張育豪, 朱圣棋, 曾 操, 崔 森, 石琦劍

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室, 陜西 西安 710071)

0 引 言

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展,雷達干擾方法與抗干擾算法之間的斗爭日趨激烈和復雜[1]。其中,假目標產(chǎn)生器通過截取并轉(zhuǎn)發(fā)雷達發(fā)射信號,誘導雷達系統(tǒng)把虛擬假目標當成真實目標處理,增加雷達系統(tǒng)對干擾鑒別的能力[2-3],導致其對真實目標的參數(shù)估計與跟蹤性能惡化[4-6]。由于假目標信號通常由假目標產(chǎn)生器將截獲的雷達信號存儲后進行延遲轉(zhuǎn)發(fā)并通過距離欺騙、多普勒調(diào)制等手段產(chǎn)生,即干擾脈沖至少延遲雷達發(fā)射脈沖一個周期[7]。因此,在新體制雷達下挖掘目標與干擾的脈沖信息成為抗主瓣欺騙式干擾的一種有效方法。

對于來自雷達旁瓣的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾,傳統(tǒng)陣列雷達能夠采用廣義旁瓣相消器(generalized sidelobe canceller, GSC)[8]、超低旁瓣天線[9]和空時自適應(yīng)處理(space-time adaptive processing, STAP)[10]來對旁瓣干擾進行有效自適應(yīng)處理,然而對于假目標位于主瓣的干擾則會影響雷達的鑒別。而多輸入多輸出(multiple input multiple output, MIMO)雷達是波形分集雷達的主要范例,通過發(fā)射波形的優(yōu)化會讓雷達目標估計性能和雜波/干擾抑制性能增強[11-12],因此受到越來越多的關(guān)注,并有了許多國防和民用應(yīng)用[13-14]。隨著硬件處理速度提高,使得MIMO雷達系統(tǒng)更容易實現(xiàn)靈活的發(fā)射波形敏捷性,從而提升復雜環(huán)境下的目標檢測性能[15-16],并且保持共存性雷達和通信系統(tǒng)[17-18]。

一般來說MIMO有兩種形式,即共置MIMO[19]和分布式MIMO[20]。在文獻[21-22]中，陣元脈沖編碼MIMO(element pulse coding-MIMO, EPC-MIMO)雷達的距離模糊度分辨能力得到驗證,距離模糊性問題是由距離折疊信號引起的,在脈沖雷達中經(jīng)常遇到,包括基于STAP的雷達和合成孔徑雷達[23-26],文獻[27]對基于傅里葉的編碼設(shè)計進行推廣,提出了一般的EPC方法,但該方法沒有考慮到幅相誤差的影響。在文獻[28]討論了EPC-MIMO 雷達的性能,闡述了基于傳統(tǒng)的波束成形算法將目標從不同的距離模糊區(qū)分開的條件。在文獻[29]中提出了基于 EPC-MIMO體制的穩(wěn)健抗干擾方法。

基于工作在共置體制下的EPC-MIMO雷達系統(tǒng),本文提出了一種抑制主瓣距離欺騙式干擾的方法。假目標產(chǎn)生器(false target generation, FTG)產(chǎn)生的假目標,是對截獲的雷達脈沖信號進行距離速度調(diào)制，進而形成具有不同距離和多普勒率的假目標,而真目標是在當前脈沖下的回波,故真、假目標在脈沖序列上存在差異。在上述結(jié)論下,結(jié)合雷達硬件系統(tǒng)對所提方法進行驗證。首先利用線性調(diào)頻信號的寬頻帶特性對雷達系統(tǒng)進行發(fā)射-接收通道幅相校正,補償由于器件造成發(fā)射-接收通道的幅度相位的誤差,其次利用EPC-MIMO雷達體制對發(fā)射信號進行脈沖編碼,用于在接收端對包含目標和干擾的回波數(shù)據(jù)進行匹配,獲得假目標產(chǎn)生器產(chǎn)生干擾的規(guī)律,最后通過對脈沖回波數(shù)據(jù)進行篩選,得到只包含目標的回波來抑制主瓣欺騙式干擾。

1 EPC-MIMO雷達主瓣距離欺騙干擾模型

1.1 真實目標分析

不失一般性考慮,雷達系統(tǒng)由M個發(fā)射陣元、N個接收陣元組成的共置MIMO組成,雷達相干積累時間(coberent process interval, CPI)內(nèi)包括K個發(fā)射脈沖。在EPC-MIMO系統(tǒng)中,來自第k個脈沖的第m個發(fā)射陣元的編碼組成為

(1)

(2)

式中:τ為任意時延；()*表示共軛運算。

不同于傳統(tǒng)的MIMO雷達系統(tǒng),EPC-MIMO雷達的發(fā)射信號包含了脈沖編碼調(diào)制信息,即:

(3)

式中:cm,k=exp{j2πγ(m-1)(k-1)}。

假設(shè)遠場存在一個目標,其距離、角度分別為R0和θ0,則第n個陣元接收到由第m個陣元在第k個脈沖的發(fā)射信號為

xn,m,k=Aφm(t-τ0)ej2πγ(m-1)(k-1)ej2πf0(t-τn,m)ej2πfds(k-1)T

(4)

式中:A為目標復幅度;τ0=2R0/c為公共延遲;τn,m=(2R0-d(n-1)sin(θ0)-d(m-1)sin(θ0))/c;d表示為陣元間距;c為光速;fds=2vs/λ0表示真實目標的多普勒頻率,其中vs和λ0分別為目標的速度和波長。

1.2 轉(zhuǎn)發(fā)式假目標分析與抑制方法

首先,位于遠場的FTG截獲雷達的發(fā)射信號,在截獲的信號基礎(chǔ)上進行距離、速度上的調(diào)制產(chǎn)生假目標,最終使得雷達接收到包含假目標的回波信號。

而假目標產(chǎn)生器的延遲轉(zhuǎn)發(fā)周期為ζ·PRF,其中ζ為正整數(shù),脈沖重復頻率PRF為發(fā)射脈沖周期,表示在第一個PRF到第(ζ-1)個PRF內(nèi)截取雷達信號,在第ζ個PRF產(chǎn)生假目標到達雷達接收端。

圖1 假目標產(chǎn)生Fig.1 False target generation

(5)

FTG對截獲到的雷達發(fā)射信號進行時間調(diào)制和速度調(diào)制,其時間調(diào)制和速度調(diào)制分別為Δτp、vp,其中p={1,2,…,P}為假目標個數(shù),則調(diào)制后的信號為

(6)

式中:fp=2vp/λp表示目標的多普勒頻率,其中vp和λp分別為假目標的速度和波長。則在第k個PRF脈沖的雷達接收到假目標的信號為

(7)

而在第k個發(fā)射脈沖下目標的回波為

xn,m,k=Aφm(t-τ0)ej2πγ(m-1)(k-1)ej2πf0(t-τn,m)ej2πfds(k-1)T

(8)

因此,可以在接收端利用假目標與真實目標的脈沖調(diào)制編碼信息不匹配來抗轉(zhuǎn)發(fā)式主瓣欺騙干擾。

2 EPC-MIMO雷達主瓣距離欺騙干擾抑制

2.1 EPC-MIMO雷達主瓣距離欺騙式干擾抑制流程

本文所提EPC-MIMO雷達主瓣距離欺騙式干擾抑制方法主要針對轉(zhuǎn)發(fā)式干擾情況,利用FTG產(chǎn)生的假目標脈沖調(diào)制信息與真實目標脈沖調(diào)制信息不同進行抗干擾。在考慮雷達硬件系統(tǒng)的通道不一致問題,算法分為硬件處理和軟件處理兩部分,算法的總體框架如圖2所示,其中橙色虛框為硬件部分,藍色虛框為軟件部分。

在硬件部分中,首先利用線性調(diào)頻信號來獲得雷達各通道的幅相誤差,將發(fā)射通道誤差補償?shù)紼PC-MIMO發(fā)射波形中,其次在雷達時序控制下將補償后的發(fā)射信號存儲在硬件系統(tǒng)中并發(fā)射,考慮到發(fā)射鏈路上會對幅相補償系數(shù)有衰減,不能像理想情況下幅相誤差補償一次就滿足測試要求,需要多次補償直到滿足實驗測試要求,發(fā)射通道幅相誤差補償完成后在遠場架設(shè)FTG并以運動的卡車為目標,最后形成有主瓣干擾的目標回波,在雷達時序控制下對回波信號進行采樣即可得到回波數(shù)據(jù)。

在軟件部分中,首先對雷達回波信號數(shù)據(jù)進行接收端幅相誤差補償,補償?shù)衾走_接收端通道幅相差異造成回波信號的相位和幅度的差異,其次通過遠場架設(shè)喇叭天線測得第K個脈沖調(diào)制下的發(fā)射信號,用于構(gòu)造出K個脈沖調(diào)制下的EPC-MIMO發(fā)射匹配信號,利用發(fā)射匹配信號對每一個脈沖回波進行匹配探索FTG產(chǎn)生假目標的規(guī)律,其次對回波脈沖進行篩選分別得到只包含目標回波信號、只包含干擾回波信號以及同時包含目標和干擾的回波信號,最后對篩選出的脈沖信號進行匹配濾波、動目標顯示(moving target indicator, MTI)、動目標檢測(moving target detention, MTD)、數(shù)字波束形成(digital beam forming, DBF)等處理后輸出顯示目標、干擾以及抗干擾結(jié)果,結(jié)合FTG設(shè)定的假目標參數(shù),驗證所提算法的有效性。

圖2 流程總體框圖Fig.2 Overall block diagram of the process

2.2 雷達系統(tǒng)發(fā)射-接收通道幅相誤差校正

由于雷達硬件系統(tǒng)的布線分布、器件參數(shù)以及各通道的工藝不可能完全一致,導致每個發(fā)射-接收通道對于不同頻點的信號有著不同的程度衰減和延遲,在測試之前先對雷達系統(tǒng)進行通道間的幅度相位補償,來減少器件通道間的誤差對EPC-MIMO抗干擾性能的影響。利用線性調(diào)頻信號的寬頻帶特性使其覆蓋EPC-MIMO雷達工作所需的頻段進行通道間幅相誤差測量與補償,以發(fā)射通道校正為例其校正過程如圖3所示。

圖3 雷達發(fā)射通道校正Fig.3 Radar transmission channel correction

首先在雷達發(fā)射時序控制下,將帶寬覆蓋測試所需頻帶的線性調(diào)頻信號依次通過雷達系統(tǒng)的所有發(fā)射通道,其次在遠場假設(shè)喇叭天線用于接收各發(fā)射通道經(jīng)過系統(tǒng)后含有幅相誤差信息的發(fā)射信號,通過發(fā)射端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對該信號進行采樣后變化到頻域上與第一通道進行對比即可得到通道間的誤差,最后將誤差系數(shù)引入發(fā)射信號后重復上述步驟,直到發(fā)射通道誤差達到實驗要求范圍內(nèi)。

不失一般性,考慮雷達發(fā)射端由M個發(fā)射陣元、1個耦合鏈路組成,發(fā)射脈寬為Tp,第m個陣元的線性調(diào)頻信號為

Sigm(t)=Aexp(j2π(f0t+Krt2)),0≤t≤Tp

(9)

式中:Kr=B/Tp為調(diào)頻斜率;B為線性調(diào)頻的帶寬;m為通道序號。則第m個通道的發(fā)射信號通過硬件系統(tǒng)后可以得到：

(10)

(11)

式中:τm, j表示通道m(xù)第j個頻點相對于參考通道1頻域的幅相誤差;FFT_Num為FFT點數(shù);具體表達如下所示:

(12)

將幅相誤差τm,:補償即可得到通道校正后的發(fā)射信號為

(13)

接收幅相誤差獲取與發(fā)射幅相誤差獲取方法相似,首先雷達置于接收時序控制下,其次將發(fā)射端與接收端互換,并用接收端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對雷達的發(fā)射的線性調(diào)頻信號進行采樣得到包含接收通道的幅相誤差信號,重復發(fā)射校正系數(shù)獲取的過程,即可得到接收端的幅相誤差矩陣為

(14)

最后在EPC-MIMO抗干擾實驗中補償?shù)艋夭ㄖ型ǖ篱g的差異對目標探測與干擾抑制的影響。

2.3 EPC-MIMO雷達回波干擾抑制算法

由式(7)和式(8)可知,EPC-MIMO體制下的FTG產(chǎn)生的主瓣欺騙式干擾與真實目標回波所包含的脈沖編碼調(diào)制信息cm,k不同,在接收端利用事先采集到的EPC-MIMO體制下K個發(fā)射信號作為匹配信號,逐一對回波數(shù)據(jù)進行匹配,得到在各脈沖回波中FTG產(chǎn)生的假目標是在第幾個雷達發(fā)射脈沖基礎(chǔ)上經(jīng)過距離和速度調(diào)制后產(chǎn)生的;利用得到的干擾規(guī)律對雷達回波進行篩選,并構(gòu)建相應(yīng)脈沖的匹配信號,經(jīng)過匹配濾波、MTI、MTD、DBF后可以抑制掉FTG的延遲轉(zhuǎn)發(fā)周期ζ·PRF,且ζ≠1 情況下的主瓣距離欺騙式干擾,算法流程如圖4所示。

圖4 基于EPC-MIMO真、假目標雷達回波脈沖調(diào)制編碼差異的 主瓣距離欺騙式干擾抑制流程圖Fig.4 Mainlobe range deception interference suppression flow chart based on EPC-MIMO true and false target radar echo pulse modulation coding difference

3 EPC-MIMO實測數(shù)據(jù)處理

本節(jié)通過對EPC-MIMO實測數(shù)據(jù)分析來驗證所提EPC-MIMO雷達主瓣距離欺騙式干擾抑制方法的有效性。實驗中FTG和真實目標置于雷達主瓣遠場,并將雷達架高減小近物雜波與地雜波對實驗的影響,通過激光測距儀記錄距離信息,表1給出了實驗相應(yīng)的測試參數(shù)。

表1 EPC-MIMO雷達系統(tǒng)測試參數(shù)

EPC-MIMO的正交性圖如圖5所示,為發(fā)射通道1的自相關(guān)以及與其他通道發(fā)射信號的互相關(guān)。

圖5 EPC-MIMO的正交性Fig.5 Orthogonality of EPC-MIMO

3.1 EPC-MIMO雷達發(fā)射通道幅相誤差處理

圖6給出了發(fā)射信號幅相誤差校正。如圖6(a)所示,硬件系統(tǒng)各發(fā)射通道間布線、器件以及信號路徑的差異造成了發(fā)射通道有著不同程度的幅度相位差異,影響接收端信號處理。圖6(b)為發(fā)射外場校正4次后的結(jié)果,此時發(fā)射信號幅度相位趨于一致。圖6(c)為發(fā)射通道相位誤差隨著校正次數(shù)增加的變化,隨著校正次數(shù)的增加,發(fā)射通道的相位誤差趨于0。圖6(d)為發(fā)射幅相誤差校正后線性調(diào)頻信號的頻譜,此頻帶覆蓋了EPC-MIMO實驗的帶寬,將其補償?shù)紼PC-MIMO信號中即可減少由于硬件系統(tǒng)造成的誤差。

圖6 發(fā)射信號幅相誤差校正Fig.6 Transmit signal amplitude and phase error correction

3.2 EPC-MIMO雷達回波干擾抑制算法處理

由于硬件限制,只能采集到一個脈沖下的雷達發(fā)射信號,因此需要對第K個發(fā)射脈沖下的EPC-MIMO發(fā)射信號進行脈沖調(diào)制編碼信息補償,得到K個脈沖匹配信號，對回波數(shù)據(jù)進行匹配得到FTG產(chǎn)生假目標的規(guī)律,并與MIMO體制在相同干擾樣式下作對比,圖7為EPC-MIMO與MIMO在相同主瓣距離式欺騙干擾下的處理對比。圖7(a)和圖7(c)分別為EPC-MIMO第16個脈沖和第3個脈沖回波匹配結(jié)果,可以看出在K=16下,第16個發(fā)射脈沖的回波中,假目標轉(zhuǎn)發(fā)的是第15個脈沖的發(fā)射信號。而第3個發(fā)射脈沖的回波中,假目標轉(zhuǎn)發(fā)的是第1個脈沖的發(fā)射信號。圖7(b)和圖7(d)分別為MIMO第16個脈沖和第3個脈沖回波匹配結(jié)果,由于MIMO體制下沒有進行脈沖編碼調(diào)制,因此每個脈沖匹配信號都會匹配出干擾,無法得知干擾規(guī)律。圖7(e)為干擾規(guī)律查找,可以看出在ζ=2時,FTG先截獲當前脈沖的發(fā)射信號,通過距離速度調(diào)制延遲轉(zhuǎn)發(fā)到下一個脈沖中,即每間隔一個接收脈沖就有假目標干擾。

圖7 EPC-MIMO與MIMO在相同主瓣距離式欺騙干擾下的處理對比Fig.7 Comparison of processing between EPC-MIMO and MIMO under the same mainlobe distance spoofing interference

在獲得FTG產(chǎn)生的假目標規(guī)律后,對雷達的發(fā)射信號脈沖回波進行篩選,篩選出只包含目標的回波,包含目標和干擾的回波,分別進行匹配濾波、MTI、MTD以及DBF處理。圖8為EPC-MIMO抗主瓣欺騙干擾處理。圖8(a)為目標匹配,即對只有目標的脈沖回波,用目標脈沖信號匹配回波。圖8(b)為假目標匹配,即對有目標和干擾的脈沖回波,用干擾脈沖信號匹配脈沖信號匹配回波。圖8(c)為假目標和目標同時匹配,即對有目標和干擾的脈沖回波,用干擾脈沖信號和目標脈沖信號同時匹配回波。圖8(d)為EPC-MIMO抗干擾處理結(jié)果,即對有目標和干擾的脈沖回波,用目標脈沖信號匹配回波,可以看出抗干擾處理后目標和干擾功率分別為168.9 dB和158.8 dB。圖8(e)為MIMO體制在相同干擾下的匹配結(jié)果,由于MIMO沒進行脈沖編碼調(diào)制,在回波中利用匹配信號區(qū)分不開目標和干擾,干擾還存在,且功率分別為167.0 dB和168.1 dB。EPC-MIMO抗干擾能力相對于MIMO提高了10 dB左右。

圖8 EPC-MIMO抗主瓣欺騙干擾處理Fig.8 EPC-MIMO anti-mainlobe deception jamming processing

表2為EPC-MIMO雷達系統(tǒng)測試結(jié)果,真、假目標的距離、速度估計與設(shè)置的參數(shù)接近。

表2 EPC-MIMO雷達系統(tǒng)測試結(jié)果

4 結(jié) 論

EPC-MIMO雷達體制下,本文基于假目標回波脈沖編碼調(diào)制信息與目標回波脈沖編碼信息不同的特性,提出了一種新的脈沖編碼雷達主瓣距離欺騙式干擾抑制方法?？紤]到雷達系統(tǒng)通道間存在幅相差異,并且假目標產(chǎn)生需要將雷達發(fā)射信號延遲一個或多個脈沖周期形成多個假目標。因此,首先對雷達系統(tǒng)進行幅相誤差的補償,隨后利用發(fā)射脈沖信號匹配回波獲得假目標產(chǎn)生的規(guī)律,對回波脈沖進行篩選，最后對篩選出的脈沖回波進行匹配濾波、MTI、MTD、DBF 等處理。EPC-MIMO與MIMO體制在相同干擾下,對雷達回波實測數(shù)據(jù)進行分析,驗證了所提方法能夠有效地抑制主瓣距離轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾,抗干擾能力提高10 dB。