差拍處理算法對(duì)三型常規(guī)欺騙式干擾的對(duì)抗效果分析

董洪亮 謝 玲 任高輝

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所 西安 710065)

0 引言

密集假目標(biāo)干擾、示樣脈沖干擾、間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾是現(xiàn)代雷達(dá)電子戰(zhàn)對(duì)抗中應(yīng)用特別廣泛的三種干擾樣式[1]，由于它們能夠產(chǎn)生很多高逼真性的雷達(dá)假目標(biāo)[2]，從而讓雷達(dá)無(wú)暇顧及真實(shí)目標(biāo)，甚至可以將雷達(dá)真實(shí)目標(biāo)淹沒(méi)在高密集的假目標(biāo)群中，形成壓制式干擾的對(duì)抗效果[3]，嚴(yán)重時(shí)還可以使雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)出現(xiàn)飽和[4]，因此，如何有效地對(duì)各種雷達(dá)干擾樣式進(jìn)行對(duì)抗，成為了擺在雷達(dá)一方不得不去考慮的重要問(wèn)題。本文中采用的差拍處理算法可以有效地針對(duì)三型常規(guī)欺騙式干擾，密集假目標(biāo)干擾、示樣脈沖干擾、間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行抑制，下面，就通過(guò)原理介紹及數(shù)據(jù)仿真分析對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 三型常規(guī)欺騙式干擾的產(chǎn)生機(jī)理

1.1 密集假目標(biāo)干擾的產(chǎn)生機(jī)理

本文采用分段重構(gòu)法來(lái)產(chǎn)生密集假目標(biāo)干擾信號(hào)，該方法沒(méi)有費(fèi)時(shí)的乘法運(yùn)算，占用的存儲(chǔ)資源較少，分段重構(gòu)法產(chǎn)生密集假目標(biāo)干擾的示意圖如下圖1所示[5]。

圖1 分段重構(gòu)法產(chǎn)生密集假目標(biāo)干擾示意圖

S=S(1)+S(2)+…+S(n-1)+S(n)

(1)

然后將n段數(shù)據(jù)按照?qǐng)D1所示的組合方法進(jìn)行重構(gòu)，組合成(2n-1)段新的數(shù)據(jù)，圖中每一段讀出數(shù)據(jù)為圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)讀入數(shù)據(jù)的和，即：

則生成的密集假目標(biāo)干擾數(shù)據(jù)為：

J=J(1)+J(2)+…+J(2n-2)+J(2n-1)

(3)

1.2 示樣脈沖干擾的產(chǎn)生機(jī)理

所謂示樣脈沖干擾，就是干擾機(jī)對(duì)截獲到的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)S(t)僅取其一小段，記為ΔS(t)，然后以ΔS(t)作為示樣，通過(guò)連續(xù)多次轉(zhuǎn)發(fā)而形成的一種干擾樣式，記為J(t)。其產(chǎn)生機(jī)理如下圖2所示：

雷達(dá)發(fā)射信號(hào)S(t)：

ΔS(t)

示樣脈沖干擾J(t)：

ΔS(t)ΔS(t)ΔS(t)ΔS(t)ΔS(t)ΔS(t)ΔS(t)ΔS(t)ΔS(t)

圖2示樣脈沖干擾的產(chǎn)生機(jī)理圖

1.3 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的產(chǎn)生機(jī)理

所謂間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾，就是干擾機(jī)把截獲到的大時(shí)寬雷達(dá)信號(hào)，高保真采樣其中的一小段信號(hào)，然后馬上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，再采樣，再轉(zhuǎn)發(fā)，如此循環(huán)，直到大時(shí)寬信號(hào)結(jié)束[7]。干擾機(jī)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在整個(gè)脈沖寬度內(nèi)是分時(shí)工作的，采取這種收發(fā)工作方式解決了干擾機(jī)收發(fā)隔離度不夠的問(wèn)題[8]。間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的產(chǎn)生機(jī)理如下圖3所示：

其中第一行表示干擾機(jī)對(duì)截獲的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行間歇采樣處理，第二行表示干擾機(jī)對(duì)間歇采樣所得的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理。

圖3 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的產(chǎn)生機(jī)理圖

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾所生成的主假目標(biāo)y主(t)可以表示為式(4)：

(4)

其中，y(t)為未經(jīng)過(guò)間歇采樣的完整雷達(dá)信號(hào)的脈壓結(jié)果?？梢钥闯?，所生成的主假目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)是完全相同的，只是在信號(hào)幅度上乘以一個(gè)占空比系數(shù)。

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾所生成的次假目標(biāo)群y次(t)可以表示為式(5)：

(5)

一般所生成的任意相鄰兩個(gè)假目標(biāo)之間的間隔Δt可以通過(guò)式(6)計(jì)算：

(6)

2 差拍處理算法處理流程及工程實(shí)現(xiàn)討論

差拍處理算法主要針對(duì)線性調(diào)頻(LFM)體制下的轉(zhuǎn)發(fā)式類別干擾樣式的抑制，本文中討論的三型常規(guī)欺騙式干擾，密集假目標(biāo)干擾、示樣脈沖干擾、間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾就屬于此類干擾樣式。

差拍處理算法的流程框圖如下圖4所示：

圖4 差拍處理算法流程框圖

此算法通過(guò)將雷達(dá)前面某一脈沖重復(fù)周期未受干擾的接收信號(hào)(干凈Prf)作為參考信號(hào)，來(lái)對(duì)當(dāng)前受到干擾的脈沖重復(fù)周期的接收信號(hào)取共軛運(yùn)算后進(jìn)行點(diǎn)乘運(yùn)算處理，以此將所需要提取的目標(biāo)回波信號(hào)分量移至低頻帶，將需要進(jìn)行抑制的干擾信號(hào)分量移至高頻帶，從而可以通過(guò)設(shè)計(jì)合理的低通濾波器將干擾信號(hào)分量濾除，僅使目標(biāo)回波信號(hào)分量通過(guò)，最后再將濾波后所得到的信號(hào)與之前的參考信號(hào)(干凈Prf)相點(diǎn)乘，即可恢復(fù)出想要得到的目標(biāo)回波信號(hào)，最終達(dá)到抑制干擾的目的。

將此算法應(yīng)用于工程實(shí)踐的技術(shù)難點(diǎn)是低通濾波器通帶截止頻率Fpass值的實(shí)時(shí)正確求取，F(xiàn)pass的計(jì)算公式如式(7)所示：

Fpass=(B/T)·|t1-t2|

(7)

其中，B為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的帶寬，T為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的時(shí)寬，t1為想要恢復(fù)出來(lái)的真實(shí)目標(biāo)所在位置對(duì)應(yīng)的時(shí)延，t2為所選擇的干凈參考PRF信號(hào)的目標(biāo)所在位置對(duì)應(yīng)的時(shí)延。

那么在工程實(shí)踐中，我們又如何對(duì)|t1-t2|的值進(jìn)行計(jì)算？可以依據(jù)公式(8)進(jìn)行推算：

(8)

其中，v為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，a為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的加速度，正值代表加速運(yùn)動(dòng)，負(fù)值代表減速運(yùn)動(dòng)，T1、T2分別表示接收干凈參考信號(hào)與受干擾信號(hào)的具體時(shí)間點(diǎn)，c代表光速。

當(dāng)上面所考慮的工程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題都圓滿解決后，只要我們準(zhǔn)確計(jì)算出|t1-t2|的值，就可以正確設(shè)計(jì)出低通濾波器的通帶截止頻率Fpass值，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出有效、合理的低通濾波器，來(lái)對(duì)干擾信號(hào)分量進(jìn)行有效地濾除。

有關(guān)此算法的詳細(xì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程可以參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]，此處鑒于篇幅限制，不再贅述[11]。

3 三型常規(guī)欺騙式干擾的抑制效果仿真分析

下面結(jié)合差拍處理算法對(duì)三型常規(guī)欺騙式干擾的抑制效果進(jìn)行仿真分析，仿真條件設(shè)置如下：雷達(dá)發(fā)射信號(hào)ST(t)為線性調(diào)頻信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(9)所示：

(9)

3.1 密集假目標(biāo)干擾的抑制效果仿真分析

從圖5對(duì)比中可以看出，自距離雷達(dá)175μs處起產(chǎn)生了10個(gè)間隔15μs的密集假目標(biāo)干擾，真實(shí)目標(biāo)位于198μs處。由于采用距離雷達(dá)196μs處的未受干擾的PRF作為參考信號(hào)，根據(jù)式(7)的Fpass計(jì)算公式得：

Fpass=(B/T)·|t1-t2|=(8/150)·
|198-196|=0.1066MHz

(10)

可以看出，F(xiàn)pass與圖6(a)標(biāo)定的0.1088是近似相等的，因此，將Fpass作為低通濾波器的通帶截止頻率是合理的，正好可以將真實(shí)目標(biāo)的差拍頻率分量篩選通過(guò)，而將干擾信號(hào)的差拍頻率分量濾除，見(jiàn)圖6(b)所示。仿真中我們?nèi)〉屯V波器通帶截止頻率Fpass=0.11MHz，阻帶截止頻率Fstop=0.31MHz，濾波器階數(shù)為253階。從圖6(c)中可以看出，經(jīng)過(guò)差拍運(yùn)算處理后，密集假目標(biāo)干擾信號(hào)被抑制掉了，198μs處的真實(shí)目標(biāo)被保留了下來(lái)。

圖5 真實(shí)目標(biāo)受到密集假目標(biāo)干擾對(duì)比圖

圖6 差拍處理結(jié)果圖

3.2 示樣脈沖干擾的抑制效果仿真分析

從圖7對(duì)比中可以看出，自距離雷達(dá)140μs處起產(chǎn)生了10個(gè)間隔15μs的示樣脈沖干擾，真實(shí)目標(biāo)則位于162μs處，介于第2和第3個(gè)假目標(biāo)之間。由于采用距離雷達(dá)160μs處的未受干擾的PRF作為參考信號(hào)，根據(jù)式(7)的Fpass計(jì)算公式得：

Fpass=(B/T)·|t1-t2|=(8/150)·
|162-160|=0.1066MHz

(11)

可以看出，F(xiàn)pass與圖8(a)中標(biāo)定的0.1133是近似相等的，因此，可以將Fpass作為低通濾波器的通帶截止頻率，它正好可以將真實(shí)目標(biāo)的差拍頻率分量篩選通過(guò)，而將干擾信號(hào)的差拍頻率分量濾除，結(jié)果如圖8(b)所示。仿真中我們?cè)O(shè)計(jì)低通濾波器通帶截止頻率Fpass=0.11MHz，阻帶截止頻率Fstop=0.31MHz，得到濾波器階數(shù)為253階。從圖8(c)中可以看出，在經(jīng)過(guò)差拍運(yùn)算處理后，示樣脈沖干擾信號(hào)被抑制掉了，只保留下了162μs處的真實(shí)目標(biāo)。

圖7 真實(shí)目標(biāo)受到示樣脈沖干擾對(duì)比圖

圖8 差拍處理結(jié)果圖

3.3 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的抑制效果仿真分析

圖9(a)為間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的時(shí)域波形圖，從圖9(b)中可以看出，在距離雷達(dá)140μs處產(chǎn)生了一個(gè)主假目標(biāo)干擾，在主假目標(biāo)的兩側(cè)生成強(qiáng)度依次遞減的次假目標(biāo)群，且任意兩個(gè)假目標(biāo)之間的間隔為7.5μs，真實(shí)目標(biāo)則位于159μs處，介于主假目標(biāo)右側(cè)第2和第3個(gè)次假目標(biāo)之間。由于采用距離雷達(dá)158μs處的未受干擾的PRF作為參考信號(hào)，根據(jù)式(7)的Fpass計(jì)算公式得：

(12)

可以看出，F(xiàn)pass與圖10(a)中標(biāo)定的0.06是近似相等的，因此，可以將Fpass作為低通濾波器的通帶截止頻率，它正好可以將真實(shí)目標(biāo)的差拍頻率分量篩選通過(guò)，而將干擾信號(hào)的差拍頻率分量濾除，結(jié)果如圖10(b)所示。仿真中我們?cè)O(shè)計(jì)低通濾波器通帶截止頻率Fpass=0.06MHz，阻帶截止頻率Fstop=0.25MHz，得到濾波器階數(shù)為267階。從圖10(c)中可以看出，在經(jīng)過(guò)差拍運(yùn)算處理后，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)被抑制掉了，只保留下了159μs處的真實(shí)目標(biāo)。

圖9 真實(shí)目標(biāo)受到間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果圖

圖10 差拍處理結(jié)果圖

從以上仿真分析結(jié)果可知，在差拍處理算法中，只要參考信號(hào)選取合適、低通濾波器設(shè)計(jì)合理，就可以將三型常規(guī)欺騙式干擾有效地抑制掉。

4 基于某型干擾機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)抗效果分析

下面的試驗(yàn)是使用了某部雷達(dá)上面的數(shù)據(jù)采集器，實(shí)時(shí)采集了某型干擾機(jī)發(fā)射的密集假目標(biāo)干擾信號(hào)作為雷達(dá)回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)此干擾實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用差拍處理算法進(jìn)行了對(duì)抗驗(yàn)證試驗(yàn)，仿真驗(yàn)證結(jié)果如下圖11、圖12所示。

圖13為雷達(dá)在不同情形下的脈壓結(jié)果對(duì)比圖，從圖11(a)中可以看出，雷達(dá)在未受到干擾時(shí)，目標(biāo)位于第172個(gè)距離單元。從圖11(b)中可以看出，雷達(dá)受到了密集假目標(biāo)干擾，產(chǎn)生了從雷達(dá)第158個(gè)距離單元開(kāi)始的密集假目標(biāo)，相鄰兩個(gè)假目標(biāo)之間的間隔為25個(gè)距離單元，由于干擾機(jī)給產(chǎn)生的密集假目標(biāo)干擾調(diào)制了一個(gè)移頻分量，所以干擾超前于真實(shí)目標(biāo)[12]，真實(shí)目標(biāo)則位于第1個(gè)和第2個(gè)假目標(biāo)之間，并且由于假目標(biāo)干擾信號(hào)強(qiáng)度很大，真實(shí)目標(biāo)已被完全淹沒(méi)。從圖11(c)中可以看出，在經(jīng)過(guò)差拍處理后，密集假目標(biāo)干擾被抑制掉了，真實(shí)目標(biāo)又被恢復(fù)了出來(lái)。

圖12為雷達(dá)在不同情形下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)結(jié)果對(duì)比圖，從圖12(a)中可以看出，雷達(dá)在未受到干擾時(shí)，MTD圖非常干凈，圖中深色區(qū)域代表目標(biāo)所在區(qū)。從圖12(b)中可以看出，雷達(dá)在受到干擾時(shí)，MTD圖都變?yōu)樯钌?，表示被密集假目?biāo)干擾所污染。從圖12(c)中可以看出，在經(jīng)過(guò)差拍處理后，密集假目標(biāo)干擾被抑制掉了，MTD圖重新恢復(fù)干凈。

圖11 雷達(dá)不同情形下的脈壓結(jié)果對(duì)比圖

圖12 雷達(dá)不同情形下的MTD結(jié)果對(duì)比圖

通過(guò)此干擾機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)抗分析驗(yàn)證，從實(shí)際工程應(yīng)用方面更進(jìn)一步驗(yàn)證了差拍處理算法在干擾抑制方面是有效的結(jié)論。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)差拍處理算法在不同干擾條件下對(duì)三型常規(guī)欺騙式干擾，密集假目標(biāo)干擾、示樣脈沖干擾、間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的抑制效果進(jìn)行了仿真分析，得出了只要參考信號(hào)選取合適、低通濾波器設(shè)計(jì)合理，都可以將干擾信號(hào)有效地抑制掉。最后通過(guò)對(duì)采集的某型干擾機(jī)干擾實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)抗分析驗(yàn)證，從實(shí)際工程應(yīng)用方面更進(jìn)一步驗(yàn)證了差拍處理算法在干擾抑制方面是有效的結(jié)論。