基于間歇采樣的射頻掩護(hù)波形干擾效能分析

李辰梓 馬若飛 余建宇 石伯翔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著數(shù)字射頻存儲(chǔ)(DRFM)干擾機(jī)的廣泛應(yīng)用，干擾信號(hào)的相參性越來(lái)越高，使得雷達(dá)抗干擾技術(shù)變得極為重要。目前雷達(dá)采取的抗干擾措施多種多樣，例如典型的空域抗干擾措施為旁瓣對(duì)消和旁瓣匿影；頻域采用的措施為頻率分集和頻率捷變技術(shù)；波形域的抗干擾手段有射頻掩護(hù)、噪聲調(diào)制信號(hào)、自適應(yīng)波形變換等，其中射頻掩護(hù)是指為了保護(hù)雷達(dá)真實(shí)脈沖信號(hào)而設(shè)計(jì)的具有欺騙性的射頻脈沖波形，并且射頻掩護(hù)信號(hào)與真實(shí)脈沖信號(hào)時(shí)間上具有不確定性，頻率上相差從十幾兆赫茲到上百兆赫茲。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，雷達(dá)方采取射頻掩護(hù)手段后能夠普遍降低干擾機(jī)對(duì)雷達(dá)的干擾效果。由于雷達(dá)對(duì)抗的特殊性，對(duì)此方面公開發(fā)表的文章很少。本文從射頻掩護(hù)信號(hào)波形入手，先分析掩護(hù)脈沖對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)的影響方式，進(jìn)一步提出基于間歇采樣的雷達(dá)干擾手段對(duì)掩護(hù)脈沖雷達(dá)的干擾效能分析。文獻(xiàn)[2]分析了射頻掩護(hù)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)的影響，提出了相應(yīng)的對(duì)抗方法但僅限于理論說(shuō)明；文獻(xiàn)[3]研究了不同類型的射頻掩護(hù)脈沖對(duì)應(yīng)答式干擾機(jī)的影響，得到合理設(shè)計(jì)掩護(hù)脈沖波形可以對(duì)抗應(yīng)答式干擾機(jī)的結(jié)論；文獻(xiàn)[4]分析了不同功率比和頻率差情況下連續(xù)波掩護(hù)信號(hào)對(duì)IFM接收機(jī)測(cè)頻的干擾效果。文獻(xiàn)[5]對(duì)射頻掩護(hù)雷達(dá)的兩種基本波形進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并理論分析了三種對(duì)抗射頻掩護(hù)的干擾方法，但僅限于理論，未進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)介紹以及仿真。本文將詳細(xì)分析掩護(hù)脈沖信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式DRFM干擾機(jī)的影響，并最終分析仿真基于間歇采樣干擾樣式對(duì)于射頻掩護(hù)的干擾效果。

1 射頻掩護(hù)

射頻掩護(hù)這一方法是指利用虛假的輻射源發(fā)射誘偏信號(hào)或者雷達(dá)自身發(fā)射虛假信號(hào)進(jìn)行的一種抗干擾手段來(lái)對(duì)抗干擾設(shè)備，目的是為了讓干擾機(jī)無(wú)法檢測(cè)到真實(shí)雷達(dá)信號(hào)從而無(wú)法對(duì)真實(shí)脈沖進(jìn)行有效干擾。射頻掩護(hù)這一抗干擾措施也是由于脈沖行波管的工程效應(yīng)偶然被發(fā)現(xiàn)，行波管發(fā)射雷達(dá)信號(hào)時(shí)，自身受到視頻脈沖控制來(lái)將射頻脈沖送到射頻輸入接口，理論上視頻脈沖與射頻輸入脈沖的時(shí)鐘同步，但實(shí)際中存在差異，導(dǎo)致發(fā)射雷達(dá)信號(hào)前后沿會(huì)產(chǎn)生寄生調(diào)制頻譜分量，且與真實(shí)雷達(dá)信號(hào)相差較遠(yuǎn)。因此射頻掩護(hù)會(huì)對(duì)目前轉(zhuǎn)發(fā)式DRFM干擾機(jī)起到誤觸發(fā)作用，誘騙干擾機(jī)會(huì)將主要發(fā)射干擾信號(hào)的能量全部或者大部分集中在掩護(hù)脈沖，從而無(wú)法對(duì)真實(shí)脈沖起到干擾作用。射頻掩護(hù)基本形式有時(shí)域重疊型和時(shí)域間隔型兩種，即在時(shí)域上射頻掩護(hù)脈沖與真實(shí)脈沖可以在同一時(shí)刻發(fā)出，也可以兩個(gè)完全不相關(guān)，先發(fā)射掩護(hù)脈沖后隔較短時(shí)間再發(fā)射真實(shí)脈沖信號(hào)，時(shí)域關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 時(shí)域重疊型掩護(hù)脈沖

如圖1所示，對(duì)應(yīng)雷達(dá)真實(shí)脈沖，對(duì)應(yīng)雷達(dá)掩護(hù)脈沖，并且射頻掩護(hù)脈沖與真實(shí)脈沖的幅度具有不確定關(guān)系，掩護(hù)脈沖能量有可能小于真實(shí)脈沖，也有可能與真實(shí)脈沖一致或大于真實(shí)脈沖信號(hào)，并且數(shù)量上掩護(hù)脈沖可以是多個(gè)，所以對(duì)于圖2時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖，在真實(shí)脈沖后面還可以有第2個(gè)掩護(hù)脈沖來(lái)進(jìn)一步增加雷達(dá)抗干擾性能。

圖2 時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖

射頻掩護(hù)的作用是為了讓干擾機(jī)將截獲雷達(dá)的信號(hào)對(duì)準(zhǔn)掩護(hù)脈沖從而保護(hù)真實(shí)信號(hào)不被檢測(cè)，所以雷達(dá)真實(shí)發(fā)射信號(hào)應(yīng)當(dāng)選低截獲概率特征信號(hào)例如線性/非線性調(diào)頻信號(hào)、編碼信號(hào)等。而掩護(hù)信號(hào)恰恰相反，雷達(dá)方需要對(duì)方能夠優(yōu)先檢測(cè)到該信號(hào)，即具有高截獲特性，因此一般選擇單脈沖點(diǎn)頻信號(hào)作為掩護(hù)信號(hào)。

但是采用射頻掩護(hù)對(duì)雷達(dá)方的性能及技術(shù)需要有一定的要求：例如若采用時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖，相當(dāng)于展寬了發(fā)射信號(hào)的脈寬，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)的近距盲區(qū)增大。若想采用時(shí)域重疊型掩護(hù)脈沖，則需要雷達(dá)具備同時(shí)發(fā)射多波形能力，且會(huì)降低雷達(dá)的真實(shí)信號(hào)功率從而降低探測(cè)范圍，雷達(dá)探測(cè)方程為

(1)

由雷達(dá)方程可知，如果掩護(hù)脈沖功率與真實(shí)脈沖相等，即變?yōu)?5，則雷達(dá)探測(cè)距離變?yōu)?841，降低了159%，在可接受范圍內(nèi)。

所以綜上所述，雷達(dá)方采取射頻掩護(hù)手段時(shí)，一般需要保證掩護(hù)脈沖與真實(shí)脈沖在頻域上充分錯(cuò)開，時(shí)域重疊掩護(hù)脈沖信號(hào)的功率不宜過(guò)大，不能影響雷達(dá)的正常探測(cè)距離，并且每個(gè)真實(shí)脈沖可根據(jù)實(shí)際情況配備一到多個(gè)掩護(hù)脈沖。

2 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾是針對(duì)信號(hào)時(shí)寬較大的雷達(dá)的干擾樣式，基本方法是干擾機(jī)在接收到目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)后，先對(duì)該信號(hào)采樣一定時(shí)刻之后立馬進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，緊接著再進(jìn)行采樣并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，干擾機(jī)的收發(fā)是分時(shí)工作，一直到雷達(dá)信號(hào)的時(shí)寬結(jié)束，其工作原理圖如圖3所示。

圖3 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理示意圖

以線性調(diào)頻雷達(dá)信號(hào)為例，假設(shè)雷達(dá)信號(hào)為

(2)

采樣矩形脈沖信號(hào)的表達(dá)式為

(3)

所以干擾機(jī)在接收到雷達(dá)信號(hào)后，與矩形包絡(luò)相乘，可得到采樣信號(hào)()，從頻譜進(jìn)行分析可知矩形脈沖包絡(luò)信號(hào)的頻譜為

(4)

雷達(dá)信號(hào)的頻譜為()，則間歇采樣頻譜可以表示為

(5)

從間歇采樣信號(hào)頻譜可以看出，該干擾樣式所得信號(hào)頻譜是原始雷達(dá)信號(hào)頻譜的延拓搬移，由于本身是對(duì)目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)的直接轉(zhuǎn)發(fā)，因此可以產(chǎn)生距離上對(duì)稱分布的假目標(biāo)，但是該方法的缺點(diǎn)是假目標(biāo)的幅值會(huì)從中心向外衰減。

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾不僅可以如圖3所示進(jìn)行干擾信號(hào)產(chǎn)生，也可以根據(jù)需要如圖4所示進(jìn)行產(chǎn)生：

圖4 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理示意圖

對(duì)間歇采樣得到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后進(jìn)行多次轉(zhuǎn)發(fā)，也可以進(jìn)行間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，即采樣第段雷達(dá)信號(hào)后，將前面-1段雷達(dá)信號(hào)與本次采樣得到的信號(hào)進(jìn)行疊加轉(zhuǎn)發(fā)，也可以產(chǎn)生良好的欺騙干擾效果。

3 間歇采樣對(duì)射頻掩護(hù)的干擾效能分析

本文中針對(duì)常見的兩種射頻掩護(hù)：時(shí)域重疊型和時(shí)域間隔型進(jìn)行仿真分析。雷達(dá)真實(shí)脈沖均使用LFM信號(hào)，掩護(hù)脈沖信號(hào)采用點(diǎn)頻信號(hào)，掩護(hù)脈沖能量與真實(shí)脈沖能量相等，對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表1所示。

表1 仿真使用射頻掩護(hù)脈沖參數(shù)

對(duì)表1所列的兩種射頻掩護(hù)參數(shù)進(jìn)行Matlab仿真分析，可得到對(duì)應(yīng)的時(shí)域頻域仿真圖如圖5、圖6所示，其中時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖與真實(shí)脈沖間隔為1μs，為前后射頻掩護(hù)。

圖5 時(shí)域重疊型掩護(hù)脈沖時(shí)域頻域圖

圖6 時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖時(shí)域頻域圖

3.1 間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)射頻掩護(hù)干擾仿真

間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾參數(shù)設(shè)置為針對(duì)假定脈寬為40μs的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采1μs發(fā)1μs，針對(duì)時(shí)域重疊型和時(shí)域間隔型兩種掩護(hù)脈沖類型進(jìn)行干擾信號(hào)產(chǎn)生仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 時(shí)域重疊型掩護(hù)脈沖間歇采樣干擾

如圖7所示為針對(duì)時(shí)域重疊型掩護(hù)脈沖進(jìn)行間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的仿真，從產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻域圖7(a)可以看到干擾信號(hào)能夠?qū)ρ谧o(hù)脈沖2個(gè)不同頻點(diǎn)的信號(hào)均進(jìn)行了轉(zhuǎn)發(fā)，從時(shí)域圖7(b)可以看出，產(chǎn)生的干擾信號(hào)之間間隔1μs時(shí)長(zhǎng)為1μs，由于雷達(dá)信號(hào)從0時(shí)刻與掩護(hù)脈沖重疊發(fā)出時(shí)長(zhǎng)為5μs，且真實(shí)脈沖和掩護(hù)脈沖幅度一致，所以進(jìn)行收發(fā)1μs時(shí)前三次為兩個(gè)信號(hào)疊加，后面9次為真實(shí)脈沖的轉(zhuǎn)發(fā)，之后信號(hào)消失由于系統(tǒng)設(shè)定對(duì)40μs的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行收發(fā)1μs的間歇采樣，所以雷達(dá)信號(hào)結(jié)束后還會(huì)對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行8次轉(zhuǎn)發(fā)，與預(yù)期一致。發(fā)射干擾信號(hào)時(shí)會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行飽和輸出，此處仿真是為了更好地區(qū)分不同時(shí)間段采發(fā)信號(hào)的不同，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行歸一化脈壓仿真可得圖8所示結(jié)果。

圖8 時(shí)域重疊型掩護(hù)脈沖間歇采樣干擾脈壓圖

其中虛線波形為雷達(dá)真實(shí)信號(hào)脈壓產(chǎn)生的結(jié)果，實(shí)線波形為干擾信號(hào)脈壓產(chǎn)生的結(jié)果，可以看出間歇采樣通過(guò)逐脈沖收發(fā)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)域重疊型掩護(hù)脈沖進(jìn)行干擾，真實(shí)信號(hào)與掩護(hù)信號(hào)在時(shí)域重疊，只要兩個(gè)信號(hào)頻率在干擾機(jī)瞬時(shí)帶寬內(nèi)，則間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾均能對(duì)兩種脈沖進(jìn)行同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，從而產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙干擾效果。

如圖9所示為針對(duì)時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖進(jìn)行間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的仿真，從產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻域圖9(a)可以看出，干擾信號(hào)能夠?qū)ρ谧o(hù)脈沖的3個(gè)不同頻點(diǎn)的信號(hào)均進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從時(shí)域圖9(b)可以看出，產(chǎn)生的干擾信號(hào)之間間隔1μs，時(shí)長(zhǎng)為1μs，由于雷達(dá)信號(hào)為前5μs掩護(hù)脈沖，第6μs開始出現(xiàn)脈寬為24μs頻率1951MHz的真實(shí)信號(hào)，因此收發(fā)1μs直到30μs，31μs開始收發(fā)的為外界噪聲，然后對(duì)頻率為2100MHz的掩護(hù)脈沖2進(jìn)行了兩次收發(fā)后，因?yàn)樵O(shè)置采發(fā)時(shí)長(zhǎng)為40μs，所以后面接著對(duì)外界噪聲進(jìn)行了2次收發(fā)故而幅度較低，從仿真可以看出在40μs內(nèi)按照收發(fā)1μs進(jìn)行了20次收發(fā)，與預(yù)期一致。后面對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行歸一化脈壓仿真可得圖10所示結(jié)果。

圖9 時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖間歇采樣干擾

圖10 時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖間歇采樣干擾脈壓圖

其中虛線波形為雷達(dá)真實(shí)信號(hào)脈壓產(chǎn)生的結(jié)果，實(shí)線波形為干擾信號(hào)脈壓產(chǎn)生的結(jié)果，可以看出間歇采樣通過(guò)逐脈沖收發(fā)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖進(jìn)行干擾從而產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙干擾效果。并且無(wú)論三個(gè)脈沖哪一個(gè)是真實(shí)雷達(dá)信號(hào)，干擾機(jī)均能夠有效產(chǎn)生干擾信號(hào)，這是逐脈沖間歇采樣干擾算法的優(yōu)勢(shì)。

3.2 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)射頻掩護(hù)干擾仿真

從3.1章節(jié)可以看出間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾可以對(duì)時(shí)域重疊和時(shí)域間隔兩種掩護(hù)脈沖產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙效果，但是僅能產(chǎn)生較少的假目標(biāo)。如果作戰(zhàn)任務(wù)需要掩護(hù)己方目標(biāo)時(shí)該樣式無(wú)法滿足需求，會(huì)使自身或者被掩護(hù)目標(biāo)暴露，因此此時(shí)需要采用間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾來(lái)產(chǎn)生壓制干擾的效果。

按照參數(shù)收發(fā)長(zhǎng)度40μs，采樣時(shí)長(zhǎng)1μs，發(fā)射時(shí)長(zhǎng)1μs的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，實(shí)現(xiàn)方式按照第2章節(jié)圖4所示方法進(jìn)行產(chǎn)生。圖11和圖12分別為間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾針對(duì)時(shí)域重疊型和時(shí)域間隔型掩護(hù)脈沖的干擾仿真脈壓圖，經(jīng)過(guò)對(duì)雷達(dá)信號(hào)接收后的疊加轉(zhuǎn)發(fā)，可以看出該樣式可以產(chǎn)生多個(gè)目標(biāo)。當(dāng)間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的收發(fā)時(shí)間間隔越短時(shí)，形成的假目標(biāo)越聚集導(dǎo)致雷達(dá)很難對(duì)目標(biāo)在距離維度進(jìn)行區(qū)分，從而可以產(chǎn)生壓制干擾效果。

圖11 時(shí)域重疊型間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾脈壓圖

圖12 時(shí)域間隔型間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾脈壓圖

實(shí)際場(chǎng)景中可以根據(jù)需要對(duì)循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的最后一次發(fā)射的脈沖片段進(jìn)行連續(xù)多次發(fā)射，從而對(duì)雷達(dá)距離端進(jìn)行壓制，可以對(duì)干擾機(jī)后方需要保護(hù)的目標(biāo)進(jìn)行“遮蔽”，對(duì)雷達(dá)端產(chǎn)生壓制干擾效果。一般采樣時(shí)間可根據(jù)工程設(shè)計(jì)最小達(dá)到百納秒級(jí)別，但這也與干擾機(jī)硬件特性相關(guān)。因此對(duì)于大脈寬雷達(dá)信號(hào)，采樣時(shí)間可適當(dāng)加大，對(duì)于小脈寬信號(hào)應(yīng)縮短收發(fā)時(shí)間。理論上來(lái)說(shuō)收發(fā)時(shí)間長(zhǎng)一般可產(chǎn)生欺騙干擾效果，采樣時(shí)間越短可產(chǎn)生的壓制干擾效果，并且參數(shù)需要根據(jù)雷達(dá)脈寬信號(hào)的長(zhǎng)短進(jìn)行調(diào)整才能產(chǎn)生更好的干擾效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)目前雷達(dá)常采用的掩護(hù)脈沖波形設(shè)計(jì)及對(duì)雷達(dá)干擾機(jī)帶來(lái)的影響進(jìn)行了分析，研究后得出基于逐脈沖檢測(cè)的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)式干擾可在脈內(nèi)快速收發(fā)切換產(chǎn)生干擾，理論上仍能夠?qū)ρ谧o(hù)脈沖雷達(dá)進(jìn)行干擾。最終通過(guò)對(duì)間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)和循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)兩種模式針對(duì)時(shí)域重疊和時(shí)域間隔兩種類型的掩護(hù)脈沖進(jìn)行干擾仿真，得出了間歇采樣算法通過(guò)合理設(shè)置收發(fā)次數(shù)、采樣時(shí)間、發(fā)射時(shí)間以及根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)選用直接轉(zhuǎn)發(fā)或者循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，可以有效地針對(duì)掩護(hù)脈沖產(chǎn)生欺騙或壓制干擾效果，這對(duì)于干擾機(jī)在今后的作戰(zhàn)使用中應(yīng)對(duì)采用射頻掩護(hù)抗干擾手段的雷達(dá)有較大的指導(dǎo)意義。