李尚生，付哲泉，李煒杰，鄒瀚鋒

(海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺　264001)

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箔條干擾回波信號頻域特性研究

李尚生，付哲泉，李煒杰，鄒瀚鋒

(海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺264001)

針對雷達(dá)內(nèi)場測試中由于模擬箔條云回波信號信息不完整造成的測試結(jié)果不能反映雷達(dá)實(shí)戰(zhàn)性能的問題，提出了考慮箔條錐動(dòng)的回波信號構(gòu)建方法。該方法綜合考慮箔條絲平動(dòng)與錐動(dòng)對頻譜的作用，得到單根箔條以及箔條云在不同波段、不同運(yùn)動(dòng)情況下的回波信號頻譜，總結(jié)了不同運(yùn)動(dòng)情況下的頻譜變化規(guī)律，研究結(jié)論對于建立更真實(shí)的模擬戰(zhàn)場環(huán)境、提高雷達(dá)目標(biāo)探測以及抗箔條干擾能力具有重要意義。

雷達(dá)；箔條干擾；回波信號；頻域特性；錐動(dòng)；平動(dòng)

0　引言

箔條干擾由于使用方便、造價(jià)低廉，經(jīng)過大半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)成為使用最廣泛的雷達(dá)無源干擾之一。箔條可以掩護(hù)飛機(jī)編隊(duì)突防，也可以保護(hù)艦艇免受導(dǎo)彈打擊。近代戰(zhàn)爭中的多次成功使用，證明箔條干擾在欺騙雷達(dá)、降低雷達(dá)目標(biāo)識別能力方面取得了很顯著的效果，圍繞箔條干擾展開的干擾與抗干擾研究顯得格外重要。同時(shí)，在雷達(dá)的研制與改進(jìn)過程中，對目標(biāo)的探測能力是雷達(dá)重要的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)之一。由于雷達(dá)的外場測試周期長、花費(fèi)高，往往通過信號模擬器來產(chǎn)生目標(biāo)回波信號和各種干擾信號以滿足測試?yán)走_(dá)抗干擾能力的要求。雷達(dá)一般可以通過對回波信號時(shí)域、頻域、極化域3方面特征的提取來區(qū)分箔條干擾與真實(shí)目標(biāo)[1-4]。因此，研究箔條云回波信號特征將對雷達(dá)識別目標(biāo)能力的提高提供有力的理論支持?，F(xiàn)有文獻(xiàn)已經(jīng)對箔條干擾回波信號的頻域特性有了廣泛研究，但一般只考慮箔條絲水平運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移和頻譜展寬，而忽略了箔條絲錐動(dòng)對頻譜的影響[5-8]。為了更全面地分析箔條干擾回波信號頻域特性的影響因素，本文提出了考慮錐動(dòng)的箔條干擾回波信號模型，并對不同情況下箔條干擾回波信號頻譜特征進(jìn)行了仿真分析。

1　箔條云回波信號模型的建立

一般認(rèn)為相對徑向速度的變化會引起頻移[9-13]。如果雷達(dá)與目標(biāo)相對速度服從一定的分布，回波信號的頻譜也會有一定的分布，所以箔條云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)會造成回波信號頻譜的變化。箔條彈在空中散開時(shí)，箔條絲在風(fēng)力和重力的作用下，水平和豎直方向速度隨時(shí)間變化，直到箔條絲達(dá)到受力平衡，變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)，簡稱“平動(dòng)”，此時(shí)箔條云為相對穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)箔條絲還繞某一固定軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，簡稱“錐動(dòng)”，由于存在平動(dòng)和錐動(dòng)，導(dǎo)致回波信號頻譜存在頻譜搬移與頻譜展寬現(xiàn)象。雷達(dá)可以根據(jù)回波信號的頻移和頻譜展寬來識別目標(biāo)和箔條干擾，因此研究箔條云雷達(dá)回波的頻移和頻譜展寬特性具有重要意義。下面分析箔條絲繞某一固定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的回波信號頻域特性。

圖1　箔條絲錐動(dòng)示意圖Fig.1　Sketch map of chaff cone rotary motion

ay,az)通過初始旋轉(zhuǎn)矩陣RInit得到，坐標(biāo)變換的對應(yīng)關(guān)系為

(1)

(2)

錐旋矩陣RC[9-10]表示為

(3)

(4)

將式(4)帶入式(3)，可以得到

(5)

則經(jīng)過時(shí)間t旋轉(zhuǎn)后的散射點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為rt=RCRInitr0，雷達(dá)與散射點(diǎn)的距離為

(6)

(7)

式中：v為箔條絲與雷達(dá)間的徑向運(yùn)動(dòng)速度。相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，v為正值；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，v為負(fù)值。

(8)

(9)

假設(shè)箔條云中箔條間距大于2倍發(fā)射信號波長，可以忽略箔條之間的互耦效應(yīng)[2]，則箔條云回波信號認(rèn)為是箔條絲各自回波的矢量疊加。

2　單根箔條回波信號頻域特征分析

2.1單根箔條在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的回波信號頻譜

圖2給出了單根箔條在以上3種情況下的頻譜仿真結(jié)果，可以看出，箔條絲的錐動(dòng)使得回波頻譜展寬，平動(dòng)則導(dǎo)致回波信號頻譜的搬移，搬移大小與理論計(jì)算結(jié)果fd=2f|v|/c相對應(yīng)；第3張圖與第1張相比，頻譜中心由0 Hz搬移到1 000 Hz，搬移的產(chǎn)生是因?yàn)槠絼?dòng)的影響，搬移大小與平動(dòng)速度對應(yīng)，兩張圖片譜線分布特征完全相同，說明單一平動(dòng)速度時(shí)，平動(dòng)只造成頻譜搬移，不影響頻譜寬度，與回波信號模型的理論結(jié)果一致。因此對單根箔條絲而言，平動(dòng)和錐動(dòng)產(chǎn)生的綜合效果為2種運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生效果的疊加。

圖2　單根箔條在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的回波信號頻譜Fig.2　Echo signal spectrum of single chaff in different motion states

2.2單根箔條在不同加速度平動(dòng)下的回波信號頻譜

假設(shè)箔條絲位于雷達(dá)坐標(biāo)系中(5 000,0,0)處，發(fā)射信號頻率f=15 GHz，箔條絲長度為半波長l=λ/2=0.01 m，長細(xì)比為100。箔條初始位置由中心在原點(diǎn)，垂直于Oxy平面，然后分別繞x，y，z軸旋轉(zhuǎn)30°，45°，60°得到。分析單根箔條在以下3種平動(dòng)情況下的回波信號頻譜特征：①vx=10+0.1t；②vx=10+0.5t；③vx=10+t(單位為m/s)。

圖3給出了單根箔條在不同加速度平動(dòng)下的頻譜仿真結(jié)果，對比3張圖片可以發(fā)現(xiàn)，隨著加速度的不斷增大，回波信號頻譜越來越寬，幅度越來越小。

圖3　單根箔條在不同加速度平動(dòng)下的回波信號頻譜Fig.3　Echo signal spectrum of single chaff under different translational accelerations

3　箔條云回波信號頻域特征分析

3.1箔條云在不同錐動(dòng)角速度下的回波信號頻譜

圖4為2種錐旋角速度下的箔條云回波信號頻譜仿真結(jié)果，由圖4可以看出，對同一箔條云而言，發(fā)射信號頻率固定，隨著箔條絲錐旋角速度的增大，箔條云回波信號頻譜展寬越寬。

圖4　f=15 GHz時(shí)箔條云在不同錐旋角速度下的回波信號頻譜Fig.4　Echo signal spectrum of chaff cloud at different cone rotary motion angular speeds when f=15 GHz

圖5為發(fā)射信號頻率為20 GHz、錐旋角速度為9π時(shí)的箔條云回波信號頻譜仿真結(jié)果。與圖4對比可以看出，相同錐旋角速度下，隨著發(fā)射信號頻率變大，回波信號頻譜更寬。與圖3結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，錐動(dòng)造成的頻譜展寬與風(fēng)速變化造成的頻譜展寬相比要小得多。

圖5　f=20 GHz時(shí)箔條云回波信號頻譜Fig.5　Echo signal spectrum of chaff cloud when f=20 GHz

3.2箔條云在不同風(fēng)速情況下的回波信號頻譜

仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，vx=10時(shí)，回波信號中心頻率為1 000 Hz，與速度對應(yīng)，此時(shí)頻譜展寬由均勻分布的錐旋角速度造成；當(dāng)風(fēng)速變?yōu)榫鶆蚍植紩r(shí)，頻譜寬度依然與速度大小對應(yīng)，頻譜展寬主要由均勻分布的風(fēng)速產(chǎn)生，并且隨著速度分布范圍的增大，回波信號頻譜展寬，幅度變小，此時(shí)錐動(dòng)造成的頻譜展寬仍遠(yuǎn)小于風(fēng)速均勻分布造成的頻譜展寬。

圖6　半波長箔條云在不同風(fēng)速情況下的回波信號頻譜Fig.6　Echo signal spectrum of half wavelength chaff cloud in different wind conditions

下面以L波段的雷達(dá)為例，分析其對應(yīng)的半波長箔條云回波信號頻譜特性。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號頻率為f=1 GHz，箔條云由發(fā)射信號頻率f=0.8，1，1.2 GHz對應(yīng)的半波長箔條各1/3構(gòu)成，其他條件不變，得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　L波段半波長箔條云在不同風(fēng)速情況下的回波信號頻譜Fig.7　Echo signal spectrum of L-band half wavelength chaff cloud in different wind conditions

由圖7可以看出，回波信號頻譜中心頻率仍然與風(fēng)速的大小對應(yīng)，但此時(shí)錐動(dòng)造成的頻譜展寬幅度相比于Ku波段雷達(dá)信號變得更大。得到結(jié)論為：波長越長，回波信號頻譜中錐動(dòng)造成的頻譜展寬越明顯。

4　結(jié)束語

對不同波段的相參體制雷達(dá)，本文建立考慮箔條錐動(dòng)的回波信號模型，分析單根箔條以及箔條云的回波信號頻譜特征，得到不同環(huán)境下頻譜變化規(guī)律。結(jié)果表明，對單根箔條而言，錐動(dòng)造成回波信號頻譜展寬，平動(dòng)使得頻譜搬移，當(dāng)平動(dòng)對應(yīng)風(fēng)速服從均勻分布時(shí)，頻譜也對應(yīng)一定的寬度。對空間均勻分布箔條云而言，隨著箔條錐旋角速度的增大，回波信號頻譜變寬；隨著平動(dòng)風(fēng)速的逐漸變大，頻譜搬移值也隨之變大；風(fēng)速均勻分布的范圍增大，頻譜也相應(yīng)展寬。風(fēng)速造成的頻譜展寬與錐動(dòng)造成的頻譜展寬相比要大，隨著發(fā)射信號頻率的降低，差距變小，對L波段雷達(dá)而言，兩者造成的頻譜展寬可以相互比擬。以上結(jié)論對雷達(dá)有效識別箔條假目標(biāo)，提高雷達(dá)識別目標(biāo)能力有一定的借鑒意義。同時(shí)，利用上述結(jié)論可以得出不同頻率、不同風(fēng)速條件下的箔條云雷達(dá)回波頻譜特征，為在內(nèi)場建立不同自然條件下對不同頻率雷達(dá)的模擬箔條干擾環(huán)境，進(jìn)而測試?yán)走_(dá)在各種條件下的抗干擾性能奠定基礎(chǔ)。

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Frequency Characteristics of Chaff Echo Signal

LI Shang-sheng，F(xiàn)U Zhe-quan，LI Wei-jie，ZOU Han-feng

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Electronics and Information Engineering Department,Shandong Yantai 264001, China)

In the infield test of radar, according to the problem that the incomplete information of the simulation of chaff cloud echo signal caused by test results cannot reflect the performance of radar practical problems, a new echo signal construction method is put forward. By considering the effect the chaff translation and cone rotary motion upon spectrum, this method gets echo signal chaff and chaff cloud in different bands and different motion. Then, the spectral variation rules of different motion are summed up. The conclusion of the study is of great significance for the establishment of a more realistic simulation of battlefield environment and improving radar target detection and anti chaff jamming ability.

radar；chaff jamming；echo signal；frequency characteristics；cone rotary motion；translation

2015-06-25；

2015-09-20

李尚生(1965-)，男，山東平陰人。教授，碩士，主要從事雷達(dá)探測技術(shù)研究。

通信地址：264001山東省煙臺市芝罘區(qū)二馬路188號海軍航空工程學(xué)院401教研室E-mail：liss1965@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.04.007

TN972+.41

A

1009-086X(2016)-04-0037-06