基于信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的外源雷達(dá)干擾方法研究

萬(wàn)顯榮 呂 敏 謝德強(qiáng) 胡仕波

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 武漢 430072)

1 引言

近年來(lái)，隨著新技術(shù)和新方案的不斷應(yīng)用，雷達(dá)及其對(duì)抗技術(shù)相互促進(jìn)，不斷進(jìn)步[1–3]。研究雷達(dá)工作原理、采用有針對(duì)性的雷達(dá)干擾技術(shù)和方法，不僅能干擾同類型雷達(dá)，同時(shí)可改進(jìn)和提高雷達(dá)相關(guān)技術(shù)。外輻射源雷達(dá)[4–6]，即外源雷達(dá)，作為一種新體制雷達(dá)，是一種利用第三方輻射源信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)，其憑借綠色環(huán)保、安全隱蔽、節(jié)約頻譜和軍民兩用等諸多優(yōu)勢(shì)，得到了迅速的發(fā)展。基于調(diào)頻廣播、地面電視等民用輻射源的外輻射源雷達(dá)更是成為研究的主流，多家單位成功研究出相應(yīng)的設(shè)備。隨著外輻射源雷達(dá)在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)其干擾方法的研究將逐漸發(fā)展為一個(gè)新的研究方向。

基于民用輻射源的外輻射源雷達(dá)，其輻射源信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)一般是公開的，依據(jù)其信號(hào)結(jié)構(gòu)開展干擾方法研究是一種基本思路。其中，文獻(xiàn)[7]針對(duì)基于調(diào)頻(Frequency Modulation,FM)、數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting,DAB)和數(shù)字地面視頻廣播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial,DVB-T)信號(hào)的外輻射源雷達(dá)，提出了相應(yīng)的電子攻擊策略，即干擾方法。利用噪聲干擾攻擊FM外輻射源雷達(dá)，提升雷達(dá)噪聲基底，淹沒目標(biāo)。利用已知相位的參考符號(hào)部分攻擊DAB外輻射源雷達(dá)，形成帶狀干擾，掩蓋目標(biāo)。利用導(dǎo)頻信號(hào)攻擊DVB-T外輻射源雷達(dá)，形成干擾峰，增加虛警。文獻(xiàn)[8]提出了多種針對(duì)DVB-T外輻射源雷達(dá)的電子攻擊方法，具體包括連續(xù)導(dǎo)頻干擾和離散導(dǎo)頻干擾，并提出了基于脈沖重復(fù)的導(dǎo)頻干擾方法。除了直接對(duì)外輻射源雷達(dá)干擾方法開展研究[9–11]，另有部分文獻(xiàn)對(duì)外輻射源雷達(dá)應(yīng)用過(guò)程中遇到的同頻干擾進(jìn)行研究[12–16]，相關(guān)成果可為干擾方法研究提供思路。文獻(xiàn)[12]針對(duì)基于美國(guó)的先進(jìn)電視系統(tǒng)委員會(huì)(Advanced Television System Committee,ATSC)輻射源信號(hào)的外輻射源雷達(dá)，對(duì)該型外輻射源雷達(dá)的同頻干擾進(jìn)行了量化評(píng)估，并提出了分階段的干擾抑制方法。文獻(xiàn)[13]針對(duì)基于中國(guó)數(shù)字電視地面廣播(Digital television Terrestrial Multimedia Broadcasting,DTMB)信號(hào)的外輻射源雷達(dá)，重點(diǎn)分析了該型外輻射源雷達(dá)同頻干擾形成機(jī)理和干擾特性，并提出了簡(jiǎn)易的干擾消除方法。文獻(xiàn)[14]針對(duì)基于FM信號(hào)的機(jī)載外輻射源雷達(dá)的同頻干擾問(wèn)題，提出了一種基于獨(dú)立分量分析的干擾抑制方法，將輻射源信號(hào)和同頻干擾信號(hào)視為不同的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的源信號(hào)，基于快速獨(dú)立分量分析方法實(shí)現(xiàn)不同源直達(dá)波信號(hào)的分離，并利用空間快時(shí)間自適應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)雜波和干擾抑制。文獻(xiàn)[15]針對(duì)基于民用通信信號(hào)的外輻射源雷達(dá)同頻干擾問(wèn)題，考慮了參考通道與監(jiān)測(cè)通道同時(shí)受干擾影響的情況，提出了一種基于卷積混合模型的多通道盲反卷積算法的干擾抑制方法，通過(guò)多通道盲反卷積算法估計(jì)各個(gè)輻射源直達(dá)波，利用估計(jì)的直達(dá)波信號(hào)依次完成雜波和干擾對(duì)消。

外輻射源雷達(dá)的干擾形式與其輻射源信號(hào)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，因此，本文以數(shù)字廣播電視為例，基于其信號(hào)結(jié)構(gòu)，開展外輻射源雷達(dá)干擾方法研究，從干擾模型出發(fā)，分析信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究可能的干擾類型和方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證干擾方法的可行性。需要說(shuō)明的是，本文所提基于信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的外輻射源雷達(dá)干擾方法，不僅適用于數(shù)字廣播電視外輻射源雷達(dá)，同樣適用于任何含有一定已知固定成分的輻射源的外輻射源雷達(dá)，如基于4G/5G等通信信號(hào)的外輻射源雷達(dá)。

2 外輻射源雷達(dá)干擾模型

以單發(fā)單收外輻射源雷達(dá)為例，建立外輻射源雷達(dá)干擾模型，模型中包括兩個(gè)發(fā)射站和一個(gè)接收站，兩個(gè)發(fā)射站分別為主發(fā)射站和干擾發(fā)射站，其中，主發(fā)射站和接收站構(gòu)成一個(gè)單發(fā)單收外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)。接收站將同時(shí)收到來(lái)自主發(fā)射站和干擾發(fā)射站的信號(hào)，即輻射源信號(hào)和干擾信號(hào)?，F(xiàn)假設(shè)輻射源信號(hào)為sd(t)，干擾信號(hào)為sg(t)，外輻射源雷達(dá)通常包括參考通道和監(jiān)測(cè)通道，則外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)接收到的監(jiān)測(cè)通道信號(hào)可表示為

外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)中，直接收到的參考信號(hào)中包含多徑和噪聲等成分，不利于后續(xù)信號(hào)處理，因此需要對(duì)其進(jìn)行提純以獲取純凈的原始發(fā)射信號(hào)，現(xiàn)有的提純方法包括：恒模算法和“解調(diào)-再調(diào)制”的重構(gòu)算法等。對(duì)于數(shù)字廣播電視外輻射源雷達(dá)而言，基于“解調(diào)-再調(diào)制”的重構(gòu)算法被廣泛應(yīng)用于參考信號(hào)提純。為便于后續(xù)分析，假設(shè)重構(gòu)后的參考信號(hào)與原始發(fā)射信號(hào)完全相同，可表示為

上述重構(gòu)的參考信號(hào)將作為雜波樣本，用于監(jiān)測(cè)信號(hào)中的直達(dá)波和多徑雜波抑制，因此，經(jīng)雜波抑制后的監(jiān)測(cè)信號(hào)可表示為

式(4)表明，經(jīng)雜波抑制后的監(jiān)測(cè)信號(hào)中包含來(lái)自主發(fā)射站的目標(biāo)回波信號(hào)，來(lái)自干擾發(fā)射站的直達(dá)波、多徑雜波和目標(biāo)回波信號(hào)，以及高斯白噪聲信號(hào)。雜波抑制后的監(jiān)測(cè)信號(hào)與重構(gòu)的參考信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，可得到含有目標(biāo)峰和干擾峰的距離多普勒譜，從譜中可以觀察到干擾信號(hào)的特性和效果，具體地，該距離多普勒譜可表示為

外輻射源雷達(dá)的信號(hào)處理增益通常可表述為

式中，B表示輻射源信號(hào)中參與信號(hào)處理的有效帶寬，T表示積累時(shí)間。當(dāng)干擾信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間存在部分相關(guān)性時(shí)，可通過(guò)式(6)計(jì)算得到相應(yīng)的處理增益。當(dāng)相關(guān)性較強(qiáng)時(shí)，即使干擾信號(hào)功率較小，依然可以通過(guò)積累增益獲得可觀的干擾效果。

3 外輻射源雷達(dá)干擾方法

雷達(dá)干擾方法多樣，但本文以數(shù)字廣播電視外輻射源雷達(dá)這一特殊體制的雷達(dá)為例，開展與其輻射源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相關(guān)的干擾方法研究。數(shù)字廣播電視信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為公開的民用標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)中包含了一定的固定成分，用于信號(hào)同步、解調(diào)和糾錯(cuò)等，本文正是基于這部分固定成分信號(hào)的分析，設(shè)計(jì)了干擾信號(hào)結(jié)構(gòu)，在距離多普勒譜上呈現(xiàn)各種形態(tài)的峰值，并形成虛假航跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字廣播電視外輻射源雷達(dá)的干擾。數(shù)字廣播電視信號(hào)從調(diào)制模式分析，包括兩大類技術(shù)，即循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用技術(shù)(Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing,CP-OFDM)和時(shí)域同步正交頻分復(fù)用技術(shù)(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency Division Multiplexing,TDS-OFDM)。其中，中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播(China Mobile Multimedia Broadcasting,CMMB)和歐洲的DVB-T采用CP-OFDM技術(shù)，利用循環(huán)前綴作為OFDM的保護(hù)間隔，而數(shù)字電視地面廣播(DTMB)采用TDSOFDM技術(shù)，利用時(shí)域同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步和信道估計(jì)。下面就這兩種技術(shù)類型的數(shù)字廣播電視信號(hào)，研究可行的外輻射源雷達(dá)干擾信號(hào)結(jié)構(gòu)。

數(shù)字廣播電視外輻射源雷達(dá)包括參考通道和監(jiān)測(cè)通道兩種類型，參考通道多為定向天線，指向輻射源發(fā)射站，其方向性強(qiáng)，增益高，且參考通道多采用“解調(diào)-再調(diào)制”的重構(gòu)方法獲取輻射源發(fā)射信號(hào)，因此，對(duì)參考通道進(jìn)行干擾，難度較大。而監(jiān)測(cè)通道為獲取觀測(cè)范圍的目標(biāo)回波信號(hào)，其方向性覆蓋面更廣，更容易被干擾，因此，下面主要討論外輻射源雷達(dá)監(jiān)測(cè)通道的干擾方法。

3.1 基于TDS-OFDM信號(hào)的外輻射源雷達(dá)

以DTMB信號(hào)為代表，分析基于TDS-OFDM信號(hào)的外輻射源雷達(dá)干擾技術(shù)。DTMB信號(hào)的最基本組成結(jié)構(gòu)為信號(hào)幀，每一個(gè)信號(hào)幀包括幀頭和幀體兩部分，其信號(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，幀頭有3種結(jié)構(gòu)可選，分別稱為PN420,PN595和PN945，都是由PN (Pseudo Noise)序列及其循環(huán)擴(kuò)展序列組成的，但幀頭內(nèi)容已知，可作為訓(xùn)練序列完成信號(hào)同步和頻偏估計(jì)等。因此，DTMB信號(hào)結(jié)構(gòu)中不存在導(dǎo)頻信號(hào)。幀體部分包含36個(gè)符號(hào)的系統(tǒng)信息和3744個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)，其中，對(duì)于同一系統(tǒng)，其系統(tǒng)信息相同，指示幀體模式，包括符號(hào)星座映射模式、LDPC編碼碼率、交織模式和幀體信息模式等[17]。

因此，DTMB信號(hào)結(jié)構(gòu)中的固定成分包括幀頭和幀體中那36個(gè)指示系統(tǒng)信息的符號(hào)。對(duì)于同一發(fā)射站，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，這些信息并不會(huì)發(fā)生改變，基于這些固定成分構(gòu)造的同頻干擾信號(hào)，可用于干擾以此發(fā)射站為輻射源的外輻射源雷達(dá)。這些固定成分的干擾形式將在后續(xù)仿真結(jié)果中展示。

圖1 DTMB信號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch of signal structure for DTMB

現(xiàn)假設(shè)輻射源信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為d(t)，頻域表達(dá)式為D(f)，則干擾信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為

上述表達(dá)式體現(xiàn)出干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)的聯(lián)系與區(qū)別，其對(duì)外輻射源雷達(dá)探測(cè)的影響將在后續(xù)仿真結(jié)果中展示。

以幀頭結(jié)構(gòu)1為例，基于該幀頭結(jié)構(gòu)的DTMB信號(hào)設(shè)計(jì)干擾信號(hào)，此時(shí)干擾信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相關(guān)性體現(xiàn)在幀頭和系統(tǒng)信息。信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中，幀頭長(zhǎng)度為420個(gè)符號(hào)，幀體長(zhǎng)度為3780個(gè)符號(hào)，共包含3780個(gè)子載波。假設(shè)兩發(fā)射信號(hào)間的相干積累增益為GF，則干擾信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相干積累增益約為GF+10·lg((420+36)/4200)≈GF-9.64 dB。可以看出，較小強(qiáng)度的干擾信號(hào)功率，也可獲得較大增益的干擾效果，相關(guān)結(jié)果可通過(guò)后續(xù)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 基于CP-OFDM信號(hào)的外輻射源雷達(dá)

以DVB-T信號(hào)和CMMB信號(hào)為代表，分析兩種基于CP-OFDM信號(hào)的外輻射源雷達(dá)的干擾技術(shù)，其中DVB-T信號(hào)為典型的CP-OFDM信號(hào)，而CMMB信號(hào)為改進(jìn)的CP-OFDM信號(hào)，其信號(hào)結(jié)構(gòu)中除了循環(huán)前綴，還加入了信標(biāo)和同步信號(hào)，大大縮短了信號(hào)同步時(shí)間。對(duì)CMMB外輻射源雷達(dá)干擾技術(shù)的分析，同時(shí)適用于其他類型的改進(jìn)型CP-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)。

圖2 DVB-T信號(hào)幀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The sketch of signal structure for DVB-T

DVB-T信號(hào)以O(shè)FDM符號(hào)為基本組成單元，每68個(gè)OFDM符號(hào)為1幀，每4幀構(gòu)成一個(gè)超級(jí)幀，每2個(gè)超級(jí)幀構(gòu)成一個(gè)巨級(jí)幀，信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖2所示。每一個(gè)OFDM符號(hào)組成包括2k模式和8k模式兩種情況，其中，2k模式下包含1705個(gè)有效子載波，8k模式下包含6817個(gè)有效子載波。每個(gè)OFDM符號(hào)由兩部分構(gòu)成，一部分為有用的OFDM數(shù)據(jù)，另一部分為保護(hù)間隔。有用的OFDM數(shù)據(jù)中包括數(shù)字電視數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻(連續(xù)導(dǎo)頻和離散導(dǎo)頻)和傳輸參數(shù)信令。其中，導(dǎo)頻信號(hào)可用于幀同步、時(shí)間同步、頻率同步、信道估計(jì)和傳輸模式識(shí)別等，每個(gè)符號(hào)在2k模式下插入45個(gè)連續(xù)導(dǎo)頻和131個(gè)離散導(dǎo)頻，在8k模式下插入177個(gè)連續(xù)導(dǎo)頻和524個(gè)離散導(dǎo)頻。傳輸參數(shù)信令用于傳輸與信道編碼和調(diào)制有關(guān)的參數(shù)，但每個(gè)符號(hào)只有17個(gè)(2k模式)或者68個(gè)(8k模式)載波用于傳輸這部分信息[18]。

因此，DVB-T信號(hào)中的固定成分包括離散導(dǎo)頻、連續(xù)導(dǎo)頻和傳輸參數(shù)信令。對(duì)于同一發(fā)射站而言，這些成分在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)變化，可基于這些固定成分設(shè)計(jì)同頻干擾信號(hào)，用于干擾以此發(fā)射站為輻射源的外輻射源雷達(dá)。相應(yīng)的干擾形式將在后續(xù)仿真結(jié)果中展示。

現(xiàn)假設(shè)輻射源信號(hào)頻域表達(dá)式為D(f)，則干擾信號(hào)頻域表達(dá)式為

上述表達(dá)式體現(xiàn)出干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)的聯(lián)系與區(qū)別，其對(duì)外輻射源雷達(dá)探測(cè)的影響將在后續(xù)仿真結(jié)果中展示。

以8k模式的DVB-T信號(hào)為例，基于DVB-T信號(hào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)干擾信號(hào)，此時(shí)，干擾信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相關(guān)性體現(xiàn)在導(dǎo)頻信息和傳輸參數(shù)信令等。DVB-T標(biāo)準(zhǔn)中，每個(gè)符號(hào)中共有6817個(gè)有效子載波，其中包含177個(gè)連續(xù)導(dǎo)頻、524個(gè)離散導(dǎo)頻和68個(gè)子載波傳輸參數(shù)信令。假設(shè)兩發(fā)射信號(hào)間的相干積累增益為GF，則干擾信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相干積累增益約為GF+10·lg((177+524+68)/6817)≈GF-10 dB?？梢钥闯觯^小強(qiáng)度的干擾信號(hào)功率，也可獲得較大增益的干擾效果，相關(guān)結(jié)果可通過(guò)后續(xù)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 基于改進(jìn)型CP-OFDM信號(hào)的外輻射源雷達(dá)

以CMMB信號(hào)為代表，分析基于改進(jìn)型CP-OFDM信號(hào)的外輻射源雷達(dá)的干擾技術(shù)。CMMB信號(hào)的基本結(jié)構(gòu)為信號(hào)幀，1 s為1幀，分為40個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙又包含1個(gè)信標(biāo)和53個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)，具體地，信標(biāo)中包含發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)信號(hào)和2個(gè)同步信號(hào)，且所有OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相同。其信號(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示[19]。對(duì)于同一發(fā)射站，其發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)信號(hào)是不變的。而同步信號(hào)用于其信號(hào)同步，因此其內(nèi)容也是固定不變的。53個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)中包括離散導(dǎo)頻和連續(xù)導(dǎo)頻兩種形式的導(dǎo)頻，用于信道估計(jì)，輔助信號(hào)的解調(diào)。CMMB通過(guò)復(fù)用幀的方式實(shí)現(xiàn)音頻、視頻、數(shù)據(jù)、電子業(yè)務(wù)指南等信息的封裝和排列，使其能夠在廣播信道中傳送[20]。每個(gè)復(fù)用幀包括一個(gè)或幾個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)，音/視頻等數(shù)據(jù)封裝在同一復(fù)用子幀中，控制信道封裝在專用的復(fù)用幀中，其中，控制信道復(fù)用幀用于承載控制信息。對(duì)于同一發(fā)射站而言，其控制信道復(fù)用幀在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)并不會(huì)變化。

圖3 CMMB信號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The sketch of signal structure for CMMB

因此，CMMB信號(hào)中的固定成分包括發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)信號(hào)、同步信號(hào)、離散導(dǎo)頻、連續(xù)導(dǎo)頻和控制信道復(fù)用幀。對(duì)于同一發(fā)射站而言，這些成分在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)并不會(huì)發(fā)生變化，可基于這些固定成分設(shè)計(jì)同頻干擾信號(hào)，用于干擾以此發(fā)射站為輻射源的外輻射源雷達(dá)。相應(yīng)的干擾形式將在后續(xù)仿真結(jié)果中展示。

現(xiàn)假設(shè)輻射源信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為d(t)，頻域表達(dá)式為D(f)，則干擾信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為

上述表達(dá)式體現(xiàn)出干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)的聯(lián)系和區(qū)別，其對(duì)外輻射源雷達(dá)探測(cè)的影響將在后續(xù)仿真結(jié)果中展示。

基于CMMB信號(hào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)干擾信號(hào)，此時(shí)，干擾信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相關(guān)性體現(xiàn)在發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)信號(hào)、同步信號(hào)、離散導(dǎo)頻、連續(xù)導(dǎo)頻和控制信道復(fù)用幀。為方便計(jì)算，這里僅考慮導(dǎo)頻信息引起的相干積累增益，CMMB信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中，每個(gè)OFDM符號(hào)共4096個(gè)子載波，其中包含連續(xù)導(dǎo)頻82個(gè)，離散導(dǎo)頻384個(gè)。假設(shè)兩發(fā)射信號(hào)間的相干積累增益為GF，則干擾信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的相干積累增益約為GF+10·lg((82+384)/4096)≈GF-10 dB。可以看出，較小強(qiáng)度的干擾信號(hào)功率，也可獲得較大增益的干擾效果，相關(guān)結(jié)果可通過(guò)后續(xù)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

基于上述方法得到的干擾峰多為固定峰，其檢測(cè)后的雙基地距離和多普勒值并不會(huì)隨時(shí)間變化，僅能遮蔽目標(biāo)峰，無(wú)法形成虛假航跡。為使干擾峰在距離多普勒譜上隨時(shí)間移動(dòng)，進(jìn)而形成虛假航跡。本文基于信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)稱采樣率，給生成的干擾信號(hào)添加一定的采樣率偏差，由于外輻射源雷達(dá)接收系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)償干擾信號(hào)中的采樣率偏差，因此會(huì)使得距離多普勒譜上的干擾峰隨時(shí)間以固定速度沿距離維運(yùn)動(dòng)[13]。當(dāng)干擾峰的移動(dòng)速度和其多普勒對(duì)應(yīng)的雙基地速度接近時(shí)，加之干擾峰檢測(cè)所得方位角固定，則干擾峰將會(huì)形成一條沿固定方向運(yùn)動(dòng)的虛假航跡。

4 仿真分析

結(jié)合第3節(jié)的分析可知，TDS-OFDM信號(hào)和CP-OFDM信號(hào)中都包含有固定成分，本節(jié)基于這些固定成分設(shè)計(jì)了干擾信號(hào)結(jié)構(gòu)，依據(jù)干擾信號(hào)模型，對(duì)含有干擾的監(jiān)測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)之間的互相關(guān)過(guò)程進(jìn)行仿真，通過(guò)互相關(guān)得到的距離多普勒譜，分別展示了基于TDS-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)和基于CP-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)的干擾形式，其中，基于TDS-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)以DTMB外輻射源雷達(dá)為例，基于CP-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)以DVB-T外輻射源雷達(dá)和CMMB外輻射源雷達(dá)為例。這里，為方便描述干擾特性，假設(shè)監(jiān)測(cè)信號(hào)中的輻射源直達(dá)波和多徑雜波已被抑制干凈，不考慮其影響，而來(lái)源于干擾信號(hào)的目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)度較弱，也不予考慮，因此，監(jiān)測(cè)信號(hào)中只考慮干擾信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)，即式(5)中僅考慮輻射源目標(biāo)回波峰ψ1、干擾信號(hào)直達(dá)波峰ψ2(k=1)以及噪聲項(xiàng)ψ4。

4.1 TDS-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)干擾

TDS-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)，以DTMB外輻射源雷達(dá)為代表?；贒TMB信號(hào)中的固定成分，構(gòu)造了3種干擾信號(hào)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)1中，干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)擁有相同的幀頭結(jié)構(gòu)，不同的幀體結(jié)構(gòu)，稱為幀頭干擾；結(jié)構(gòu)2中，干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)擁有不同的幀頭結(jié)構(gòu)，幀體中的系統(tǒng)信息部分是相同的，但其余部分并不相同，稱為系統(tǒng)信息干擾；結(jié)構(gòu)3中，干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)擁有相同的幀頭結(jié)構(gòu)和相同的系統(tǒng)信息，稱為幀頭&系統(tǒng)信息干擾。輻射源發(fā)射站和干擾信號(hào)發(fā)射站擁有不同的載波頻偏，而接收站只能補(bǔ)償輻射源發(fā)射站的載波頻偏，因此，干擾信號(hào)會(huì)存在一固定的載波頻偏，同時(shí)，該載波頻偏大小可根據(jù)預(yù)設(shè)進(jìn)行調(diào)整。下面通過(guò)距離多普勒譜展示上述3種干擾信號(hào)的特性。

仿真中，存在一個(gè)干擾信號(hào)和兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)，其中，干擾信號(hào)強(qiáng)度(即干噪比)為0，時(shí)延為350距離單元，多普勒為400 Hz，兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度(即信噪比)分別為–30 dB和–27 dB，時(shí)延分別為369距離單元和148距離單元，多普勒分別為110 Hz和–230 Hz。仿真中數(shù)據(jù)處理長(zhǎng)度為1280個(gè)信號(hào)幀。

圖4展示了存在幀頭干擾情況下DTMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜，其中，紅色圓圈標(biāo)示出目標(biāo)峰，其余峰為干擾峰。經(jīng)相干積累后，干擾峰強(qiáng)度與目標(biāo)峰強(qiáng)度相當(dāng)，且干擾主峰和目標(biāo)峰位置與仿真參數(shù)保持一致。從圖中可以看出，幀頭干擾產(chǎn)生了多個(gè)干擾峰，其中包括兩個(gè)干擾主峰和若干個(gè)干擾副峰，其具體分布位置與幀頭結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，本文對(duì)其分布特性不做詳細(xì)討論，干擾峰分布特性相關(guān)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[13]。從仿真中可以看出，幀頭干擾可產(chǎn)生大量干擾峰，可在一定程度上遮蔽目標(biāo)峰，同時(shí)產(chǎn)生大量虛警，甚至引起虛假航跡。

圖4 幀頭干擾下DTMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜Fig.4 The range-Doppler map for DTMB-based passive radar under the jamming of the frame header

圖5 系統(tǒng)信息干擾下DTMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜Fig.5 The range-Doppler map for DTMB-based passive radar under the jamming of the system information

圖5展示了存在系統(tǒng)信息干擾情況下DTMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜，其中，紅色圓圈標(biāo)示出目標(biāo)峰，其余為干擾信號(hào)引起的峰和條帶。經(jīng)相干積累后，干擾峰凸顯，其強(qiáng)度接近目標(biāo)峰強(qiáng)度，且干擾峰中心位置和目標(biāo)峰位置與仿真參數(shù)保持一致。但由于干擾信號(hào)的特殊性，干擾峰分辨率下降，表現(xiàn)為主瓣較寬的峰值，近似于帶狀分布。這是因?yàn)閹w頻域OFDM符號(hào)中的36個(gè)低頻符號(hào)用于傳輸固定的系統(tǒng)信息，即干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)在頻域部分存在部分相同結(jié)構(gòu)，正是此部分的固定成分引起了干擾峰。

圖6展示了存在幀頭&系統(tǒng)信息干擾情況下DTMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜，其中，紅色圓圈標(biāo)示出目標(biāo)峰，其余為干擾引起的峰和條帶。從圖中可以看出，這是幀頭干擾和系統(tǒng)信息干擾兩者疊加的結(jié)果，此干擾下，產(chǎn)生了更多的干擾峰和條帶，使得目標(biāo)峰更易被遮擋，增加了更多的虛警。

4.2 CP-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)干擾

CP-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)，以DVB-T外輻射源雷達(dá)為代表?；贒VB-T信號(hào)中的固定成分，構(gòu)造了3種干擾信號(hào)結(jié)構(gòu)。其中，傳輸參數(shù)信令雖然固定，但其所用有效子載波較少，難以形成干擾峰，因此，這里沒有分析單獨(dú)利用傳輸參數(shù)信令設(shè)計(jì)的干擾信號(hào)。結(jié)構(gòu)1中，干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)僅擁有相同的離散導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，稱為離散導(dǎo)頻干擾；結(jié)構(gòu)2中，干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)僅擁有相同的連續(xù)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，稱為連續(xù)導(dǎo)頻干擾；結(jié)構(gòu)3中，干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)擁有相同的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，稱為導(dǎo)頻干擾。下面通過(guò)距離多普勒譜展示上述3種結(jié)構(gòu)的干擾信號(hào)特性。

仿真中，存在一個(gè)干擾信號(hào)和兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)，其中，干擾信號(hào)強(qiáng)度(即干噪比)為0，時(shí)延為350距離單元，多普勒為200 Hz；兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度(即信噪比)分別為–20 dB和–17 dB，時(shí)延分別為1000距離單元和500距離單元，多普勒分別為110 Hz和–150 Hz。仿真中數(shù)據(jù)處理長(zhǎng)度為512個(gè)OFDM符號(hào)，DVB-T信號(hào)采用8k模式，循環(huán)前綴為1/4模式，且循環(huán)前綴不參與距離多普勒譜計(jì)算。為充分表現(xiàn)干擾信號(hào)中固定成分的影響，這里適當(dāng)提高了固定成分的幅度。

圖6 幀頭&系統(tǒng)信息干擾下DTMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜Fig.6 The range-Doppler map for DTMB-based passive radar under the jamming of the frame header and the system information

圖7展示了離散導(dǎo)頻干擾情況下DVB-T外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜，其中，紅色圓圈標(biāo)示出目標(biāo)峰，其余為干擾引起的峰和條帶。經(jīng)相干積累后，干擾峰凸顯，其強(qiáng)度高于目標(biāo)峰強(qiáng)度，且干擾主峰和目標(biāo)峰位置與仿真參數(shù)保持一致。除干擾主峰外，離散導(dǎo)頻干擾還形成了2個(gè)較強(qiáng)的干擾峰和4個(gè)跨越整個(gè)距離維的干擾條帶，其中3個(gè)干擾條帶與對(duì)應(yīng)的干擾峰擁有相同的多普勒大小。

圖8展示了存在連續(xù)導(dǎo)頻干擾情況下DVB-T外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜，其中，紅色圓圈標(biāo)示出目標(biāo)峰，其余為干擾引起的峰和條帶。經(jīng)相干積累后，干擾凸顯，其強(qiáng)度接近目標(biāo)峰強(qiáng)度，且干擾主峰和目標(biāo)峰位置與仿真參數(shù)保持一致。連續(xù)導(dǎo)頻干擾引起了一個(gè)干擾主峰和四個(gè)跨越整個(gè)距離維的干擾條帶，其中一個(gè)干擾條帶位于干擾主峰所在多普勒維，且該干擾條帶強(qiáng)度明顯高于其他干擾條帶。

圖7 離散導(dǎo)頻干擾下DVB-T外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜Fig.7 The range-Doppler map for DVB-T-based passive radar under the jamming of the scatter pilot

圖8 連續(xù)導(dǎo)頻干擾下DVB-T外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜Fig.8 The range-Doppler map for DVB-T-based passive radar under the jamming of the continuous pilot

圖9 導(dǎo)頻干擾下DVB-T外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜Fig.9 The range-Doppler map for DVB-T-based passive radar under the jamming of the pilot

圖9展示了同時(shí)存在離散導(dǎo)頻干擾與連續(xù)導(dǎo)頻干擾情況下DVB-T外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜，其中，紅色圓圈標(biāo)示出目標(biāo)峰，其余為干擾引起的峰和條帶。經(jīng)相干積累后，干擾凸顯，其強(qiáng)度高于目標(biāo)峰強(qiáng)度，且干擾主峰和目標(biāo)峰位置與仿真參數(shù)保持一致。從圖中可以看出，這是離散導(dǎo)頻干擾和連續(xù)導(dǎo)頻干擾兩者疊加的結(jié)果，此干擾下，距離多普勒譜上出現(xiàn)了大量有效的干擾峰和條帶，增加了遮蔽目標(biāo)峰的概率，提高了虛警率。上述結(jié)果與文獻(xiàn)[8]中的結(jié)果基本一致，但本文所提方法可擴(kuò)展至任意輻射源信號(hào)，且在本文所提方法下，干擾峰并非靜止不動(dòng)的，而是在距離多普勒譜上移動(dòng)的，這增加了干擾的復(fù)雜性，并能形成虛假航跡。

4.3 改進(jìn)型CP-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)干擾

改進(jìn)型CP-OFDM信號(hào)外輻射雷達(dá)，以CMMB外輻射源雷達(dá)為代表。與常規(guī)CP-OFDM信號(hào)相比，改進(jìn)型CP-OFDM信號(hào)，除了循環(huán)前綴，還在信號(hào)中加入了同步信號(hào)，這會(huì)給該型外輻射源雷達(dá)干擾帶來(lái)新的特性。這里，基于CMMB信號(hào)中的固定成分，構(gòu)造了3種干擾信號(hào)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)1中，干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)僅擁有相同的信標(biāo)結(jié)構(gòu)，稱為信標(biāo)干擾；結(jié)構(gòu)2中，干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)僅擁有相同的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，稱為導(dǎo)頻干擾；結(jié)構(gòu)3中，干擾信號(hào)與輻射源信號(hào)僅擁有相同的控制信道復(fù)用幀，稱為控制信道干擾。下面通過(guò)距離多普勒譜展示上述3種結(jié)構(gòu)的干擾信號(hào)特性。

仿真中，存在一個(gè)干擾信號(hào)和兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)，其中，干擾信號(hào)強(qiáng)度(即干噪比)為0，時(shí)延為500距離單元，多普勒為400 Hz；兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度(即信噪比)分別為–30 dB和–27 dB，時(shí)延分別為369距離單元和148距離單元，多普勒分別為110 Hz和–230 Hz。仿真中數(shù)據(jù)處理長(zhǎng)度為8個(gè)時(shí)隙。

圖10展示了存在信標(biāo)干擾情況下CMMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜，其中，紅色圓圈標(biāo)示出目標(biāo)峰，其余為干擾引起的峰。經(jīng)相干積累后，干擾峰凸顯，主峰強(qiáng)度高于目標(biāo)峰強(qiáng)度，且干擾主峰和目標(biāo)峰位置與仿真參數(shù)保持一致。干擾峰在固定距離單元沿多普勒維離散分布，這是信標(biāo)僅存在每個(gè)時(shí)隙的開端的特殊結(jié)構(gòu)引起的。

圖11展示了存在導(dǎo)頻干擾情況下CMMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜，其中，紅色圓圈標(biāo)示出目標(biāo)峰，其余為干擾引起的峰和條帶。經(jīng)相干積累后，干擾峰凸顯，其強(qiáng)度高于目標(biāo)峰強(qiáng)度，且干擾主峰和目標(biāo)峰位置與仿真參數(shù)保持一致。干擾信號(hào)不僅在固定多普勒大小處沿距離維形成了帶狀干擾，還在干擾主峰所在多普勒維形成若干的干擾副峰。

圖12展示了存在控制信道干擾情況下CMMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜，其中，紅色圓圈標(biāo)示出目標(biāo)峰，其余為干擾引起的峰和條帶。經(jīng)相干積累后，干擾峰凸顯，其強(qiáng)度高于目標(biāo)峰強(qiáng)度，且干擾主峰和目標(biāo)峰位置與仿真參數(shù)保持一致。除了干擾主峰，距離多普勒譜上還存在離散的干擾副峰，且部分干擾峰多普勒主瓣較寬。從圖中可以看出，控制信道干擾形成了有效的干擾峰，增加了遮蔽目標(biāo)峰的概率，提高了虛警率。

圖10 信標(biāo)干擾下CMMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜Fig.10 The range-Doppler map for CMMB-based passive radar under the jamming of the beacon

圖11 導(dǎo)頻干擾下CMMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜Fig.11 The range-Doppler map for CMMB-based passive radar under the jamming of the pilot

圖12 控制信道干擾下CMMB外輻射源雷達(dá)的距離多普勒譜Fig.12 The range-Doppler map for CMMB-based passive radar under the jamming of the control channel

根據(jù)TDS-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)干擾和CP-OFDM信號(hào)外輻射源雷達(dá)干擾的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：基于數(shù)字廣播電視信號(hào)的固定成分設(shè)計(jì)的干擾信號(hào)，由于其與輻射源信號(hào)間存在一定的相關(guān)性，可通過(guò)相干積累實(shí)現(xiàn)干擾峰的增強(qiáng)，因此干擾信號(hào)的強(qiáng)度并不高，有利于干擾源的隱蔽。上述仿真僅展示了單個(gè)干擾信號(hào)在距離多普勒譜上的形態(tài)與特性，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以通過(guò)將不同時(shí)延和多普勒的干擾信號(hào)疊加，形成復(fù)合干擾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)干擾峰對(duì)整個(gè)距離多普勒譜的有效覆蓋，顯著提高雷達(dá)的虛警率，干擾雷達(dá)的正常工作。

4.4 虛假航跡

以DTMB外輻射源雷達(dá)為例，仿真該型雷達(dá)下的虛假航跡，對(duì)應(yīng)的方法可推廣至其他類型外輻射源雷達(dá)。仿真中，包含2個(gè)目標(biāo)回波信號(hào)和1個(gè)幀頭干擾信號(hào)，其中，起始時(shí)刻，兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度(即信噪比)分別為–30 dB和–27 dB，時(shí)延分別為369距離單元和148距離單元，多普勒分別為110 Hz和–230 Hz，且目標(biāo)運(yùn)動(dòng)采用勻加速模型；干擾信號(hào)強(qiáng)度(即干噪比)為0，時(shí)延為350距離單元，多普勒為400 Hz，干擾信號(hào)對(duì)應(yīng)的采樣率偏差為6 Hz。在此仿真條件下，仿真50場(chǎng)數(shù)據(jù)，獲得距離多普勒譜多場(chǎng)數(shù)據(jù)累積結(jié)果和目標(biāo)跟蹤結(jié)果如圖13，圖14所示。

圖13展示了干擾存在情況下外輻射源雷達(dá)距離多普勒譜50場(chǎng)數(shù)據(jù)累積結(jié)果圖，從圖中可以看出，除了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在距離多普勒譜上形成的點(diǎn)跡外，還存在多條沿距離維移動(dòng)的干擾峰形成的點(diǎn)跡，其干擾峰位置分布規(guī)律與圖4保持一致，且圖13中在目標(biāo)的前后255個(gè)距離單元處存在著由幀頭前后同步信號(hào)產(chǎn)生的虛假目標(biāo)。圖14展示了干擾存在情況下外輻射源雷達(dá)目標(biāo)跟蹤結(jié)果，從圖中可以看出，除了兩個(gè)真實(shí)目標(biāo)軌跡外，還存在多條干擾信號(hào)形成的虛假航跡。虛假航跡是多條以固定速度由遠(yuǎn)及近向接收站運(yùn)動(dòng)的軌跡，且軌跡完全重合，這些虛假航跡是由圖13中多普勒為正的那些干擾峰引起的。這些多普勒為正的干擾峰，其多普勒對(duì)應(yīng)的雙基地速度大小與干擾峰移動(dòng)速度相當(dāng)，與真實(shí)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致，因此在跟蹤結(jié)果中形成了相應(yīng)的虛假航跡。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)將不同時(shí)延、多普勒和采樣率偏差的干擾信號(hào)疊加，形成復(fù)合干擾信號(hào)，將可以形成更多的虛假航跡。這里的仿真實(shí)驗(yàn)是針對(duì)DTMB外輻射源雷達(dá)開展的，但其方法同樣適用于其他類型的外輻射源雷達(dá)。

圖13 干擾存在情況下距離多普勒譜多場(chǎng)數(shù)據(jù)累積結(jié)果Fig.13 The cumulative results of multiple-frame data of the range-Doppler map with the jamming

圖14 干擾存在情況下外輻射源雷達(dá)目標(biāo)跟蹤結(jié)果Fig.14 The target tracking results of passive radar with the jamming

5 結(jié)束語(yǔ)

基于輻射源信號(hào)結(jié)構(gòu)和外輻射源雷達(dá)干擾模型，本文研究了基于信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的外輻射源雷達(dá)干擾方法，并以國(guó)內(nèi)外數(shù)字廣播電視外輻射源雷達(dá)為例，詳細(xì)闡述了干擾方法和干擾特性，其中，數(shù)字廣播電視信號(hào)中的幀頭和導(dǎo)頻等用于同步和信道均衡的固定成分，十分適合設(shè)計(jì)成外輻射源雷達(dá)的干擾信號(hào)?；诖祟惞潭ǔ煞侄鴺?gòu)造的干擾信號(hào)，可在距離多普勒譜上形成干擾峰或條帶，有效遮蔽目標(biāo)峰，造成虛警率升高，甚至引起虛假航跡，干擾外輻射源雷達(dá)的正常工作。由于干擾信號(hào)與參考信號(hào)間存在相關(guān)性，可通過(guò)相干積累提高干擾峰強(qiáng)度，因此，基于輻射源信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出的干擾信號(hào)，其強(qiáng)度較小，可有效隱藏于輻射源信號(hào)之下，有利于干擾源的隱蔽，同時(shí)，由于干擾信號(hào)強(qiáng)度很弱，并不會(huì)影響輻射源信號(hào)的正常接收。仿真結(jié)果表明，通過(guò)利用幀頭和導(dǎo)頻等固定成分構(gòu)造的干擾信號(hào)，可在距離多普勒譜上形成干擾峰或干擾條帶，并形成虛假航跡，有效干擾數(shù)字廣播電視外輻射源雷達(dá)的正常工作。本文所提基于信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的外輻射源雷達(dá)干擾方法，不僅適用于國(guó)內(nèi)外各型數(shù)字廣播電視外輻射源雷達(dá)，也適用于其他類型的外輻射源雷達(dá)，如基于4G/5G通信信號(hào)的外輻射源雷達(dá)等。