間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾研究*

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(空軍預(yù)警學(xué)院， 湖北武漢 430019)

0 引言

現(xiàn)代雷達系統(tǒng)為有效增加抗干擾能力、提高目標(biāo)識別能力，普遍采用線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation, LFM)等脈沖壓縮技術(shù)來解決探測距離和距離分辨率之間的矛盾關(guān)系，對雷達回波進行脈沖壓縮可獲得較高的相干處理增益，有效提高了系統(tǒng)抗雜波和非相干干擾的能力[1-2]。因此如何對LFM信號進行有效的相干干擾已成為雷達電子戰(zhàn)領(lǐng)域的研究熱點。

目前，相干干擾的干擾樣式較多，主要分為全脈沖轉(zhuǎn)發(fā)干擾和間歇采樣調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾[2-3]，其實現(xiàn)基礎(chǔ)主要為數(shù)字射頻存儲器(DRFM)技術(shù)[4]。全脈沖轉(zhuǎn)發(fā)干擾[5]優(yōu)勢在于可以產(chǎn)生很逼真的假目標(biāo)，但對大時寬雷達進行干擾時，干擾信號總是滯后于真實目標(biāo)回波信號一個脈沖寬度。間歇采樣調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾就可以有效解決這個問題，它使用雷達發(fā)射信號進行間歇采樣再調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)的方式，有效利用匹配濾波技術(shù)產(chǎn)生較逼真的相干假目標(biāo)串。在這類干擾中，基于間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾，文獻[6]提出了間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，有效解決了直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾中次假目標(biāo)衰減較大、干擾工作比較低等問題，但是該干擾產(chǎn)生的多假目標(biāo)分布較為均勻，易被雷達識別，假目標(biāo)不混疊時次假目標(biāo)群衰減較大，壓制干擾特性較差。本文基于LFM脈壓雷達信號處理的特性，提出一種間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)，即將干擾機間歇采樣并存儲的部分雷達發(fā)射信號與視頻噪聲信號相卷積后再轉(zhuǎn)發(fā)。從干擾產(chǎn)生機理上看，這種干擾無需測頻就可以自動瞄準(zhǔn)雷達信號頻率，并且能有效利用匹配濾波特性，獲得相干處理增益；從干擾效果上看，這種干擾能產(chǎn)生較逼真的多假目標(biāo)干擾，假目標(biāo)的幅度和分布較為隨機，有效解決了間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾次假目標(biāo)分布均勻和次假目標(biāo)群衰減較大的不足。同時，通過調(diào)節(jié)噪聲卷積的寬度，能靈活選擇進行欺騙干擾或是壓制干擾，干擾方式選擇較為靈活。

1 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的工作原理

間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾基本工作原理如圖1所示，即采樣一次后，將采樣多次轉(zhuǎn)發(fā)。例如采樣1(一次采樣后)，對采樣1進行3次轉(zhuǎn)發(fā)得到轉(zhuǎn)發(fā)1-1，1-2和1-3。所以可說明轉(zhuǎn)發(fā)1-1，2-1，3-1，…，n-1為第一次轉(zhuǎn)發(fā)，1-2，2-2，3-2，…，n-2為第二次轉(zhuǎn)發(fā)，之后每次轉(zhuǎn)發(fā)，都在前一次轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上延時Tr，此時轉(zhuǎn)發(fā)延時Tr=τ。其中，T為雷達發(fā)射信號脈寬，Ts為干擾重復(fù)周期，τ為間歇采樣脈寬，Tr為轉(zhuǎn)發(fā)時間間隔。由上述分析可知，重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的數(shù)學(xué)模型可在直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾的模型基礎(chǔ)上進行變形得到。設(shè)在間歇采樣重復(fù)周期Ts中，采樣脈寬為τ，轉(zhuǎn)發(fā)延時為Tr(Tr=τ)，可轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為M，間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾經(jīng)過匹配濾波處理后的輸出為ys(t)，則M=Ts/τ-1，重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾輸出ys總(t)為ys總(t)=ys(t)+ys(t-τ)+…+

ys(t-(M-1)τ)=

(1)

式(1)表明重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾可以產(chǎn)生多個主假目標(biāo)和多個有效的次假目標(biāo)回波，即會產(chǎn)生多個假目標(biāo)群(可分為主假目標(biāo)群和次假目標(biāo)群)，實際上是直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾的等間隔τ延拓M次。因此若所有假目標(biāo)都獨立且Ts/τ為整數(shù)時，相鄰假目標(biāo)間距Δlj=cT/2TsW，其中c為光速，W為雷達發(fā)射信號帶寬。由于直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾假目標(biāo)分布均勻，次假目標(biāo)衰減較大，有效的假目標(biāo)數(shù)量為3～5個[6]，重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾為其延拓干擾，則可知重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的假目標(biāo)分布也較為均勻，容易被雷達識別；假目標(biāo)間不混疊時，次假目標(biāo)群衰減較大；有效假目標(biāo)數(shù)量為3M～5M個。

2 間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾分析

靈巧噪聲卷積調(diào)制可以產(chǎn)生與目標(biāo)回波非常相似的干擾信號，具有較好的欺騙性干擾的特性，并且由于該干擾樣式能將噪聲干擾能量集中于雷達信號帶寬內(nèi)，因此也具有較好的壓制性干擾的特性。將靈巧噪聲卷積調(diào)制與間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合，使干擾在具有較高的干擾工作比的前提下實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)發(fā)，保持較好的相干性和逼真度，又能使假目標(biāo)幅度和分布較為隨機，也可以根據(jù)需求調(diào)整噪聲時寬來選擇欺騙式或壓制式干擾。

2.1 干擾產(chǎn)生機理

產(chǎn)生間歇采樣靈巧噪聲轉(zhuǎn)發(fā)干擾的流程如圖2所示，具體步驟如下：1)對發(fā)射信號進行間歇采樣處理；2)對間歇采樣信號進行重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)處理；3)對間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)信號進行靈巧噪聲卷積調(diào)制處理，使其具有與間歇采樣信號相似的干擾特性和噪聲的隨機特性。

將雷達發(fā)射信號進行如圖3所示的間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)處理后，將間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾進行靈巧噪聲卷積調(diào)制，圖3為基于DRFM的靈巧噪聲卷積調(diào)制方法。

被間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的雷達發(fā)射信號一路經(jīng)接收、放大濾波后，經(jīng)過下變頻送到數(shù)字射頻存儲器(DRFM)，處理后再經(jīng)過上變頻輸出雷達間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)脈沖復(fù)制信號；另一路經(jīng)過檢波產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)，控制噪聲產(chǎn)生器產(chǎn)生適當(dāng)長度和類型的噪聲數(shù)據(jù)，最后將雷達間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)脈沖復(fù)制信號與視頻噪聲信號進行卷積即產(chǎn)生間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾。因此，這種干擾無需測頻就可以自動瞄準(zhǔn)雷達信號頻率。為分析間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾經(jīng)過脈沖壓縮處理后獲得的匹配增益，使用系統(tǒng)干擾功率增益Kd和系統(tǒng)干信比增益K進行分析[7]：Kd=Jo/Ji

(2)

K=(Jo/So)/(Ji/Si)

(3)

式中，Ji，Jo和Si，So分別為脈沖壓縮前后的干擾功率和信號功率。

Si·T=So·(1/W)

(4)

(5)

所以卷積調(diào)制靈巧噪聲間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的干擾功率增益：

(6)

其干信比增益

(7)

式中，脈沖壓縮的時寬帶寬積D=TW。與傳統(tǒng)射頻噪聲干擾對比，傳統(tǒng)射頻噪聲干擾不會獲得脈沖壓縮處理增益，甚至由于失配而造成能量損失，因此其干擾功率增益Kd≤1，干信比增益K≤ 1/D。由此可知，間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾比傳統(tǒng)射頻噪聲干擾的干擾能量利用效率更高，并且這種干擾方式能有效利用匹配濾波特性，獲得相干處理增益。

此外，從式(6)和式(7)可知，間歇采樣靈巧噪聲轉(zhuǎn)發(fā)干擾的性能與參與卷積的視頻噪聲長度Tn有關(guān)，Tn越小，Kd和K越大，干擾功率利用率越高，但同時干擾輸出信號脈沖寬度越小，所以要選擇適當(dāng)?shù)腡n，一般選擇Tn大于1/B，這樣才能保證干擾輸出覆蓋住回波目標(biāo)。

2.2 干擾效果分析

設(shè)間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾經(jīng)過匹配濾波器的輸出為yn(t)，視頻噪聲為n(t)，由干擾產(chǎn)生原理可知：

yn(t)=n(t)?ys總(t)=

(8)

由文獻[8]可知：

cos2πnfsτ·y(t)

(9)

式中，τ為間歇采樣脈沖寬度，Ts為干擾重復(fù)周期(fs=1/Ts)，y(t)為雷達信號x(t)通過匹配濾波的輸出信號。由于n(t)為幅度和分布隨機的噪聲信號，因此可將n(t)表示為隨機脈沖串，即

(10)

由式(8)和式(10)可知：

yn(t)=n(t)?ys總(t)=

(11)

令t′=t-iτ，則t=t′-iτ，即

(12)

結(jié)合式(9)可得

(13)

3 干擾仿真

設(shè)雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號脈寬為100 μs，帶寬為1 MHz，干擾機距離雷達100 km，間歇采樣重復(fù)周期為20 μs，干擾占空比τ/Ts=0.25，參與卷積的噪聲信號是服從均值為0、方差為1的高斯分布噪聲，噪聲時寬為100 μs，分別對該雷達進行間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾和間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾。由參數(shù)可知，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾中所有假目標(biāo)獨立。

3.1 時頻域分析

設(shè)雷達發(fā)射信號x(t)，間歇采樣信號xs(t)，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號為xj(t)，間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號為xjn(t)的時域波形如圖4(a)所示。雷達發(fā)射信號X(f)，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號為Xj(f)，間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號為Xjn(f)的頻譜如圖4(b)所示。如圖4所示，由于靈巧噪聲卷積調(diào)制，干擾的時域和頻域波形發(fā)生了較大變化，這也是兩種干擾效果不同的原因所在。

3.2 干擾效果對比

取噪聲時寬Tn=100 μs，與雷達發(fā)射信號脈寬相同。

圖5(a)為3種信號經(jīng)過脈壓后的距離-歸一化幅度二維仿真圖，圖5(b)為間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號三維圖，圖5(c)為圖5(a)的細節(jié)放大圖。設(shè)假目標(biāo)個數(shù)為i，其中i為整數(shù)，圖5(d)為第i個假目標(biāo)與前一假目標(biāo)距離情況。由于假目標(biāo)主要分布在90～120 km范圍內(nèi)，對于間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，假目標(biāo)個數(shù)為20個，即1≤i≤20；對于間歇采樣靈巧噪聲轉(zhuǎn)發(fā)干擾，假目標(biāo)個數(shù)為64個，即1≤i≤64。

首先對間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾進行分析，由參數(shù)設(shè)置可知，仿真中的所有假目標(biāo)都是獨立的，結(jié)合圖5(a)、圖5(c)和圖5(d)中綠實線可看出：

1)間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾假目標(biāo)分布均勻，容易被雷達識別。各假目標(biāo)間距為0.75 km，與理論分析相符。

2)次假目標(biāo)群衰減較大。主假目標(biāo)群歸一化幅度分別為-3.5 dB，-6.3 dB和-8.5 dB，位于主假目標(biāo)群右側(cè)的一次假目標(biāo)群歸一化幅度分別為-4.9 dB，-6.5 dB和-11.3 dB，位于主假目標(biāo)群右側(cè)的二次假目標(biāo)群歸一化幅度分別為-12.6 dB，-11.5 dB和-12.1 dB，次假目標(biāo)群幅度衰減較大，有效的假目標(biāo)數(shù)量為3M～5M個，與理論分析相符。

3)壓制干擾特性較差。假目標(biāo)總數(shù)為20個，假目標(biāo)覆蓋為90～110 km，但由于有效的假目標(biāo)數(shù)量為9個，因此干擾的壓制特性較差。

對間歇采樣靈巧噪聲轉(zhuǎn)發(fā)干擾進行分析，結(jié)合圖5(a)的紅虛線、圖5(b)和圖5(d)的紅實線可看出：

1)間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的假目標(biāo)分布相對隨機，即不同假目標(biāo)與前一假目標(biāo)的間距相對隨機，較難被雷達識別。

2)假目標(biāo)幅度隨機，因此不存在次假目標(biāo)衰減的問題。其中，幅度最小的假目標(biāo)為-21.7 dB，幅度最大的假目標(biāo)為-3.2 dB，其余假目標(biāo)幅度在這個范圍內(nèi)隨機起伏。

3)壓制干擾特性相對較好。假目標(biāo)總數(shù)為64個，假目標(biāo)覆蓋為92～125 km，且假目標(biāo)幅度隨機，因此具有較好的壓制干擾特性。

3.3 不同噪聲時寬的干擾效果分析

噪聲時寬分別取Tn=10 μs和Tn=100 μs 進行對比仿真試驗，驗證不同噪聲時寬的間歇采樣靈巧噪聲轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果。

如圖6所示，當(dāng)噪聲時寬較小時，干擾幅度增大，欺騙式干擾效果較好；當(dāng)噪聲時寬較大時，干擾幅度減小，假目標(biāo)覆蓋范圍增大，壓制式干擾效果較好。但是需要注意的是，噪聲時寬最小不能小于1/W，否則無法覆蓋真實目標(biāo)回波。綜上所述，間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾具有較好的靈活性，可以根據(jù)戰(zhàn)場實際干擾需求，調(diào)節(jié)噪聲時寬參數(shù)，選擇欺騙或壓制式干擾。

4 結(jié)束語

本文基于間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾提出了間歇采樣靈巧噪聲重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，從理論上分析了干擾的產(chǎn)生流程、工作原理和干擾效果，并用仿真進行驗證。理論分析和仿真結(jié)果表明，從干擾效果角度來看，該干擾具有相干增益，產(chǎn)生的假目標(biāo)從分布和幅度來說都更具隨機性；從干擾應(yīng)用角度來看，可以通過改變噪聲時寬達到調(diào)節(jié)假目標(biāo)覆蓋范圍的目的，干擾更具靈活性，可以隨時根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢作出相應(yīng)調(diào)整。由于沖激脈沖串的延時決定了假目標(biāo)群的位置，因此下一步將研究如何通過控制延時量改變假目標(biāo)密度。