相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)干擾調(diào)制技術(shù)研究

楊會(huì)軍， 程啟華， 蔣 姝

(南京工程學(xué)院，南京 211000)

0 引言

脈沖壓縮雷達(dá)采用寬脈沖發(fā)射以提高有效輻射功率，保證足夠大的作用距離，接收時(shí)采用脈沖壓縮算法獲得窄脈沖，以提高距離分辨率，較好地解決了雷達(dá)作用距離與距離分辨率之間的矛盾[1-4]。相位編碼波形(Phase Coded Waveform)是一種典型脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)形式，該信號(hào)在接收時(shí)采用時(shí)域相關(guān)處理壓縮脈沖，獲得較高的相干處理增益，具有低截獲性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。針對(duì)相位編碼雷達(dá)的干擾技術(shù)是雷達(dá)對(duì)抗領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8-9]。傳統(tǒng)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)干擾采用噪聲干擾技術(shù)，即通過對(duì)雷達(dá)信號(hào)粗測(cè)頻，然后自主產(chǎn)生窄帶瞄準(zhǔn)式干擾、寬帶阻塞式干擾等干擾信號(hào)。噪聲干擾無法獲得相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)的相干處理增益，需要較大的干擾功率，干擾效果差[10-11]。

本文提出了一種對(duì)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)的多相重構(gòu)干擾調(diào)制技術(shù)，將偵察獲得的雷達(dá)信號(hào)樣本分成若干子段，通過對(duì)各個(gè)子段樣本進(jìn)行重構(gòu)產(chǎn)生相干干擾信號(hào)。與傳統(tǒng)噪聲干擾信號(hào)相比，該干擾信號(hào)可以獲得相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)處理增益，干擾功率利用率高。

1 相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)干擾調(diào)制技術(shù)

1.1 相位編碼信號(hào)模型

相位編碼脈沖信號(hào)是常用的雷達(dá)脈沖壓縮信號(hào)[12]，與線性頻率信號(hào)類似，相位編碼信號(hào)通過時(shí)域非線性調(diào)相達(dá)到擴(kuò)展等效頻寬的目的[13]。

隨機(jī)相位編碼信號(hào)的數(shù)學(xué)模型[14]可表示為

S(t)=u(t)ej2π f0t=a(t)ejφ(t)ej2π f0t

(1)

式中:u(t)=a(t)ejφ(t)，為其復(fù)包絡(luò)，φ(t)為相位調(diào)制函數(shù)，a(t)為幅度調(diào)制函數(shù)；f0為載波頻率。對(duì)二相編碼而言，φ(t)∈[0,π]，也可表示為二進(jìn)制序列ck=ejφ(t)∈{-1,1}。

設(shè)a(t)為矩形脈沖串，即

(2)

式中:Tc為子脈沖寬度；N為序列長(zhǎng)度；τ=NTc，為編碼信號(hào)的持續(xù)期。

相位編碼雷達(dá)信號(hào)是用一定的碼字序列對(duì)載頻信號(hào)相位進(jìn)行調(diào)制而產(chǎn)生的。調(diào)制編碼序列一般為偽隨機(jī)碼，該碼是一種能預(yù)先確定的、周期性的二進(jìn)制序列，具有接近二進(jìn)制數(shù)隨機(jī)序列的良好自相關(guān)性。常用的二元偽隨機(jī)序列有巴克序列、組合巴克序列、m序列和L序列等，各相位編碼序列產(chǎn)生的效果基本相同[15]。本文以31位長(zhǎng)度m序列相位編碼波形為例仿真分析多相重構(gòu)干擾調(diào)制技術(shù)，其編碼規(guī)律如圖1所示，其中，序列長(zhǎng)度N=31。

圖1 偽隨機(jī)序列編碼(31位)Fig.1 Pseudo-random sequence coding (31 bits)

31位長(zhǎng)度偽隨機(jī)m序列x(t)由一個(gè)五級(jí)反饋移位寄存器產(chǎn)生，x(t)的自相關(guān)函數(shù)為

(3)

由式(3)可知，當(dāng)τ=0時(shí)，自相關(guān)函數(shù)Rx(τ)取最大值，隨著τ的增加或減少，自相關(guān)函數(shù)Rx(τ)將快速衰減，m序列自相關(guān)函數(shù)峰值與序列長(zhǎng)度N有關(guān)。因此，m序列和其自身的平移具有準(zhǔn)正交性，將接收到的偽隨機(jī)m序列編碼回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，可以得到與目標(biāo)距離相關(guān)的回波窄脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)的脈沖壓縮處理。

1.2 干擾信號(hào)調(diào)制技術(shù)

相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)通過相關(guān)處理得到與目標(biāo)距離相關(guān)的窄脈沖信號(hào)，相關(guān)峰值的大小取決于兩個(gè)因素，即m序列的長(zhǎng)度和序列的相關(guān)性。對(duì)于一個(gè)i級(jí)反饋移位寄存器，m序列的長(zhǎng)度N=2i-1。因此，相關(guān)峰值的大小就取決于序列的相關(guān)性。通過對(duì)接收到的相位編碼雷達(dá)信號(hào)調(diào)制序列進(jìn)行分解，得到多個(gè)編碼子段，改變分解后各個(gè)子段的相對(duì)位置，重構(gòu)出總長(zhǎng)度與發(fā)射信號(hào)相等的m序列。分解后得到的多個(gè)子段與發(fā)射信號(hào)的部分子段相關(guān)。相關(guān)輸出峰值的位置與收發(fā)相關(guān)子段之間的延遲量有關(guān)，相關(guān)輸出峰值大小與子段長(zhǎng)度有關(guān)。

多相重構(gòu)干擾通過將雷達(dá)信號(hào)樣本進(jìn)行分解重構(gòu)產(chǎn)生與發(fā)射信號(hào)相干的干擾信號(hào)，該干擾信號(hào)經(jīng)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)相關(guān)處理產(chǎn)生與雷達(dá)信號(hào)同步的相干干擾脈沖。多相重構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的假目標(biāo)數(shù)量、位置和幅度根據(jù)分相數(shù)量和樣本子段的重構(gòu)方式確定，進(jìn)而產(chǎn)生多種干擾信號(hào)樣式。分相數(shù)量n越大(本文中取n=4)，相關(guān)輸出峰值越低，干擾脈沖數(shù)量越多，可以起到相干噪聲壓制的效果，適用于對(duì)抗搜索模式的雷達(dá)；分相數(shù)量n越小(本文中取n=2)，相關(guān)輸出峰值越高，干擾脈沖數(shù)量越少，可以調(diào)制產(chǎn)生逼真假目標(biāo)，適用于對(duì)抗跟蹤模式的雷達(dá)。

相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)干擾系統(tǒng)的組成如圖2所示，相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)干擾機(jī)接收相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)，通過偵察處理獲得雷達(dá)信號(hào)參數(shù)，識(shí)別雷達(dá)的工作模式，干擾機(jī)根據(jù)雷達(dá)工作模式分別進(jìn)行搜索和跟蹤模式下的多相重構(gòu)干擾調(diào)制，對(duì)雷達(dá)進(jìn)行自適應(yīng)干擾。

圖2 相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)干擾系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of phase coded pulse compression radar jamming system

干擾機(jī)根據(jù)雷達(dá)工作模式的不同，分別在搜索模式和跟蹤模式下進(jìn)行四相重構(gòu)干擾調(diào)制和二相重構(gòu)干擾調(diào)制，其干擾調(diào)制過程如圖3所示。

圖3 多相重構(gòu)干擾調(diào)制過程Fig.3 Block diagram of multi-phase reconfiguration jamming modulation process

1) 四相重構(gòu)干擾調(diào)制。

干擾控制器輸出重構(gòu)控制信號(hào)至數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(Digital Radio Frequency Memory，DRFM)，將存儲(chǔ)器中的雷達(dá)信號(hào)樣本分解為4個(gè)子段，然后對(duì)4個(gè)子段進(jìn)行重構(gòu)，選擇相關(guān)性能最優(yōu)的重構(gòu)樣本產(chǎn)生相干干擾信號(hào)，將重構(gòu)后的干擾樣本在整個(gè)雷達(dá)脈沖間隔內(nèi)進(jìn)行延遲重復(fù)疊加，經(jīng)過相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)相關(guān)處理，可以在真實(shí)目標(biāo)前后產(chǎn)生多個(gè)虛假目標(biāo)，對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生相干噪聲壓制的效果。

2) 二相重構(gòu)干擾調(diào)制。

干擾控制器輸出重構(gòu)控制信號(hào)至DRFM，將存儲(chǔ)器中的雷達(dá)信號(hào)樣本分解為2個(gè)子段，對(duì)2個(gè)子段進(jìn)行重構(gòu)產(chǎn)生相干干擾信號(hào)，在雷達(dá)真實(shí)目標(biāo)前后產(chǎn)生2個(gè)相干虛假目標(biāo)，同時(shí)對(duì)重構(gòu)樣本進(jìn)行延遲控制，可以產(chǎn)生逼真的欺騙假目標(biāo)。

2 干擾仿真結(jié)果及分析

以31位長(zhǎng)度的偽隨機(jī)m序列為例，對(duì)兩種干擾調(diào)制技術(shù)進(jìn)行仿真研究。

設(shè)m序列Ck=[1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1]，分別對(duì)四相重構(gòu)干擾調(diào)制技術(shù)、二相重構(gòu)干擾調(diào)制技術(shù)進(jìn)行仿真，其中，四相重構(gòu)干擾用于對(duì)抗處于搜索模式的雷達(dá)，二相干擾調(diào)制技術(shù)用于對(duì)抗處于跟蹤模式的雷達(dá)。

2.1 對(duì)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)搜索模式干擾仿真

在搜索模式下，對(duì)雷達(dá)信號(hào)樣本進(jìn)行四相分解與重構(gòu)，在真實(shí)目標(biāo)前后產(chǎn)生多個(gè)同步虛假目標(biāo)，破壞雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別。

將31位最大長(zhǎng)度序列分為長(zhǎng)度分別為8位、8位、8位、7位的4個(gè)子段，設(shè)四相編碼樣本分別為P1，P2，P3，P4，則四相重構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的樣本有P4P3P2P1，P4P3P1P2，P3P4P2P1和P3P4P1P2，將這4種干擾樣本定義為干擾模式1、干擾模式2、干擾模式3和干擾模式4。

仿真得到不同干擾樣本和雷達(dá)信號(hào)的相關(guān)輸出結(jié)果。其中：干擾模式1(P4P3P2P1)相關(guān)輸出如圖4(a)所示，干擾信號(hào)幅度較低，但分布均勻；干擾模式2(P4P3P1P2)相關(guān)輸出如圖4(b)所示，干擾信號(hào)幅度不均勻，超前于目標(biāo)回波的信號(hào)幅度較大；干擾模式3(P3P4P2P1)相關(guān)輸出如圖4(c)所示，干擾信號(hào)幅度不均勻，滯后于目標(biāo)回波的信號(hào)幅度較大；干擾模式4(P3P4P1P2)相關(guān)輸出如圖4(d)所示，干擾信號(hào)幅度均勻，在目標(biāo)信號(hào)前后有兩個(gè)幅度較大的虛假目標(biāo)。

圖4 四相重構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)干擾模式相關(guān)輸出Fig.4 Correlation output of four-phase reconstruction forwarding jamming modes

比較可知，干擾模式1的虛假目標(biāo)數(shù)量多，分布在真實(shí)目標(biāo)周圍，可用于對(duì)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)搜索模式進(jìn)行干擾，干擾信號(hào)可以獲得雷達(dá)信號(hào)的相干處理增益，產(chǎn)生相干噪聲壓制的干擾效果。

對(duì)干擾模式1(P4P3P2P1)產(chǎn)生的重構(gòu)樣本進(jìn)行延遲重復(fù)疊加，設(shè)置延遲時(shí)間分別為1,2,4,8個(gè)仿真時(shí)間單位，仿真得到同步相干壓制干擾信號(hào)的相關(guān)輸出如圖5所示。由圖5可知，干擾脈沖密集分布在目標(biāo)回波附近，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)目標(biāo)的相干噪聲壓制。

圖5 同步相干壓制干擾相關(guān)輸出Fig.5 Synchronous coherent suppression jamming correlation output

2.2 對(duì)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)跟蹤模式干擾仿真

在跟蹤模式下，將雷達(dá)信號(hào)樣本分解為兩個(gè)子段，對(duì)兩個(gè)子段樣本進(jìn)行互易重構(gòu)出干擾信號(hào)樣本，在雷達(dá)真實(shí)目標(biāo)前后產(chǎn)生兩個(gè)相干虛假目標(biāo)，使相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)無法分辨出真實(shí)目標(biāo)，破壞雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

將31位最大長(zhǎng)度序列分為長(zhǎng)度分別為15位和16位的兩個(gè)子段，記為子段1和子段2。將子段1與子段2互易，重構(gòu)生成長(zhǎng)度為31位的半碼互易轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)，仿真得到無干擾和半碼互易轉(zhuǎn)發(fā)干擾兩種情況下的雷達(dá)相關(guān)處理結(jié)果，如圖6所示。

圖6 半碼互易轉(zhuǎn)發(fā)干擾相關(guān)輸出Fig.6 Half-code reciprocal forwarding jamming correlation output

由圖6可知，半碼互易轉(zhuǎn)發(fā)干擾同步于真實(shí)目標(biāo)，在真實(shí)目標(biāo)前后生成兩個(gè)相干虛假目標(biāo)。根據(jù)欺騙目標(biāo)的時(shí)域特征，對(duì)該重構(gòu)樣本進(jìn)行延遲控制和多普勒頻率調(diào)制，產(chǎn)生兩個(gè)在時(shí)域和頻域上與雷達(dá)信號(hào)相干的假目標(biāo)，可用于干擾在跟蹤模式下工作的相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)，使雷達(dá)無法分辨出真實(shí)目標(biāo)。

3 結(jié)束語

相位編碼雷達(dá)信號(hào)是一種大時(shí)寬帶寬積信號(hào)，具有優(yōu)良的低截獲和抗干擾特性。本文針對(duì)傳統(tǒng)噪聲干擾效果的不足，提出了一種對(duì)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)的多相重構(gòu)干擾調(diào)制技術(shù)，將雷達(dá)信號(hào)樣本進(jìn)行分段重組產(chǎn)生相干干擾信號(hào)，該干擾信號(hào)經(jīng)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)相關(guān)處理產(chǎn)生與雷達(dá)信號(hào)同步的相干干擾脈沖，重構(gòu)模式與雷達(dá)的工作模式有關(guān)。以31位長(zhǎng)度偽隨機(jī)m序列相位編碼波形為例，構(gòu)建多相重構(gòu)干擾仿真模型開展仿真研究，仿真結(jié)果表明，該技術(shù)可以產(chǎn)生預(yù)期的干擾信號(hào)波形，具有較好的干擾效果。