間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對相位編碼雷達(dá)的干擾性能分析

楊祎綪，王 波，鄒 鵬

(1.中國船舶重工集團(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)代雷達(dá)為了提高作用距離，普遍采用脈沖壓縮波形，主要包括線性調(diào)頻信號、非線性調(diào)頻信號、相位編碼信號等波形。相位編碼雷達(dá)是用碼元對載頻信號調(diào)相后作為發(fā)射波形的雷達(dá)，按其調(diào)相碼字有無周期性，可分為偽隨機(jī)調(diào)相碼和固定編碼調(diào)相碼；按其調(diào)相碼字制式的不同，可以分為二相編碼和多相編碼。一般二相編碼采用對載波信號進(jìn)行0、π調(diào)相來實(shí)現(xiàn)，而多相編碼則讓相位在多個數(shù)值之間變化，因此，多相編碼雷達(dá)較二相編碼雷達(dá)在碼字的選擇上具有更大的靈活性，在信號處理時(shí)更易找到相關(guān)性能良好的碼字。常見的多相碼包括泰勒(Taylor)四相碼、弗蘭克碼、霍夫曼碼等，但多相編碼雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)上較二相編碼雷達(dá)復(fù)雜程度大大增加。故在實(shí)踐中般多采用二相編碼雷達(dá)[1]。

目前，對線性調(diào)頻雷達(dá)信號的干擾在業(yè)界研究比較多，已有卷積干擾、移頻干擾、轉(zhuǎn)發(fā)干擾等多種干擾樣式可以對線性調(diào)頻雷達(dá)實(shí)現(xiàn)有效干擾[2]，而對相位編碼雷達(dá)的干擾研究較少。間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾是電子干擾的一種重要實(shí)現(xiàn)方式，其通過接收、存儲、調(diào)制、轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)信號的方式完成對雷達(dá)的壓制性干擾或欺騙性干擾[3]。因此，受對線性調(diào)頻雷達(dá)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣式的啟發(fā)，本文分析了不同調(diào)制方式的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾，并就不同間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對相位編碼雷達(dá)的干擾效能進(jìn)行了仿真。

1 相位編碼信號波形調(diào)制過程分析

與線性調(diào)頻信號及非線性調(diào)頻信號不同，相位編碼信號的相位調(diào)制函數(shù)是離散的有限狀態(tài)，屬于“離散型”編碼脈沖壓縮信號。由于相位編碼采用偽隨機(jī)序列，因此這類信號也稱為偽隨機(jī)編碼信號。相位編碼信號在時(shí)寬帶寬積較小的情況下，主副比大，信號波形的“隨機(jī)性”易于實(shí)現(xiàn)“捷變”，有利于提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗截獲能力。但其缺點(diǎn)是相位編碼信號對多普勒敏感，當(dāng)回波信號存在多普勒頻移時(shí)，會嚴(yán)重影響脈壓性能，故只能應(yīng)用于多普勒頻率范圍較窄的場合。

單個相位編碼脈沖的復(fù)信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

圖1 相位編碼信號的時(shí)頻域

2 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾過程分析

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾作為欺騙干擾的一種，通過對雷達(dá)信號進(jìn)行采樣及轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)的干擾。首先對接收到的雷達(dá)射頻信號進(jìn)行下變頻處理，經(jīng)過下變頻以后的信號變成中頻基帶信號，然后對中頻基帶的模擬信號進(jìn)行采樣，再對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，在需要實(shí)施干擾的時(shí)候，將存儲數(shù)據(jù)讀出，加以適當(dāng)?shù)母蓴_調(diào)制，恢復(fù)成為模擬中頻基帶信號，最后經(jīng)過上變頻把基帶干擾信號轉(zhuǎn)換為射頻干擾信號發(fā)射出去，通常上下變頻所用的是同一本振。

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾從調(diào)制方式上可以分為時(shí)域調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)和頻域調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾。時(shí)域調(diào)制間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾可以分為間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾、間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾和間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾。由于相位編碼信號壓縮后的群延時(shí)由編碼序列和子脈沖寬度決定，而與頻率無關(guān)，移頻干擾不能實(shí)現(xiàn)假目標(biāo)位置的移動[4]，因此頻域調(diào)制間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾主要通過噪聲調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。

2.1 時(shí)域調(diào)制間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾

(1) 間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾

間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾是最簡單和最基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。第1個脈沖由干擾系統(tǒng)在偵獲到敵雷達(dá)信號后，截取寬度為tg的片段，經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)延遲td2后轉(zhuǎn)發(fā)；在經(jīng)過一定的工作延遲tc后，截取第2個干擾脈沖片段，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾的工作示意如圖2所示。

圖2 間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾工作示意圖

(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)干擾時(shí)序如圖3所示，干擾系統(tǒng)在偵獲到敵雷達(dá)信號后開始進(jìn)行存儲，存儲完片段tg后立刻經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)延遲td2轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，為了提高時(shí)間效率，對該片段進(jìn)行重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，在轉(zhuǎn)發(fā)一定寬度后再進(jìn)行下一樣本的采樣。

圖3 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾工作示意圖

(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)在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)通過循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)已采樣的多個片段來提高樣本的更新速率，其時(shí)序圖如圖4所示。干擾系統(tǒng)在偵獲到敵雷達(dá)信號后，對雷達(dá)信號進(jìn)行采樣并截取寬度為tg的片段進(jìn)行存儲及轉(zhuǎn)發(fā)，第2次存儲時(shí)，將該片段存儲在另一個存儲區(qū)間中，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)按照順序依次將存儲的2個片段都進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；以后的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)過程繼續(xù)進(jìn)行樣本積累和循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖4 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾工作示意圖

2.2 噪聲調(diào)制間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾

噪聲調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾通過噪聲n(t)直接卷積干擾機(jī)采樣存儲的雷達(dá)信號片段產(chǎn)生。噪聲調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Jn(t)=n(t)?Jc(t)

(2)

式中：Jc(t)為干擾機(jī)采樣儲存的雷達(dá)信號。

噪聲調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號進(jìn)入敵雷達(dá)接收機(jī)并經(jīng)過其脈沖壓縮信號處理后的結(jié)果為：

y(t)=Jn(t)?s(-t)=

n(t)?Jc(t)?s(-t)

(3)

式中：s(-t)為敵雷達(dá)脈沖壓縮匹配副本，是敵雷達(dá)信號s(t)的時(shí)間反轉(zhuǎn)信號。

頻域上可表式為：

Y(f)=N(f)×Jc(f)×S*(f)

(4)

式中：S*(f)為s(t)的頻域函數(shù)S(f)的共軛函數(shù)。

由于Jc(t)為截取的部分雷達(dá)信號，因此：

Y(f)=N(f)×|Jc(f)|2

(5)

根據(jù)式(3)，雷達(dá)脈沖壓縮的結(jié)果y(t)可進(jìn)一步表示為：

y(t)=n(t)?F-1(|Jc(f)|2)

(6)

式中：F-1為傅里葉逆變換。

從式(6)可以得出，用噪聲信號n(t)與轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)采集到的雷達(dá)信號進(jìn)行卷積形成噪聲調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號，信號進(jìn)入敵雷達(dá)后，經(jīng)過敵雷達(dá)信號處理的結(jié)果等效于噪聲信號n(t)與F-1(|Jc(f)|2)進(jìn)行卷積處理的結(jié)果,使噪聲信號n(t)獲得了一定的脈沖壓縮增益，增強(qiáng)了噪聲信號n(t)的干擾效果。

3 仿真與分析

設(shè)目標(biāo)距離R=30 km，雷達(dá)發(fā)射功率Pt=20 kW，雷達(dá)信號脈寬為Tp=20 μs，雷達(dá)天線增益Gt=Gr=45 dB，目標(biāo)的雷達(dá)反射截面積σ=10 m2，雷達(dá)信號載頻為fc=9 GHz；轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)發(fā)射功率Pj=100 W，干擾天線增益Gj=20 dB，干擾信號從雷達(dá)的主瓣天線進(jìn)入，干擾信號對雷達(dá)天線的極化系數(shù)為rj=0.1。

設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)的采樣延遲td1=0.5 μs，采樣片段長度為tg=3 μs，轉(zhuǎn)發(fā)延遲分別為td2=0.5 μs和td2=32 μs，則對以相位編碼信號為探測波形的雷達(dá)進(jìn)行間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾性能仿真如圖5所示，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾性能仿真如圖6所示，間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾性能仿真如圖7所示，噪聲調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾性能仿真如圖8所示。

圖6 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾對相位編碼雷達(dá)的干擾性能仿真

圖7 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾對相位編碼雷達(dá)的干擾性能仿真

圖8 噪聲調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對相位編碼雷達(dá)的干擾性能仿真

分析圖5可得出: 由于轉(zhuǎn)發(fā)延遲的不同，間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾對相位編碼雷達(dá)信號形成不同的干擾效能。圖5(a)中由于轉(zhuǎn)發(fā)延遲小時(shí)，干擾信號經(jīng)過脈沖壓縮后旁瓣幅值超過雷達(dá)回波信號脈沖壓縮主瓣幅值，因此雷達(dá)回波信號的脈沖壓縮主瓣被淹沒在干擾信號的脈沖壓縮旁瓣中，對雷達(dá)造成了置后的距離欺騙性干擾的同時(shí)也造成了壓制性干擾；圖5(b)中由于轉(zhuǎn)發(fā)式干擾延遲大，造成干擾信號只對雷達(dá)回波信號產(chǎn)生置后的多個距離假目標(biāo)，無法覆蓋回波信號，但是對于距離滯后于干擾機(jī)的其他目標(biāo)，也可以實(shí)現(xiàn)壓制性干擾，應(yīng)用到支援干擾中。

圖5 間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾對相位編碼雷達(dá)的干擾性能仿真

分析圖6和圖7可得出：在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延較小的情況下，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)干擾經(jīng)過脈壓后得到的主瓣和旁瓣功率相差不大，并且覆蓋了雷達(dá)的回波信號，因此形成了壓制性干擾；在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延較大的情況下，脈壓后得到的信號在距離上滯后于回波信號，因此無法覆蓋回波信號，但是對于距離上滯后于干擾機(jī)的目標(biāo)，通過控制轉(zhuǎn)發(fā)延遲可以實(shí)現(xiàn)壓制性干擾，因此也可以應(yīng)用到支援干擾中。

分析圖8可得出：由于經(jīng)過噪聲調(diào)制的轉(zhuǎn)發(fā)干擾與脈沖壓縮的副本不匹配，因此，干擾信號經(jīng)雷達(dá)脈沖壓縮處理后比頻域上無調(diào)制的轉(zhuǎn)發(fā)干擾獲得的脈沖壓縮增益小。在轉(zhuǎn)發(fā)延遲較小的情況下，噪聲調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾同樣可對雷達(dá)形成壓制性干擾；在轉(zhuǎn)發(fā)延遲較大的情況下，噪聲調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號在時(shí)域上與雷達(dá)回波信號完全分離，不能對雷達(dá)回波信號形成有效干擾，但是同樣可以對滯后于干擾機(jī)的其他目標(biāo)實(shí)現(xiàn)支援干擾。

4 結(jié)束語

本文對相位編碼雷達(dá)的工作原理和轉(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、噪聲調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對相位編碼雷達(dá)的干擾性能進(jìn)行了研究。通過信號級的仿真發(fā)現(xiàn)，對以相位編碼信號作為探測波形的雷達(dá)而言，幾種轉(zhuǎn)發(fā)樣式只要轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延足夠短，都能對該雷達(dá)形成有效的壓制性干擾，實(shí)現(xiàn)自衛(wèi)干擾；而轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延大時(shí)，只能對滯后于干擾機(jī)的其他目標(biāo)進(jìn)行支援干擾。同時(shí)還能發(fā)現(xiàn)，同樣條件下，經(jīng)過噪聲調(diào)制的轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號獲得的脈沖壓縮增益小，因此，要想獲得同樣的干擾效果，經(jīng)過噪聲調(diào)制的轉(zhuǎn)發(fā)干擾需要的干擾功率大于無頻域調(diào)制的轉(zhuǎn)發(fā)干擾。