一種ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形設(shè)計(jì)與處理方法

摘 要：

雷達(dá)干擾一體化是優(yōu)化射頻資源、實(shí)現(xiàn)定向干擾的有效技術(shù)路徑，雷達(dá)干擾一體化波形設(shè)計(jì)是雷達(dá)干擾一體化研究的重點(diǎn)。本文提出一種基于Zadoff-Chu序列和正交頻分復(fù)用架構(gòu)的雷達(dá)干擾一體化波形，研究了波形的設(shè)計(jì)與處理方法。波形以正交頻分復(fù)用為調(diào)制方式、以時(shí)頻分割復(fù)用為基本架構(gòu)、通過Zadoff-Chu和Mersenne-Twister序列對(duì)頻域子載波進(jìn)行合理的分配和調(diào)制完成探測與干擾功能一體，在信號(hào)處理時(shí)采用先探干時(shí)頻分離再脈沖壓縮和相參處理的方式實(shí)現(xiàn)測距測速。理論分析和仿真試驗(yàn)表明，所提波形同時(shí)具備脈沖壓縮主副瓣比大、多普勒容限強(qiáng)以及頻率對(duì)準(zhǔn)靈活、干擾隨機(jī)性強(qiáng)的探干一體性能優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：

雷達(dá)干擾一體化; 正交頻分復(fù)用; Zadoff-Chu序列; Mersenne-Twister序列

中圖分類號(hào)：

TN 973

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.09.12

ZC-OFDM-based radar interference integrated waveform design and processing method

LIU Fangzheng， ZENG Ruiqi*， GONG Yang， HAN Zhenzhong

（Institute of Electronic Countermeasure， National University of Defense Technology， Hefei 230037， China）

Abstract：

The integration of radar interference is an effective technical path to optimize radio frequency resources and realize directional interference. Radar interference integrated waveform design is a hot spot in radar interference integrated research. This paper presents an radar interference integrated waveform based on Zadoff-Chu sequence and orthogonal frequency division multiplexing （OFDM） architecture， and studies the waveform design and processing methods. The waveform uses OFDM as the modulation mode and time-frequency division multiplexing as the basic architecture. The frequency domain subcarriers are reasonably allocated and modulated through Zadoff-Chu and Mersenne-Twister sequences to achieve the integration of detection and interference functions. In signal processing， the first step is to separate the time and frequency of interference detection， and the second step is to conduct pulse compression and coherent processing， so as to achieve ranging and velocity measurement. Theoretical analysis and simulation test show that the proposed waveform has the advantages of high ratio of main lobe to side lobe of pulse compression， strong Doppler tolerance， flexible frequency alignment and strong interference randomness.

Keywords：

radar interference integrated; orthogonal frequency division multiplexing （OFDM）; Zadoff-Chu sequence; Mersenne-Twister sequence

0 引 言

電磁作戰(zhàn)領(lǐng)域已經(jīng)成為近現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。雷達(dá)利用電磁信號(hào)的高速傳播特性探測目標(biāo)，第一時(shí)間掌握目標(biāo)的態(tài)勢和意圖，是電磁領(lǐng)域的主要作戰(zhàn)要素之一;雷達(dá)對(duì)抗有源干擾則是利用電磁信號(hào)來削弱雷達(dá)效能、爭奪在電磁作戰(zhàn)領(lǐng)域主動(dòng)權(quán)的重要手段。雷達(dá)干擾一體化是一種將雷達(dá)探測和干擾融合為一體的全新作戰(zhàn)樣式，該樣式從雷達(dá)探測的角度實(shí)現(xiàn)了“我明敵盲”的態(tài)勢獲取優(yōu)勢效能，從干擾的角度實(shí)現(xiàn)了定向干擾、跟蹤干擾的干擾性能倍增效能。研究雷達(dá)干擾一體化技術(shù)對(duì)擴(kuò)展電磁作戰(zhàn)樣式具有重要意義。

美國最先開始雷達(dá)干擾一體化的研究工作，先后于20世紀(jì)70年代、80年代提出“寶石臺(tái)”“寶石柱”計(jì)劃，主要圍繞建立統(tǒng)一開放的機(jī)載電子系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)一體化架構(gòu)和總線。之后在90年代，美國又提出先進(jìn)多功能射頻概念 （advanced multifunction radio frequency concept， AMRFC） 多功能射頻一體的概念［1-2］，旨在射頻前端利用多孔徑天線實(shí)現(xiàn)多功能一體，繼而實(shí)現(xiàn)從架構(gòu)到模塊，從后端到前端的雷達(dá)干擾硬件架構(gòu)一體化。而后美國很少公開雷達(dá)干擾一體化研究的相關(guān)資料。事實(shí)上，從美國近年來裝備的發(fā)展可以看出其一直在一體化方面有所進(jìn)展，其中，F(xiàn)22戰(zhàn)斗機(jī)和F35戰(zhàn)斗機(jī)是美國一體化技術(shù)應(yīng)用的典型裝備。F22戰(zhàn)斗機(jī)利用有源相控陣技術(shù)集成了一體化射頻前端，形成了利用多個(gè)波束同時(shí)進(jìn)行搜索、跟蹤、電子干擾的一體化手段。F35戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用最新研制的多功能一體化射頻系統(tǒng) （multifunction integrated radio frequency system， MIRFS） 技術(shù)，集雷達(dá)、干擾、通信、導(dǎo)航功能于一身，完全共享天線和處理器等硬件［3］。

國內(nèi)雷達(dá)對(duì)干擾一體化波形的研究開展得比較晚。文獻(xiàn)［4］從武器平臺(tái)資源有限的角度分析了雷達(dá)與干擾一體化的必要性、從雷達(dá)與干擾硬件前端相似性的角度分析了雷達(dá)與干擾一體化的可行性，提出了偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)、偽隨機(jī)二相編碼衍生信號(hào)等多種雷達(dá)干擾一體化信號(hào)，分析了信號(hào)的探測性能和在時(shí)頻已對(duì)準(zhǔn)對(duì)方雷達(dá)前提條件下的干擾性能。文獻(xiàn)［5］提出了雷達(dá)干擾一體化實(shí)現(xiàn)的幾條技術(shù)路線：空分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用、頻分復(fù)用，概略性地分析了幾條技術(shù)路線的特點(diǎn)。文獻(xiàn)［6］提出了一種正交梳狀譜型雷達(dá)干擾一體化信號(hào)波形，基于梳狀譜信號(hào)正交性的特點(diǎn)分別對(duì)探測信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行調(diào)制保證了波形的靈活性。文獻(xiàn)［7］提出一種基于擴(kuò)頻方式的一體化波形架構(gòu)和基于正交頻分復(fù)用 （orthogonl frequency division multiplexing， OFDM） 方式的一體化波形架構(gòu)，研究了集雷達(dá)、通信、干擾3種功能于一體的波形調(diào)制和信號(hào)處理算法。文獻(xiàn)［8］提出一種基于雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)的雷達(dá)干擾一體化信號(hào)波形，具有良好的距離和速度分辨率以及類噪聲特性。文獻(xiàn)［9］提出一種偽碼噪聲調(diào)頻與線性調(diào)頻復(fù)合調(diào)制的探測干擾共享波形，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)寬頻帶特征的雷達(dá)進(jìn)行有效干擾。

從現(xiàn)有的研究資料中可以得出這樣的結(jié)論：雷達(dá)干擾一體化的實(shí)現(xiàn)共有空分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用、頻分復(fù)用4種方式，前兩種方式側(cè)重于硬件架構(gòu)一體，后兩種側(cè)重于波形一體。美國的研究側(cè)重于硬件架構(gòu)一體，研究的重點(diǎn)主要集中在綜合射頻孔徑和一體化軟硬件架構(gòu)，這主要依靠美國強(qiáng)大的器件技術(shù)水平。國內(nèi)的研究側(cè)重于波形一體，主要在現(xiàn)有的設(shè)備器件水平上重點(diǎn)研究優(yōu)化波形的探測性能和保持波形的隨機(jī)特性。不可否認(rèn)的是，不管是硬件架構(gòu)一體和波形一體均是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)干擾一體化的有效途徑，都能提升平臺(tái)的探測干擾綜合效能。

現(xiàn)有的一體化波形研究大多都將研究的重點(diǎn)放在了分別討論波形的探測性能和干擾性能上，忽略了從功能的角度出發(fā)對(duì)一體化波形整體架構(gòu)的研究。雷達(dá)干擾一體化從功能本質(zhì)出發(fā)是要同時(shí)實(shí)現(xiàn)探測和干擾功能，而探測功能要求波形保持一定的穩(wěn)定性以在信號(hào)處理時(shí)獲得良好的匹配特性、但干擾功能則要求波形必須隨時(shí)跟隨被干擾對(duì)象的信號(hào)的變化而變化，因此雷達(dá)干擾一體化波形必須從波形架構(gòu)上解決探測穩(wěn)定性和干擾靈活機(jī)動(dòng)性共存的問題。

本文提出一種基于OFDM架構(gòu)的、由ZC （Zadoff-Chu） 序列和MT （Mersenne-Twister） 偽隨機(jī)序列調(diào)制的雷達(dá)干擾一體化波形 （簡稱為ZC-OFDM），該波形既解決了雷達(dá)干擾一體化功能所需的波形穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性共存的問題，也保證了一體化波形具有良好的探測性能和干擾性能。

1 ZC序列與MT序列特性研究

1.1 ZC序列特性研究

ZC序列是一種頻率隨時(shí)間變化的chirp序列，在各種通信系統(tǒng)［10-11］中作為同步序列被廣泛應(yīng)用。ZC序列的定義為

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形的探測功能和干擾功能進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真實(shí)驗(yàn)背景設(shè)置為一體化平臺(tái)對(duì)安裝有機(jī)載火控雷達(dá)的飛行目標(biāo)進(jìn)行探測和干擾，對(duì)方機(jī)載火控雷達(dá)采用常規(guī)線性調(diào)頻波形進(jìn)行工作，仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

圖9和圖10分別給出了針對(duì)目標(biāo)雷達(dá)不同工作載頻的兩個(gè)脈組中3個(gè)ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形脈沖的時(shí)頻域仿真結(jié)果，其中脈組1針對(duì)目標(biāo)雷達(dá)工作在載頻1，脈組2針對(duì)目標(biāo)雷達(dá)工作在載頻2。從時(shí)域圖中可以看出，ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形呈現(xiàn)類噪聲的隨機(jī)特性且同一脈組當(dāng)中脈沖間也呈現(xiàn)包絡(luò)不同的隨機(jī)特性。從頻域圖中可以看出，不同脈組波形的探測部分頻率子載波位置始終保持不變，干擾部分頻率子載波位置隨著目標(biāo)雷達(dá)的頻率改變而機(jī)動(dòng)。通過分析可以看出，一個(gè)脈組內(nèi)不同脈沖間的隨機(jī)特性是由干擾部分子載波調(diào)制序列（MT序列）的隨機(jī)性引起的，干擾部分子載波位置機(jī)動(dòng)的靈活性保證了該一體化波形能夠有效干擾工作在多個(gè)頻點(diǎn)的雷達(dá)，并且由于探測子載波與干擾子載波的分頻復(fù)用避免了與目標(biāo)雷達(dá)可能產(chǎn)生的同頻干擾。

圖11和圖12分別給出了ZC-OFDM波形的自相關(guān)函數(shù)和模糊函數(shù)仿真結(jié)果。圖11仿真結(jié)果表明，ZC-OFDM波形的自相關(guān)函數(shù)的副瓣較為平滑。圖12仿真結(jié)果表明，在帶寬為10 MHz、時(shí)寬為10 μs的相同參數(shù)條件下，ZC-OFDM波形的模糊函數(shù)與線性調(diào)頻波形模糊函數(shù)均呈現(xiàn)為“斜刀刃”特性，表明ZC-OFDM波形具有與線性調(diào)頻波形相似的多普勒容限特性［25］。結(jié)合圖11和圖12可以得出：ZC-OFDM波形具有良好的探測特性，其作為探測波形在回波處理時(shí)可以通過脈沖壓縮處理獲得較大的處理增益;同時(shí)，其具有較強(qiáng)的多普勒容限，由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻移而造成的脈沖壓縮失配較小。根據(jù)式（18）得出的結(jié)論可知，ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形的探測回波在經(jīng)過探干分離處理后表現(xiàn)為與ZC-OFDM波形相同的性能特性，即ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形的回波處理也表現(xiàn)為較大的脈沖壓縮處理增益和較強(qiáng)的多普勒頻移容限。

圖13給出了ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形回波信號(hào)處理的有關(guān)仿真結(jié)果。圖13（a）和圖13（b）給出了一體化波形回波經(jīng)過探干分離濾波器后的時(shí)頻域，圖13（c）給出了相同參數(shù)條件下ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形回波和線性調(diào)頻波形回波的脈沖壓縮處理結(jié)果比較。結(jié)果表明，一體化波形回波在經(jīng)過探干分離濾波器后濾除了干擾部分子載波，得到了類似ZC-OFDM波形的時(shí)頻成分，而后進(jìn)行的脈沖壓縮處理結(jié)果顯示其最小主副瓣比與相同時(shí)寬帶寬條件下的線性調(diào)頻波形的脈沖壓縮最小主副瓣比相近。圖13（d）和圖13（e）給出了ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形回波通過相參處理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測速的仿真結(jié)果以及目標(biāo)回波信號(hào)處理的距離時(shí)間二維圖。可以看出，雖然ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形的一組脈沖中各個(gè)脈沖的包絡(luò)均表現(xiàn)為較強(qiáng)的隨機(jī)性，但各個(gè)脈沖的回波在經(jīng)過探干分離后仍然具備相參特性。根據(jù)參數(shù)設(shè)置可知，一體化波形的載頻為fyc=10.5 GHz、重復(fù)周期為Tyr=100 μs、相參測速脈沖數(shù)為Nyr=16，則根據(jù)式（23）可得一體化波形相參測速的速度精度為Δv=c/2TyrNyrfyc=8.92 m/s。仿真結(jié)果顯示，一體化波形回波測速結(jié)果為98.68 m/s、與真實(shí)速度100 m/s差值為1.32 m/s、在測速精度約束范圍之內(nèi)。綜上所述，一體化波形能夠通過回波的脈沖壓縮處理和相參測速處理完成對(duì)目標(biāo)距離和速度的測量。

圖14和圖15給出了目標(biāo)雷達(dá)分別工作在載頻1和載頻2時(shí)、ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形對(duì)其干擾的仿真結(jié)果。根據(jù)參數(shù)設(shè)置和雷達(dá)方程可知，當(dāng)目標(biāo)雷達(dá)采用頻率fec1進(jìn)行工作時(shí)、目標(biāo)雷達(dá)接收到的回波功率Prs1=［PtGtGtσ（c/fec1）2］/（4π）3R4=－10.48 dBW，當(dāng)目標(biāo)雷達(dá)采用頻率fec2進(jìn)行工作時(shí)、目標(biāo)雷達(dá)接收到的回波功率Prs2=［PtGtGtσ（c/fec2］2/（4π）3R4=－10.49 dBW，目標(biāo)雷達(dá)接收到的一體化信號(hào)功率Pry=［PyGyGt（c/fyc）2γj］/（4π）2R2=－3.38 dBW。

圖14（a）、圖14（b）、圖15（a）、圖15（b）分別給出了在無干擾狀態(tài)下目標(biāo)雷達(dá)工作在載頻1或載頻2時(shí)的回波處理結(jié)果，表明在無干擾狀態(tài)下目標(biāo)雷達(dá)工作在載頻1或載頻2的狀態(tài)下均可通過線性調(diào)頻常規(guī)波形進(jìn)行有效的測距測速，且其脈沖壓縮主副瓣比均達(dá)到40 dB以上，可有效抑制虛警［26］。圖14（c）、圖14（d）、圖15（a）、圖15（b）分別給出了目標(biāo)雷達(dá)工作在載頻1或載頻2時(shí)受ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形干擾的回波處理仿真結(jié)果，表明在ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形干擾狀態(tài)下目標(biāo)常規(guī)探測雷達(dá)無論工作在頻點(diǎn)1或頻點(diǎn)2均無法有效地測距和測速。這里需要特別指出的是，與傳統(tǒng)常規(guī)的干擾方式不同，一體化平臺(tái)采用ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形實(shí)現(xiàn)探干一體能夠保證波束在探測到目標(biāo)的同時(shí)也一定干擾到了目標(biāo)，因此仿真中的干擾天線增益實(shí)際上是探干一體的條件下實(shí)施定向干擾的天線增益。在定向干擾條件下，干擾天線可以獲得和雷達(dá)天線同樣的方向性和增益，將極大增加在目標(biāo)方向的有效干擾功率，獲得比傳統(tǒng)常規(guī)干擾更佳的干擾效果。

4 結(jié) 論

本文提出一種ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形和信號(hào)處理方法，該波形以O(shè)FDM為架構(gòu)獲得較為靈活的載波分配方式，解決了探測功能所需的頻率穩(wěn)定性和干擾功能所需的頻率機(jī)動(dòng)性之間的矛盾。同時(shí)，利用ZC序列的強(qiáng)相關(guān)性使波形獲得良好的探測特性，利用MT序列的隨機(jī)性使波形獲得良好的干擾特性，既而從波形架構(gòu)和調(diào)制序列兩個(gè)角度確保雷達(dá)干擾一體化波形優(yōu)越的一體化性能。本文提出的基于探干分離濾波的回波信號(hào)處理方法是在傳統(tǒng)雷達(dá)回波信號(hào)處理流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐可操作性。仿真結(jié)果表明，ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形能夠?qū)ΤＲ?guī)多頻點(diǎn)工作的雷達(dá)和其平臺(tái)實(shí)施有效的干擾和探測，并且由于探干一體實(shí)現(xiàn)了定向干擾使得該波形輻射干擾功率更加聚焦。本文通過研究還發(fā)現(xiàn)： ① ZC序列賦予了ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形一定的低峰均比特性，但由于加入了MT序列使得波形的恒模特性受到一定的影響;② 由于引入了MT序列使得一體化波形不同脈沖之間時(shí)域包絡(luò)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，該隨機(jī)性在經(jīng)過回波探干分離濾波后不影響波形的相參處理特性，但該隨機(jī)性可能使得波形具有一定的反偵察特性;③ ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形的回波經(jīng)過探干分離后干擾部分的能量在信號(hào)處理中未被利用、造成波形的探測能量利用率低于常規(guī)探測波形的能量利用率。因此，關(guān)于ZC-OFDM雷達(dá)干擾一體化波形的峰均比優(yōu)化研究、反偵察特性研究、和波形的能量利用率優(yōu)化研究可作為下一步研究的重點(diǎn)。

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作者簡介

劉方正（1983—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗信息處理。

曾瑞琪（1994—），男，助教，碩士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)通信干擾一體化波形。

龔 陽（1992—），男，講師，博士，主要研究方向?yàn)槎嗄繕?biāo)跟蹤、一體化波形設(shè)計(jì)。

韓振中（1987—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樾畔⑴c信息處理。