電子戰(zhàn)干擾機(jī)干擾信號(hào)建模與仿真分析

劉東青，孫陳剛，姜 磊，黃 誠

(95510部隊(duì)，貴陽 550025)

0 引 言

目前，關(guān)于密集假目標(biāo)和靈巧噪聲干擾的研究主要是集中在干擾信號(hào)的產(chǎn)生層面，少有文獻(xiàn)從雷達(dá)抗干擾技術(shù)出發(fā)分析干擾信號(hào)的干擾效果。文獻(xiàn)[2-7]基于間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)，研究了密集假目標(biāo)干擾信號(hào)的產(chǎn)生原理，仿真分析了采樣周期、采樣脈寬和延時(shí)間隔對(duì)干擾效果的影響。文獻(xiàn)[8]提出了兩種“有序”假目標(biāo)的產(chǎn)生方法：通過對(duì)雷達(dá)信號(hào)間歇采樣、存儲(chǔ)、復(fù)制和非均勻重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)或者先將截獲到的雷達(dá)信號(hào)均勻分段再非均勻重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)可有效調(diào)整假目標(biāo)信號(hào)幅度，減少無人機(jī)干擾設(shè)備因改變假目標(biāo)幅度需頻繁切換干擾機(jī)發(fā)射功率引起的功率損失度。但是，兩種方法產(chǎn)生的假目標(biāo)相隔真目標(biāo)較遠(yuǎn)，雷達(dá)在檢測(cè)時(shí)可能會(huì)將最近的檢測(cè)目標(biāo)作為關(guān)聯(lián)目標(biāo)，使得干擾失效。文獻(xiàn)[9]提出了一種實(shí)現(xiàn)密集假目標(biāo)壓制干擾的新方法：間歇采樣累加干擾算法，合理選擇干擾參數(shù)，可以節(jié)省干擾信號(hào)功率，但占空比增大時(shí)假目標(biāo)相距真目標(biāo)較遠(yuǎn)，使得壓制干擾效果不理想。文獻(xiàn)[10]利用DRFM對(duì)截獲的雷達(dá)信號(hào)放大、下變頻處理得到兩路中頻信號(hào)；兩路信號(hào)經(jīng)脈內(nèi)延遲和上變頻處理形成射頻信號(hào)，對(duì)射頻信號(hào)采用I/Q調(diào)制器實(shí)現(xiàn)多普勒頻移產(chǎn)生靈巧噪聲干擾信號(hào)。本文對(duì)這兩種干擾樣式開展進(jìn)一步的仿真分析，以期為干擾機(jī)干擾樣式的選取提供參考。

1 靈巧噪聲干擾信號(hào)模型

假設(shè)LFM雷達(dá)信號(hào)為x0(t)，干擾機(jī)偵察分系統(tǒng)接收到x0(t)后，偵察分系統(tǒng)引導(dǎo)干擾分系統(tǒng)在精確的時(shí)間內(nèi)先后經(jīng)DRFM單元進(jìn)行存儲(chǔ)、多路時(shí)延和累加產(chǎn)生累加信號(hào)x′0(t)，如圖1所示。

圖1 累加信號(hào)波形圖

將x0(t)的表達(dá)式寫為

(1)

式中，f0為載頻，γ為幅度函數(shù)，τ、B、Tr分別為雷達(dá)脈寬、帶寬和重復(fù)周期，雷達(dá)一次掃描中脈沖積累數(shù)N，則累加信號(hào)x′0(t)可寫為

(2)

其中，Δt為脈沖延遲時(shí)長，n(n=0,1,2,…,N′-1)表示延遲的脈沖個(gè)數(shù)。累加信號(hào)取決于脈沖延遲時(shí)長，用τ表示雷達(dá)脈寬，則圖1(a)為當(dāng)Δt<τ且等間隔時(shí)的累加信號(hào)，圖1(b) 是當(dāng)Δt=τ時(shí)的累加信號(hào)。若Δt<τ或Δt≥τ且不等間隔，產(chǎn)生的累加信號(hào)將更加復(fù)雜。

靈巧噪聲干擾信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理是：假設(shè)高斯白噪聲信號(hào)為n0(t)，首先將n0(t)經(jīng)帶通濾波器處理產(chǎn)生窄帶白噪聲信號(hào)n1(t)，然后以n1(t)為調(diào)制噪聲信號(hào)對(duì)累加信號(hào)x′0(t)進(jìn)行時(shí)域上的調(diào)制。聯(lián)合式(1)、(2)，可知x′0(t)為

由式(3)可將靈巧噪聲干擾信號(hào)表達(dá)式寫為

我被東洋兵搡到一排青磚房子的西頭。他們打開個(gè)房門，一腳把我踹進(jìn)去，哐當(dāng)一聲就把門給鎖上了。我爬起身，使勁拍著門板，大聲叫喚著：“門打開，門打開！我有話跟你們說！”

s(t)=x′0(t)?n1(t)

(4)

為驗(yàn)證靈巧噪聲干擾信號(hào)的有效性，模擬雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

仿真實(shí)驗(yàn)1：雷達(dá)載頻f0=1.5 GHz，帶寬B=1 MHz，脈寬τ=40 μs，脈沖重復(fù)周期Tr=4 ms，LFM信號(hào)中心頻率10 MHz，采樣頻率fs=25 MHz；干擾機(jī)干擾系統(tǒng)發(fā)射功率20 W，取脈內(nèi)疊加時(shí)延Δt等間隔τ/4；高斯白噪聲信號(hào)帶寬3 MHz，不失一般性，取均值為0、方差為1。仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在時(shí)域上，靈巧噪聲干擾信號(hào)的中心頻率始終對(duì)準(zhǔn)被干擾雷達(dá)的頻率，即頻率上實(shí)現(xiàn)完全對(duì)準(zhǔn)；同時(shí)，在頻域上，通過噪聲調(diào)制方式，使得雷達(dá)目標(biāo)回波被完全淹沒在干擾脈沖中，即靈巧噪聲干擾具有壓制性干擾的效果。

2 密集假目標(biāo)干擾信號(hào)模型

密集假目標(biāo)干擾是某型干擾機(jī)干擾系統(tǒng)常用的干擾樣式之一，其主要原理是利用DRFM對(duì)截獲的雷達(dá)信號(hào)放大、下變頻處理得到兩路中頻信號(hào)。兩路信號(hào)經(jīng)脈內(nèi)延遲和上變頻處理形成射頻信號(hào)，對(duì)射頻信號(hào)采用I/Q調(diào)制器實(shí)現(xiàn)多普勒頻移產(chǎn)生密集假目標(biāo)干擾信號(hào)。假設(shè)在某次任務(wù)中，干擾機(jī)截獲到的LFM雷達(dá)信號(hào)為

x(n)=γ(n)cos[2πfcn+φ(n)]

(5)

式中，γ(n)為幅度函數(shù)，fc、φ(n)分別表示信號(hào)的載頻和相位。

圖2 靈巧噪聲干擾信號(hào)模型

xI(n)=γ(n)cos[2πfcn+φ(n)]

(6)

xQ(n)=γ(n)sin[2πfcn+φ(n)]

(7)

式(6)、(7)為式(5)的I、Q正交分量。設(shè)多普勒頻移量為fd，并引入正交數(shù)字信號(hào)cos(2πfdn)和sin(2πfdn)，將式(6)、(7)依次與cos(2πfdn)、sin(2πfdn)相乘再相減，得

x′(n)=xI(n)cos(2πfdn)-xQ(n)sin(2πfdn)

=γ(n)cos[2πfcn+φ(n)]cos(2πfdn)-

γ(n)sin[2πfcn+φ(n)]sin(2πfdn)

=γ(n)cos[2π(fc+fd)n+φ(n)]

(8)

由式(8)可知，經(jīng)過處理后，x′(n)相對(duì)于x(n)實(shí)現(xiàn)了fd的移頻。

聯(lián)合式(3)、(8)可知，密集假目標(biāo)干擾信號(hào)可用下式來表示：

(9)

仿真實(shí)驗(yàn)2：雷達(dá)和干擾機(jī)參數(shù)不變；移頻量fd=2.5 kHz。仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3(c)、圖3(d)可以看出，密集假目標(biāo)干擾通過對(duì)截獲的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行復(fù)制和延遲轉(zhuǎn)發(fā)，可以擾亂雷達(dá)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的檢測(cè)。與靈巧噪聲干擾相比，同等條件下在雷達(dá)重復(fù)周期內(nèi)可以產(chǎn)生更多、更密集的假目標(biāo)干擾信號(hào)，同時(shí)兼有欺騙性和壓制性干擾的雙重特征，具有多假目標(biāo)壓制干擾和欺騙干擾的效果。

3 密集假目標(biāo)干擾新體制雷達(dá)仿真分析

隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的日趨復(fù)雜，雷達(dá)回波信號(hào)除了包含目標(biāo)信號(hào)外還摻雜著各種雜波、噪聲和干擾信號(hào)等。現(xiàn)代雷達(dá)多采用脈內(nèi)/脈間相干技術(shù)、相干旁瓣對(duì)消技術(shù)、低截獲概率、發(fā)射波形捷變等新技術(shù)，使得雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力和檢測(cè)能力得到了很大提高，其中一種提高雷達(dá)檢測(cè)性能的方法是恒虛警(CFAR)技術(shù)[11]，通過自適應(yīng)門限(根據(jù)雜波、背景噪聲和干擾的大小自適應(yīng)地調(diào)整)來代替固定門限，極大地提高了現(xiàn)代雷達(dá)的檢測(cè)性能。

為驗(yàn)證密集假目標(biāo)干擾技術(shù)干擾新體制雷達(dá)(采用CFAR技術(shù))的適用性，下面模擬仿真新體制雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

圖3 密集假目標(biāo)干擾信號(hào)模型

仿真實(shí)驗(yàn)3：假設(shè)在某次干擾任務(wù)中，某干擾機(jī)對(duì)地面雷達(dá)進(jìn)行干擾，掩護(hù)己方作戰(zhàn)飛機(jī)完成對(duì)既定目標(biāo)的突襲。脈內(nèi)疊加時(shí)延Δt=τ等間隔，干擾機(jī)相距目標(biāo)雷達(dá)50 km，雷達(dá)和干擾機(jī)其他參數(shù)不變；在60 km處有一固定目標(biāo)，在120 和210 km處各有一運(yùn)動(dòng)速度為200和300 m/s的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，截面積均服從Swerling I模型，采用高斯白噪聲模擬雷達(dá)接收機(jī)噪聲(均值0，方差1，噪聲系數(shù)3 dB)；在距離雷達(dá)60 km的范圍內(nèi)，地雜波幅度服從瑞利分布，且雜波速度變化均方根值設(shè)為0.4 m/s。[12]

仿真過程中，取不同的干擾機(jī)發(fā)射功率仿真分析當(dāng)雷達(dá)受密集假目標(biāo)干擾時(shí)，經(jīng)CFAR處理后的檢測(cè)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 不同功率條件下密集假目標(biāo)干擾信號(hào)干擾效果

從圖4可以看出，當(dāng)干擾機(jī)發(fā)射功率取10 W時(shí)， 120 km處的動(dòng)目標(biāo)能被雷達(dá)有效檢測(cè)，而210 km處的動(dòng)目標(biāo)不能被雷達(dá)進(jìn)行有效檢測(cè)；當(dāng)干擾機(jī)發(fā)射功率為15 W時(shí)，產(chǎn)生的干擾信號(hào)將120和210 km處的動(dòng)目標(biāo)完全覆蓋，雷達(dá)不能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效檢測(cè)。由此可知，發(fā)射功率為10、15 W時(shí)，被干擾雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的最大檢測(cè)距離分別不超過210 和120 km。

進(jìn)一步仿真分析干擾機(jī)發(fā)射功率與雷達(dá)最大檢測(cè)距離之間的變化關(guān)系。圖5是當(dāng)干擾機(jī)發(fā)射功率以5 W步進(jìn)、動(dòng)目標(biāo)距雷達(dá)的距離以5 km步進(jìn)變化時(shí)被干擾雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的最大檢測(cè)距離。

圖5 干擾機(jī)發(fā)射功率和雷達(dá)最大檢測(cè)距離變化關(guān)系

根據(jù)圖5可知，當(dāng)干擾機(jī)與目標(biāo)雷達(dá)相距50 km時(shí)，隨著干擾機(jī)發(fā)射功率不斷增大，目標(biāo)雷達(dá)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的最大檢測(cè)距離逐漸減小，10 W時(shí)最大檢測(cè)距離為120 km，50 W時(shí)最大檢測(cè)距離僅為48 km。

4 結(jié)束語

電子戰(zhàn)干擾機(jī)干擾樣式的選取一直是一個(gè)復(fù)雜的問題。本文基于該型干擾機(jī)干擾系統(tǒng)靈巧噪聲干擾和密集假目標(biāo)干擾的產(chǎn)生原理，建立了干擾信號(hào)仿真模型，驗(yàn)證了兩種干擾樣式的有效性。仿真結(jié)果表明，密集假目標(biāo)干擾同時(shí)兼有欺騙性和壓制性干擾的雙重特征，具有多假目標(biāo)壓制干擾和欺騙干擾的效果，仿真結(jié)論可為電子戰(zhàn)干擾機(jī)干擾樣式的選取提供參考。