于海波，李 曉，李 倩，馬 珩，亓 東

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

空空導(dǎo)彈面臨著嚴(yán)重的電磁干擾威脅[1]，尤其是目前基于數(shù)字儲(chǔ)頻的能夠?qū)崿F(xiàn)快速跟蹤功能的大功率有源干擾，對(duì)無線電引信的工作帶來很大威脅[2-4]。干擾設(shè)備上采用的數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù)，可提高干擾設(shè)備的快速響應(yīng)能力和相參復(fù)制能力，改善了測頻時(shí)間長、瞄頻不準(zhǔn)等因素，實(shí)現(xiàn)脈內(nèi)復(fù)雜信號(hào)的高保真存儲(chǔ)復(fù)制，存儲(chǔ)時(shí)間長，能夠調(diào)制復(fù)雜的欺騙干擾，使欺騙效果大幅度增強(qiáng)。美國正在研發(fā)下一代電子干擾系統(tǒng)(NGJ)，計(jì)劃在2020年開始實(shí)施。NGJ采用了基于氮化鎵的AESA技術(shù)，在體積較小情況下可產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)原干擾系統(tǒng)近3倍的功率。

作為空空導(dǎo)彈重要組成部分之一的引信普遍面臨著抗有源干擾需求。未來引信還要面臨更加復(fù)雜多樣的干擾環(huán)境，能夠適應(yīng)大功率基于數(shù)字儲(chǔ)頻的干擾環(huán)境是無線電引信亟待解決的問題。

目前國內(nèi)外引信主要采取的對(duì)抗方式包括復(fù)雜調(diào)制波形抗干擾技術(shù)、跳頻等頻率抗干擾技術(shù)、窄波束天線等方向選擇抗干擾技術(shù)、距離門[5]等距離選擇抗干擾技術(shù)以及信號(hào)處理抗干擾技術(shù)等。

復(fù)雜調(diào)制包括隨機(jī)碼調(diào)相、隨機(jī)脈位等調(diào)制方法，復(fù)雜調(diào)制采用相關(guān)接收技術(shù)，對(duì)欺騙式干擾具有較強(qiáng)的對(duì)抗能力。復(fù)雜調(diào)制的不足在于，其距離截止特性基底較大，因此,位于非相關(guān)區(qū)的強(qiáng)欺騙式干擾或強(qiáng)背景干擾仍能對(duì)引信探測帶來較大影響。

現(xiàn)有跳頻技術(shù)一般采取毫秒量級(jí)的有限幾個(gè)頻率間跳變，容易被干擾設(shè)備捕獲和跟蹤，起不到避開干擾的目的，不能完全滿足對(duì)抗新型大功率有源干擾的需要。

脈間隨機(jī)捷變頻引信技術(shù)采取了快速頻率跳變，使得干擾機(jī)難以瞬時(shí)追蹤和復(fù)制引信信號(hào)，解決無線電引信在基于數(shù)字儲(chǔ)頻的欺騙式干擾環(huán)境下的目標(biāo)探測問題，同時(shí)寬頻帶的頻率跳變能夠跳出干擾機(jī)的干擾帶寬或迫使干擾機(jī)采用大帶寬干擾模式，減小壓制式干擾對(duì)引信的影響。

1 脈間隨機(jī)捷變頻引信工作原理和組成

脈間隨機(jī)捷變頻引信采用脈沖多普勒工作體制，主要利用目標(biāo)回波的多普勒特性對(duì)信號(hào)進(jìn)行判別。使用脈間隨機(jī)捷變頻射頻發(fā)射和接收技術(shù)和脈間隨機(jī)捷變頻目標(biāo)檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈間隨機(jī)捷變頻。其工作原理描述如下：

引信加電后，微波振蕩源開始工作，輸出脈間隨機(jī)捷變頻信號(hào)，經(jīng)脈沖調(diào)制后形成射頻脈沖信號(hào)，射頻脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，由功分器平均分配到兩根發(fā)射天線發(fā)射出去。

目標(biāo)回波信號(hào)由兩根接收天線接收，經(jīng)功合器合成為一路信號(hào)，由接收開關(guān)進(jìn)行微波距離選通后，經(jīng)低噪聲放大器進(jìn)入中頻混頻器，輸出含多普勒信息的中頻脈沖信號(hào)，經(jīng)中頻放大后，送入信號(hào)處理機(jī)；信號(hào)處理機(jī)的高速ADC將中頻信號(hào)采樣后送入FPGA，經(jīng)預(yù)處理、目標(biāo)檢測等算法處理，形成目標(biāo)存在信號(hào)。按照不同目標(biāo)類型、交會(huì)狀態(tài)延時(shí)一定時(shí)間后，輸出近炸信號(hào)給執(zhí)行級(jí)形成炸點(diǎn)。

脈沖多普勒引信系統(tǒng)組成和功能如圖1所示。

脈間隨機(jī)捷變頻射頻收發(fā)技術(shù)是脈間隨機(jī)捷變頻引信的核心技術(shù)，需滿足引信大范圍快速頻率捷變的要求。

脈間捷變頻信號(hào)源的實(shí)現(xiàn)方法一般有3種：直接頻率合成、間接式頻率合成、直接數(shù)字頻率合成(DDS)[6]。3種頻綜技術(shù)的性能比較如表1所示。

表1 不同頻綜技術(shù)主要性能比較Table 1 Comparison of the performance of different frequency synthesis

由于DDS方法的變頻速度快，可以達(dá)到800 ns以內(nèi)的變頻速度，同時(shí)頻點(diǎn)靈活多變，頻點(diǎn)間頻率可以做到較寬的頻率差，但雜散較大。其雜散和諧波頻率可以進(jìn)行相關(guān)仿真和試驗(yàn)，通過多路濾波等方法使雜散不進(jìn)入接收機(jī)帶寬內(nèi)，降低其對(duì)引信的影響，所以采用DDS的方法是較好的實(shí)現(xiàn)途徑之一。

發(fā)射信號(hào)為[7-8]

uT(t)=ATuPAM(t)cos(2π(f0+Δfai)t+φ0)

(1)

式中：uPAM(t)為PAM波形；f0為發(fā)射的毫米波；Δf為跳頻間隔；ai為第i個(gè)編碼值。

回波信號(hào)為

uR(t)=ARuPAM(t-τ)cos[2π(f0+Δfai)(t-τ)+φ0]

(2)

回波信號(hào)的相位為

φR=2π(f0+Δfai)(t-τ)+φ0

(3)

回波信號(hào)的頻率為

(4)

uR(t)=ARuPAM(t-τ)cos[2π((f0+Δfai)+fd)t+φ0]

(5)

經(jīng)過混頻濾波后，輸出信號(hào)為去跳頻化的中頻信號(hào)，再將中頻信號(hào)進(jìn)行變頻處理，得到多普勒信號(hào)，其表達(dá)式為

uI(t)=uPAM(t-τ)cos[ωdt+φI]

(6)

2 抗干擾性能分析

脈間隨機(jī)捷變頻引信通過大范圍快速跳頻提升引信的抗干擾性能，以下對(duì)脈間隨機(jī)捷變頻引信抗干擾性能進(jìn)行分析仿真。

2.1 壓制式干擾

當(dāng)壓制式干擾進(jìn)入引信接收機(jī)時(shí)，其信號(hào)呈現(xiàn)類似于噪聲分布的特點(diǎn)，利用信號(hào)頻譜特征可以識(shí)別，不會(huì)引起引信虛警。但由于引信接收機(jī)內(nèi)的噪底抬高，可能會(huì)造成引信靈敏度下降，在噪聲特別嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)鹨啪苷ā?/p>

引信在壓制式干擾中探測目標(biāo)的能力可以用燒穿距離來表征。引信在作用距離內(nèi)受到有源干擾時(shí)，接收機(jī)將同時(shí)收到目標(biāo)回波和有源干擾信號(hào)。當(dāng)有源干擾信號(hào)強(qiáng)于目標(biāo)回波時(shí)，干擾機(jī)能夠掩護(hù)目標(biāo)，起到干擾效果；當(dāng)干擾信號(hào)弱于目標(biāo)回波時(shí)，目標(biāo)暴露，干擾失效。目標(biāo)回波和干擾信號(hào)功率相等時(shí)的彈目距離即為燒穿距離。

燒穿距離越小，干擾機(jī)掩護(hù)目標(biāo)的區(qū)域越大，暴露區(qū)域的半徑越小，雷達(dá)受干擾的程度越嚴(yán)重，干擾效果越好。

進(jìn)入引信的干擾信號(hào)功率為

(7)

式中：PF為干擾機(jī)發(fā)射功率；GF，GJ分別為干擾機(jī)發(fā)射天線增益和干擾方向上引信接收天線增益；Δf為引信接收機(jī)帶寬；ΔF為干擾機(jī)干擾帶寬；R1為干擾距離。

進(jìn)入引信的目標(biāo)回波信號(hào)功率為

(8)

式中：Pt為引信發(fā)射功率；Gt，Gr分別為目標(biāo)方向上引信發(fā)射天線增益和接收天線增益；σ為目標(biāo)后向散射截面積；τ為引信發(fā)射脈寬；T為引信重復(fù)周期；R2為引信探測距離。

對(duì)自衛(wèi)干擾而言，干擾機(jī)配置在目標(biāo)上，有R1=R2=R，令Pnr=Psr，則有

(9)

由于引信天線為窄波束天線，主瓣波束寬度較窄，則考慮干擾信號(hào)從引信副瓣方向進(jìn)入引信。

針對(duì)典型參數(shù)的壓制式干擾進(jìn)行了分析，取引信發(fā)射功率Pt=1 W；目標(biāo)方向上引信發(fā)射天線增益和接收天線增益Gt=Gr=10 dB，干擾方向上引信天線增益-15 dB，引信接收機(jī)帶寬Δf=100 kHz，干擾機(jī)有效輻射功率300 W，干擾噪聲帶外抑制度為20 dB時(shí)，分析干擾帶寬為10 MHz,300 MHz和2 GHz的干擾情況下脈間隨機(jī)捷變頻引信的抗壓制式干擾性能。

對(duì)于帶寬10 MHz和300 MHz的壓制式干擾，引信接收到足夠大的干擾信號(hào)后，引信采用頻率捷變技術(shù)，可以跳出干擾帶寬，壓制式干擾信號(hào)對(duì)引信影響主要體現(xiàn)在干擾信號(hào)的帶外噪聲對(duì)引信的影響上。假設(shè)干擾噪聲帶外抑制度為20 dB，通過仿真計(jì)算，相對(duì)于不使用跳頻技術(shù)的引信來說，此時(shí)使用脈間隨機(jī)捷變頻技術(shù)，可以使引信的燒穿距離提高至原來的17倍。

對(duì)于帶寬2 GHz的壓制式干擾，由于其干擾帶寬較大，脈間隨機(jī)捷變頻引信躲不開干擾信號(hào)。此時(shí)捷變頻失效，但在同樣干擾功率下，干擾信號(hào)的功率譜密度降低。例如，對(duì)比帶寬300 MHz的壓制式干擾，帶寬2 GHz壓制式干擾的功率譜密度降低了8.2 dB，可以起到降低壓制式干擾效果的作用。

2.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾可以分為距離拖引干擾、速度拖引干擾、復(fù)合干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式干擾等，其中轉(zhuǎn)發(fā)式干擾具有距離和速度二維欺騙條件，可以作為典型干擾條件。

轉(zhuǎn)發(fā)式干擾與目標(biāo)回波信號(hào)類似，其特點(diǎn)是干擾機(jī)偵收引信的射頻信號(hào)，將引信信號(hào)復(fù)制放大，經(jīng)適當(dāng)調(diào)制(如多普勒速度欺騙)后再轉(zhuǎn)發(fā)給引信，使之產(chǎn)生虛假的目標(biāo)信號(hào)。其表達(dá)式為

sj(t)=Aj·u(t-trj-tj)cos[(ω0+ωd)(t-trj-tj)+ψrj+ψj]

(10)

式中：ω0為引信射頻角頻率；ωd為干擾機(jī)施加的多普勒欺騙調(diào)制；trj為引信與干擾機(jī)之間距離造成的時(shí)間延遲；tj為干擾機(jī)時(shí)延；Aj為干擾機(jī)回波信號(hào)幅度；ψrj為干擾機(jī)的初相；ψj為干擾機(jī)的相移。這里的tj，Aj，ψj可人為調(diào)整。

當(dāng)引信工作在脈間隨機(jī)捷變頻狀態(tài)時(shí)，由于隨機(jī)信號(hào)的不確定性及其良好的自相關(guān)特性，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào)只有進(jìn)入偽隨機(jī)碼的下一周期，才能與隨機(jī)碼重合，達(dá)到干擾效果。

由于引信是近距離加電，引信在接收到干擾信號(hào)時(shí)，其干擾時(shí)間已經(jīng)非常短。對(duì)于采用長周期的偽隨機(jī)信號(hào)或隨機(jī)信號(hào)來說，干擾機(jī)很難進(jìn)入隨機(jī)碼的下一周期，所以轉(zhuǎn)發(fā)式干擾不會(huì)使引信早炸。

根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾特點(diǎn)，對(duì)不使用脈間隨機(jī)捷變頻技術(shù)以及使用8階的Costas[9]序列脈間隨機(jī)捷變頻技術(shù)時(shí)，干擾信號(hào)與本地信號(hào)的相關(guān)特性的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 干擾信號(hào)與本地信號(hào)相關(guān)特性對(duì)比Fig.2 Comparision of correlation characteristics of active jamming signal and pseudorandom code signal

從圖中可以看出，如果不使用脈間隨機(jī)捷變頻技術(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的干擾信號(hào)與本地信號(hào)具有重復(fù)周期的相關(guān)性，其具有周期性的干擾效果；而對(duì)于使用脈間隨機(jī)捷變頻技術(shù)后，其干擾信號(hào)與本地信號(hào)的自相關(guān)特性呈尖峰狀，歸一化后其最高旁瓣僅為主瓣的1/6，表明脈間隨機(jī)捷變頻技術(shù)具有良好的抗干擾特性。

對(duì)于進(jìn)入引信接收機(jī)的欺騙式干擾信號(hào)，當(dāng)欺騙式干擾功率較大時(shí)，干擾信號(hào)可以看成一種有色噪聲，對(duì)引信檢測目標(biāo)能力有一定的影響。欺騙式干擾信號(hào)對(duì)引信的影響程度與相同功率、相同干擾帶寬下的壓制式干擾信號(hào)的影響程度相似。

3 脈間隨機(jī)捷變頻體制下的目標(biāo)檢測

對(duì)于脈間捷變頻引信，其跳變頻率較快，在一個(gè)頻域信號(hào)處理周期內(nèi)，引信會(huì)發(fā)射不同頻率的脈沖信號(hào)，對(duì)于不同頻率信號(hào)的多普勒回波，其幅度有一定差異，需要考慮補(bǔ)償?shù)膯栴}[10-11]。

根據(jù)式(8)，不同頻率下的發(fā)射功率、天線增益變化、系統(tǒng)損耗是系統(tǒng)固有的，不同頻率之間的差異可以通過仿真和測試獲得。

另外，由于系統(tǒng)帶寬的限制，最低頻點(diǎn)與最高頻點(diǎn)的發(fā)射功率以及增益也會(huì)受到影響，最終表現(xiàn)在信號(hào)的幅度上，可以通過最終系統(tǒng)的測試結(jié)果對(duì)其不一致性進(jìn)行補(bǔ)償。

捷變頻對(duì)幅度的影響可以通過計(jì)算以及測試的方式得到每個(gè)頻點(diǎn)需要補(bǔ)償?shù)木唧w值，并將這些值存儲(chǔ)于ROM中。由于某一時(shí)刻發(fā)射的頻點(diǎn)是已知的，可以給每個(gè)頻點(diǎn)一個(gè)標(biāo)記，從而在接收到這個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)時(shí)，將對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償值加權(quán)到信號(hào)幅度上。具體實(shí)施過程如下：當(dāng)發(fā)射某一頻點(diǎn)信號(hào)時(shí)，在接收到的帶有多普勒信息的中頻信號(hào)上加權(quán)相應(yīng)的幅度補(bǔ)償數(shù)值，再進(jìn)行后端的信號(hào)預(yù)處理以及目標(biāo)檢測。

由于在捷變頻過程中，天線波束傾角會(huì)變化，根據(jù)仿真結(jié)果，天線波束傾角變化如表2所示。

表2 天線波束傾角變化Table 2 Change of antenna beam inclination angle

由于天線波束傾角變化，引信在探測目標(biāo)過程中，其探測的目標(biāo)部位也在變化，這將引起回波信號(hào)的閃爍。

經(jīng)過分析，可以采用寬波束天線的方式減少目標(biāo)回波閃爍帶來的影響。在某次相對(duì)速度為1 000 m/s、正迎頭交會(huì)過程中，針對(duì)典型目標(biāo)交會(huì)狀態(tài)，對(duì)不同波束傾角的多普勒回波信號(hào)進(jìn)行了數(shù)字仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同波束寬度回波信噪比仿真結(jié)果比較Fig.3 Comparison of echo SNR on different beamwidth

由圖可以看出，采用寬波束天線后，回波功率下降不明顯，而回波信噪比有了大約6 dB的提升。

綜上所述，由于頻率捷變帶來的目標(biāo)回波幅度閃爍導(dǎo)致目標(biāo)的信噪比降低，并且將回波的頻譜展寬，會(huì)影響到頻域的目標(biāo)檢測。通過使用寬波束天線后，脈間隨機(jī)捷變頻回波信號(hào)信噪比下降情況不明顯。

4 結(jié) 論

為了對(duì)抗空中日益嚴(yán)重的干擾威脅，脈間隨機(jī)捷變頻引信采用DDS方法實(shí)現(xiàn)大范圍快速頻率捷變。經(jīng)過仿真分析，脈間隨機(jī)捷變頻技術(shù)能夠有效提高引信的抗干擾性能。通過幅度補(bǔ)償和采用寬波束天線，可以減少脈間隨機(jī)捷變帶來的目標(biāo)檢測問題。