基于數(shù)字可重構(gòu)的同時(shí)多目標(biāo)干擾技術(shù)

翁永祥

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

新體制雷達(dá)通常采用脈沖壓縮和全相參處理方式，使接收的雷達(dá)回波信號(hào)通過匹配濾波和相參積累，可以濾除很多與雷達(dá)信號(hào)不匹配的干擾信號(hào)，在提升雷達(dá)探測(cè)能力的同時(shí)有效削弱和抑制有源干擾，增加雷達(dá)的抗干擾性能[1]。此外，作戰(zhàn)平臺(tái)受多個(gè)威脅源同時(shí)照射的概率日益增加，在電子對(duì)抗干擾裝備中如何解決高質(zhì)量同時(shí)多目標(biāo)干擾信號(hào)產(chǎn)生是一個(gè)較難的課題，目前多目標(biāo)干擾信號(hào)產(chǎn)生通常采用時(shí)分方式在干擾策略上合理分配干擾資源和增加硬件資源通過多信道方式實(shí)現(xiàn)[2]。兩者均存在應(yīng)用的局限性。前者不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)多目標(biāo)干擾信號(hào)產(chǎn)生，后者設(shè)備量龐大、功耗高，對(duì)平臺(tái)的載重和供電能力要求較高，因此難以適應(yīng)小型化平臺(tái)的應(yīng)用，特別是機(jī)載小平臺(tái)。

隨著信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件無線電在雷達(dá)對(duì)抗中應(yīng)用越來越廣泛，特別是在小平臺(tái)設(shè)計(jì)中，重量體積功耗已成為搭載設(shè)備的重要關(guān)注點(diǎn)，因此基于數(shù)字信號(hào)處理的干擾信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)的研究需求更加迫切，本文采用軟件無線電中的數(shù)字下變頻(DDC)和數(shù)字上變頻(DUC)技術(shù)[3]，將傳統(tǒng)干擾源技術(shù)的多種模擬調(diào)制技術(shù)在數(shù)字域上實(shí)現(xiàn)，并將干擾樣式產(chǎn)生和控制集成于數(shù)字儲(chǔ)頻模塊的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片中，即信號(hào)處理過程主要在FPGA和DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，使干擾源的通用化、系列化和組合化真正得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可靠性和維修性均大幅提高。另外，采用數(shù)字化控制與處理后，由于不同的功能算法實(shí)現(xiàn)與控制策略可動(dòng)態(tài)加載配置，因此，在瞬時(shí)處理帶寬不變的情況下，可靈活實(shí)現(xiàn)干擾策略優(yōu)化調(diào)整與干擾樣式的不斷更新。

1 數(shù)字可重構(gòu)的多目標(biāo)干擾原理

數(shù)字可重構(gòu)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在硬件資源不增加的前提條件下，通過配置軟件動(dòng)態(tài)加載實(shí)現(xiàn)不同的功能用途。隨著集成電路的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片的功能越來越強(qiáng)大，特別是高端FPGA和DSP等可編程邏輯器件的出現(xiàn)，為數(shù)字可重構(gòu)技術(shù)提供了豐富的硬件平臺(tái)。同時(shí)在可編程邏輯器件中可以靈活實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化、數(shù)字濾波和參數(shù)融合等，并且通過配置不同參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)處理帶寬的快速選擇，為實(shí)現(xiàn)小型化多功能干擾設(shè)備提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文采用數(shù)字可重構(gòu)技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)在單通道干擾源中實(shí)現(xiàn)同時(shí)多目標(biāo)的干擾，又可以實(shí)現(xiàn)靈巧式高逼真假目標(biāo)干擾信號(hào)產(chǎn)生，進(jìn)一步優(yōu)化平臺(tái)小型化和設(shè)備干擾的有效性，為工程應(yīng)用開展前期研究。

采用數(shù)字干擾源的干擾技術(shù)可以對(duì)接收的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行高精度保存復(fù)制，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同調(diào)制，產(chǎn)生與雷達(dá)信號(hào)相干的假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)，從而可以通過雷達(dá)信號(hào)處理的相干性處理而對(duì)雷達(dá)形成有效干擾[4]。多目標(biāo)干擾通常采用多信道同時(shí)并行處理方式，即采用多個(gè)數(shù)字干擾源分別一一對(duì)應(yīng)所需的干擾信號(hào)，單個(gè)干擾源[5]的組成框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字干擾源組成框圖

本文所采取的方案是考慮在單通道干擾源上采用數(shù)字可重構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)單一通道具備同時(shí)多信號(hào)干擾能力。此外，可通過主動(dòng)生成和樣本加載方式產(chǎn)生靈巧式高逼真假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)。

為了抗截獲抗干擾，現(xiàn)代雷達(dá)普遍采用脈沖壓縮(PC)、脈沖多普勒(PD)等新的信號(hào)體制，具有匹配處理增益，同時(shí)通過窄帶多普勒濾波在很大程度上抑制雜波和非相參干擾。傳統(tǒng)的噪聲壓制干擾，由于無法獲得匹配接收增益，導(dǎo)致大部分的干擾能量都沒有得到利用，干擾效能大幅度下降甚至失去干擾能力。只有通過不斷增大干擾功率，才能獲得更好的干擾效果，這在工程實(shí)現(xiàn)上造成了較大的困難。在這種背景下，提出了靈巧干擾技術(shù)，即采用新技術(shù)、新方法使干擾信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)具有相參性，由此對(duì)抗PC、PD等新體制雷達(dá)，增加干擾機(jī)的功率利用率，提升干擾效能。

靈巧式高逼真假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)通過模擬真實(shí)目標(biāo)的雷達(dá)截面積大小及起伏相關(guān)特征等對(duì)回波信號(hào)的調(diào)制特征，提高假目標(biāo)欺騙干擾的逼真度，使欺騙假目標(biāo)干擾信號(hào)與實(shí)際目標(biāo)的反射信號(hào)特征相符，從而使被干擾雷達(dá)難以區(qū)分真實(shí)目標(biāo)還是假目標(biāo)。該方式可通過前期目標(biāo)信息收集、仿真等形成靈巧式高逼真假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)庫(kù)，通過樣本加載方式在單通道干擾源實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)多信號(hào)干擾則通過軟件無線電中的DDC和DUC技術(shù)在數(shù)字域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。模擬信號(hào)經(jīng)模擬下變頻至適當(dāng)中頻，然后在中頻用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化后輸出高速數(shù)字中頻信號(hào)，再經(jīng)DDC的變頻、抽取和低通濾波處理之后變?yōu)榈退俚幕鶐盘?hào)，最后將基帶信號(hào)送給通用DSP器件作后續(xù)的解調(diào)、解碼、抗干擾、抗衰落、自適應(yīng)均衡等處理。這樣大大降低了對(duì)ADC和DSP器件性能的要求，便于實(shí)現(xiàn)和降低成本。DUC與下變頻是相對(duì)應(yīng)的過程，經(jīng)處理后的基帶數(shù)字信號(hào)經(jīng)過內(nèi)插、濾波和上變頻后，將信號(hào)傳給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來完成后續(xù)的模擬處理環(huán)節(jié)。DDC和DUC在這里起到ADC/DAC和通用數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)之間的橋梁作用。

在對(duì)寬帶信號(hào)的數(shù)字處理方式上，可采用兩種方式，一是數(shù)字超外差方式，二是數(shù)字信道化方式。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體技術(shù)要求采用合適的處理體制。本文對(duì)同頻段內(nèi)可同時(shí)處理兩個(gè)信號(hào)，根據(jù)輸入信號(hào)帶寬、信噪比、相應(yīng)的脈寬和重周等，可動(dòng)態(tài)配置兩種處理模式。這兩種方式各有特點(diǎn)：

(1)利用超外差方式處理輸入信號(hào)，能夠得到需要的視頻脈沖和中頻信號(hào)。可根據(jù)需求設(shè)置濾波器的中心頻率和帶寬，但是該方式在具體實(shí)現(xiàn)中，資源使用比較大。

(2)采用多相濾波信道化方式處理，輸入的寬帶信號(hào)(如典型的線性調(diào)頻信號(hào))的頻率不能完整落在某個(gè)信道內(nèi)，會(huì)造成檢測(cè)出的視頻脈沖信號(hào)產(chǎn)生裂變。因此比較適合處理輸入信號(hào)的頻率落在子信道的中心頻率±BW/2內(nèi)入，則能夠檢測(cè)出所需的視頻脈沖。該處理方式在具體實(shí)現(xiàn)中能夠大大節(jié)約資源量。

2 數(shù)字可重構(gòu)的多目標(biāo)干擾方法

2.1 高逼真假目標(biāo)干擾

隨著雷達(dá)在目標(biāo)識(shí)別方面的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，雷達(dá)的抗干擾性能不斷提升，常規(guī)的假目標(biāo)欺騙干擾效果急需提高。另一方面也反應(yīng)出假目標(biāo)在與真目標(biāo)的逼真程度上還存在差距。比如目標(biāo)的起伏特性，在觀察集中目標(biāo)時(shí)，在相鄰的距離分辨離散值上有時(shí)也會(huì)觀察到目標(biāo)，這時(shí)應(yīng)簡(jiǎn)化考慮目標(biāo)有效反射表面沿徑向距離的分布。傳統(tǒng)干擾機(jī)產(chǎn)生的假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)通常是通過數(shù)字儲(chǔ)頻復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生，其主要是將接收的雷達(dá)信號(hào)頻率信息采集量化后存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，這種假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)往往是在距離維上產(chǎn)生較多，而自身的變化特征較少，易被新體制雷達(dá)的抗干擾技術(shù)濾除。高逼真假目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生則是通過調(diào)用事先加載考慮了不同目標(biāo)反射信號(hào)的頻域特征、幅度特征而建模仿真形成的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過數(shù)字調(diào)制來實(shí)現(xiàn)欺騙干擾信號(hào)的產(chǎn)生，便利干擾信號(hào)更加接近被模擬的雷達(dá)真實(shí)目標(biāo)的回波信號(hào)。雷達(dá)干擾信號(hào)回波示意圖見圖2。

圖2 雷達(dá)干擾信號(hào)回波示意圖

為進(jìn)一步提升高逼真假目標(biāo)欺騙干擾的工程應(yīng)用，對(duì)信號(hào)仿真與產(chǎn)生時(shí)，沒有必要詳細(xì)地考慮目標(biāo)反射性沿徑向距離的分布，從而可將各種仿真類別的對(duì)象看做點(diǎn)目標(biāo)，其相互區(qū)別只是其有效散射表面數(shù)值不同。這時(shí)候就可以顯著地簡(jiǎn)化反射信號(hào)的模擬算法。

考慮了目標(biāo)沿徑向距離分布和旋轉(zhuǎn)單元時(shí)的雷達(dá)反射回波信號(hào)時(shí)間序列，它是由目標(biāo)的求和反射信號(hào)與接收到的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)樣本的時(shí)域卷積，沒有加入目標(biāo)反射的隨機(jī)噪聲和平臺(tái)移動(dòng)的多普勒頻率。因此可以通過充分的信息收集和仿真實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生豐富的高逼真假目標(biāo)干擾庫(kù)，通過樣本加載方式在單通道干擾源上實(shí)現(xiàn)靈巧式高逼真假目標(biāo)干擾。

2.2 同時(shí)多信號(hào)假目標(biāo)干擾

為實(shí)現(xiàn)在單通道數(shù)字干擾源模塊上實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)干擾，開展了前期算法驗(yàn)證，算法實(shí)現(xiàn)上主要采用多相濾波信道化方式。對(duì)同一頻段內(nèi)的信號(hào)采用數(shù)字信道化方式，對(duì)量化后的數(shù)字信號(hào)通過信道中的濾波器組檢出信號(hào)的包絡(luò)，整形后得到該信號(hào)的脈沖信息，通過快速傅里葉變換(FFT)等算法可得到信號(hào)的頻率信息，信號(hào)的幅度信息可通過對(duì)前端數(shù)據(jù)鏈易損性分析(DLVA)檢波后的視頻脈沖量化得出。本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集的時(shí)鐘為2.4 GHz，對(duì)奈奎斯特頻段(1.2 GHz)內(nèi)的信號(hào)可劃分為16個(gè)子信道，每個(gè)信道的帶寬為75MHz，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理后，提取出該信號(hào)的脈寬、重周及頻率信息等，送入后續(xù)信號(hào)分選單元中得到該信號(hào)的信息特征，為干擾控制提高有效參考。其組成框圖如圖3所示。

圖3 采樣時(shí)鐘2400 MHz時(shí)的多信道濾波器組框圖

對(duì)于輸入的寬帶數(shù)字信號(hào)，其經(jīng)過數(shù)字濾波器組后，不同子信道的信號(hào)會(huì)被分別提取出來，并經(jīng)過運(yùn)算得出該信號(hào)的基本特征，如同步脈沖、頻率和信號(hào)數(shù)據(jù)等。由于接收到的外部信號(hào)種類可能較多，其中既有威脅等級(jí)較高即所需干擾的信號(hào)，也可能存在一些不需要干擾的信號(hào)，因此我們可通過控制命令參數(shù)并結(jié)合信號(hào)分選結(jié)果來對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇，本設(shè)計(jì)中對(duì)同頻段能同時(shí)干擾兩個(gè)信號(hào)，因此通過信號(hào)選擇單元后輸出兩路同步寫脈沖和信號(hào)數(shù)據(jù)，并采用獨(dú)立的存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)寄存，此外，還可以通過加載高逼真假目標(biāo)干擾信號(hào)庫(kù)，其分別輸出有效的干擾信號(hào)數(shù)據(jù)送DAC輸出。其原理框圖如圖4所示。

3 實(shí)物平臺(tái)測(cè)試驗(yàn)證

為有效驗(yàn)證上述方法的可行性，在單通道干擾源模塊上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件如下：信號(hào)源三臺(tái)，高速數(shù)字示波器一臺(tái)，頻譜分析儀一臺(tái)，配套電源一臺(tái)，測(cè)試電纜若干。其測(cè)試框圖如圖5所示。

圖4 基于數(shù)字可重構(gòu)的干擾信號(hào)產(chǎn)生流程圖

圖5 實(shí)物平臺(tái)測(cè)試框圖

對(duì)于兩路輸入的中頻信號(hào)，本文分別測(cè)試了同一子信道內(nèi)同時(shí)到達(dá)兩路信號(hào)和不同子信道內(nèi)同時(shí)到達(dá)兩路信號(hào)(其中不同子信道的同時(shí)多信號(hào)分不同的干擾樣式分別測(cè)試)。測(cè)試結(jié)果如圖6～圖8所示：

(1)同一子信道內(nèi)同時(shí)到達(dá)(兩信號(hào)干擾樣式相同)，輸入：sig1 IF-290 MHz PW-1 μs、PRI-100 μs；sig2 IF-310 MHz PW-1 μs、PRI-100 μs。

圖6 同一子信道內(nèi)同時(shí)到達(dá)的輸入/輸出信號(hào)時(shí)域/頻譜圖

(2)不同子信道內(nèi)同時(shí)到達(dá)(兩信號(hào)干擾樣式相同)，輸入：sig1 IF-220 MHz PW-1 μs、PRI-100 μs；sig2 IF-310 MHz PW-1 μs、PRI-100 μs。

圖7 不同子信道內(nèi)同時(shí)到達(dá)的輸入/輸出信號(hào)時(shí)域/頻譜圖(干擾樣式相同)

(3)不同子信道內(nèi)同時(shí)到達(dá)(兩信號(hào)干擾樣式不同)，輸入：sig1 IF-220 MHz PW-1 μs、PRI-100 μs；sig2 IF-310 MHz PW-1 μs、PRI-100 μs。

圖8 不同子信道內(nèi)同時(shí)到達(dá)的輸入/輸出信號(hào)時(shí)域/頻譜圖(干擾樣式不同)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的數(shù)字可重構(gòu)技術(shù)可在單通道數(shù)字干擾源上實(shí)現(xiàn)同時(shí)多目標(biāo)干擾，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，適應(yīng)干擾設(shè)備小型化和機(jī)載的要求。同時(shí)通過加載樣本庫(kù)方式產(chǎn)生靈巧式高逼真假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)，結(jié)合干擾控制及樣式產(chǎn)生綜合設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的數(shù)字儲(chǔ)頻與干擾控制功能集成于一體，使設(shè)備具備小型化、集成化、低功耗、重量輕等特點(diǎn)，適應(yīng)各平臺(tái)特別是機(jī)載平臺(tái)的適裝需求。當(dāng)然，該技術(shù)在工程裝備上的成熟使用，需在干擾樣式控制等方面開展進(jìn)一步研究工作。