個(gè)結(jié)論：

(1) 干擾信號(hào)中疊加頻移，脈壓后的干擾信號(hào)幅度會(huì)隨著頻偏的增加而快速下降，干擾能量損失很大，嚴(yán)重影響干擾效果；

(2) 即使干擾信號(hào)中疊加了頻移ζ，也不能使脈壓后的干擾信號(hào)位置發(fā)生變化，無法實(shí)現(xiàn)距離欺騙的效果。

對于相位編碼脈壓信號(hào)，移頻干擾不能使干擾信號(hào)出現(xiàn)在真實(shí)目標(biāo)信號(hào)的前面，從而失去對目標(biāo)的保護(hù)作用。所以認(rèn)為移頻干擾對相位編碼信號(hào)是沒有干擾效果的。

3 結(jié)束語

本文分析了各種移頻干擾對線性調(diào)頻信號(hào)的干擾效果，從仿真結(jié)果來看，各種形式的移頻干擾均有距離欺騙的效果，在使用過程中需要判斷雷達(dá)信號(hào)的調(diào)頻方向，以便選擇正確的頻率偏移量，確保干擾信號(hào)位于真實(shí)目標(biāo)的前面，這樣才可能有效對抗雷達(dá)的前沿跟蹤技術(shù)。同時(shí)，本文也分析了移頻干擾對相位編碼信號(hào)的干擾效果，從理論分析和仿真結(jié)果來看，移頻干擾對相位編碼信號(hào)既沒有能量優(yōu)勢，又不能產(chǎn)生距離欺騙的效果，因此對于相位編碼脈壓雷達(dá)信號(hào)，移頻干擾是不合適的，需要尋找新的對抗手段。

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EfficiencyAnalysisofTheFrequencyShiftJammingtoPulseCompressionSignal

WANG Qiang

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)

Aiming at the characteristics that the distance and the Doppler frequency of linear frequency modulation radar signals are strongly coupled,this paper proposes a variety of frequency shift jamming technologies,and analyzes and simulates the effects of different frequency shift jamming methods.The results of this study can guide the waveform design of jamming signal.At the same time,this paper also analyzes the jamming effect of frequency shift jamming on phase coding radar signals,simulates and analyzes the typical Barker code signal.The simulation results show that frequency shift jamming is not adapted for phase coding radar signals.

frequency shift jamming；linear frequency modulation；phase coding

TN972

A

CN32-1413(2017)05-0030-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.006

2017-06-16