諶詩(shī)娃，周青松，張劍云，魏 民

(電子工程學(xué)院 502教研室,合肥 230037)

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對(duì)STAP處理器的投散射式偽雜波干擾技術(shù)

諶詩(shī)娃，周青松，張劍云，魏 民

(電子工程學(xué)院 502教研室,合肥 230037)

具有空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)(STAP)的機(jī)載雷達(dá)從空時(shí)二維聯(lián)合域處理信號(hào)，而傳統(tǒng)干擾方法因信號(hào)維度單一性很難產(chǎn)生有效干擾效果。文中針對(duì)STAP處理器抗干擾特性，提出一種具有空時(shí)二維特性的投散射式偽雜波干擾新技術(shù)，根據(jù)多普勒頻率對(duì)方位的依從關(guān)系，向地面投射干擾信號(hào)，利用地面散射特性產(chǎn)生與地雜波特性相似的偽雜波干擾信號(hào)。分析了該干擾信號(hào)的空時(shí)矢量模型，研究了干擾信號(hào)二維功率譜的軌跡可控性問題。該干擾信號(hào)在空時(shí)二維空間上呈現(xiàn)不與雜波軌跡重合的刀背式分布，多普勒軌跡可控，能控制干擾信號(hào)的二維功率譜始終覆蓋在被保護(hù)目標(biāo)上。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：處理器改善因子降低，雜波譜畸變，證明了該干擾方法的有效性。

投散射；雜波；空時(shí)矢量；多普勒

0 引 言

空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)(STAP)具有卓越的雜波抑制能力和抗干擾能力[1-3]，近年來逐漸被廣泛地應(yīng)用于各類民/軍用機(jī)載和星載雷達(dá)中。隨著STAP技術(shù)日益成熟，傳統(tǒng)的干擾方法很難對(duì)STAP起到較為明顯的干擾作用[4-6]，而專門針對(duì)STAP處理器的有效干擾方法還未在國(guó)內(nèi)外公開文獻(xiàn)中提出，所以對(duì)STAP的干擾技術(shù)研究顯得尤為重要。

STAP處理器是通過空-時(shí)二維濾波器抑制雜波和干擾信號(hào)，雜波在多普勒域和方位域上都是連續(xù)分布的[7-8]，傳統(tǒng)的干擾方法因?yàn)榭臻g上的離散性使干擾信號(hào)很容易與雜波區(qū)分開來，通過空間零陷技術(shù)就能有效抑制干擾信號(hào)[1-2]。通過研究分析STAP處理器中的雜波空時(shí)矢量特性，依托地(海)雜波為原型[9]，本文提出了一種不同于傳統(tǒng)干擾技術(shù)的針對(duì)STAP處理器的投散射式偽雜波新型干擾技術(shù)。通過干擾機(jī)向地面(海面)投射干擾信號(hào)，散射的干擾信號(hào)具有類似于雜波的特性，多普勒頻率服從方位依從性，在空-時(shí)二維空間上會(huì)形成不與雜波(MV)譜重合的背脊線，這樣的干擾信號(hào)不僅不會(huì)被雷達(dá)通過空間零陷技術(shù)進(jìn)行抑制，還能有效地隱藏干擾機(jī)的方位信息。通過控制數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)調(diào)制的多普勒頻率，能夠使干擾信號(hào)的MV譜有效覆蓋被保護(hù)目標(biāo)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)推導(dǎo)結(jié)果相一致，證明該干擾方法是有效可行的。

1 STAP處理器雜波抑制原理

圖1為均勻側(cè)視陣?yán)走_(dá)空時(shí)二維濾波抑制雜波原理示意圖[10]。從圖中可以看到，將雜波投影到多普勒軸上并取逆獲得的濾波器為最優(yōu)時(shí)間雜波濾波器；將雜波投影到方位軸上并取逆獲得的濾波器為最優(yōu)空間濾波器。這兩類濾波器均為一維濾波，濾波器的阻帶由發(fā)射波束寬度決定，具有很寬的阻帶，探測(cè)慢速目標(biāo)難度較大。圖1左下角圖示了空-時(shí)二維最優(yōu)濾波器發(fā)射特征的橫切部分，它工作在整個(gè)fD-φ平面上。平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)引起雜波多普勒頻率對(duì)方位的依從性，使雜波譜沿著整個(gè)方位-多普勒平面擴(kuò)展?？?時(shí)雜波濾波器工作在fD-φ平面上，雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)對(duì)于接收機(jī)抑制雜波沒有帶來影響。且濾波器沿雜波軌跡形成非常窄的凹槽，即使是慢速目標(biāo)也能落入通帶被探測(cè)到。

圖1 空-時(shí)雜波濾波原理圖側(cè)視陣

空-時(shí)最優(yōu)雜波濾波器本質(zhì)上其實(shí)就是空-時(shí)雜波譜的逆[7]，即

ωopt=γR-1s

(1)

其中，

R=Rc+Rj+Rn=E{(c+j+n)(c+j+n)H}

是協(xié)方差矩陣。

式中：Rc,Rj,Rn分別為雜波、干擾和噪聲協(xié)方差矩陣。Rc的元素為

L(φ)Φ(fd,m)Ψ(fs,n)dφ×

L(φ)Φ(fd,q)Ψ(fs,pdφ)]H}

(2)

其中，下標(biāo)l,k與陣元數(shù)目和回波脈沖數(shù)的關(guān)系為

(3)

一般通過改善因子判斷處理器的效率，改善因子由下式給出

(4)

式中：φt是雷達(dá)觀測(cè)方向；fd是目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻率。

2 STAP處理器的投散射式偽雜波干擾原理

STAP處理器的投散射偽雜波干擾方法是將經(jīng)過DRFM調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)的具有多普勒信息的雷達(dá)信號(hào)向地面(或海面)投射，利用其產(chǎn)生的散射波對(duì)具有STAP技術(shù)的雷達(dá)進(jìn)行干擾。經(jīng)過地面散射后的干擾信號(hào)的多普勒頻率服從方位依從性，這種特性與地(海)雜波特性一致，因此，該干擾信號(hào)會(huì)產(chǎn)生類似雜波的譜軌跡，產(chǎn)生的雜波軌跡更接近于雙基地STAP雷達(dá)[11-12]。由于干擾機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多普勒信息及DRFM調(diào)制使干擾信號(hào)多普勒軌跡可控，所以干擾信號(hào)的多普勒軌跡雖類似于雜波，卻不會(huì)與雷達(dá)本身的雜波軌跡相重合。

STAP處理器抑制雜波的本質(zhì)是雜波譜的逆，而干擾信號(hào)具有類似雜波的性質(zhì)，所以STAP處理器不僅會(huì)在雜波多普勒-方位軌跡線上出現(xiàn)凹口，也會(huì)在干擾信號(hào)多普勒-方位軌跡上出現(xiàn)凹口。干擾信號(hào)的多普勒頻率可以通過DRFM調(diào)制改變，通過控制多普勒頻率使干擾信號(hào)多普勒軌跡覆蓋被保護(hù)目標(biāo)時(shí)，則很有可能被STAP處理器濾除，這樣就達(dá)到了干擾雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的目的，以上就是對(duì)STAP投散射式偽雜波干擾的機(jī)理。下面具體推導(dǎo)該干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。

2.1 投散射式偽雜波干擾信號(hào)模型

雷達(dá)和干擾機(jī)的幾何配置如圖2所示。雷達(dá)R在距離地面高度HR的上空以速度vR沿著x軸方向飛行，干擾機(jī)J在距離地面高度HJ的上空以速度vJ飛行，飛行方向與x軸的夾角為δJ，干擾機(jī)到雷達(dá)的俯仰角為θJR。地面(海面)的P點(diǎn)到雷達(dá)的水平投影距離為RRP，到干擾機(jī)的水平投影距離為RJP，干擾機(jī)與雷達(dá)的水平投影距離為RJR。

圖2 雷達(dá)和干擾機(jī)的幾何配置圖

設(shè)雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)為

s(t)=Re[Aexp(jωct)]

(5)

考慮到雷達(dá)平臺(tái)與干擾機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，干擾機(jī)接收到的雷達(dá)信號(hào)為

srj(t)=GR(θJRexp[jωc(t-τ0)]×

(6)

經(jīng)過DRFM技術(shù)處理，干擾機(jī)將調(diào)制過的雷達(dá)信號(hào)向地面投射，利用地面散射波對(duì)雷達(dá)進(jìn)行干擾。對(duì)于單一距離單元，下面分析干擾信號(hào)模型。

考慮雷達(dá)和干擾機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，干擾機(jī)到地面P點(diǎn)以及地面P點(diǎn)到雷達(dá)的距離是隨時(shí)間變化的

R2w[t-τ(t)]=R2w-[vRcosφRcosθR+

vJcos(φJ(rèn)-δJ)cosθJ+2vJJ]·[t-τ(t)]

(7)

式中：2vJJ是干擾機(jī)自身調(diào)制產(chǎn)生的虛假多普勒速率。可以推出，干擾單一雜波模塊的多普勒頻率為

vRcosαJR-vJcosθJR+2vJJ)]

(8)

式中：cosαJR=cosδJcosθJR。干擾機(jī)產(chǎn)生的單一雜波模塊的時(shí)間相位項(xiàng)和空間相位項(xiàng)分別為

vJcos(φJ(rèn)-δJ)cosθJ+vRcosαJR-

vJcosθJR+2vJJ)mT]

m=1,2,…,M

zisinθR]

k=1,2,…,N

(9)

加上傳感器方向圖D(φR)，陣列方向圖G(φR,m)，地面反射率L(φR)，那么在第m個(gè)時(shí)刻第k個(gè)傳感器對(duì)于一個(gè)距離單元，可以得到總的干擾雜波模塊

Φjm(vR,vJ,φR)Ψjk(φR)dφR

(10)

第m個(gè)時(shí)刻的方向圖定義為

G(φ)=b(φ)*b(φt)

(11)

式中：φt是雷達(dá)觀測(cè)方向；b(φ)是波束形成器矢量。

k=1,2,…,N

(12)

2.2 投散射式干擾雜波軌跡可控性分析

投散射式干擾方法的一大優(yōu)點(diǎn)是不僅僅能產(chǎn)生具有地(海)雜波性質(zhì)的干擾雜波，在fd-cosφ平面上產(chǎn)生類似于地(海)雜波的背脊線，而且能通過控制DRFM調(diào)制多普勒頻率，改變干擾信號(hào)的背脊線的分布，使干擾信號(hào)有效地覆蓋被保護(hù)目標(biāo)。當(dāng)STAP處理器通過二維自適應(yīng)濾波器將干擾信號(hào)連同雜波一并濾除時(shí)，被保護(hù)目標(biāo)也會(huì)因?yàn)楸谎蜎]在干擾信號(hào)中而被STAP處理器濾除。這樣，就達(dá)到了掩護(hù)目標(biāo)，破壞STAP處理器性能的作用。下面具體分析干擾雜波軌跡的可控性。

為了保證干擾機(jī)調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)的雷達(dá)信號(hào)足夠純凈，需將干擾機(jī)布置在雷達(dá)的主瓣波束下方接收雷達(dá)信號(hào)，被保護(hù)目標(biāo)在干擾機(jī)主瓣下方，簡(jiǎn)單的幾何布局結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雷達(dá)、干擾無人機(jī)與被保護(hù)目標(biāo)的幾何配置

式(8)表明，投散射式偽雜波干擾方式產(chǎn)生的干擾信號(hào)的多普勒軌跡與雜波多普勒軌跡類似，即干擾信號(hào)的多普勒頻率與方位成準(zhǔn)線性依從的關(guān)系。若希望干擾信號(hào)在STAP處理器空域-多普勒域二維聯(lián)合域上的背脊線能夠覆蓋被保護(hù)目標(biāo)，首先，方位上要滿足覆蓋關(guān)系，即如圖3中所示，干擾機(jī)的主瓣照射在被保護(hù)目標(biāo)上，這作為方位條件；其次，干擾信號(hào)多普勒頻率與被保護(hù)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的多普勒頻率都要滿足覆蓋關(guān)系，這作為多普勒條件。當(dāng)這兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，干擾信號(hào)在STAP處理器上能有效覆蓋被保護(hù)目標(biāo)。

設(shè)被保護(hù)目標(biāo)的方位角與俯仰角以及干擾機(jī)主瓣中心照射方向都一致，即φT=φJ(rèn),θT=θJ。設(shè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度為vT,與水平方向的夾角為δT；干擾機(jī)的飛行速度為vJ，與水平方向的夾角為δT，則目標(biāo)對(duì)應(yīng)的多普勒頻率為

(13)

那么在目標(biāo)位置(φT,θT)對(duì)應(yīng)的干擾信號(hào)多普勒為

vRcosαJR-vJcosθJR+2vJJ]

(14)

以式(14)可以看出，投散射式干擾雜波信號(hào)對(duì)應(yīng)的多普勒頻率實(shí)際上由兩部分構(gòu)成：一是由雷達(dá)和干擾機(jī)的飛行速度和相對(duì)位置決定的多普勒頻率，這部分頻率是不可控的，即

vRcosαJR-vJcosθJR)

(15)

fdj2≈fd(φT,θT)-fdj1(φT,θT)=

vJcos(φT-δJ)cos(θT-vRcosαJR+vJ)

(16)

從式(16)可以看出，對(duì)fdj2的估計(jì)需要知道雷達(dá)、干擾機(jī)和被保護(hù)目標(biāo)的方位和速度。干擾機(jī)和目標(biāo)的方位和速度均屬于我方情報(bào)資源，所以能夠得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而雷達(dá)平臺(tái)的飛行速度可以通過對(duì)機(jī)型的估計(jì)來預(yù)測(cè)大致飛行速度。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果及分析

通過仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)載雷達(dá)在收到投散射式干擾的情況下呈現(xiàn)的雜波譜發(fā)生了很大的變化，STAP處理器的性能明顯降低，與上文的推導(dǎo)分析結(jié)果一致。

圖4是仿真機(jī)載雷達(dá)在無干擾條件下和受到本文提出的投散射式干擾條件下的雜波二維MV譜比較。從圖4顯示的仿真結(jié)果中可以看到STAP受到單架投干擾機(jī)干擾的情況下，其雜波MV譜比無干擾環(huán)境下的雜波MV譜多了一條不與地(海)雜波相重合的背脊線，當(dāng)被保護(hù)目標(biāo)落在這條背脊線中時(shí)，就能有效掩護(hù)目標(biāo)，這與上述的數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)結(jié)果相符合，說明了針對(duì)STAP的投散射式干擾的有效性。

圖4 STAP最優(yōu)處理器雜波MV譜

圖5比較了三種典型STAP處理器改善因子的變化情況。圖5a)是OAP在無干擾環(huán)境下的改善因子曲線，圖5b)～圖5d)是具有相同陣元數(shù)和脈沖數(shù)的OAP、SAS和AEP處理器在受到投散射式干擾的情況下的改善因子曲線?？梢钥吹?，在干擾環(huán)境下，以上三種典型STAP處理的改善因子不僅在雜波多普勒頻率附近有凹口，而且在干擾多普勒頻率處也會(huì)出現(xiàn)凹口，改善因子曲線發(fā)生了變形，從干擾的角度看，這是一種我們期望看到的現(xiàn)象，因?yàn)楦纳埔蜃拥陌伎谠蕉?，說明STAP處理器的性能越差，且落入凹口的信號(hào)會(huì)被STAP處理器濾除，那么機(jī)載雷達(dá)就無法探測(cè)到我們的目標(biāo)。

圖5 三種典型STAP處理器的IF曲線

4 結(jié)束語

本文通過研究分析空時(shí)地(海)雜波矢量模型特征，提出了一種針對(duì)STAP處理器的投散射式偽雜波干擾方法，分析了干擾信號(hào)的空時(shí)矢量數(shù)學(xué)模型，討論了干擾信號(hào)MV譜如何有效覆蓋被保護(hù)目標(biāo)的可控性問題，通過比較三種典型STAP處理器在無干擾環(huán)境和受到投散射式干擾環(huán)境下改善因子的變化情況，來驗(yàn)證這種干擾方法的有效性。投散射式干擾方法的提出，為后續(xù)針對(duì)STAP處理器多元信號(hào)形式下投散射式干擾方法的研究開辟了新的路徑，提供了理論分析基礎(chǔ)。

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諶詩(shī)娃 女，1990年生，碩士研究生。研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)處理，STAP雷達(dá)信號(hào)處理。

周青松 男，1982年出生，博士，研究方向?yàn)楦咚贁?shù)字信號(hào)處理和凸優(yōu)化理論。

張劍云 男，1963年出生，博士生導(dǎo)師，中國(guó)電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，雷達(dá)分委會(huì)委員，IEEE會(huì)員，研究方向?yàn)槔走_(dá)及目標(biāo)環(huán)境模擬，雷達(dá)信號(hào)處理，高速信號(hào)處理。

魏 民 男，1993年出生，碩士研究生。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理，空時(shí)信號(hào)處理。

A Study on the Scattered Wave Fake Clutter Jamming Method for Space-time Adaptive Processing

CHEN Shiwa，ZHOU Qingsong，ZHANG Jianyun，WEI Ming

(502 Laboratory,Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China)

The airborne radar equipted with space-time adaptive processing technology processing signals in two dimensional space-time domain,it is difficult to be disturbed by traditional jamming method with single dimension signal.Contraposing the anti-jamming feature of STAP,a kind of noval scattered wave jamming method for airborne radar within space-time adaptive processing technology is proposed in this paper.According to the compliance relationship between Doppler frequency and azimuth,the fake clutter jamming signal is generated by utilizing the scattered character of the ground.The jamming signal space-time vector model is analyzed and the minimum variance power spectrum controllability of jamming signal is discussed.The scattered wave jamming signal presents blade distribution and doesen't coincide with clutter in two dimensional space.The Doppler trace can be modified by computer to cover the target.Thus,radar would be interfered as well as the target and jammer would be protected.The simulation results show that the improvement factor is decreased and the clutter spectrum is distorted,which proves that the jamming method is valid.

scatter; clutter; space-time vector; Doppler

??對(duì)抗·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.019

諶詩(shī)娃 Email：422322492@qq.com

2016-07-26

2016-09-13

TN97

A

1004-7859(2016)10-0083-05