間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾性能分析

楊祎綪，王 波，曾瑞琪

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101；2.解放軍95478部隊(duì)，重慶 401329)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)，核武器是戰(zhàn)略級(jí)威懾力量，電子對(duì)抗則是戰(zhàn)術(shù)級(jí)威懾力量，呈攻擊態(tài)勢(shì)的電子對(duì)抗是積極防御國(guó)防戰(zhàn)略的重要組成部分。對(duì)于現(xiàn)代有核國(guó)家之間進(jìn)行的高科技局部戰(zhàn)爭(zhēng)而言，電子干擾無疑是軍事力量威懾的關(guān)鍵。電子干擾是我方在電磁域進(jìn)攻的利劍，其有效殺傷敵人的充分條件是干擾信號(hào)在時(shí)、頻、空三維方向域均對(duì)準(zhǔn)敵方雷達(dá)信號(hào)且在能量域取得優(yōu)勢(shì)，而這其中的關(guān)鍵在于時(shí)頻域矛盾的解決與轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)發(fā)干擾是電子干擾的一種重要實(shí)現(xiàn)方式，通過接收、存儲(chǔ)、調(diào)制、轉(zhuǎn)發(fā)敵方雷達(dá)信號(hào)完成對(duì)敵方雷達(dá)的壓制性干擾或欺騙性干擾[1]。然而轉(zhuǎn)發(fā)干擾收發(fā)一體的技術(shù)體制決定了其在偵收時(shí)間窗口內(nèi)無法發(fā)射干擾信號(hào)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào)在時(shí)間上總是滯后于目標(biāo)回波，因此具有先天的缺陷?，F(xiàn)代雷達(dá)為了提高雷達(dá)的抗干擾能力，通常采用跳頻方式以增加電子干擾系統(tǒng)時(shí)頻矛盾的復(fù)雜性，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的有效性提出了極大的挑戰(zhàn)。對(duì)壓制性干擾而言，雷達(dá)跳頻帶來的時(shí)頻復(fù)雜性使得轉(zhuǎn)發(fā)干擾偵收到的前一雷達(dá)脈沖的頻率可能已不能對(duì)準(zhǔn)后一脈沖的頻率，無法對(duì)后一脈沖產(chǎn)生有效干擾；對(duì)欺騙性干擾而言，轉(zhuǎn)發(fā)干擾無法預(yù)測(cè)敵雷達(dá)信號(hào)的頻率跳變，產(chǎn)生的假目標(biāo)總體上滯后于目標(biāo)回波。本文通過間歇采樣的方式對(duì)雷達(dá)的每個(gè)脈沖進(jìn)行干擾，保證每個(gè)干擾脈沖的頻率與雷達(dá)脈沖的頻率一致，分析并仿真了不同的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)方式對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾性能。

1 線性調(diào)頻雷達(dá)信號(hào)處理流程分析

線性調(diào)頻雷達(dá)的信號(hào)處理流程如圖1所示[2]。雷達(dá)信號(hào)發(fā)射時(shí)，在時(shí)間波門的控制下將雷達(dá)波形庫中的雷達(dá)數(shù)字波形通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)變?yōu)槟M信號(hào)，經(jīng)過一次濾波得到基帶模擬信號(hào)，再與兩級(jí)本振混頻得到射頻模擬信號(hào)，最后經(jīng)功率放大再通過天線向空間輻射。接收雷達(dá)回波時(shí)，接收天線在時(shí)間波門的控制下接收射頻回波信號(hào)，經(jīng)濾波、放大、混頻、再濾波后得到中頻模擬信號(hào)，中頻模擬信號(hào)經(jīng)過模/數(shù)(A/D)采樣后得到中頻數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過數(shù)字下變頻得到雷達(dá)基帶數(shù)字信號(hào)，由雷達(dá)波形庫提供數(shù)字波形副本，經(jīng)過脈沖壓縮和相參處理得到目標(biāo)的位置信息和速度信息。

圖1 線性調(diào)頻雷達(dá)信號(hào)處理流程

1.1 線性調(diào)頻信號(hào)波形調(diào)制過程分析

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，線性調(diào)頻信號(hào)作為現(xiàn)代雷達(dá)最常采用的一種波形，具有時(shí)寬脈寬積大、脈沖壓縮副瓣小、峰均比小的優(yōu)良特性，有效解決了探測(cè)距離與距離分辨率之間的矛盾。

圖1中線性調(diào)頻信號(hào)的數(shù)字波形可表示為：

(1)

式中：fs為發(fā)射采樣率；Np為線性調(diào)頻信號(hào)的數(shù)字波形長(zhǎng)度。

以fs為發(fā)射采樣率的DAC對(duì)數(shù)字波形完成數(shù)模轉(zhuǎn)換得到基帶模擬波形，表示為：

sL(t)=exp(j2πk(t-t0)2)，t0≤t≤t0+Tp

(2)

線性調(diào)頻信號(hào)的波形時(shí)頻域如圖2所示。

圖2 線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)頻域

圖1中基帶線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過本振1頻率為f1、本振2頻率為f2、兩次混頻得到射頻模擬信號(hào)：

st(t)=exp[j2π(fc(t-t0)+k(t-t0)2)]，

t0≤t≤t0+Tp

(3)

式中：fc=f1+f2，為雷達(dá)發(fā)射波形的載頻。

射頻信號(hào)經(jīng)過功率放大后得到功率為Pt的發(fā)射信號(hào)，通過天線輻射探測(cè)目標(biāo)。

1.2 線性調(diào)頻回波信號(hào)處理過程分析

假設(shè)距離R處有一徑向速度為v的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，c為電磁波在空氣介質(zhì)中的傳播速度，目標(biāo)散射強(qiáng)度為A，則雷達(dá)接收端接收到的回波信號(hào)可表示為：

(4)

式中：n(t)為噪聲或干擾信號(hào)。

將st(t)代入式(4)，可得：

(5)

如圖1雷達(dá)回波信號(hào)處理流程所示，回波信號(hào)經(jīng)過濾波后濾掉帶外雜波信號(hào)，經(jīng)過低噪聲高頻放大器放大后送到混頻器進(jìn)行下變頻，得到的回波中頻模擬信號(hào)可表示為：

(6)

式中：A′為中頻模擬信號(hào)的幅度，經(jīng)過低噪聲高頻放大器放大后A′>APt；n′(t)為噪聲或干擾信號(hào)n(t)經(jīng)過濾波器過濾后仍留在帶內(nèi)的噪聲信號(hào)。

回波中頻模擬信號(hào)經(jīng)A/D以fs的采樣率進(jìn)行采樣后，又經(jīng)數(shù)字下變頻得到回波基帶數(shù)字信號(hào)：

(7)

以發(fā)射數(shù)字波形作為匹配副本，對(duì)回波基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮，線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮處理結(jié)果仿真如圖3所示。

圖3 線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮結(jié)果

2 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾過程分析

圖4 轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)流程圖

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾是干擾機(jī)在較短的延遲時(shí)間內(nèi)為了解決收發(fā)隔離問題而采取的技術(shù)方案。在雷達(dá)信號(hào)的1個(gè)脈沖周期內(nèi)，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)式干擾通過交替的接收和發(fā)送來完成對(duì)雷達(dá)的干擾。設(shè)敵方雷達(dá)脈沖的脈寬為Tp，間歇采樣[3]轉(zhuǎn)發(fā)旨在只截取小部分的轉(zhuǎn)發(fā)脈沖，經(jīng)調(diào)制后迅速轉(zhuǎn)發(fā)，以達(dá)到時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)該脈沖、進(jìn)而形成有效干擾的目的。設(shè)干擾系統(tǒng)的接收延遲為td1，截取寬度為tg，收發(fā)切換時(shí)間為td3，則第1個(gè)干擾脈沖轉(zhuǎn)發(fā)延遲為td1+tg+td3=td1+td2，時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾時(shí)序圖

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾按照時(shí)序控制方式的不同，分為[4]間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾、間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾、間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

2.1 間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾

間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾是干擾系統(tǒng)在偵獲到敵雷達(dá)信號(hào)后，對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采樣并截取寬度為tg的片段進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)完畢后經(jīng)過收發(fā)切換的延時(shí)再立刻將該片段由ADC轉(zhuǎn)換為干擾模擬信號(hào)發(fā)出。經(jīng)過一定的工作延遲tc后，繼續(xù)對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采樣并截取第2個(gè)寬度為tg的片段進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，如此交替進(jìn)行直至雷達(dá)脈沖信號(hào)結(jié)束。其工作示意如圖6所示。

圖6 間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾工作示意圖

從圖6中可以看出，間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾為了滿足收發(fā)隔離的時(shí)序要求，轉(zhuǎn)發(fā)脈沖之間至少要滿足時(shí)長(zhǎng)為tg+tc+td2的間隔要求，即當(dāng)前干擾脈沖發(fā)射后必須間隔tc時(shí)間才能進(jìn)行下一次采樣，對(duì)于時(shí)頻矛盾極其緊張的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾而言，這削弱了其工作效能。

2.2 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾

間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾由干擾系統(tǒng)在偵獲到敵雷達(dá)信號(hào)后，對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采樣并截取寬度為tg的片段進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)完畢后立刻將該片段重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)作為干擾信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)完畢并經(jīng)過一定的工作延遲tc后繼續(xù)對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行片段存儲(chǔ)和重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，如此重復(fù)直至雷達(dá)脈沖信號(hào)結(jié)束。間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的工作示意如圖7所示。

圖7 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾工作示意圖

與直接轉(zhuǎn)發(fā)式干擾相比，重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾通過減少接收頻率、重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣本的方法提高了轉(zhuǎn)發(fā)干擾的時(shí)間效率。

2.3 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾

間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾旨在保持轉(zhuǎn)發(fā)干擾時(shí)間效率的同時(shí)增加干擾樣本的更新效率。間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的第1次轉(zhuǎn)發(fā)與直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾方式一樣，干擾系統(tǒng)在偵獲到敵雷達(dá)信號(hào)后，對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采樣并截取寬度為tg的片段進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)完畢后立刻將該片段由數(shù)模轉(zhuǎn)換器再轉(zhuǎn)換為干擾模擬信號(hào)發(fā)出。而第2次轉(zhuǎn)發(fā)則是將第2個(gè)片段存儲(chǔ)在另一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間中完成干擾樣本積累，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)按照順序依次轉(zhuǎn)發(fā)2個(gè)片段。以后的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)過程依照此種模式進(jìn)行樣本積累和轉(zhuǎn)發(fā)循環(huán)。間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的工作示意如圖8所示。

圖8 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾工作示意圖

間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾采用樣本積累和轉(zhuǎn)發(fā)循環(huán)進(jìn)行的方式，在提高轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間效率的同時(shí)也保持了樣本的更新。

Key words: new engineering construction; basis of computer engineering; course system

3 仿真與分析

設(shè)目標(biāo)距離R=12 km，雷達(dá)發(fā)射功率Pt=400 W，雷達(dá)信號(hào)脈寬為Tp=25 μs，雷達(dá)天線增益Gt=Gr=30 dB，目標(biāo)的雷達(dá)反射截面積σ=10 000 m2，雷達(dá)信號(hào)載頻為fc=9 GHz；轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)發(fā)射功率Pj=550 W，干擾天線增益Gj=0 dB，干擾信號(hào)從雷達(dá)的主瓣天線進(jìn)入，干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)天線的極化系數(shù)為γj=0.1。根據(jù)雷達(dá)方程，雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波功率可表示為：

(8)

回波經(jīng)過脈沖壓縮處理后的結(jié)果如圖9所示。

圖9 目標(biāo)回波脈沖壓縮結(jié)果

雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)功率可表示為：

(9)

由式(8)和式(9)可得，雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)和雷達(dá)回波信號(hào)的干信功率比可表示為：

(10)

根據(jù)以上背景設(shè)置可得在目標(biāo)距離12 km處雷達(dá)接收機(jī)接收到的信號(hào)干信功率比PJ/S=25，干信比=10lgPJ/S=14。在此情況下對(duì)3種間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾性能進(jìn)行仿真。

設(shè)干擾機(jī)的采樣延遲為td1=0.5 μs，采樣片段tg分別為0.2 μs和1 μs，干擾設(shè)備收發(fā)切換時(shí)間為td3=0.5 μs，匿影時(shí)間為5 μs，對(duì)以線性調(diào)頻信號(hào)為探測(cè)波形的雷達(dá)進(jìn)行間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾性能仿真。

采樣片段為0.2 μs時(shí)，間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾波形和雷達(dá)回波經(jīng)過脈沖壓縮后獲得峰值位置為R=12 km的脈沖壓縮處理結(jié)果如圖10(a)所示；采樣片段為2 μs時(shí)，間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾波形和雷達(dá)回波經(jīng)過脈沖壓縮后獲得峰值位置為R=12 km的脈沖壓縮處理結(jié)果，如圖10(b)所示。

圖10 間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾性能仿真

以干擾信號(hào)和回波信號(hào)同時(shí)存在的情況下脈壓后回波信號(hào)的幅度為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理后，分析圖9可得出：采樣片段小時(shí)，干擾信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮后的幅度小，形成的密集假目標(biāo)幅度起伏小并且分布于目標(biāo)回波前后；采樣片段大時(shí)，整個(gè)脈沖內(nèi)的干擾時(shí)間增加，干擾信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮后幅度增大，但是形成的假目標(biāo)幅度起伏大且滯后于目標(biāo)回波。

其他條件不變的情況下，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾和間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的轉(zhuǎn)發(fā)片段長(zhǎng)度均設(shè)為5 μs，則2種干擾樣式對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)波形的干擾性能仿真如圖11、12所示。圖11(a)和(c)分別為轉(zhuǎn)發(fā)延遲0.2 μs和2 μs情況下，在干擾信號(hào)和回波信號(hào)同時(shí)存在的情況下，以脈壓后回波信號(hào)的幅度為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，對(duì)間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾性能進(jìn)行仿真。圖11(b)和(d)分別為轉(zhuǎn)發(fā)延遲0.2 μs和2 μs情況下，在只有回波信號(hào)時(shí)，以脈壓后回波信號(hào)的幅度為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，對(duì)間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾性能進(jìn)行仿真，圖12(a)和(b)分別為轉(zhuǎn)發(fā)延遲0.2 μs和2 μs情況下脈壓后回波信號(hào)的幅度為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理后間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾性能仿真。

圖11 2種轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延條件下的間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾性能仿真

圖12 2種轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延條件下的間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的干擾性能仿真

分析圖11、12可得出：間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾、間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾和間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾一樣，采樣片段越大，干擾信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮后的幅度越大，形成的假目標(biāo)幅度起伏越大；采樣片段越小，干擾信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮后的幅度越小，形成的假目標(biāo)幅度起伏越小。與直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾不同的是，采樣片段越小，這2種干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)的干擾效果越接近噪聲壓制的干擾效果。同時(shí)還能發(fā)現(xiàn)，間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾在延時(shí)很小的情況下脈壓后得到的假目標(biāo)大部分仍滯后于目標(biāo)回波。

4 結(jié)束語

本文對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的工作原理和間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的工作原理進(jìn)行了剖析，在此基礎(chǔ)上著重對(duì)間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾、間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾、間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的干擾性能進(jìn)行了研究。通過信號(hào)級(jí)的仿真發(fā)現(xiàn)，對(duì)以線性調(diào)頻信號(hào)作為探測(cè)波形的雷達(dá)而言，采樣片段越小，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾形成的假目標(biāo)越密集且幅度起伏越小，當(dāng)干信比足夠大時(shí)，都可以對(duì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)壓制干擾，其中間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾所需的干信比最大。對(duì)于間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾和間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，當(dāng)采樣片段足夠小時(shí)，干擾信號(hào)經(jīng)過脈壓后得到的密集假目標(biāo)可以部分超前于目標(biāo)回波，從而使目標(biāo)回波淹沒在干擾信號(hào)中，破壞雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤，實(shí)現(xiàn)自衛(wèi)干擾。