李辰梓 余建宇 徐 偉 郝萬(wàn)兵

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達(dá)干擾是指通過(guò)將干擾信號(hào)隨同敵方期望收到的信號(hào)一起送入敵方接收機(jī)中，當(dāng)干擾信號(hào)強(qiáng)到足以使敵方無(wú)法從中提取到所需信息時(shí)，干擾就是有效的[1]。傳統(tǒng)的雷達(dá)干擾按照原理分為壓制性干擾和欺騙性干擾，壓制性干擾是指用噪聲信號(hào)或噪聲調(diào)制的強(qiáng)干擾信號(hào)遮蓋或淹沒(méi)目標(biāo)回報(bào)信號(hào)，使雷達(dá)無(wú)法從中檢測(cè)目標(biāo)的信息。欺騙性干擾即產(chǎn)生假的目標(biāo)和信息，使雷達(dá)無(wú)法正確地檢測(cè)真實(shí)的目標(biāo)，從而達(dá)到迷惑和擾亂雷達(dá)對(duì)真正目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤的目的[2]。

現(xiàn)代新體制雷達(dá)為了對(duì)抗干擾，雷達(dá)信號(hào)一般都采用了脈內(nèi)或脈間相干的信號(hào)波形，最常見(jiàn)的信號(hào)形式為線性調(diào)頻信號(hào)。傳統(tǒng)噪聲干擾采用非相參噪聲調(diào)制產(chǎn)生的干擾信號(hào)，經(jīng)雷達(dá)端接收進(jìn)行脈沖壓縮后，噪聲信號(hào)能量大部分被濾除，使干擾效果大大減弱。并且當(dāng)前雷達(dá)大都采用旁瓣消隱(SLB)和旁瓣相消(SLC)等抗干擾措施，使得傳統(tǒng)的干擾樣式不能夠產(chǎn)生干擾壓制或者假目標(biāo)欺騙的效果。因此為了應(yīng)對(duì)這些新的抗干擾措施而提出了靈巧干擾這一概念，它同時(shí)具有欺騙干擾和壓制性干擾的特點(diǎn)。由干擾機(jī)將截獲的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)并調(diào)制產(chǎn)生靈巧干擾信號(hào)，因此干擾信號(hào)可根據(jù)被干擾對(duì)象靈活變化與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)相匹配，使干擾能夠獲得理想的相參積累增益，增強(qiáng)了可利用的干擾能量。

本文以LFM雷達(dá)信號(hào)為研究對(duì)象，對(duì)卷積調(diào)制靈巧噪聲干擾以及間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行了研究仿真分析，并對(duì)不同形式干擾信號(hào)的時(shí)頻和域特征進(jìn)行研究，為后續(xù)干擾及抗干擾提供先驗(yàn)信息。

1 靈巧干擾

靈巧干擾的提出是為了應(yīng)對(duì)如何有效干擾采用脈內(nèi)或脈間相干波形的新體制相參雷達(dá)。首先對(duì)偵收的目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)利用數(shù)字射頻存儲(chǔ)技術(shù)(DRFM)進(jìn)行完整無(wú)失真的保存，然后對(duì)存儲(chǔ)的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生期望得到的靈巧干擾信號(hào)[3]。干擾信號(hào)本質(zhì)上是雷達(dá)自身信號(hào)進(jìn)行調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)，因此產(chǎn)生的干擾波形與雷達(dá)具有較好的相干性，信號(hào)大部分能量能通過(guò)相參雷達(dá)的檢測(cè)脈壓系統(tǒng)，對(duì)相參雷達(dá)產(chǎn)生有效的干擾[4]。

1.1 卷積調(diào)制靈巧干擾樣式

卷積噪聲干擾是將干擾機(jī)通過(guò)偵收天線將接收到的雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大后進(jìn)行存儲(chǔ)，然后經(jīng)過(guò)調(diào)制器將視頻噪聲信號(hào)與存儲(chǔ)的雷達(dá)信號(hào)作卷積，經(jīng)功率放大器放大后將信號(hào)進(jìn)行發(fā)射的干擾方法[5]，圖1為基于DRFM的卷積調(diào)制靈巧干擾方法原理框圖。

圖1 靈巧噪聲卷積調(diào)制方法原理框圖

干擾機(jī)偵察接收到的雷達(dá)信號(hào)為s(t)，干擾機(jī)選取的視頻噪聲信號(hào)為n(t)，干擾系統(tǒng)調(diào)制產(chǎn)生的卷積干擾信號(hào)為y(t)=s(t)*n(t)。噪聲卷積干擾使用視頻噪聲與雷達(dá)本身信號(hào)的卷積結(jié)果作為干擾信號(hào)，只要雷達(dá)信號(hào)在干擾機(jī)的瞬時(shí)帶寬內(nèi)變化，干擾信號(hào)頻率也會(huì)隨之變化。也就是說(shuō)干擾機(jī)不需要測(cè)頻和頻率引導(dǎo)，就能自動(dòng)瞄準(zhǔn)信號(hào)頻率從而具有很好的相參性，因此這種干擾方法也能對(duì)頻率捷變雷達(dá)進(jìn)行干擾。干擾信號(hào)發(fā)射進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行脈壓處理為：

Y(t)=y(t)*s*(t)=s(t)*n(t)*s*(t)

(1)

設(shè)s(t)，n(t)，Y(t)的頻譜分別為S(f)，N(f)，Y(f)，可得：

Y(f)=N(f)·|S(f)|2

(2)

進(jìn)行變化可得到：

Y(t)=n(t)*F-1[|S(f)|2]

(3)

式(3)中,F-1表示逆傅里葉變換，F(xiàn)-1[ |S(f)|2]稱作點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)[6]。任何函數(shù)與點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)卷積都可以獲得脈壓處理的增益，進(jìn)一步印證了靈巧干擾對(duì)相參雷達(dá)干擾的有效性。

1.2 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)靈巧干擾樣式

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究與應(yīng)用，按照不同的脈沖間歇采樣參數(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)方式，可以在真實(shí)目標(biāo)附近產(chǎn)生假目標(biāo)群，能有效地掩蓋真實(shí)目標(biāo)，在工程上對(duì)現(xiàn)有收發(fā)隔離式干擾機(jī)較易實(shí)現(xiàn)。本文研究中采用間歇采樣循環(huán)疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾的方式，其原理框圖如圖2所示。

圖2 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理圖

可以看出間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)靈巧干擾樣式產(chǎn)生的干擾信號(hào)完全是對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行復(fù)制和循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，與卷積調(diào)制樣式最大的區(qū)別在于不需要額外的選用視頻噪聲來(lái)對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理。所以本文選取卷積調(diào)制干擾和間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾這兩種典型的靈巧干擾樣式進(jìn)行仿真建模，對(duì)兩類靈巧干擾信號(hào)的時(shí)頻特性以及干擾效果進(jìn)行研究分析，有利于從中研究對(duì)抗靈巧干擾的方法以及如何提高靈巧干擾的效果。

2 時(shí)頻分析

時(shí)間t和頻率f是信號(hào)分析和處理中兩個(gè)很重要的變量，但時(shí)間域分析信號(hào)無(wú)法看出特定時(shí)刻信號(hào)的頻率值，通過(guò)傅里葉變換在頻率域也無(wú)法得到特定頻率分量在時(shí)間上的準(zhǔn)確分布。這時(shí)便要使用時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)變換來(lái)分析信號(hào)，即時(shí)頻域分析。時(shí)頻變換主要分為兩類，即線性時(shí)頻變換和非線性時(shí)頻變換。典型的線性時(shí)頻變換有短時(shí)傅里葉變換，典型的非線性時(shí)頻變換有Wigner-Ville分布。

Wigner-Ville時(shí)頻分布是首先由Wigner提出用于量子力學(xué)領(lǐng)域，后由Ville引入信號(hào)分析而稱之為WVD。該分布為其他時(shí)頻分布的研究提供思路，信號(hào)分析和處理中，已成為了非常有用的工具，Wigner-Ville分布的表達(dá)式如公式(4)：

(4)

Wigner-Ville分布可以看作是一種用信號(hào)自身作為窗函數(shù)的特殊的STFT形式，這種窗函數(shù)實(shí)際上對(duì)信號(hào)具有某種程度的自適應(yīng)性使得它的信號(hào)能量聚集性很好，但是在同時(shí)多信號(hào)的情況下Wigner-Ville分布會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的交叉干擾項(xiàng)，使正確截獲、分析信號(hào)變得非常困難。因此論文采用 WVD 的平滑形式，即Choi-Williams 分布(CWD)作為離線的信號(hào)的描述方法。CWD屬于Cohen類分布，它是由Wigner-Ville分布通過(guò)與不同的核函數(shù)卷積產(chǎn)生[7]，其表達(dá)式如公式(5)所示：

(5)

Choi-Williams分布使用的核函數(shù)偏重于抑制遠(yuǎn)離原點(diǎn)的交叉項(xiàng)，這種特征對(duì)于大多數(shù)脈內(nèi)調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)是適用的，因此選來(lái)對(duì)于由雷達(dá)脈內(nèi)調(diào)制的干擾信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析。

3 靈巧類干擾樣式的仿真及時(shí)頻分析

本次仿真條件設(shè)置如下，雷達(dá)信號(hào)S(t)選用線性調(diào)頻信號(hào)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(6)所示：

(6)

其中信號(hào)時(shí)寬T為60μs，帶寬B設(shè)置為20MHz，中心頻率f0為50MHz，對(duì)雷達(dá)信號(hào)的采樣率設(shè)置為100MHz。仿真得到雷達(dá)信號(hào)S(t)的時(shí)域圖像、頻域圖像、經(jīng)過(guò)雷達(dá)匹配濾波后產(chǎn)產(chǎn)生的脈壓圖像和時(shí)頻域分析圖像如圖3、圖4所示。

圖3 LFM信號(hào)時(shí)域圖

圖4 LFM信號(hào)頻域圖

圖5 LFM信號(hào)脈壓圖

圖6 LFM信號(hào)CWD圖

由圖6中CWD圖可以清楚地看到LFM信號(hào)時(shí)間-頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，頻率在50MHz～70MHz隨時(shí)間線性變化，能準(zhǔn)確的捕捉信號(hào)的時(shí)頻特征。

3.1 卷積噪聲靈巧干擾仿真

3.1.1 視頻噪聲為高斯白噪聲

選用均值為0，方差為1，時(shí)寬為10μs的高斯白噪聲信號(hào)作為視頻噪聲信號(hào)。

圖7 靈巧噪聲時(shí)域圖

圖8 靈巧噪聲頻域圖

由圖8可以清楚地看出靈巧噪聲信號(hào)的的中心頻率、帶寬很好地對(duì)準(zhǔn)了線性調(diào)頻信號(hào)的中心頻率和帶寬(50MHz～70MHz)，能夠造成良好的干擾效果。圖9可以看到靈巧噪聲信號(hào)通過(guò)雷達(dá)接收機(jī)的匹配濾波后出現(xiàn)了遮蓋波形，能夠遮蓋住本身的雷達(dá)信號(hào)，產(chǎn)生了壓制干擾的效果。并且經(jīng)過(guò)多次仿真可以得出，選用的高斯白噪聲時(shí)寬越寬，匹配濾波后壓制干擾效果也會(huì)更好。

圖9 靈巧噪聲脈壓圖

圖10 靈巧噪聲CWD圖

通過(guò)Choi-Williams分布對(duì)干擾信號(hào)視頻分析得到圖10，高斯白噪聲產(chǎn)生具有高斯分布特性，但通過(guò)卷積干擾能夠自動(dòng)瞄準(zhǔn)LFM信號(hào)頻率，所以產(chǎn)生的靈巧干擾信號(hào)在時(shí)頻域準(zhǔn)確地遮住了LFM信號(hào)，能夠很好地產(chǎn)生壓制干擾效果。

3.1.2 視頻噪聲為矩形連續(xù)脈沖

n(t)選用為周期方波信號(hào)，參數(shù)設(shè)置為脈寬2μs，周期4μs，持續(xù)時(shí)間為40μs，幅度為1。

矩形脈沖與LFM信號(hào)卷積，等價(jià)于將LFM信號(hào)分別移位至每個(gè)矩形脈沖的位置，因此，卷積結(jié)果相當(dāng)于不同延時(shí)的線性調(diào)頻信號(hào)的疊加。并且由圖13可以看出干擾結(jié)果產(chǎn)生了多個(gè)壓縮峰，其間隔均小于線性調(diào)頻信號(hào)的脈寬，達(dá)到了要求產(chǎn)生脈內(nèi)高密度假目標(biāo)的目的。由圖14時(shí)頻分析圖可以看出矩形方波卷積靈巧干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)在時(shí)間上分布均勻，頻率域完整地保留了LFM信號(hào)的全部信息，且產(chǎn)生的假目標(biāo)幅度大致相同。

圖11 靈巧噪聲時(shí)域圖

圖12 靈巧噪聲頻域圖

圖13 靈巧噪聲脈壓圖

圖14 靈巧噪聲CWD圖

這些密集的假目標(biāo)將會(huì)淹沒(méi)真實(shí)目標(biāo)或使被干擾雷達(dá)的處理能力飽和,從而使雷達(dá)不能準(zhǔn)確地捕捉目標(biāo)。根據(jù)多次仿真發(fā)現(xiàn)，改變矩形脈沖串中脈沖的個(gè)數(shù)，會(huì)影響假目標(biāo)的數(shù)量，脈沖數(shù)目越多，產(chǎn)生的假目標(biāo)就越多，密度就越大，干擾效果越好。但此種干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)間隔均勻，幅度基本一致，也可以用此特性來(lái)進(jìn)行抗干擾處理。

3.2 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾

仿真中對(duì)LFM雷達(dá)信號(hào)S(t)進(jìn)行間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，一個(gè)采樣轉(zhuǎn)發(fā)周期為5μs，每次采樣雷達(dá)信號(hào)之后，在一個(gè)周期剩下的時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)為之前存儲(chǔ)的信號(hào)與當(dāng)前采樣信號(hào)的疊加，仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾時(shí)域圖

圖16 循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾頻域圖

圖17 循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾脈壓圖

圖18 循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾CWD圖

從干擾信號(hào)頻域圖16和脈壓圖17可以看出，干擾信號(hào)本身是雷達(dá)自身信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，干擾信號(hào)頻率對(duì)準(zhǔn)LFM信號(hào)，因此干擾具有較高的相參性，能夠產(chǎn)生較好的干擾效果。從圖18時(shí)頻分析CWD圖可以看清楚地看出，隨著采樣時(shí)間的推移，當(dāng)前的干擾信號(hào)是由當(dāng)前采樣的LFM信號(hào)與之前所有采樣LFM信號(hào)的疊加，包含之前采樣得到所有信號(hào)的全部信息。并且通過(guò)多次仿真發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變一個(gè)采樣轉(zhuǎn)發(fā)周期的速率，可以改變產(chǎn)生假目標(biāo)的密集度，采樣轉(zhuǎn)發(fā)速率越高，形成的假目標(biāo)數(shù)目就越密集。但是通過(guò)時(shí)頻分析圖也可以看出間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)在整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)是非連續(xù)的，因此該特性可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)的識(shí)別和抑制。

4 結(jié)束語(yǔ)

靈巧干擾兼有欺騙干擾和壓制性干擾的特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)具有很大的靈活性，在未來(lái)電子對(duì)抗中會(huì)發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。本文對(duì)卷積類靈巧干擾和間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾建模，仿真研究改變干擾參數(shù)設(shè)置對(duì)干擾效果的影響，并且采用時(shí)頻分析Choi-Williams分布來(lái)提取出干擾信號(hào)的時(shí)頻域特征，有利于進(jìn)一步優(yōu)化靈巧干擾的干擾效果，使其在電子對(duì)抗中有更廣闊的運(yùn)用。