對空時自適應(yīng)技術(shù)的卷積調(diào)制干擾研究

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(西安電子科技大學(xué)電子信息攻防對抗與仿真技術(shù)教育部重點實驗室， 陜西西安 710071)

0 引言

空時二維自適應(yīng)(STAP)技術(shù)具有優(yōu)秀的抑制雜波和干擾的特性[1-2]，是新一代高性能雷達的關(guān)鍵技術(shù)之一[1,3],近年來還應(yīng)用到了導(dǎo)航、通信以及聲吶等領(lǐng)域[3-6]。STAP技術(shù)的發(fā)展給雷達對抗一方也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但目前國內(nèi)外公開的文獻資料對STAP干擾方法的研究卻十分有限。文獻[7]提出了一種針對STAP技術(shù)的密集干擾的方法，用多部干擾機占用系統(tǒng)自由度，使STAP系統(tǒng)因缺乏足夠的系統(tǒng)自由度而性能下降,但當(dāng)陣元和脈沖個數(shù)較大時，所需干擾機的數(shù)量也比較龐大。文獻[8]提出了一種自衛(wèi)式相干散射欺騙干擾方法，雖然能有效掩護受保護目標(biāo)，但未考慮到收發(fā)分時體制下干擾機如何快速響應(yīng)的問題。文獻[9]提出了一種利用階梯波移頻法構(gòu)造距離假目標(biāo)的干擾方法，雖然能形成非均勻環(huán)境，使STAP系統(tǒng)性能下降，但其形成的假目標(biāo)數(shù)量較少，并且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

針對現(xiàn)有干擾方法在收發(fā)分時體制下無法快速響應(yīng)和假目標(biāo)數(shù)量較少且呈現(xiàn)一定規(guī)律性等問題，本文研究了機載雷達STAP系統(tǒng)的信號模型，提出了一種基于間歇采樣的卷積調(diào)制疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法。這種干擾方法將間歇采樣、卷積調(diào)制和延時疊加三種方法相結(jié)合，提高了收發(fā)分時體制下干擾機的響應(yīng)速率，產(chǎn)生了大量的幅度隨機起伏、間隔隨機分布的假目標(biāo)信號。

1 機載雷達STAP系統(tǒng)的信號模型

圖1為機載相控陣?yán)走_的幾何模型圖。假設(shè)雷達載機的飛行高度為H，以恒定的速度v作勻速直線飛行，雷達天線采用均勻線陣，各陣元的間距d=λ/2，λ為雷達發(fā)射電磁波的波長，θ和φ分別為天線波束指向的方位角和俯仰角，ψ為雜波散射體相對陣列天線的入射錐角，并滿足cosψ=cosθcosφ的數(shù)量關(guān)系，α為陣列天線的載機航行方向的夾角。

圖1 機載雷達陣列天線幾何模型

(1)

式中，xn,k,n=1,2,…,N,k=1,2,…,K表示第n個天線陣元接收到的第k個時刻的空時二維的采樣數(shù)據(jù)。在后續(xù)處理中，為了方便理解與表示，將每個距離單元的數(shù)據(jù)寫成(NK×1)維的向量形式。

雷達回波數(shù)據(jù)為X，其通常由目標(biāo)信號回波St、雜波信號C、噪聲n和干擾信號J組成，即

X=St+C+n+J

(2)

設(shè)STAP系統(tǒng)的自適應(yīng)權(quán)矢量為W，即

W=[w11,…,w1K,w21,…,w2K,…,

wN1,…,wNK]T

(3)

濾波處理后輸出為Y，則STAP系統(tǒng)的輸出為

Y=WHX

(4)

自適應(yīng)最優(yōu)權(quán)矢量Wopt為

(5)

圖2 輸入數(shù)據(jù)模型

2 基于間歇采樣的噪聲卷積疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號模型

受機載平臺應(yīng)用的限制，干擾機收發(fā)隔離度難以保證，機載平臺干擾機通常采用收發(fā)分時體制。為了使干擾機快速響應(yīng)，通常對截獲到的雷達信號進行間歇采樣。如圖3所示，在偵收窗內(nèi)(WR為高電平期間，其中Δt為系統(tǒng)延時)，干擾機對截獲信號進行檢測。當(dāng)檢測信號DET為高電平，啟動DRFM對信號進行存儲，當(dāng)信號脈沖寬度大于系統(tǒng)設(shè)定的間歇時間τ，即信號存儲τ長度后，干擾發(fā)射選通信號JT變?yōu)楦唠娖剑⑼瑫r將存儲的信號讀出；數(shù)據(jù)讀出完畢后，JT再次降為低電平，存儲τ時間長度信號數(shù)據(jù)后，JT再次變?yōu)楦唠娖剑瑢⑿麓鎯Φ臄?shù)據(jù)讀出；該過程持續(xù)直至DET轉(zhuǎn)低，即雷達脈沖結(jié)束。圖中Tj為干擾窗長度。

圖3 間歇采樣原理

(6)

(7)

雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號為x(t)，時寬為T，帶寬為B。使用間歇采樣脈沖串信號對雷達發(fā)射信號進行采樣，即可得到間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號xs(t)，其頻譜為Xs(f):

xs(t)=c(t)x(t)

(8)

Xs(f)=C(f)*X(f)=

(9)

由式(9)可得，當(dāng)n對應(yīng)取不同值時，干擾信號頻譜與雷達頻譜形狀相似，只是在中心頻率處發(fā)生了±nfs的頻移，并在幅度上有一定衰減。設(shè)匹配濾波器為h(t)，則目標(biāo)回波和干擾信號經(jīng)過匹配濾波器的響應(yīng)分別為y(t)，ys(t):

ys(t)=xs(t)*h(t)=

(10)

分析式(10)可得，經(jīng)匹配濾波后干擾信號會形成一組由主假目標(biāo)和分布在其兩側(cè)的次假目標(biāo)群。雷達回波信號的匹配濾波輸出和間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的匹配濾波輸出的仿真結(jié)果分別如圖4(a)和圖4(b)所示(T=10 μs，B=2.5 MHz,τ=1 μs,Ts=2 μs)。假目標(biāo)的幅度由間歇采樣脈沖信號的脈寬和重復(fù)周期決定，并且任意相鄰兩個假目標(biāo)的間隔為

(11)

為了保證假目標(biāo)群的產(chǎn)生且任意兩相鄰假目標(biāo)不發(fā)生混疊，間歇采樣周期Ts必須滿足：

(12)

(a) 雷達信號匹配濾波輸出

(b) 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號匹配濾波輸出圖4 間歇采樣干擾轉(zhuǎn)發(fā)信號

圖5 基于間歇采樣的噪聲卷積延遲疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理

(13)

Xf-mfs·e-j2πfτi·Ni(f)

(14)

由式(14)可知，由于有Ni(f)的存在，使得干擾信號的頻譜在幅度上產(chǎn)生隨機起伏的現(xiàn)象。干擾信號j(t)經(jīng)過匹配濾波器h(t)的輸出為jpc(t)，則

jpc(t)=j(t)*h(t)=

(15)

(a) 直接延時疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號

(b) 本文方法產(chǎn)生的干擾信號

(c) 直接延時疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號匹配濾波輸出

(d) 本文干擾信號匹配濾波輸出圖6 干擾信號對比

3 仿真分析

仿真參數(shù)：機載雷達工作頻率f0=450 MHz，脈沖重復(fù)頻率PRF=300 Hz，天線采用均勻線陣，陣列天線與載機航向的夾角α=0°，陣元個數(shù)N=16，脈沖積累數(shù)M=16,雜噪比CNR=40 dB，信噪比SNR=0 dB，干噪比JNR=28 dB，用30 dB切比雪夫加權(quán)。 載機速度vp=150 m/s，載機高度H=9 000 m，目標(biāo)的方位角ψt=0°，速度vt=75 m/s，干擾機的方位角ψj=30°，速度vj=30 m/s，采用512個訓(xùn)練樣本。仿真結(jié)果如圖7～圖11所示。

圖7 無干擾環(huán)境下雜波空時功率譜

圖8 雜波+干擾空時功率譜

圖9 雜波環(huán)境下STAP對目標(biāo)的檢測

圖10 雜波+干擾環(huán)境下STAP對目標(biāo)的檢測

圖11 改善因子對比

4 結(jié)束語

本文研究并分析了機載雷達STAP系統(tǒng)的信號模型，將間歇采樣、卷積調(diào)制、延時疊加轉(zhuǎn)發(fā)等方法相結(jié)合，提高了收發(fā)分時體制下干擾機的響應(yīng)速率，并且針對STAP系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的不滿足獨立同分布的干擾訓(xùn)練樣本，造成STAP系統(tǒng)無法準(zhǔn)確估計用于抑制雜波和干擾的協(xié)方差矩陣，大大降低了STAP系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果驗證了該干擾方法降低了STAP系統(tǒng)的輸出信雜噪比并展寬了濾波器凹口，造成STAP系統(tǒng)的性能下降。