基于瞬時(shí)相關(guān)調(diào)頻諧波時(shí)序檢測(cè)的偽碼與線(xiàn)性調(diào)頻復(fù)合調(diào)制探測(cè)器抗掃頻干擾方法

中國(guó)信息通信研究院西部分院無(wú)線(xiàn)技術(shù)與管理業(yè)務(wù)部 程思備 駱 驍

為提高偽碼與線(xiàn)性調(diào)頻復(fù)合調(diào)制探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合調(diào)制探測(cè)器)抗掃頻干擾能力，分析了復(fù)合調(diào)制探測(cè)器針對(duì)掃頻干擾的失效機(jī)理，提出了基于瞬時(shí)相關(guān)調(diào)頻諧波時(shí)序檢測(cè)的復(fù)合調(diào)制探測(cè)器抗掃頻干擾方法；復(fù)合調(diào)制中頻信號(hào)同預(yù)定延時(shí)偽碼作瞬時(shí)相關(guān)后，利用目標(biāo)距離信息同調(diào)頻諧波對(duì)應(yīng)關(guān)系，綜合多次諧波時(shí)序信息提高探測(cè)器抗掃頻干擾性能，并通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證了抗干擾方法的可行性；仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果表明，基于瞬時(shí)相關(guān)調(diào)頻諧波時(shí)序檢測(cè)的抗掃頻干擾方法能夠有效提高復(fù)合調(diào)制探測(cè)器的抗干擾性能。

偽碼與線(xiàn)性調(diào)頻復(fù)合調(diào)制探測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合調(diào)制探測(cè)器）兼?zhèn)湔{(diào)頻信號(hào)大帶寬特性和調(diào)相信號(hào)低截獲性能，逐漸被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)高度表、無(wú)線(xiàn)電引信、低空探測(cè)雷達(dá)等領(lǐng)域。但隨著電磁環(huán)境日益復(fù)雜及電子對(duì)抗技術(shù)發(fā)展，有源欺騙式干擾對(duì)復(fù)合調(diào)制探測(cè)器的生存環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。其中“掃頻式”干擾采用“快速掃描”的干擾策略，通過(guò)干擾信號(hào)載頻全頻段覆蓋，同時(shí)具備了“壓制式”干擾以及“瞄準(zhǔn)式”干擾的干擾效果，被廣泛應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)電干擾。

為提高復(fù)合調(diào)制探測(cè)器的抗干擾性能，相關(guān)學(xué)者從發(fā)射信號(hào)波形優(yōu)化、碼元優(yōu)化及抗干擾方法設(shè)計(jì)等反面做了大量研究。晏祺等人利用模糊函數(shù)研究了復(fù)合調(diào)制信號(hào)距離分辨力、多普勒容限性、模糊函數(shù)切面等固有特性，并從發(fā)射波形參數(shù)優(yōu)化角度提高復(fù)合調(diào)制引信抗干擾性能。Heidari-Bateni等人設(shè)計(jì)了多種混沌碼優(yōu)化算法，通過(guò)優(yōu)化混沌碼性能，提高復(fù)合調(diào)制探測(cè)器的抗干擾性能。喬彩霞等人設(shè)計(jì)了瞬時(shí)相關(guān)諧波解調(diào)串聯(lián)的定距算法實(shí)現(xiàn)復(fù)合調(diào)制探測(cè)器的精確測(cè)距。

為提高偽碼與線(xiàn)性調(diào)頻復(fù)合調(diào)制探測(cè)器抗掃頻干擾能力，本文分析了復(fù)合調(diào)制探測(cè)器針對(duì)掃頻干擾的失效機(jī)理，并針對(duì)干擾作用下探測(cè)器的響應(yīng)特性，提出了基于瞬時(shí)相關(guān)調(diào)頻諧波時(shí)序檢測(cè)的復(fù)合調(diào)制探測(cè)器抗掃頻干擾方法；復(fù)合調(diào)制探測(cè)器輸出復(fù)合調(diào)制中頻信號(hào)后，首先同預(yù)定延時(shí)偽碼作瞬時(shí)相關(guān)后，然后利用目標(biāo)距離信息同調(diào)頻諧波對(duì)應(yīng)關(guān)系，綜合多次諧波時(shí)序信息提高探測(cè)器抗掃頻干擾性能，最后通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證了抗干擾方法的可行性。仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本文所提出的利用瞬時(shí)相關(guān)對(duì)調(diào)頻諧波進(jìn)行時(shí)許檢測(cè)的抗掃頻干擾方法能夠有效提高復(fù)合調(diào)制探測(cè)器的抗掃頻干擾能力。

1 復(fù)合調(diào)制探測(cè)器針對(duì)掃頻干擾的失效機(jī)理

假設(shè)探測(cè)器在受到干擾作用時(shí)，接受到的信號(hào)僅存在掃頻干擾信號(hào)，則干擾作用下探測(cè)器接收到的信號(hào)可表示為：

分析掃頻干擾作用下復(fù)合調(diào)制探測(cè)器輸出的多普勒信號(hào)，多普勒信號(hào)與干擾信號(hào)頻率一致，多普勒信號(hào)包絡(luò)與干擾瞬時(shí)相關(guān)信號(hào)m0次諧波包絡(luò)一致。若干擾信號(hào)能量足夠大且干擾調(diào)制頻率進(jìn)入多普勒頻帶范圍時(shí)，探測(cè)器就會(huì)被干擾，提前輸出起爆控制信號(hào)，掃頻干擾作用效果如圖1所示。

圖1 掃頻干擾作用下復(fù)合調(diào)制探測(cè)器的輸出

2 基于瞬時(shí)相關(guān)諧波時(shí)序檢測(cè)的抗干擾方法

2.1 復(fù)合調(diào)制探測(cè)器調(diào)頻諧波時(shí)序特征

經(jīng)過(guò)前述分析，瞬時(shí)相關(guān)輸出信號(hào)經(jīng)帶通濾波所得各次諧波可表示為：

分析式(8)，復(fù)合調(diào)制瞬時(shí)相關(guān)信號(hào)各次諧波包絡(luò)由混沌碼相關(guān)包絡(luò)和調(diào)頻諧波包絡(luò)共同確定，可以理解為混沌碼自相關(guān)函數(shù)對(duì)調(diào)頻諧波信號(hào)時(shí)域加窗處理。理想情況下，混沌碼自相關(guān)函數(shù)在時(shí)域?yàn)閳D釘形，復(fù)合調(diào)制瞬時(shí)相關(guān)信號(hào)各次諧波幅值并不相同，次諧波能量最大，隨著諧波次數(shù)增加或者降低，各次諧波幅值線(xiàn)性降低。但實(shí)際信號(hào)處理時(shí)，需要將連續(xù)信號(hào)離散采樣，對(duì)復(fù)合調(diào)制中頻信號(hào)采樣會(huì)造成回波時(shí)延離散化，從而使混沌碼自相關(guān)函數(shù)離散化。若采樣間隔Ts=Tc/ n，則采樣間隔同混沌碼自相關(guān)函數(shù)關(guān)系如圖2所示。從圖2可知，采樣導(dǎo)致混沌碼自相關(guān)函數(shù)呈現(xiàn)階梯狀，采樣間隔滿(mǎn)足Ts=Tc時(shí)，混沌碼相關(guān)函數(shù)在時(shí)域上表現(xiàn)為中心位置為τ0，寬度為T(mén)c的門(mén)函數(shù)。此時(shí)式(8)可以簡(jiǎn)化為：

圖2 混沌碼自相關(guān)函數(shù)同采樣間隔的關(guān)系

從式(9)可知，受混沌碼相關(guān)函數(shù)的影響，瞬時(shí)相關(guān)輸出信號(hào)位于門(mén)函數(shù)內(nèi)的諧波包絡(luò)由調(diào)頻諧波包絡(luò)確定，而位于門(mén)函數(shù)外的諧波包絡(luò)幅值為零，瞬時(shí)相關(guān)輸出信號(hào)需要選擇位于相關(guān)窗內(nèi)的諧波次數(shù)進(jìn)行時(shí)序檢測(cè)，相關(guān)窗內(nèi)諧波次數(shù)滿(mǎn)足：

式中，int表示取整。從上述分析可知，雙通道諧波時(shí)序算法需要探測(cè)器滿(mǎn)足兩個(gè)約束條件，首先探測(cè)器采樣間隔需滿(mǎn)足Ts=Tc，從而保證門(mén)函數(shù)內(nèi)各次諧波包絡(luò)僅受到調(diào)頻諧波包絡(luò)確定；其次，探測(cè)器調(diào)制頻偏同碼元寬度滿(mǎn)足BTc> 2，從而保證相關(guān)窗內(nèi)存在兩次以上的諧波。

2.2 復(fù)合調(diào)制探測(cè)器瞬時(shí)相關(guān)諧波時(shí)序檢測(cè)算法原理

復(fù)合調(diào)制探測(cè)器瞬時(shí)相關(guān)諧波時(shí)序檢測(cè)抗干擾方法原理如圖3所示，同瞬時(shí)相關(guān)諧波解調(diào)串聯(lián)定距算法相比，該方法在原有諧波通道上基礎(chǔ)上增加了第(M + n) fm次諧波通道，(M + n) fm諧波經(jīng)二次混頻、包絡(luò)檢波后在進(jìn)行下降沿檢測(cè)。當(dāng)目標(biāo)逐漸靠近探測(cè)器時(shí)，(M + n) fm諧波先達(dá)到最大值并出現(xiàn)下降沿，探測(cè)器檢測(cè)到(M + n) fm諧波下降沿后輸出高電平。隨著目標(biāo)進(jìn)一步靠近探測(cè)器，n fm次諧波幅值逐漸開(kāi)始上升并達(dá)到最大值，當(dāng)n fm次諧波幅值大于判決門(mén)限時(shí)探測(cè)器輸出高電平，只有探測(cè)器同時(shí)獲得兩個(gè)高電平時(shí)，才輸出目標(biāo)的距離信息。基于瞬時(shí)相關(guān)諧波時(shí)序檢測(cè)算法充分利用了目標(biāo)距離信息同瞬時(shí)相關(guān)輸出信號(hào)各次諧波時(shí)序信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)(M + n) fm諧波下降沿和n fm次諧波的幅值提高探測(cè)器的抗干擾性能。

圖3 瞬時(shí)相關(guān)雙通道諧波時(shí)序算法定距原理

3 仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

3.1 算法抗干擾性能仿真驗(yàn)證

采用matlab仿真驗(yàn)證瞬時(shí)相關(guān)諧波時(shí)序檢測(cè)算法的抗干擾性能，仿真參數(shù)設(shè)置如表1。探測(cè)器調(diào)制頻偏B=100MHz，碼元寬度Tc=50ns，探測(cè)器預(yù)設(shè)距離6m，此時(shí)混沌碼預(yù)定延時(shí)τ0=40ns，第1～4次諧波位于混沌碼相關(guān)門(mén)函數(shù)內(nèi)，而其他次諧波位于混沌碼相關(guān)門(mén)函數(shù)外。

表1 仿真參數(shù)

復(fù)合調(diào)制瞬時(shí)相關(guān)信號(hào)第1～4次諧波以及第6次諧波仿真結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出，第1～4次諧波位于門(mén)函數(shù)內(nèi)，因此各次諧波包絡(luò)基本一致，幅值大小相同，但諧波峰值對(duì)應(yīng)著不同的彈目距離，4次諧波峰值出現(xiàn)在6m位置，3次諧波峰值出現(xiàn)在4.5m位置，2次諧波峰值出現(xiàn)在3m位置，1次諧波峰值出現(xiàn)在1.5m位置；而第6次諧波則位于相關(guān)窗外，諧波幅值接近于零。根據(jù)上述分析，可以選擇第2次諧波作門(mén)限判決完成定距，第4次諧波作下降沿檢測(cè)提高抗干擾性能。當(dāng)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到第4次諧波包絡(luò)下降沿以及第2次諧波峰值后輸出目標(biāo)距離信號(hào)。

圖4 復(fù)合調(diào)制探測(cè)器各次諧波仿真結(jié)果

3.2 算法抗干擾性能試驗(yàn)驗(yàn)證

在微波暗室條件下測(cè)試瞬時(shí)相關(guān)諧波時(shí)序檢測(cè)算法的抗干擾性能，測(cè)試場(chǎng)景如圖5所示。測(cè)試定距性能時(shí)，模擬目標(biāo)為RCS=1m2的金屬板，從距離探測(cè)器10m處以1m/s的速度向探測(cè)器移動(dòng)。測(cè)試抗干擾性能時(shí)干擾機(jī)放置在探測(cè)器正前方10m位置處，干擾機(jī)輻射功率30dBm，干擾波形采用正弦波調(diào)幅掃頻等波形樣式，掃頻帶寬覆蓋探測(cè)器工作帶寬。

圖5 抗干擾性能測(cè)試場(chǎng)景

在目標(biāo)以及掃頻干擾作用下，探測(cè)器輸出的2次諧波及4次諧波如圖6所示，其中圖6(a)為目標(biāo)作用下探測(cè)器的輸出，圖6(b)為干擾作用下探測(cè)器的輸出。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在目標(biāo)作用下探測(cè)器輸出2次諧波及4次諧波包絡(luò)形狀一致，且4次諧波先出現(xiàn)峰值，2次諧波后出現(xiàn)峰值，4次諧波下降沿和2次諧波上升沿在時(shí)間上重合。而在干擾作用下，探測(cè)器輸出2次諧波及4次諧波均呈類(lèi)噪聲信號(hào)，不再具備諧波時(shí)序信息，實(shí)測(cè)結(jié)果同仿真結(jié)果基本吻合。

圖6 探測(cè)器輸出的2、4次諧波輸出

結(jié)論：本文分析了掃頻式干擾作用下復(fù)合調(diào)制探測(cè)器的響應(yīng)特性，并在瞬時(shí)相關(guān)諧波解調(diào)串聯(lián)定距算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了瞬時(shí)相關(guān)雙通道諧波時(shí)序檢測(cè)抗干擾算法，該方法利用目標(biāo)距離信息同調(diào)頻諧波對(duì)應(yīng)關(guān)系，綜合多次諧波時(shí)序信息提高探測(cè)器抗掃頻干擾性能，并形成如下結(jié)論：

（1）目標(biāo)作用下復(fù)合調(diào)制中頻信號(hào)經(jīng)瞬時(shí)相關(guān)后，各次諧波同目標(biāo)距離存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2）掃頻干擾作用下復(fù)合調(diào)制中頻信號(hào)經(jīng)瞬時(shí)相關(guān)后，輸出諧波為類(lèi)噪聲信號(hào)，且各次諧波之間不再具備時(shí)序信息。

（3）采用瞬時(shí)相關(guān)諧波時(shí)序檢測(cè)算法能夠有效提高復(fù)合調(diào)制探測(cè)器抗干擾能力，仿真測(cè)試抗干擾成功率大于85%。