基于SSC盲移頻的NLFM 雷達(dá)干擾技術(shù)研究

周文彬 ,趙忠凱 ,郭曉冉

(1.哈爾濱工程大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150001;2.解放軍32181部隊(duì),河北 石家莊 050000)

0 引言

脈沖壓縮體制雷達(dá)是現(xiàn)代電子戰(zhàn)中應(yīng)用最廣泛的雷達(dá)之一,其采用的調(diào)頻信號具有大的時(shí)寬與帶寬積,較好地解決了探測距離和距離分辨率之間的問題。其中最常用的脈沖壓縮信號有線性調(diào)頻(LFM)信號和非線性調(diào)頻信號(NLFM)。其中LFM 信號經(jīng)過脈沖壓縮后的副瓣較高,為了抑制副瓣通常會進(jìn)行加窗處理,然而窗函數(shù)加權(quán)會引起信號的信噪比損失和主瓣展寬的問題。NLFM 信號進(jìn)行脈沖壓縮后具有副瓣低的優(yōu)點(diǎn),不需要做窗函數(shù)加權(quán)處理,避免了信噪比損失,并且NLFM 頻率變化的速率不恒定。與LFM 信號相比,NLFM信號具有更好的檢測率特性和更準(zhǔn)確的測量范圍,以及更好的偵察效果,因此對非線性調(diào)頻信號進(jìn)行干擾具有非常重要的意義。由于脈沖壓縮體制的雷達(dá)信號在時(shí)間和頻率上具有強(qiáng)耦合性,頻率上的偏移會造成時(shí)間上的改變。在截獲的雷達(dá)信號的頻域上增加1個(gè)移頻量,會導(dǎo)致時(shí)域上產(chǎn)生一段欺騙距離,從而生成具有欺騙效果的欺騙假目標(biāo)干擾。然而傳統(tǒng)的移頻干擾存在著難以克服的缺點(diǎn),即需要事先測得雷達(dá)的先驗(yàn)信息。在遇到調(diào)頻斜率捷變雷達(dá)時(shí),由于難以實(shí)時(shí)獲取雷達(dá)的調(diào)頻斜率,移頻量不能隨調(diào)頻斜率的改變而改變,產(chǎn)生假目標(biāo)的位置會發(fā)生跳變,容易被雷達(dá)識別出來,從而失去干擾效果。

王玉軍在《對LFM 雷達(dá)的階SSC盲移頻干擾算法》中提出了一種階頻譜擴(kuò)展-壓縮(SSC)的方法,即對截獲的雷達(dá)信號做階和-1階頻譜擴(kuò)展后,用后者的延時(shí)共軛對前者做脈沖壓縮。生成的盲移頻干擾信號只與階數(shù)和延時(shí)有關(guān),可以很好地應(yīng)對捷變頻雷達(dá)。為了應(yīng)對調(diào)頻斜率捷變的S型NLFM 信號,本文提出了一種基于SSC盲移頻的NLFM 信號干擾技術(shù),并通過理論分析和仿真驗(yàn)證,證明了其可行性。

1 NLFM 信號模型

傳統(tǒng)的LFM 信號的自相關(guān)旁瓣較高,通常需要在雷達(dá)接收端進(jìn)行加窗處理來抑制旁瓣,從而導(dǎo)致了信噪比的損失。為了減小信噪比的損失,提出了NLFM 信號。NLFM 信號是指頻率調(diào)制函數(shù)為非線性函數(shù)的一類信號,由于其通過匹配濾波器后副瓣低,減小了信噪比損失而被廣泛應(yīng)用在脈沖壓縮體制雷達(dá)中。目前比較常見的NLFM 信號有S型調(diào)制信號。

S型NLFM 信號的頻率變化曲線呈S型變化,其頻率調(diào)制信號的表達(dá)式為:

本文選取的窗函數(shù)為Hamming窗,Hamming窗函數(shù)的表達(dá)式為:

式中:為信號帶寬。

利用相位的駐留原理,可以近似得到信號的群延時(shí)函數(shù)():

式中:為調(diào)頻因子,其取值范圍為[0,1]。

對式(3)求反函數(shù)即可得到NLFM 信號的調(diào)頻函數(shù)():

對調(diào)頻函數(shù)積分,得到NLFM 信號的相位函數(shù)():

可以得到S型NLFM 信號的表達(dá)式:

2 SSC盲移頻干擾算法原理

移頻干擾是對抗脈沖壓縮雷達(dá)的一種有效手段。其利用數(shù)字射頻儲頻器(DRFM)技術(shù)截取并存儲雷達(dá)信號,通過對截取到的雷達(dá)信號進(jìn)行處理,并附加1個(gè)移頻量,利用脈沖壓縮體制雷達(dá)信號時(shí)間和相位之間具有耦合性的特點(diǎn),頻率上的改變會導(dǎo)致時(shí)間域的改變,從而產(chǎn)生了移頻假目標(biāo)。移頻量越大,假目標(biāo)距離回波信號越遠(yuǎn),匹配濾波增益越小;移頻量越小,假目標(biāo)距離回波信號越近,匹配濾波增益越大。

但是當(dāng)雷達(dá)的調(diào)頻斜率不斷變化時(shí),由于干擾方不能實(shí)時(shí)測得調(diào)頻斜率的變化,干擾距離會發(fā)生變化,從而被雷達(dá)識別出來失去干擾效果。因此傳統(tǒng)的移頻干擾難以應(yīng)對調(diào)頻斜率變化的S 型NLFM 信號。

為了應(yīng)對S型NLFM 信號,可以采用SSC 盲移頻干擾。SSC盲移頻干擾的原理是:通過對采樣到的雷達(dá)信號及其延時(shí)信號做階和-1階頻譜擴(kuò)展,并利用后者對前者進(jìn)行脈沖壓縮,能夠產(chǎn)生固定位置的假目標(biāo)。由于其不需要測得雷達(dá)信號的參數(shù),因此能夠很好地應(yīng)對調(diào)頻斜率捷變的雷達(dá)。具體的干擾處理框圖如圖1所示。

圖1 SSC盲移頻信號生成流程圖

本文以S型NLFM 信號為例進(jìn)行分析。假設(shè)截獲的雷達(dá)信號形式如式(1),對其做SSC 盲移頻干擾處理。

對S型NLFM 信號做階頻譜擴(kuò)展得到:

對S型NLFM 信號的延時(shí)共軛做-1階頻譜擴(kuò)展得:

將式(7)和式(8)相乘即可得到S型NLFM 信號的階SSC盲移頻干擾信號:

由式(9)可以得出,假目標(biāo)與回波信號的距離為:

由式(10)可以得出,干擾假目標(biāo)的欺騙距離僅與系統(tǒng)參數(shù)和干擾機(jī)處理延時(shí)有關(guān)。即使雷達(dá)信號的中心頻率、帶寬或者脈寬發(fā)生了改變,假目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)之間的距離也不會改變。

3 仿真結(jié)果分析

假設(shè)NLFM 信號的脈寬=100μs,帶寬=20 MHz,采樣頻率=100 MHz,調(diào)頻因子=0.07,加入信噪比為20 dB 的高斯白噪聲,選取Hamming 窗函數(shù)。通過計(jì)算可以得到該S 型NLFM 信號的時(shí)頻曲線,將生成的S 型NLFM 信號通過匹配濾波器,得到其脈沖壓縮圖。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 信號時(shí)頻圖與脈壓圖

觀察圖2(a)可以發(fā)現(xiàn),S型NLFM 信號的時(shí)頻曲線呈S形變化,曲線的彎曲程度跟調(diào)頻因子有關(guān),越小彎曲程度越大,越大彎曲程度越小。當(dāng)1時(shí),信號的時(shí)頻曲線變成一條直線,NLFM信號變成LFM 信號。因此,可以把LFM 信號看作NLFM 信號的一種特殊情況。

觀察圖2(b),S型NLFM 信號經(jīng)過脈沖壓縮后信號主瓣寬度很窄,副瓣與LFM 信號相比有所降低。且副瓣的降低幅度與調(diào)頻因子有關(guān),調(diào)頻因子越小,副瓣越低,主瓣有一定程度的展寬;調(diào)頻因子越大,副瓣越高,主瓣越窄。

假設(shè)截取S型NLFM 信號的帶寬、脈寬和調(diào)頻因子保持不變。為了得到干擾距離為1.2 km 的干擾假目標(biāo),由式(10)可以取SSC盲移頻干擾的系統(tǒng)階數(shù)為3,干擾機(jī)處理延時(shí)為4μs。將SSC盲移頻信號通過匹配濾波器后,仿真得到NLFM 信號和SSC盲移頻干擾信號的脈沖壓縮圖如圖3所示。

圖3 信號脈壓圖

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn),SSC 盲移頻干擾假目標(biāo)與NLFM 目標(biāo)信號距離1.2 km,對S型NLFM 信號具有干擾效果。

分別取NLFM 信號的脈寬為100μs和50μs,保持其他參數(shù)不變,仿真得到NLFM 信號和SSC盲移頻干擾信號的脈沖壓縮圖如圖4所示。

圖4 雷達(dá)信號與干擾信號脈壓圖

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)NLFM 信號的參數(shù)改變時(shí),保持SSC盲移頻干擾的系統(tǒng)階數(shù)和干擾機(jī)處理延時(shí)不變,干擾信號的位置保持不變。說明SSC 盲移頻干擾能夠很好地隱藏信號特征參數(shù),有效地對抗調(diào)頻斜率捷變的雷達(dá)。

保持雷達(dá)信號的參數(shù)不變,取SSC 盲移頻干擾信號的系統(tǒng)階數(shù)為3,干擾機(jī)處理延時(shí)分別為2μs、4μs,得到NLFM 信號和盲移頻干擾信號的脈沖壓縮圖如圖5所示。

圖5 不同延時(shí)SSC信號脈壓圖

圖5(a)是干擾機(jī)處理延時(shí)為4μs時(shí)的脈壓圖,圖5(b)是干擾機(jī)處理延時(shí)為2μs時(shí)的脈壓圖。在系統(tǒng)階數(shù)不變的情況下,干擾機(jī)處理延時(shí)越大,SSC盲移頻干擾信號距離目標(biāo)信號越遠(yuǎn),匹配濾波增益越小,主瓣寬度越寬。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于SSC 盲移頻的NLFM 雷達(dá)干擾算法,可以產(chǎn)生特定位置的假目標(biāo)干擾信號,且假目標(biāo)信號的位置不隨雷達(dá)信號的改變而改變。分析推導(dǎo)了系統(tǒng)階數(shù)和干擾機(jī)延時(shí)對干擾假目標(biāo)的影響。最后通過仿真驗(yàn)證了該算法的可行性,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。