閆 海，李國(guó)輝，李建勛

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雷達(dá)抗欺騙式干擾信號(hào)特征提取方法

閆 海1, 2，李國(guó)輝1，李建勛2

(1. 國(guó)防科技大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073; 2.空軍裝備研究院雷達(dá)與電子對(duì)抗研究所 北京海淀區(qū) 100085)

欺騙式干擾由于與雷達(dá)回波特征相近，對(duì)軍用雷達(dá)造成嚴(yán)重威脅，迫切需要研究雷達(dá)抗欺騙式干擾新方法。為了分析提取欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號(hào)之間的不同特征，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)抗欺騙式干擾，該文通過(guò)對(duì)欺騙式干擾和目標(biāo)回波數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和仿真，比較了欺騙式干擾和目標(biāo)回波在幅度起伏、高階累積量和雙譜特征方面的不同特征；并提出了特征提取方法，定義3組特征因子，構(gòu)建了抗欺騙式干擾特征參數(shù)集。通過(guò)仿真和外場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)部分特征進(jìn)行了驗(yàn)證。

欺騙式干擾; 抗干擾; 試驗(yàn)驗(yàn)證; 特征提取; 雷達(dá)

信息戰(zhàn)中，雷達(dá)在作戰(zhàn)中的地位越來(lái)越重要，各種反雷達(dá)技術(shù)也在迅速發(fā)展，其中綜合電子干擾以樣式多、使用靈活、對(duì)抗性強(qiáng)等特點(diǎn)對(duì)軍用雷達(dá)構(gòu)成最嚴(yán)重的威脅。其中，欺騙式干擾由于和雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)特征接近，傳統(tǒng)的基于能量的雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)方法難以分辨目標(biāo)真假，對(duì)雷達(dá)檢測(cè)性能造成重大影響。近年來(lái)，新研雷達(dá)在時(shí)域、頻域、空域和能量域均采取了多種先進(jìn)的抗干擾措施，如重頻捷變、波形捷變、頻率捷變、副瓣對(duì)消、副瓣匿影等。但是，隨著數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù)和高速DSP處理芯片技術(shù)的發(fā)展，欺騙式干擾的實(shí)時(shí)性和自適應(yīng)能力越來(lái)越好，可根據(jù)截獲的雷達(dá)信號(hào)迅速分析其參數(shù)，快速調(diào)制干擾形式并在雷達(dá)當(dāng)前重復(fù)周期內(nèi)發(fā)送干擾[1-2]。在這種情況下，上述抗干擾措施除副瓣匿影外大都對(duì)欺騙式干擾無(wú)效，且副瓣匿影技術(shù)對(duì)輔助天線、輔助通道的設(shè)計(jì)要求很高，并會(huì)降低主瓣的目標(biāo)探測(cè)概率。因此，迫切需要研究雷達(dá)抗欺騙式干擾的新方法、新技術(shù)。

文獻(xiàn)[3]指出了對(duì)抗欺騙式干擾的總體思路，認(rèn)為抗欺騙式干擾的前提是識(shí)別雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)是否受到了欺騙式干擾，然后再采取相應(yīng)的對(duì)抗措施。由此可見，分析提取欺騙式干擾和目標(biāo)回波之間的不同特征，進(jìn)而識(shí)別并剔除欺騙式干擾假目標(biāo)，是雷達(dá)抗欺騙式干擾的一條有效途徑。

為此，本文首先給出了欺騙式干擾和目標(biāo)回波的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)二者的幅度起伏特性、高階累積量和雙譜等特征進(jìn)行分析比較，在此基礎(chǔ)上，研究可以用于抗欺騙式干擾的兩種特征提取方法，最后通過(guò)實(shí)際的外場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)部分特征進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 欺騙式干擾與目標(biāo)回波模型

對(duì)于圓周掃描的對(duì)空情報(bào)(監(jiān)視)雷達(dá)，欺騙式干擾主要包括密集假目標(biāo)干擾和航跡欺騙干擾兩種方式，前者一般不進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)制，通過(guò)干擾機(jī)重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)截獲的雷達(dá)信號(hào)在雷達(dá)顯示畫面形成大量假目標(biāo)點(diǎn)跡；后者通過(guò)對(duì)距離、角度和速度信息進(jìn)行調(diào)制雷達(dá)畫面形成連續(xù)運(yùn)動(dòng)的虛假航跡[4-6]。兩種干擾方式可以用一種數(shù)學(xué)模型描述。

只考慮實(shí)部信號(hào)，干擾機(jī)截獲到的雷達(dá)單次掃描期間的發(fā)射信號(hào)為：

根據(jù)欺騙式干擾的定義和目前欺騙式干擾機(jī)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，可以將欺騙式干擾信號(hào)統(tǒng)一表示為[5-6]：

(2)

只考慮實(shí)部信號(hào)，雷達(dá)單次掃描期間接收機(jī)中頻目標(biāo)回波信號(hào)仿真模型為[7,9]：

2 欺騙式干擾與目標(biāo)回波信號(hào)特征比較

通過(guò)對(duì)式(2)和式(4)進(jìn)行一系列變換處理，可歸納出欺騙式干擾和目標(biāo)回波在幅度起伏、高階累積量和雙譜特征方面存在一定的區(qū)別。

2.1 幅度起伏特征比較

由于欺騙式干擾以假目標(biāo)的形式出現(xiàn)，所以分析掃描期間欺騙式干擾出現(xiàn)時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)特性。對(duì)式(2)進(jìn)行一系列三角變化和近似，可以得出理想條件下欺騙式干擾信號(hào)的均值為常數(shù)，方差為0[7]，即：

(6)

只統(tǒng)計(jì)每次掃描期間目標(biāo)出現(xiàn)的時(shí)間內(nèi)目標(biāo)回波的均值和方差特性。在單次掃描到目標(biāo)很短的時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度是均勻的，式(4)中的余弦項(xiàng)可以近似為一常數(shù)，這樣目標(biāo)回波的均值可表示為：

目標(biāo)回波的方差可表示為：

分析式(8)可知，目標(biāo)回波信號(hào)的方差是時(shí)間的函數(shù)，且一般不會(huì)為0。

2.2 高階累積量特征比較

目標(biāo)回波信號(hào)和欺騙式干擾均具有時(shí)變特性，所以不能直接應(yīng)用高階累積量的定義。鑒于雷達(dá)的周期性，進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)部的目標(biāo)和欺騙式干擾信號(hào)應(yīng)為循環(huán)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程?？紤]到累積量的對(duì)稱性和偶次時(shí)變累積量對(duì)噪聲的敏感性，認(rèn)為欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號(hào)4階時(shí)變累積量(后面簡(jiǎn)稱累積量)對(duì)角切片的特征包含了信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)信息，有望可以提取它們之間的細(xì)微特征[10-11]，分別定義為：

(10)

不考慮背景噪聲，由式(1)、式(2)和式(3)，分別模擬產(chǎn)生不同調(diào)制的欺騙干擾和目標(biāo)回波信號(hào)序列，時(shí)間長(zhǎng)度為30 s，即雷達(dá)掃描3周，序列長(zhǎng)度為192，分別估計(jì)它們的四階累積量對(duì)角切片，累積量的滯后時(shí)間取30 s，統(tǒng)計(jì)對(duì)角切片的均值和方差如表1所示。

表1 目標(biāo)回波信號(hào)和欺騙式干擾的 四階累積量對(duì)角切片統(tǒng)計(jì)特性

如表1所示目標(biāo)回波的四階累積量對(duì)角切片的均值和方差均大于欺騙式干擾，其中，方差特性的區(qū)別更為明顯。

2.3 雙譜特征比較

信號(hào)的高階累積量譜和時(shí)變累積量譜分別定義為高階累積量和時(shí)變累積量的傅里葉變換，簡(jiǎn)稱為高階譜和時(shí)變多譜。其中，雙譜一般是復(fù)函數(shù)，包含幅度和相位部分，所以具有功率譜里沒有的相位信息，可從雙譜中得到更多的特征信息。

欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號(hào)的雙譜分別定義為[12-13]：

(12)

用間接法對(duì)模擬產(chǎn)生的目標(biāo)回波信號(hào)和不同調(diào)制的欺騙干擾序列進(jìn)行雙譜估計(jì)，滯后時(shí)間取30 s，傅里葉變換的長(zhǎng)度取64，得到的雙譜估計(jì)如圖1所示。

a. 欺騙式干擾

b. 目標(biāo)回波信號(hào)

圖1 目標(biāo)回波信號(hào)和欺騙式干擾的雙譜分布

由圖1可以看出，欺騙式干擾的雙譜峰值較多，在頻域平面的分布較分散，目標(biāo)回波的雙譜會(huì)有比較大的峰值，但是分布相對(duì)集中。二者在譜分布上區(qū)別比較明顯。

3 特征提取方法

基于對(duì)欺騙式干擾和目標(biāo)回波的特征進(jìn)行分析和比較所得出的結(jié)論，定義三組特征因子，分別為幅度起伏特征因子、累積量特征因子和雙譜特征因子，最后構(gòu)建特征參數(shù)集。

3.1 幅度起伏特征因子

已知欺騙式干擾信號(hào)的均值大于等于目標(biāo)回波，方差近似為0。為了提高特征因子的可分性，可根據(jù)目標(biāo)回波的強(qiáng)弱和信干比(SJR)的大小對(duì)均值和方差進(jìn)行加權(quán)，定義特征因子：

3.2 累積量特征因子

由前面的分析結(jié)果可知，目標(biāo)回波信號(hào)的4階累積量對(duì)角切片的均值和方差，均大于欺騙式干擾，其中目標(biāo)回波信號(hào)的四階累積量對(duì)角切片的方差至少要比欺騙式干擾的大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此定義雷達(dá)回波的四階累積量對(duì)角切片的統(tǒng)計(jì)方差為特征因子：

3.3 雙譜特征因子

目標(biāo)回波信號(hào)和欺騙式干擾的雙譜對(duì)角切片的統(tǒng)計(jì)特性雖然有一定區(qū)別，但是均值和方差都有接近于0的情況，不利于特征提取和分類。觀察它們雙譜的峰值分布，發(fā)現(xiàn)區(qū)別較明顯，因此定義雙譜對(duì)角切片的信息熵為特征因子：

3.4 特征參數(shù)集

綜合幅度起伏特征因子、累積量特征因子和雙譜特征因子，可以得到抗欺騙式干擾的特征參數(shù)集：

該特征參數(shù)集只包含時(shí)域和高階譜的運(yùn)算，計(jì)算量和特征維數(shù)適中。

4 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 特征提取仿真

根據(jù)式(2)，隨機(jī)產(chǎn)生各種欺騙式干擾數(shù)據(jù)共20 000個(gè)，根據(jù)式(4)，模擬產(chǎn)生目標(biāo)回波數(shù)據(jù)20 000個(gè)，將這些數(shù)據(jù)按照不同的SJR進(jìn)行混合(?10 dBSJR0 dB)，得到3組各包含20 000個(gè)目標(biāo)和欺騙式干擾的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行幅度起伏、累積量和雙譜特征提取仿真，SJR為?3 dB時(shí)的特征提取結(jié)果如圖2所示，由于篇幅所限，不再列出不同SJR下的特征因子分布圖。

由圖2可以看出，幅度起伏、累積量和雙譜特征因子都能夠在一定程度上區(qū)分目標(biāo)和欺騙式干擾。其中，幅度起伏和累積量特征提取中，目標(biāo)和欺騙式干擾特征因子的分界間隔相對(duì)較大。這3種特征因子組成的特征參數(shù)集可以相互彌補(bǔ)各自的不足，提高特征提取和后續(xù)分類的穩(wěn)定性。

a. 幅度起伏特征因子

b. 累積量特征因子

c. 雙譜特征因子

4.2 試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

結(jié)合某次外場(chǎng)欺騙式干擾試驗(yàn)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)本文的研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)中某型雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)并收集原始數(shù)據(jù)，欺騙式干擾與目標(biāo)回波的幅度比較如圖3所示。

a. 欺騙式干擾幅度

b. 某實(shí)體目標(biāo)回波幅度

圖3 欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號(hào)的回波幅度圖

圖3中，欺騙式干擾幅度明顯大于同距離段內(nèi)的實(shí)體目標(biāo)回波幅度。在單次掃描期間，欺騙式干擾幅度基本沒有起伏，方差接近0；目標(biāo)回波幅度起伏較大，方差不為0，且與時(shí)間有關(guān)。由此可見，幅度起伏特性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與理論分析基本一致。

5 結(jié) 論

本文對(duì)欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號(hào)的特征進(jìn)行了深入分析比較，并研究了幅度起伏、累積量和雙譜特征的提取方法，仿真結(jié)果表明，提取的特征因子可以體現(xiàn)出欺騙式干擾和目標(biāo)回波的差異，外場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了幅度起伏特征的理論分析結(jié)果。下一步將在特征提取的基礎(chǔ)上研究信號(hào)處理抗欺騙式干擾的實(shí)現(xiàn)方法。

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編 輯 稅 紅

Signal Feature Extraction Methods of Radar Anti-deception Jamming

YAN Hai1,2, LI Guo-hui1, and LI Jian-xun2

(1. College of Information System and Management, National University of Defense Technology Changsha 410073; 2. Radar Research Institute Haidian Beijing 100085)

Since the features of jammer are similar to that of target echoes, the deception jamming poses a most serious threat to military radar. Therefore, there is an urgent need for new radar anti deception jamming methods. In order to accomplish radar anti deception jamming, it is necessary to analyze and extract the different features of the deception jamming and target echo. The mathematical models of deception jamming and target echo are given and studied firstly, then the differences in the amplitude undulation features, high order cumulant features and bispectrum features between the deception jamming and target echo are compared. Based on the results of feature analysis, the feature extraction methods applied in radar anti deception jamming are proposed and three feature factors are defined, then the feature parameters aggregate is built. Finally, the feature extraction methods are verified with simulation and real data in an actual deception jamming experiment.

deception jamming; ECCM; experimental verification; feature extraction; radar

TN973

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.01.008

2013-12-17;

2014-04-10

部級(jí)預(yù)研基金

閆海(1974-)，男，博士生，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)抗干擾方面的研究.