任鵬沖，葉廣強(qiáng)，劉華偉

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 西安　710038)

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一種有源加性復(fù)合干擾的對抗算法研究

任鵬沖，葉廣強(qiáng)，劉華偉

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 西安710038)

針對雷達(dá)有源加性復(fù)合干擾對抗的情況，傳統(tǒng)的抗干擾算法只針對單一樣式干擾進(jìn)行抑制，很難做到有效權(quán)衡；由于有源復(fù)合干擾噪聲功率高、欺騙性強(qiáng)的特點，為此提出了一種基于相位擾動的有源加性復(fù)合干擾對抗算法，該算法在斜變線性調(diào)頻信號(SVLFM)信號的基礎(chǔ)上，先對發(fā)射雷達(dá)信號的前后沿脈沖附加上一個擾動的相位，再通過與前一脈沖的匹配濾波，限幅處理和逆匹配，最后與當(dāng)前脈沖進(jìn)行匹配濾波處理，附加擾動的相位和限幅處理減弱了距離假目標(biāo)信號的增益，而經(jīng)過三次匹配濾波的作用，同樣有效的削弱了大部分壓制性干擾信號的成分，從而恢復(fù)出比較純凈的目標(biāo)回波信號；通過實驗仿真手段驗證了相位擾動抗干擾算法的有效性，與傳統(tǒng)直接匹配濾波的抗干擾算法相比，接收信號的信噪比提升了約25dB。

阻塞式干擾；欺騙性干擾；有源復(fù)合干擾；仿真分析

0　引言

所謂復(fù)合干擾是指對抗至少一個威脅目標(biāo)時，同時或者順序使用兩種及兩種以上的干擾手段或干擾樣式[1-2]。隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，針對雷達(dá)有源復(fù)合干擾對抗算法的研究已經(jīng)成為電子對抗研究領(lǐng)域的一個重大課題[3-4]。本文提出的基于相位擾動的有源加性復(fù)合干擾對抗算法是在斜變線性調(diào)頻信號的基礎(chǔ)上，先對發(fā)射雷達(dá)信號的前后沿脈沖附加上一個擾動的相位，再通過與前一脈沖的匹配濾波，限幅處理和逆匹配，最終與當(dāng)前脈沖進(jìn)行匹配濾波，從而提取出比較純凈的目標(biāo)回波信號。

1　有源加性復(fù)合干擾信號模型

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，復(fù)合干擾信號以其帶寬范圍寬、噪聲功率高，欺騙性強(qiáng)等二者兼具的優(yōu)點，逐步在現(xiàn)代雷達(dá)有源干擾信號領(lǐng)域獲得不斷的發(fā)展。復(fù)合式干擾從信號能量來源的角度可以分為壓制式干擾復(fù)合、欺騙式干擾復(fù)合以及壓制與欺騙干擾復(fù)合，從產(chǎn)生方式上，又可以分為乘性復(fù)合、加性復(fù)合和卷積復(fù)合等。在現(xiàn)代復(fù)雜電子對抗中，出現(xiàn)最多的情形就是多種干擾信號同時干擾雷達(dá)系統(tǒng)的情況，而加性復(fù)合干擾正是屬于這種干擾的形式，所以，本文主要的研究對象是有源加性復(fù)合干擾，重點研究阻塞式干擾與距離假目標(biāo)干擾時的復(fù)合干擾情況。

噪聲阻塞式干擾信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中，Aj為干擾信號幅度，ωj為干擾信號的中心角頻率，KFM是信號的調(diào)頻斜率。n(t)是調(diào)制噪聲，均值為0，方差為δ2的廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程。初始相位φ在[0，2π]上服從均勻分布，且與n(t)相互獨立。有效調(diào)制系數(shù)mfe滿足mfe?1。

欺騙式干擾通常采用假的目標(biāo)信息作用于雷達(dá)，使雷達(dá)無法完成對真實目標(biāo)回波信號的正確檢測，從而影響雷達(dá)的正常工作[5-6]。本節(jié)主要對轉(zhuǎn)發(fā)式距離假目標(biāo)信號加以具體分析，其信號特征與雷達(dá)發(fā)射信號極為相似，假設(shè)發(fā)射的雷達(dá)信號表達(dá)式為

(2)

J2(t)=Uj·S(t+t0+τ)=

(3)

Uj是距離假目標(biāo)干擾信號的幅度。t0是真實目標(biāo)回波相對于雷達(dá)發(fā)射信號的時延。而τ是干擾機(jī)相對雷達(dá)發(fā)射信號所附加的干擾欺騙時延。由上式可以看出，距離假目標(biāo)干擾信號只對真實回波信號附加了一定的時延，而其它參數(shù)則與發(fā)射信號基本一樣，從而達(dá)到了對雷達(dá)距離通道進(jìn)行欺騙的目的[7-9]。

由上述可知有源加性復(fù)合干擾信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(4)

式中， J1(t)為阻塞式干擾，J2(t)為距離假目標(biāo)欺騙干擾。

2　SV LFM信號

SV LFM信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(5)

式中，a(t)=exp[jφ(t)]，可以被當(dāng)做一個頻率調(diào)制信號。

為了研究后面LFM調(diào)頻脈沖信號匹配濾波的需要，這里定義第m個雷達(dá)發(fā)射的脈沖信號是pm(t)，脈沖信號的相位為φ(t)=λmt2，其中，λm是一個對雷達(dá)方已知的隨機(jī)數(shù)，因為頻率調(diào)制系數(shù)的帶寬必須要求在調(diào)頻信號的帶寬之內(nèi)，所以可以選取調(diào)制系數(shù)的合適百分比作為λm，則SV LFM信號的頻率調(diào)制系數(shù)就變成了k+λm，在雷達(dá)發(fā)射脈沖信號帶寬不變的條件下，當(dāng)頻率調(diào)制系數(shù)改變的時候，信號脈沖寬度也要做適當(dāng)?shù)馗淖僛2]。

為了較為直觀的表述上面的觀點，現(xiàn)用兩個基于不同調(diào)制系數(shù)的SV LFM信號時域、頻域分布圖來說明。

如圖1所示，仿真畫出了兩種不同SV LFM信號的時域頻、域分布圖，信號使用的脈寬為30 μs,帶寬選為5 MHz，采樣頻率為60 MHz，對于隨機(jī)數(shù)λm，SV LFM1選擇為調(diào)頻斜率的10%，SV LFM2選擇為調(diào)頻斜率的30%，由仿真結(jié)果可以看出，兩種SV LFM信號在脈沖寬度不同的情況下，信號的帶寬相同，均為5 MHz不變。

圖1　SV LFM調(diào)頻信號的時域、頻域波形圖

由于頻率調(diào)制隨機(jī)數(shù)λm對于雷達(dá)發(fā)射方來說是已知的，雷達(dá)方可以通過不斷的調(diào)整隨機(jī)數(shù)來發(fā)射連續(xù)不同調(diào)制系數(shù)的脈沖信號，但對干擾一方來說是未知的，且干擾機(jī)施放的欺騙信號只能是截獲的雷達(dá)上一周期內(nèi)所發(fā)射的信號，所以，這樣就會造成雷達(dá)發(fā)射的當(dāng)前脈沖信號與DRFM干擾機(jī)所轉(zhuǎn)發(fā)的假目標(biāo)信號互相關(guān)性降低，使得欺騙信號不能對雷達(dá)方形成高強(qiáng)度的相干干擾，從而有效的降低了數(shù)字儲頻式干擾的效果[10]。

為了清楚的分析SV LFM雷達(dá)發(fā)射信號的特點，圖2給出了SV LFM2信號的自相關(guān)曲線圖，以及兩種不同頻率調(diào)制系數(shù)的SV LFM信號間互相關(guān)曲線。

圖2　SV LFM信號的自相關(guān)與互相關(guān)曲線圖

從圖2可以看出，隨機(jī)生成的頻率調(diào)制系數(shù)λm破壞了雷達(dá)發(fā)射信號與干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)欺騙信號間的相關(guān)性，當(dāng)λm選擇為調(diào)頻斜率的30%時，兩種SV LFM信號的互相關(guān)程度低于SV LFM1的自相關(guān)程度，互相關(guān)的幅度降低，信號脈壓的主瓣展寬，峰值的位置發(fā)生了偏移，從而增加了對轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙性干擾信號的抑制性。

3　基于相位擾動的對抗算法原理

由于雷達(dá)發(fā)射信號SV LFM前后脈沖信號間具有近似正交的特點，對于欺騙性干擾信號有很好的抑制效果，盡管該算法最初是針對抗有源欺騙性干擾提出的，但在相關(guān)處理過程中，經(jīng)過三次匹配濾波處理，同樣對壓制性干擾信號取得了很好的對抗效果。

3.1干擾對抗算法

由于有源加性復(fù)合干擾在時頻域上主要表現(xiàn)為壓制性干擾的特性，因此傳統(tǒng)的針對有源復(fù)合干擾的對抗方法多是從抑制壓制性干擾的角度出發(fā)，采用相關(guān)處理算法來使壓制性干擾信號在脈沖壓縮中失配，從而降低其信號增益，達(dá)到削弱復(fù)合干擾信號中壓制性干擾成分的目的。但是，也在一定程度上增加了欺騙性干擾信號的增益，本文提出的基于相位擾動的復(fù)合式干擾對抗方法有區(qū)別于傳統(tǒng)的干擾抑制法，該算法在進(jìn)行信號匹配濾波的過程中，充分利用了SV LFM信號相位擾動的特點，通過給雷達(dá)頻率調(diào)制信號施加一個頻率擾動相位，確保了雷達(dá)發(fā)射前后脈沖間的近似正交性，使得本算法在完成抗有源壓制性干擾任務(wù)的同時，也實現(xiàn)了對有源欺騙性干擾成分的有效抑制。

鑒于SVLFM信號的優(yōu)越性特點，假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的脈沖信號為SVLFM信號，在受到外界有源加性復(fù)合干擾的情況下，雷達(dá)接收機(jī)所接受到的第m個脈沖重復(fù)間隔中的回波信號數(shù)學(xué)模型為

(6)

式中，S(t)=pm(t-τ1)為雷達(dá)真實的目標(biāo)回波信號，τ1是第m個PRI內(nèi)回波信號的接收時延，J1(t)為雷達(dá)所受的壓制性干擾信號，J2(t)=pm(t-τ2)是雷達(dá)所受的欺騙性干擾信號，τ2是第m-1個PRI內(nèi)回波信號的接收時延。因為雷達(dá)所受的是有源復(fù)合干擾信號，即雷達(dá)所接受到的信號是壓制干擾信號、欺騙式干擾信號與真實目標(biāo)信號的時域混疊，考慮到雷達(dá)發(fā)射的SV LFM信號前后調(diào)頻脈沖之間具有近似正交的特點，可以使用如圖3匹配濾波的算法流程來進(jìn)行有源復(fù)合干擾的對抗。

圖3　有源復(fù)合干擾信號對抗算法流程圖

(7)

(8)

在信號相關(guān)處理過程中，針對復(fù)合干擾信號中的欺騙性干擾成分，在先后經(jīng)過與前一個發(fā)射的脈沖匹配濾波、限幅以及逆匹配后，信號干擾增益得到了有效的限制。而針對復(fù)合干擾信號中的壓制性干擾成分，由于與雷達(dá)目標(biāo)信號特性不相關(guān)，在經(jīng)過3次匹配濾波處理(前一脈沖匹配濾波，前一脈沖逆匹配以及當(dāng)前脈沖的匹配濾波)后，也大幅的消減了干擾信號的增益。在整個復(fù)合干擾的信號中，只有真實的目標(biāo)回波信號被比較完好的恢復(fù)了出來，從而實現(xiàn)了有源復(fù)合干擾信號對抗的目的。

3.2算法特點分析

3.2.1在抗有源欺騙性干擾方面

由于雷達(dá)所使用的信號是SV LFM信號，通過對頻率調(diào)制信號的相位施加一個擾動項，使得雷達(dá)發(fā)射的前后脈沖信號近似正交，從而使轉(zhuǎn)發(fā)的假目標(biāo)信號與當(dāng)前的脈沖信號進(jìn)行匹配濾波時會出現(xiàn)失配，這樣做在一定的程度上抑制了假目標(biāo)信號的干擾，尤其當(dāng)欺騙性干擾信號的功率不太大時，直接通過與當(dāng)前脈沖的匹配濾波就可以完成對目標(biāo)信號的存在性檢測。值得注意的是，在有源加性復(fù)合干擾信號中，因為欺騙性干擾信號與壓制性干擾信號同時使用，為了能在以壓制式干擾特性為主的復(fù)合干擾中造成一定的欺騙式干擾效果，其欺騙信號的干擾功率通常會大于單一樣式時欺騙干擾信號的功率。這樣做的原因是，使得采用傳統(tǒng)的脈沖壓縮方法很難從復(fù)合干擾信號中恢復(fù)出真實的目標(biāo)信號。

3.2.2在抗有源壓制性干擾方面

本算法的好處是：雖然該算法是針對抗有源欺騙性干擾而提出的，但在復(fù)合干擾信號的相關(guān)處理過程中，所進(jìn)行的三次匹配濾波運算，同樣對復(fù)合干擾信號中的壓制性干擾成分產(chǎn)生了很好的抑制，并且該算法在抗干擾的過程中不限定壓制性干擾信號的類型，對于復(fù)合干擾信號的對抗具有較好的普適性。

4　實驗仿真分析

通過對上述有源加性復(fù)合干擾對抗算法的原理分析，可知，基于相位擾動的抗有源復(fù)合干擾方法不僅對欺騙性干擾信號具有很好的對抗作用，在不指定干擾信號類型的情況下，而且對壓制性干擾信號也具有良好的抑制性能，下面以距離假目標(biāo)信號與阻塞式干擾所組成的復(fù)合干擾信號仿真實驗為例，來分析本算法在對抗有源加性復(fù)合干擾信號時的作用效果。

以雷達(dá)發(fā)射的SV LFM信號為例，雷達(dá)信號的帶寬為40 MHz，脈沖寬度為20 μs，信號采樣頻率為60 MHz，相位擾動項是一個與信號調(diào)頻斜率成一定比例的隨機(jī)數(shù)，這里相鄰脈沖間隔的相位擾動值分別取調(diào)頻斜率K的10%和30%。在以阻塞式干擾和假目標(biāo)干擾所疊加的復(fù)合干擾信號中，阻塞式干擾的中心角頻率為100 MHz，有效調(diào)制指數(shù)為1 000，脈寬為20 μs，干擾帶寬為60 MHz；為了統(tǒng)一各干擾信號產(chǎn)生的時間序列，假設(shè)距離假目標(biāo)信號時延為700 μs，雷達(dá)目標(biāo)回波信號的時延為500 μs，則在干擾抑制前，進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的接收信號的時域和頻域波形如圖4所示。

圖4　雷達(dá)接收信號的波形

從圖4可以看出，在接收信號的時域波形中，雖然包含有雷達(dá)的目標(biāo)回波信號、阻塞式干擾信號以及距離假目標(biāo)信號，但由于一般雷達(dá)所受的壓制性干擾信號的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于欺騙干擾信號和目標(biāo)信號。因此在形式上主要表現(xiàn)為壓制性干擾信號的特性；由接收信號的頻域波形可以看出，阻塞式干擾信號的帶寬完全覆蓋目標(biāo)信號與欺騙信號，而欺騙性干擾信號的帶寬又覆蓋了雷達(dá)目標(biāo)信號。

當(dāng)JSR(干擾信號增益比)比較低時，直接通過與當(dāng)前脈沖的匹配濾波就可以完成對雷達(dá)目標(biāo)信號的的存在性檢測，而當(dāng)JSR較高時，很難通過直接濾波的方法將目標(biāo)信號快速的檢測出來，必須通過一定的干擾對抗算法才能實現(xiàn)。如圖5所示，為當(dāng)JSR為15 dB時，雷達(dá)信號直接匹配濾波的時域波形。

圖5　雷達(dá)接收信號直接匹配濾波的時域波形

由圖5可知，雷達(dá)信號不僅受到壓制性干擾信號的干擾，此外，還受到欺騙性干擾信號的干擾，目標(biāo)信號完全被干擾信號所覆蓋，因為雷達(dá)發(fā)射的是SV LFM信號，欺騙性假目標(biāo)信號與匹配濾波器是失配的，不能形成有效的干擾，但在壓制欺騙復(fù)合干擾信號的影響下，接收的復(fù)合干擾回波信號通過匹配濾波器后的信噪比只有3 dB左右，如果不經(jīng)過一定算法的對抗處理，將不能從干擾信號中檢測出目標(biāo)信號。

圖6　經(jīng)前一脈沖匹配濾波的時域波形

從圖6可以看到，與雷達(dá)接收回波信號直接匹配濾波的時域波形相比，由于和匹配濾波器失配，目標(biāo)信號和壓制性干擾成分有所減少，并且由于距離欺騙性干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)的是雷達(dá)前一脈沖間隔內(nèi)所發(fā)射的雷達(dá)信號，因此在匹配濾波過程中，脈沖壓縮增益有所提高，與目標(biāo)信號的的幅度大約在20 dB。為了對干擾信號施加限幅，削弱其信號強(qiáng)度，選擇合適的限幅門限很重要，結(jié)合圖形特點可知，限幅門限可選擇為15 dB，來對輸出χ1(t)信號中干擾信號的幅度加以懲罰。這樣不僅減弱了干擾信號的幅度，又很好的保留了所需要的目標(biāo)信號。之后再將限幅后的信號與前一脈沖逆匹配以及與當(dāng)前發(fā)射脈沖進(jìn)行匹配濾波，就可以恢復(fù)出信噪比高、成分較為完整的目標(biāo)回波信號。其復(fù)合式干擾抑制后的時域波形如圖7所示。

圖7　復(fù)合式干擾抑制后的時域波形

由圖7可知，經(jīng)過與當(dāng)前脈沖的匹配濾波后，脈沖壓縮后的主峰出現(xiàn)在500 μs處，目標(biāo)信號的脈壓增益得到很大的提升，復(fù)合干擾接收信號中，其它干擾信號的脈壓幅度被限定在-20 dB以下。經(jīng)過三次匹配濾波以及限幅處理后，距離欺騙性干擾信號和阻塞式干擾信號的增益都得到了有效的削減，與對抗前的匹配濾波圖形相比，信噪比提升20 dB以上，從而可以有效的檢測到雷達(dá)目標(biāo)信號。

5　結(jié)論

針對噪聲阻塞式干擾與距離假目標(biāo)復(fù)合干擾的情形，分別從它的干擾產(chǎn)生方式、干擾效能，干擾抑制方面做了詳細(xì)的研究，并給出了相應(yīng)的仿真波形。本文提出的基于相位擾動的復(fù)合干擾對抗算法優(yōu)點在于，附加擾動的相位和限幅處理減弱了距離假目標(biāo)信號的增益，而經(jīng)過三次匹配濾波的作用，同樣有效的削弱了大部分壓制性干擾的成分，從而實現(xiàn)了對雷達(dá)有源復(fù)合干擾良好對抗的目的。通過實驗仿真分析，可以看出復(fù)合干擾信號抑制后的波形較干擾抑制前的波形，信噪比提高了約25 dB，該算法另外一點好處是，在削弱壓制性干擾信號的同時，不限定干擾信號的類型，從而使得該算法具有良好的抗干擾移植性。

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An Algorithm Research For Restraining Active Additive Compound Jamming

Ren Pengchong ，Ye Guangqiang ，Liu Huawei

(Aeronautics And Astronautics Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an710038,China)

According to the restraining active additive compound jamming, traditional anti-jamming algorithm is difficult for balancing it with only restraining single jamming. Because of the feature of high noise power and hard deception, an algorithm for restraining active additive compound jamming based on phase-perturbed is studied. Based on the slope-varying LFM , the algorithm add a phase-perturbed to the pulse edge of front or back from the radar transmitting signal. Furthermore, a pulse match filter With the front pulse edge is used, then the results are given a “punish” and anti-match filter. The phase-perturbed and processing of amplitude limit weaken the signal gain of distance deception jamming, and also recede the signal gain of most blocking jamming under the three match filter. Finally, the echo signal can be restored from the previous pulse matched filter. The effectiveness of the phase perturbation anti-jamming algorithm was verified through the experimental simulation method. Compared with the traditional direct anti-jamming algorithm of matched filter, the signal-to-noise ratio of the received signal was improved about 25 dB.

blocking jamming；deception jamming；active compound jamming；simulation analysis

2015-08-27；

2015-08-31。

航空科學(xué)基金資助項目(20145596024)。

任鵬沖(1989-),男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事雷達(dá)電子對抗方向的研究。

葉廣強(qiáng)(1972-)，男，山東青島人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事雷達(dá)電子偵察方向的研究。

1671-4598(2016)01-0284-05DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.079

TN955

A