胡祺勇, 謝軍偉, 張浩為, 張昭建, 盛 川

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安 710051)

0 引言

基于數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是一種被廣泛使用的干擾方式[1-3],由于與雷達(dá)接收機(jī)特性相干,干擾信號(hào)可以獲得大的匹配壓縮增益,產(chǎn)生逼真的假目標(biāo)欺騙干擾[4-5],造成雷達(dá)錯(cuò)誤跟蹤假目標(biāo),跟蹤斷續(xù)甚至無法發(fā)現(xiàn)真實(shí)目標(biāo)。

目前,針對(duì)此類干擾的對(duì)抗方法多從發(fā)射端和接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,如頻率分集(FDA)[6-7]、波形設(shè)計(jì)[8-10]、高階譜分析[11-12]等,取得了一定效果,但都存在技術(shù)復(fù)雜的缺陷。

針對(duì)以上問題,文中以彈載干擾機(jī)為研究對(duì)象,提出了基于掩護(hù)雷達(dá)抗有源轉(zhuǎn)發(fā)干擾的方法。利用高功率掩護(hù)信號(hào)對(duì)低功率探測(cè)信號(hào)的增益壓制作用,減弱進(jìn)入探測(cè)雷達(dá)接收機(jī)干擾功率。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合信號(hào)模型和功率模型,對(duì)該方法的抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾效果進(jìn)行了分析。通過電路實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了增益壓制效應(yīng);通過仿真分析,證明了該方法可有效抑制有源轉(zhuǎn)發(fā)式干擾,顯著提高雷達(dá)作用距離。

1 干擾對(duì)抗原理

1.1 干擾機(jī)功放特性

考慮到彈載干擾機(jī)的重量、體積由于受到嚴(yán)格限制,作出如下假設(shè):

1)為獲得最大的干擾輸出功率,干擾機(jī)工作在飽和發(fā)射狀態(tài)[13];

2)干擾機(jī)不對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的分選識(shí)別,而是依據(jù)功率原則對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)。

設(shè)有恒功率放大器:飽和輸入信號(hào)電壓為VT,飽和輸出功率為PO;信號(hào)s0(t):頻率為f0,幅度為A0;信號(hào)sc(t):頻率為fc,幅度Ac,兩信號(hào)頻率均在放大器工作帶寬內(nèi),且VT

若只有s0(t)輸入,則對(duì)信號(hào)s0(t)的輸出功率為PO;若sc(t)和s0(t)同時(shí)輸入,對(duì)s0(t)的輸出功率將小于PO,輸出功率值與k有關(guān)。這是因?yàn)樵陲柡蜖顟B(tài)下,sc(t)的高功率使得自動(dòng)增益控制(AGC)電路壓低了對(duì)信號(hào)的增益,因而s0(t)的輸出功率有所降低,稱之為增益壓制效應(yīng)。

因此,可以利用掩護(hù)信號(hào)sc(t)對(duì)探測(cè)信號(hào)s0(t)進(jìn)行掩護(hù),減小干擾機(jī)對(duì)探測(cè)雷達(dá)的干擾效果。

1.2 干擾功率模型

為使回波功率最大,探測(cè)雷達(dá)天線會(huì)始終對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)彈方向,而在在掩護(hù)雷達(dá)作用下,干擾機(jī)波束中心對(duì)準(zhǔn)掩護(hù)雷達(dá)天線。

探測(cè)雷達(dá)接收到的導(dǎo)彈回波功率為:

(1)

式中:P1為雷達(dá)發(fā)射機(jī)峰值功率;Gt1、Gr1為雷達(dá)發(fā)射、接收天線最大增益;λ1為工作波長(zhǎng);σ1為導(dǎo)彈的RCS;D1為雷達(dá)抗干擾改善因子;Ft1、Fr1為雷達(dá)天線方向圖發(fā)射、接收傳輸因子;R1為導(dǎo)彈與雷達(dá)距離;Lrj1為雷達(dá)波到目標(biāo)的單程傳輸損耗;Lt1、Lr1為雷達(dá)發(fā)射、接收綜合損耗。

設(shè)掩護(hù)雷達(dá)作用下的功率壓制系數(shù)為ε,則探測(cè)雷達(dá)收到的轉(zhuǎn)發(fā)干擾功率為:

(2)

由于掩護(hù)功率較大,因此有必要考慮掩護(hù)信號(hào)回波進(jìn)入到探測(cè)雷達(dá)的情況。探測(cè)雷達(dá)對(duì)散射的掩護(hù)信號(hào)的接收功率為:

(3)

式中:P2為雷達(dá)發(fā)射機(jī)峰值功率;Gt2為雷達(dá)發(fā)射天線最大增益;λ2為工作波長(zhǎng);R2為導(dǎo)彈與雷達(dá)的距離;γj2為極化失配損失。

干擾機(jī)對(duì)探測(cè)雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)的掩護(hù)信號(hào)功率為:

(4)

設(shè)天線方向圖為高斯型,則發(fā)射傳輸因子為:

(5)

式中θ0為波束寬度。

沒有掩護(hù)雷達(dá)作用時(shí),彈載干擾機(jī)天線主瓣對(duì)準(zhǔn)探測(cè)雷達(dá)波束主瓣,此時(shí)干擾機(jī)對(duì)探測(cè)雷達(dá)的轉(zhuǎn)發(fā)功率達(dá)到飽和輸出功率Pj。

探測(cè)雷達(dá)接收導(dǎo)彈回波功率為:

(6)

式中σ1為導(dǎo)彈雷達(dá)反射截面積。

接收機(jī)接收的轉(zhuǎn)發(fā)干擾功率為:

(7)

1.3 轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理

ISDR干擾是指干擾機(jī)采樣到一段信號(hào)經(jīng)過放大后,馬上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),再采樣、放大、轉(zhuǎn)發(fā),采樣和轉(zhuǎn)發(fā)交替分時(shí)工作,直至雷達(dá)信號(hào)結(jié)束。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]的分析,選擇LFM信號(hào)作為探測(cè)信號(hào),單載頻連續(xù)波信號(hào)作為掩護(hù)信號(hào)。設(shè)探測(cè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)起始頻率為f1,脈寬為T,調(diào)頻帶寬為B,則調(diào)頻斜率為μ=B/T,信號(hào)可表示為:

(8)

接收機(jī)的脈沖響應(yīng)函數(shù)為h(t),根據(jù)匹配濾波理論,h(t)為發(fā)射信號(hào)的復(fù)共軛。

(9)

式中:k為濾波器的增益常數(shù),取為1;t0為物理可實(shí)現(xiàn)延遲時(shí)間,基于觀測(cè)時(shí)間最小準(zhǔn)則,t0取為脈寬T。

目標(biāo)的回波信號(hào)通過脈沖壓縮的輸出信號(hào)為:

ys(t)=s1(t)?h(t)=

(10)

式中:t′=t-T,γ=πBt′(1-|t′|/T)。

即匹配濾波后的輸出信號(hào)是固定單載頻信號(hào),載頻是原LFM信號(hào)的中心頻率。

設(shè)間歇采樣函數(shù)是一個(gè)矩形包絡(luò)脈沖串,記為p(t),脈寬為τ,重復(fù)周期為Ts,則:

(11)

采樣過程可表示為:

xs(t)=p(t)·s1(t)

(12)

干擾機(jī)收發(fā)分時(shí)工作,轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)會(huì)延遲回波信號(hào)至少一個(gè)采樣脈寬,因此轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)形式為:

(13)

式中：N為采樣段數(shù),為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)N=T/Ts。

回波信號(hào)和干擾信號(hào)的脈壓輸出為:

y1(t)=(s1(t)+xs(t))?h(t)

(14)

整理得到:

(15)

由式(10)、式(15)可知,回波信號(hào)和干擾信號(hào)經(jīng)過匹配濾波后的輸出信號(hào)為中心頻率在f1+B/2上的單頻振蕩,輸出中包含真實(shí)目標(biāo)和多個(gè)假目標(biāo),主假目標(biāo)的幅度為真實(shí)目標(biāo)的τ/Ts,且比真實(shí)目標(biāo)滯后一個(gè)采樣脈寬τ。

設(shè)掩護(hù)雷達(dá)信號(hào)頻率為f2,則掩護(hù)信號(hào)為:

s2(t)=cos2πf2t

(16)

掩護(hù)信號(hào)通過探測(cè)雷達(dá)的接收機(jī)后,輸出為:

yc(t)=s2(t)?h(t)

(17)

干擾機(jī)對(duì)掩護(hù)雷達(dá)信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)干擾形式為:

(18)

該干擾通過探測(cè)雷達(dá)的脈沖壓縮后輸出為:

yjc(t)=sjc(t)?h(t)

(19)

2 抗干擾性能分析

不考慮噪聲影響,在沒有掩護(hù)雷達(dá)作用時(shí),通過匹配接收機(jī)的信號(hào)主要有目標(biāo)回波信號(hào)和轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào),接收機(jī)輸出為:

(20)

有掩護(hù)雷達(dá)作用時(shí),接收機(jī)輸出為:

yO2(t)=

(A2s1(t)+B2xs(t)+Csjc(t)+Ds2(t))?h(t)=

A2ys(t)+B2yj(t)+Cyjc(t)+Dyc(t)

(21)

分析式(20)、式(21)可知,接收機(jī)輸出與導(dǎo)彈和探測(cè)雷達(dá)之間的距離密切相關(guān)。干擾機(jī)對(duì)探測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)功率和探測(cè)信號(hào)的回波功率隨著距離的增大而減小。此外,掩護(hù)信號(hào)與接收機(jī)特性不相干而輸出功率很低,因此不影響對(duì)真實(shí)目標(biāo)的判斷。

3 仿真分析

設(shè)探測(cè)雷達(dá)為某X波段的LFM脈沖壓縮雷達(dá),相關(guān)參數(shù)設(shè)定為:P1=100 kw,Gt1=Gr1=40 dB,λ1=0.037 5 m,f1=8 GHz,B=10 MHz,T=200 μs,σ1=0.05 m2,σ2=0.01 m2。掩護(hù)雷達(dá)為連續(xù)波雷達(dá),參數(shù)設(shè)為:P2=500 kw,Gt2=40 dB,λ2=0.038 5 m,f2=7.8 GHz。彈載干擾機(jī)為恒功率轉(zhuǎn)發(fā),參數(shù)為:Pj=0.5 w,Gj=13 dB,θ0=20°,fs=100 MHz,采樣周期Tr=10 μs。其他參數(shù):ε=100,γj1=0.9,γj2=0.8,D1=1,不計(jì)雷達(dá)和干擾機(jī)的收發(fā)綜合損耗、信號(hào)的傳輸損耗。

圖1給出了進(jìn)入接收機(jī)信號(hào)的功率與距離的關(guān)系。可以看出,隨著距離的增大,進(jìn)入接收機(jī)的探測(cè)信號(hào)回波功率和探測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功率都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),在相同距離處,無掩護(hù)時(shí)的探測(cè)信號(hào)回波功率略小于有掩護(hù)時(shí)的探測(cè)信號(hào)回波功率,干擾機(jī)的探測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功率則與此相反。增設(shè)掩護(hù)雷達(dá)前后,干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)等功率點(diǎn)分別在0.29 km和37.28 km,說明該方法有效擴(kuò)展了雷達(dá)的探測(cè)距離。

圖1 功率隨距離的變化

圖2給出了無掩護(hù)雷達(dá)時(shí),在不同距離及采樣時(shí)寬下接收機(jī)輸出結(jié)果?？梢钥闯?真實(shí)目標(biāo)出現(xiàn)在200 μs處,主假目標(biāo)相對(duì)真目標(biāo)延遲一個(gè)采樣時(shí)寬,后者幾乎淹沒在假目標(biāo)中。這說明在無掩護(hù)雷達(dá)作用情況下,干擾機(jī)只需要較低的發(fā)射能量,就能對(duì)探測(cè)雷達(dá)取得較好的干擾效果。

圖3給出了有掩護(hù)雷達(dá)作用的情況下接收機(jī)的輸出結(jié)果。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)發(fā)現(xiàn),在采樣占空比不變情況下,隨著距離增大,真目標(biāo)幅值與假目標(biāo)幅值比將減小;在距離一定時(shí),占空比增大會(huì)使得假目標(biāo)幅值變大,原因在于通過匹配濾波的干擾能量增多。對(duì)比圖2發(fā)現(xiàn),掩護(hù)雷達(dá)可有效提高探測(cè)雷達(dá)的作用距離。仿真結(jié)果與理論分析吻合。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證恒功率放大電路中大功率信號(hào)對(duì)小功率信號(hào)的增益壓制效應(yīng),分別進(jìn)行單輸入功放實(shí)驗(yàn)和兩個(gè)信號(hào)同時(shí)輸入功放實(shí)驗(yàn),測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,某次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。

表1 輸出功率

注:兩個(gè)信號(hào)同時(shí)輸入時(shí),s2(t)=-10 dBm。

圖2 不同占空比及距離下的接收機(jī)輸出

圖3 不同占空比及距離下的接收機(jī)輸出

圖4 某次實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出,當(dāng)只有s1(t)單獨(dú)輸入時(shí),達(dá)到飽和點(diǎn)后,輸出功率隨輸入功率呈現(xiàn)極小幅度的增加;當(dāng)s1(t)和s2(t)同時(shí)輸入時(shí),s1(t)的輸出功率隨輸入功率增加,但其值遠(yuǎn)小于單獨(dú)輸入時(shí)的值,說明s2(t)會(huì)壓制對(duì)s1(t)的輸出功率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本吻合。

5 結(jié)語

針對(duì)彈載干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾導(dǎo)致的假目標(biāo)問題,提出一種基于掩護(hù)雷達(dá)的抗干擾方法。利用干擾機(jī)的恒功率放大特性,在理論上對(duì)掩護(hù)雷達(dá)的抗干擾效果進(jìn)行了分析,得到了干擾機(jī)采樣脈寬、距離與掩護(hù)效果的關(guān)系。通過電路板實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了干擾機(jī)功率壓制效應(yīng);通過仿真分析,驗(yàn)證了該方法可有效提高雷達(dá)作用距離。

參考文獻(xiàn):

[1] 盧剛, 唐斌, 羅雙才. LFM雷達(dá)中DRFM假目標(biāo)自適應(yīng)對(duì)消方法 [J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2011, 33(8): 1760-1764.

[2] GRECO M, GINI F, FARINA A. Radar detection and classification of jamming signals belonging to a cone class [J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2008, 56(5): 1984-1993.

[3] 劉建成, 王雪松, 劉忠, 等. 對(duì)線性調(diào)頻脈壓雷達(dá)的導(dǎo)前假目標(biāo)群干擾 [J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2008, 30(6): 1350-1353.

[4] 劉忠, 王雪松, 劉建成, 等. 基于數(shù)字射頻存儲(chǔ)器的間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾 [J]. 兵工學(xué)報(bào), 2008, 29(4): 405-410.

[5] 徐樂濤, 馮德軍, 趙晶, 等. 對(duì)相位編碼體制雷達(dá)的導(dǎo)前假目標(biāo)干擾 [J]. 宇航學(xué)報(bào), 2013, 34(1): 133-138.

[6] XU Jingwei, LIAO Guisheng, ZHU Shengqi, et al. Deceptive jamming suppression with frequency diverse MIMO radar [J]. Signal Processing, 2015,113: 9-17.

[7] SAMMARTINO P E, BAKER C J, GRFFITHS H D. Frequency diverse MIMO techniques for radar [J]. IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 2013, 49(1): 201-222.

[8] ZHANG Jindong, ZHU Daiyin, ZHANG Gong. New anti-velocity deception jamming technique using pulses with adaptive initial phases [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2013, 49(2): 1290-1300.

[9] SOUMEKH M. SAR-ECCM using phase-perturbed LFM chirp signals and DRFM repeat jammer penalization [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2006, 42(1): 191-205.

[10] 周宇, 張林讓, 趙珊珊. 組網(wǎng)雷達(dá)低自相關(guān)旁瓣和互相關(guān)干擾的稀疏頻譜波形設(shè)計(jì)方法 [J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2014, 36(6): 1394-1399.

[11] 李建勛, 唐斌, 呂強(qiáng). 雙譜特征提取在欺騙式干擾方式識(shí)別中的應(yīng)用 [J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 38(3): 329-332.

[12] 閆海, 李國(guó)輝, 李建勛. 雷達(dá)抗欺騙式干擾信號(hào)特征提取方法 [J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 44(1): 50-54.

[13] 趙國(guó)慶. 雷達(dá)對(duì)抗原理 [M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2012: 181-182.

[14] 金姍姍. 跟蹤雷達(dá)抗靈巧應(yīng)答式干擾技術(shù)研究 [D]. 西安: 空軍工程大學(xué), 2013.