對機載預警PD 雷達的航跡欺騙干擾技術研究

原 偉,束 坤,高 晨

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101)

機載預警雷達普遍采用脈沖壓縮技術、脈沖多普勒(PD)體制,具有很強的抗干擾性能。一般的壓制式干擾和欺騙式干擾無法對其產生良好的干擾效果。航跡欺騙干擾技術是一種可以在距離、角度和速度3個維度上同時對雷達實施欺騙的新型綜合欺騙干擾技術,比單純的一維欺騙具有更高的模擬逼真度,是一種更高級的有源欺騙干擾技術,因此,可以用來作為對機載預警PD雷達進行干擾的一種有效措施。

1 航跡欺騙干擾技術

1.1 航跡欺騙干擾技術的基本原理

通常采用副瓣干擾的方法,當雷達副瓣接收到的干擾功率大于或等于主瓣接收到的回波功率時,雷達信號處理系統(tǒng)會把收到副瓣干擾瞬間的主瓣方位誤認為是目標方位,從而實現(xiàn)方位欺騙[1]。干擾機對雷達副瓣信號進行實時偵收,并在加以延時、多普勒頻移調制以及幅度調制后轉發(fā),使其在雷達接收端產生具有距離-方位-速度綜合性欺騙干擾且雷達檢測有效的假目標航跡點。這樣對多個副瓣實施干擾,可最終在雷達顯示屏上顯示出與真實目標運動軌跡相似但方位、距離各不相同的多假目標航跡,從而形成多方位密集假目標航跡欺騙干擾。

圖1 副瓣干擾示意圖

1.2 航跡欺騙干擾的關鍵技術

航跡欺騙干擾的關鍵技術是對轉發(fā)時延量的選取,方位欺騙和距離欺騙可分別通過方位轉發(fā)時延和距離轉發(fā)時延實現(xiàn),而速度欺騙可通過多普勒頻移來實現(xiàn)。

1.2.1 方位轉發(fā)時延

假設雷達天線的主瓣在對準干擾機后,還需轉過角度Δθ(即角度欺騙量)才能對準假目標航跡起始點所在方位(見圖2說明),則干擾機產生上述角度欺騙的假目標所需的轉發(fā)時延為:

式中:Vn為雷達天線的轉速;0≤Δtθ≤Tθ,Tθ為雷達天線的掃描周期[2]。

圖2 方位欺騙圖示說明

假設模擬產生沿任意方位運動的假目標,取雷達天線的掃描周期Tθ為1個時間步長,即雷達天線每掃描1周,假目標航跡點更新一次。假設干擾機共產生n個假目標,產生每個假目標的起始航跡點所需的角度欺騙量分別為θ1,θ2,…,θi,…,θn,i=1,2,…,n,且后續(xù)每個航跡點相對于前一個航跡點的方位角變化量均為Δθω,則干擾機產生第i個假目標的第j個航跡點所需的方位轉發(fā)時延為:

式中:i=1,2,…,n;j=1,2,…。

1.2.2 距離轉發(fā)時延

設雷達發(fā)射脈沖信號的脈沖重復周期為Tr,雷達脈沖在雷達與干擾機間的傳播時延為t干,干擾機到雷達的距離為R干,假目標起始航跡點到雷達的距離R假,干擾機產生上述距離欺騙的假目標所需的轉發(fā)時延為ΔtR,則有[3]:

圖3 航跡欺騙干擾的距離轉發(fā)時延關系圖

1.2.3 多普勒頻移

假設由干擾機相對于雷達運動而產生的多普勒頻移為fd,若要生成帶有不同運動速度的假目標,則干擾機在轉發(fā)回波信號時,一方面要抵消掉干擾機原有的多普勒頻移fd,另一方面要注入新的多普勒頻移fd′。設雷達發(fā)射信號頻率為f0,干擾機回波信號頻率為f回,干擾機轉發(fā)信號頻率為f轉,則有:

式中:fd′=2vr/λ,vr為假目標相對于雷達的徑向運動速度,λ為雷達工作波長。

1.2.4 距離-速度相關

對具有距離-速度二維檢測能力的PD雷達來說,必須進行距離-速度相關處理,否則很容易被雷達識別為假目標。

目標的徑向速度vr是目標距離R對時間t的導數(shù),也是多普勒頻移的函數(shù)。假設假目標在起始航跡點的徑向速度為v0,徑向加速度為a,則假目標徑向移動ΔR距離需要的距離轉發(fā)時延為:

對應t時刻假目標的多普勒頻移為:

式中:f0為雷達信號載頻。

則按照式(8)設定假目標的多普勒頻移即可實現(xiàn)距離-速度相關。

1.2.5 航跡欺騙干擾的總時延

設干擾機產生每個假目標航跡所需的總轉發(fā)時延為 Δt,則:

假設假目標保持徑向速度vr不變,則雷達天線掃描1周,假目標的徑向移動距離ΔR=vrTθ,則由式(7)可得,假目標徑向移動ΔR距離需要的距離轉發(fā)時延為:

記產生假目標起始航點所需的距離轉發(fā)時延為ΔtR0,則由式(2)、(9)、(10)可得,干擾機產生第i個假目標的第j個航跡點所需的總轉發(fā)時延為:

式中:i=1,2,…,n;j=1,2,…。

1.3 航跡欺騙干擾的輔助性參數(shù)設計

干擾機的偵收靈敏度、有效輻射功率、干擾壓制系數(shù)等輔助性參數(shù)是有源雷達干擾系統(tǒng)的重要性能指標,干擾成功與否及干擾效果的好壞與其設計是否合理同樣息息相關[1]。

1.3.1 偵收靈敏度

已知干擾機接收到雷達主瓣信號的功率為:

式中:Pt為雷達發(fā)射信號功率(W);Gt為雷達天線主瓣增益;Gjr為干擾機接收天線增益;Rj為干擾機與雷達間的距離(m);λ為雷達工作波長(m);LP為干擾機與雷達天線極化失配損耗、雷達發(fā)射饋線損耗、大氣傳播損耗(這一項很小,通常不超過0.5 d B～1 d B)。

令PJR取偵收靈敏度Prmin,則可得:

式(13)便是干擾機的偵察方程。

1.3.2 有效輻射功率

有效輻射功率可表示為:

式中:PJ為干擾機發(fā)射功率(W);GJ為干擾發(fā)射天線增益;k為玻爾茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K;T0為標準室溫,T0=290 K;N為雷達接收機輸入噪聲系數(shù);ΔF為干擾信號頻譜寬度(Hz)。

則由式(14)可求出干擾機的干擾功率。

1.3.3 干擾壓制系數(shù)及最小干擾功率

假設雷達主瓣接收到距離Rt處的目標回波信號功率為Prs,同時雷達旁瓣接收到距離Rj處的干擾信號功率為Prj,則有:

式中:σ為真實目標的雷達截面積(m2);L′P為干擾機與雷達天線極化失配損耗(圓極化對線極化為0.5),則干擾機能夠對雷達實施有效干擾的空間能量條件為:

式中:KJ為雷達接收機輸入端的干擾壓制系數(shù)。

令Prj/Prs=KJ=1,給定雷達各項參數(shù),則根據(jù)式(18)可求出不同Rt和Rj下,干擾機所需的最小干擾功率:

2 航跡欺騙干擾信號的產生

2.1 基于數(shù)字射頻存儲器(DRFM)的距離-角度-速度三維聯(lián)合欺騙點目標生成模型

基于DRFM的距離-角度-速度三維聯(lián)合欺騙點目標生成模型如圖4所示,其由傳統(tǒng)轉發(fā)式欺騙干擾系統(tǒng)與DRFM系統(tǒng)相結合而得到[4-5]。

該模型的主要工作模塊如下:

圖4 基于DRFM的距離-角度-速度三維聯(lián)合欺騙式轉發(fā)干擾生成模型

(1)主控計算機向數(shù)字信號處理器(DSP)發(fā)送系統(tǒng)各個工作模塊的啟動、終止和初始化等命令,并設置相應的干擾參數(shù)、調制參數(shù),DSP根據(jù)接收到的參數(shù)和指令實時計算出每次數(shù)據(jù)更新所需的假目標轉發(fā)總時延和多譜勒頻移,并把其存入相應的鎖存器中。

(2)雷達射頻信號經系統(tǒng)天線接收,與頻率綜合器提供的系統(tǒng)本振信號(f0)進行混頻,下變頻為中頻信號,然后通過DRFM系統(tǒng)高速采樣將得到的數(shù)字信號存入系統(tǒng)存儲器中以備讀取。

(3)可編程脈沖延時電路根據(jù)DSP提供的參數(shù),對雷達中頻采樣信號進行相應的延時,以滿足距離欺騙和角度欺騙的要求,并產生DRFM的數(shù)據(jù)釋放信號,控制DRFM的數(shù)/模(D/A)轉換器工作,從而恢復出雷達中頻信號。且可編程脈沖延時電路可根據(jù)需要設置多個脈沖延時單元,從而實現(xiàn)對多個目標及欺騙干擾信號的模擬產生。DRFM讀寫時序控制如圖5所示。

圖5 DRFM讀寫時序控制

(4)DDS根據(jù)DSP提供的多普勒頻移參數(shù)產生新的本振信號(f0+fd′),與D/A轉換器輸出的雷達中頻信號混頻,上變頻為雷達射頻信號。

(5)干擾信號調制模塊根據(jù)DSP提供的調制參數(shù)對重構的雷達射頻信號進行幅度調制、功率調整及交叉極化調制(一種應對雷達旁瓣匿影的措施),以生成最終的欺騙干擾信號。

通過圖4所示模型可實現(xiàn)一個雷達脈沖重復周期內的多個轉發(fā)式欺騙干擾信號的產生,接下來通過對多點假目標回波進行快時間域(距離門)積累即可完成航跡欺騙干擾系統(tǒng)和PD雷達系統(tǒng)的對接[6]。

2.2 航跡欺騙干擾信號的數(shù)學表達式

PD雷達發(fā)射信號為線性調頻信號,其復數(shù)表達式為:

假定目標初始距離為R0,對應的時延為t0,即t0=2R0/c,則目標回波可表示為:

將雷達發(fā)射信號輸入圖6所示的干擾系統(tǒng),根據(jù)式(9)和式(19)可得到系統(tǒng)生成的干擾信號表達式:

式中:A為雷達發(fā)射信號幅度;k為幅度調制增益;Δtθ為方位轉發(fā)時延;ΔtR為距離轉發(fā)時延;fd′為多普勒頻移。

則對J(t)進行快時間域積累后的數(shù)學表達式可記為:

式中:m為雷達動目標檢測(MTD)處理時快速傅里葉變換(FFT)的點數(shù)。

3 航跡欺騙干擾仿真

本文以“對某型機載預警PD雷達進行航跡欺騙干擾”為研究實例,該PD雷達為低重頻脈沖多普勒體制,發(fā)射信號采用線性調頻信號。

3.1 雷達回波信號仿真

總雷達回波信號應為目標回波信號與雜波信號及系統(tǒng)噪聲信號的疊加,即:

式中:n(t)為系統(tǒng)噪聲信號;C(t)為雜波信號。

以17個脈沖回波、4個運動目標為例,且設回波時延為零,仿真可得總雷達回波基帶復信號的波形,如圖6所示。

圖6 總雷達回波基帶復信號的時域波形

圖7 是單個脈沖回波頻域脈壓的結果,可以看到,通過脈壓,4個不同距離位置(不同目標間的間距需大于雷達的距離分辨率ΔR才能被分辨,ΔR=c/2B)上的目標被明顯地區(qū)分開來,同時可以根據(jù)每個目標的橫坐標(雷達信號往返各目標的時間)求出其各自相對于雷達的徑向距離值。

圖7 單個脈沖回波頻域脈壓結果

3.2 假目標航跡仿真

如圖8所示,首先以敵方雷達所處的空間位置為坐標原點,以真實目標所處的方位作為雷達天線掃描的起始參考方位;接下來設定假目標預定航線S(t),并在S(t)上選取假目標的起始航點,根據(jù)其坐標信息計算出所選假目標起始航點相對干擾機的距離和方位差,即可求出產生該假目標起始航點所需的時延信息;將此時延信息作為干擾機的輸入?yún)?shù),即可得到系統(tǒng)實際輸出的假目標起始航點信息。

圖8 假目標航跡起始航點生成示例

以一個天線掃描周期為時間步長,根據(jù)設定的假目標速度求出天線轉到第2個步長時干擾機所需的轉發(fā)時延;將此時延信息作為干擾機輸入?yún)?shù),即可得到系統(tǒng)實際輸出的假目標的第2個航點信息;最后可將系統(tǒng)實際輸出結果進行顯示。后續(xù)航點的產生與顯示均可按照第2個航點的方法步驟進行[7-8]。

圖9 假目標前2個航跡點生成示例

根據(jù)所建航跡欺騙干擾生成模型和PD雷達模型,通過MATLAB仿真可得到如圖10所示的多假目標航跡欺騙干擾效果。

圖10 多假目標航跡欺騙干擾

4 結束語

機載預警PD雷達由于體制和作戰(zhàn)使用的特點,具有很強的抗干擾能力。本文研究了基于副瓣干擾的多方位航跡假目標欺騙干擾技術,最終可在被干擾的機載預警PD雷達的PPI顯示器上形成假目標航跡,具有較高的欺騙性。