張統(tǒng)兵 袁子喬 王輝輝

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展中，雷達作為各項武器系統(tǒng)的千里眼與順風耳正在擔負著越來越重要的角色。隨著技術(shù)的革新與改進，電子對抗的作用與重要性越來越得到各國軍隊的重視[1]。有源干擾作為雷達面臨的主要威脅之一，現(xiàn)代軍用雷達普遍采用了相應(yīng)的抗干擾技術(shù)。然而隨著近年來干擾技術(shù)的進步，特別是數(shù)字射頻存儲技術(shù)(DRFM)的發(fā)展，干擾機可以在極短的時間里完成對雷達信號的攔截與調(diào)制，因而產(chǎn)生了更多的、效果更好的干擾[2]。

在雷達干擾技術(shù)發(fā)展日新月異的情況下，傳統(tǒng)的抗干擾手段已經(jīng)不足以應(yīng)對新出現(xiàn)的干擾樣式，因此研究和應(yīng)用新的抗干擾手段已經(jīng)成為了一項非常緊迫的任務(wù)。而在采用相應(yīng)的技術(shù)手段進行干擾消除之前，對干擾類型進行正確的識別分類，是采取正確手段進行有效干擾抑制的必要前提條件[3-4]。本文以此為出發(fā)點，在研究各種類型干擾產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上進行了建模仿真，并且提取了多個時域和頻域的特征參數(shù)，在不同的干噪比(JNR)下觀察特征參數(shù)對干擾的可分性，建立了相應(yīng)的干擾分類準則。

1 有源干擾信號模型

雷達有源干擾可分為壓制式干擾、欺騙式干擾。壓制式干擾主要是用噪聲或者類似噪聲的干擾信號遮蓋淹沒有用信息，從而阻止雷達對目標信號的探測。欺騙式干擾是指用假的目標或者信息去誤導欺騙雷達的檢測系統(tǒng)，使得雷達沒法檢測到真的目標或丟失目標[1]。

1.1 壓制式干擾

壓制式干擾仿真參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)射信號采用線性調(diào)頻信號(LFM)；帶寬為10MHz；脈寬為50μs；脈沖重復周期為100μs；采樣率為30MHz；載頻設(shè)為100MHz；調(diào)制噪聲均設(shè)為均值為0，方差為1的白噪聲。噪聲調(diào)幅干擾的有效調(diào)制系數(shù)設(shè)置為0.8。噪聲調(diào)頻干擾的有效調(diào)頻斜率設(shè)置為3e6。

1.1.1 射頻噪聲干擾

射頻噪聲一般將窄帶高斯白噪聲放大和發(fā)射出去，可以表示為

J(t)=Un(t)cos(ωjt+φ(t))

(1)

其中：Un(t)為包絡(luò)函數(shù)，服從瑞利分布。Φ(t)為相位函數(shù)，服從[0,2π]的均勻分布，且與Un(t)相互獨立。

圖1 發(fā)射信號

圖2 回波信號

圖3 射頻噪聲干擾波形圖

圖4 射頻噪聲干擾頻域圖

圖5 射頻噪聲干擾功率譜

1.1.2 噪聲調(diào)幅干擾

噪聲調(diào)幅的表達式為

J(t)=(UO+Un(t))cos(ωjt+φ)

(2)

圖6 噪聲調(diào)幅干擾波形圖

圖7 噪聲調(diào)幅干擾頻域圖

圖8 噪聲調(diào)幅干擾功率譜

1.1.3 噪聲調(diào)頻干擾

(3)

圖9 噪聲調(diào)頻干擾波形圖

圖10 噪聲調(diào)頻干擾頻域圖

圖11 噪聲調(diào)頻干擾功率譜

1.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾仿真參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)射信號采用線性調(diào)頻信號(LFM)；脈寬為50μs；脈沖重復周期為100μs；采樣率為30MHz；載波頻率為120MHz。其中距離-速度聯(lián)合拖引干擾中距離拖引率和速度拖引率設(shè)為7e6；拖引時間為12μs。靈巧噪聲干擾噪聲采用10μs長度的白噪聲做卷積。密集假目標干擾采樣轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)N=15。彌散頻譜干擾子脈沖數(shù)目設(shè)為5個，切片組合干擾切片子脈沖數(shù)目設(shè)為4個，每一段時隙數(shù)目為5個。

1.2.1 距離-速度聯(lián)合拖引干擾

距離速度聯(lián)合拖引干擾的好處在于，對于具有距離速度兩維測量跟蹤能力的雷達(如脈沖多普勒雷達)具有良好的欺騙能力，在勻速拖引時距離時延?trj(t)和多普勒頻移fdj(t)的調(diào)制函數(shù)分別為

(4)

(5)

圖12 距離-速度聯(lián)合拖引干擾

1.2.2 靈巧噪聲干擾

把假目標脈沖與隨機噪聲通過卷積調(diào)制進行組合，既可以利用欺騙干擾的特性進入敵方雷達，消除其對普通噪聲干擾的處理增益，又比純欺騙干擾效果好，同時還可以對付旁瓣對消和旁瓣匿影技術(shù)[5]。將這種兼具壓制式干擾和欺騙式干擾特點的噪聲稱之為靈巧噪聲。靈巧噪聲的表達式為

Jr(t)=s(t)?n(t)

(6)

其中n(t)為隨機噪聲。

圖13 時域波形

圖14 頻域波形

圖15 匹配濾波后的時域波形

1.2.3 密集假目標干擾

此類干擾采用對雷達信號間歇采樣再轉(zhuǎn)發(fā)的概念，常用的轉(zhuǎn)發(fā)策略有：直接轉(zhuǎn)發(fā)、重復準發(fā)和循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，下邊以直接轉(zhuǎn)發(fā)為例[6]。

圖16 時域波形圖

圖17 頻域波形

圖18 匹配濾波后的時域波形

1.2.4 彌散頻譜干擾

彌散頻譜干擾是干擾機截獲到雷達發(fā)射的LFM信號后，將信號在時域壓縮M倍，得到一個子信號波形，然后在時域?qū)⒃摬ㄐ螐椭芃次，得到彌散頻譜干擾(SMSP)干擾。得到的子波形時寬是原信號的1/M，調(diào)頻斜率是原信號的M倍。干擾信號總時寬與原信號一樣寬。

圖19 時域波形圖

圖20 頻域波形

圖21 匹配濾波后的時域波形

1.2.5 切片組合干擾

切片組合干擾是將接受的雷達信號的脈寬T分為若干個時隙，用一個間隔均勻矩形脈沖串對存儲在DRFM中攔截到的雷達發(fā)射信號進行采樣，得到與雷達發(fā)射信號相同的子脈沖串波形，然后將每一個子脈沖復制若干次填滿相鄰的時隙。形成的干擾可以產(chǎn)生多個假目標，完全覆蓋目標信號，具有良好的干擾效果。

圖22 時域波形圖

圖23 頻域波形

圖24 匹配濾波后的時域波形

1.2.6 密集假目標與噪聲調(diào)頻復合干擾

密集假目標與噪聲調(diào)頻復合干擾兼具了壓制式干擾與欺騙式干擾的優(yōu)點，有更好的干擾效果。

圖25 時域波形圖

圖26 頻域波形

圖27 匹配濾波后的時域波形

2 時域和頻域特征參數(shù)提取

有源干擾信號特征參數(shù)的提取是雷達干擾信號分類識別的前提，噪聲的存在總是對干擾信號存在影響，在干噪比(JNR)較小的情況下，干擾信號的波形容易淹沒在噪聲里[7]。本小節(jié)研究了特征參數(shù)在不同干噪比下對干擾的可分性，并建立了干擾分類準則。

2.1 時域特征參數(shù)提取

2.1.1 時域矩偏度

時域矩偏度是一個三階統(tǒng)計特征量，通常用來描述一個時域的分布的不對稱程度。

(7)

2.1.2 時域矩峰度

時域矩峰度是一個四階統(tǒng)計特征量，一般用來表示一個時域分布的尖扁程度。

(8)

2.1.3 包絡(luò)起伏度

設(shè)信號的離散采樣時間序列為x(n),信號的瞬時包絡(luò)平方表達式為

|x(n)2|=Re2[x(n)]+Im2[x(n)]

(9)

μ和σ2分別為瞬時包絡(luò)平方的均值與方差，包絡(luò)起伏度R為

(10)

2.1.4 歸一化瞬時幅度頻譜最大值

設(shè)a(n)是信號的瞬時幅度，acn(i)=an(i)-1；an(i)=an(i)/E[a(i)](利用求得的均值進行歸一化)，則歸一化瞬時幅度頻譜最大值可表示為

(11)

2.1.5 歸一化瞬時幅度絕對值標準偏差

歸一化瞬時幅度絕對值標準偏差定義為

(12)

2.2 頻域特征參數(shù)提取

選取頻域矩偏度，頻域矩峰度和加性高斯白噪聲因子三個特征參數(shù)。

接收信號x(t)的功率譜為X(ω)， 第一步求得X(ω)的均值為E1；第二步求出X(ω)大于E1部分的均值E2；第三步求出大于E2部分的均值E3，則加性高斯白噪聲因子可表示為

(13)

(14)

3 仿真與分析

此次仿真采用Matlab，干噪比變化范圍為-21～36dB，在每個干噪比下做200次蒙特卡洛實驗。

3.1 壓制式干擾

3.1.1 仿真結(jié)果

從三種壓制式干擾(射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾和噪聲調(diào)頻干擾)的功率譜仿真結(jié)果來看，三種干擾在功率譜的形態(tài)上差異比較大，因此對三種壓制式干擾的功率譜進行分析可以區(qū)分出三種干擾。

圖28 功率譜矩偏度系數(shù)

圖29 功率譜矩峰度系數(shù)

圖30 功率譜加性高斯白噪聲因子A1

圖31 功率譜加性高斯白噪聲因子A2

從仿真結(jié)果來看，幾個特征參數(shù)對于干擾都具有良好的可分性，其中功率譜矩峰度系數(shù)和功率譜加性高斯白噪聲因子A1在JNR達到10dB左右可以明顯的將三種干擾分開。

表1 壓制式干擾特征參數(shù)分類表

3.1.2 分類策略

圖32 壓制式干擾分類策略

3.2 欺騙式干擾

3.2.1 時域特征參數(shù)

圖33 時域矩峰度

圖34 包絡(luò)起伏度

圖35 歸一化瞬時幅度頻譜最大值

圖36 歸一化瞬時幅度絕對值的標準偏差

從時域特征參數(shù)仿真結(jié)果來看，時域矩偏度對干擾的可分性比較差，時域矩峰度可以將密集假目標和靈巧噪聲與其他干擾區(qū)分開。包絡(luò)起伏度可以將密集假目標、靈巧噪聲和距離-速度聯(lián)合拖引干擾與其他干擾區(qū)分開。歸一化瞬時幅度最大值可以將密集假目標和靈巧噪聲與其他干擾區(qū)分開。歸一化瞬時幅度絕對值的標準偏差可以將密集假目標、靈巧噪聲與距離-速度聯(lián)合拖引干擾和其他干擾區(qū)分開。這些特征參數(shù)在JNR達到10～20dB之間對于干擾具有良好的可分性。

3.2.2 頻域特征參數(shù)

圖37 頻域矩偏度

從頻域特征參數(shù)仿真結(jié)果來看，幾個特征參數(shù)對于欺騙式干擾具有較好的可分性，其中頻域矩偏度在JNR達到15dB左右可以將5種干擾完全分開，其他幾個參數(shù)分類效果也較好。

圖38 頻域加性高斯白噪聲因子A1

圖39 頻域加性高斯白噪聲因子A2

表2 欺騙式干擾特征參數(shù)分類表

3.2.3 分類策略

圖40 欺騙式干擾分類策略

4 結(jié)束語

本文從雷達面臨的常見有源干擾入手，對壓制式干擾和欺騙性干擾進行了建模仿真，并在分析了其時頻域特性的基礎(chǔ)上，提取了合適的時域和頻域特征參數(shù)，在不同干噪比下驗證多個特征參數(shù)對不同類型干擾的分類能力，建立了相應(yīng)的分類準則。研究結(jié)果表明，提取的特征參數(shù)對于壓制式干擾中的射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾和噪聲調(diào)頻干擾，和欺騙式干擾中的距離-速度聯(lián)合拖引干擾、靈巧噪聲干擾、密集假目標干擾、彌散頻譜干擾和切片組合干擾，以及復合干擾有著良好的分類能力。