摘 要：

雷達干擾一體化是優(yōu)化射頻資源、實現(xiàn)定向干擾的有效技術路徑，雷達干擾一體化波形設計是雷達干擾一體化研究的重點。本文提出一種基于Zadoff-Chu序列和正交頻分復用架構的雷達干擾一體化波形，研究了波形的設計與處理方法。波形以正交頻分復用為調(diào)制方式、以時頻分割復用為基本架構、通過Zadoff-Chu和Mersenne-Twister序列對頻域子載波進行合理的分配和調(diào)制完成探測與干擾功能一體，在信號處理時采用先探干時頻分離再脈沖壓縮和相參處理的方式實現(xiàn)測距測速。理論分析和仿真試驗表明，所提波形同時具備脈沖壓縮主副瓣比大、多普勒容限強以及頻率對準靈活、干擾隨機性強的探干一體性能優(yōu)點。

關鍵詞：

雷達干擾一體化; 正交頻分復用; Zadoff-Chu序列; Mersenne-Twister序列

中圖分類號：

TN 973

文獻標志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.09.12

ZC-OFDM-based radar interference integrated waveform design and processing method

LIU Fangzheng， ZENG Ruiqi*， GONG Yang， HAN Zhenzhong

（Institute of Electronic Countermeasure， National University of Defense Technology， Hefei 230037， China）

Abstract：

The integration of radar interference is an effective technical path to optimize radio frequency resources and realize directional interference. Radar interference integrated waveform design is a hot spot in radar interference integrated research. This paper presents an radar interference integrated waveform based on Zadoff-Chu sequence and orthogonal frequency division multiplexing （OFDM） architecture， and studies the waveform design and processing methods. The waveform uses OFDM as the modulation mode and time-frequency division multiplexing as the basic architecture. The frequency domain subcarriers are reasonably allocated and modulated through Zadoff-Chu and Mersenne-Twister sequences to achieve the integration of detection and interference functions. In signal processing， the first step is to separate the time and frequency of interference detection， and the second step is to conduct pulse compression and coherent processing， so as to achieve ranging and velocity measurement. Theoretical analysis and simulation test show that the proposed waveform has the advantages of high ratio of main lobe to side lobe of pulse compression， strong Doppler tolerance， flexible frequency alignment and strong interference randomness.

Keywords：

radar interference integrated; orthogonal frequency division multiplexing （OFDM）; Zadoff-Chu sequence; Mersenne-Twister sequence

0 引 言

電磁作戰(zhàn)領域已經(jīng)成為近現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭的戰(zhàn)略制高點。雷達利用電磁信號的高速傳播特性探測目標，第一時間掌握目標的態(tài)勢和意圖，是電磁領域的主要作戰(zhàn)要素之一;雷達對抗有源干擾則是利用電磁信號來削弱雷達效能、爭奪在電磁作戰(zhàn)領域主動權的重要手段。雷達干擾一體化是一種將雷達探測和干擾融合為一體的全新作戰(zhàn)樣式，該樣式從雷達探測的角度實現(xiàn)了“我明敵盲”的態(tài)勢獲取優(yōu)勢效能，從干擾的角度實現(xiàn)了定向干擾、跟蹤干擾的干擾性能倍增效能。研究雷達干擾一體化技術對擴展電磁作戰(zhàn)樣式具有重要意義。

美國最先開始雷達干擾一體化的研究工作，先后于20世紀70年代、80年代提出“寶石臺”“寶石柱”計劃，主要圍繞建立統(tǒng)一開放的機載電子系統(tǒng)，強調(diào)一體化架構和總線。之后在90年代，美國又提出先進多功能射頻概念 （advanced multifunction radio frequency concept， AMRFC） 多功能射頻一體的概念［1-2］，旨在射頻前端利用多孔徑天線實現(xiàn)多功能一體，繼而實現(xiàn)從架構到模塊，從后端到前端的雷達干擾硬件架構一體化。而后美國很少公開雷達干擾一體化研究的相關資料。事實上，從美國近年來裝備的發(fā)展可以看出其一直在一體化方面有所進展，其中，F(xiàn)22戰(zhàn)斗機和F35戰(zhàn)斗機是美國一體化技術應用的典型裝備。F22戰(zhàn)斗機利用有源相控陣技術集成了一體化射頻前端，形成了利用多個波束同時進行搜索、跟蹤、電子干擾的一體化手段。F35戰(zhàn)斗機應用最新研制的多功能一體化射頻系統(tǒng) （multifunction integrated radio frequency system， MIRFS） 技術，集雷達、干擾、通信、導航功能于一身，完全共享天線和處理器等硬件［3］。

國內(nèi)雷達對干擾一體化波形的研究開展得比較晚。文獻［4］從武器平臺資源有限的角度分析了雷達與干擾一體化的必要性、從雷達與干擾硬件前端相似性的角度分析了雷達與干擾一體化的可行性，提出了偽隨機二相編碼信號、偽隨機二相編碼衍生信號等多種雷達干擾一體化信號，分析了信號的探測性能和在時頻已對準對方雷達前提條件下的干擾性能。文獻［5］提出了雷達干擾一體化實現(xiàn)的幾條技術路線：空分復用、時分復用、碼分復用、頻分復用，概略性地分析了幾條技術路線的特點。文獻［6］提出了一種正交梳狀譜型雷達干擾一體化信號波形，基于梳狀譜信號正交性的特點分別對探測信號和干擾信號進行調(diào)制保證了波形的靈活性。文獻［7］提出一種基于擴頻方式的一體化波形架構和基于正交頻分復用 （orthogonl frequency division multiplexing， OFDM） 方式的一體化波形架構，研究了集雷達、通信、干擾3種功能于一體的波形調(diào)制和信號處理算法。文獻［8］提出一種基于雙載頻偽隨機二相編碼信號的雷達干擾一體化信號波形，具有良好的距離和速度分辨率以及類噪聲特性。文獻［9］提出一種偽碼噪聲調(diào)頻與線性調(diào)頻復合調(diào)制的探測干擾共享波形，用以實現(xiàn)對寬頻帶特征的雷達進行有效干擾。

從現(xiàn)有的研究資料中可以得出這樣的結(jié)論：雷達干擾一體化的實現(xiàn)共有空分復用、時分復用、碼分復用、頻分復用4種方式，前兩種方式側(cè)重于硬件架構一體，后兩種側(cè)重于波形一體。美國的研究側(cè)重于硬件架構一體，研究的重點主要集中在綜合射頻孔徑和一體化軟硬件架構，這主要依靠美國強大的器件技術水平。國內(nèi)的研究側(cè)重于波形一體，主要在現(xiàn)有的設備器件水平上重點研究優(yōu)化波形的探測性能和保持波形的隨機特性。不可否認的是，不管是硬件架構一體和波形一體均是實現(xiàn)雷達干擾一體化的有效途徑，都能提升平臺的探測干擾綜合效能。

現(xiàn)有的一體化波形研究大多都將研究的重點放在了分別討論波形的探測性能和干擾性能上，忽略了從功能的角度出發(fā)對一體化波形整體架構的研究。雷達干擾一體化從功能本質(zhì)出發(fā)是要同時實現(xiàn)探測和干擾功能，而探測功能要求波形保持一定的穩(wěn)定性以在信號處理時獲得良好的匹配特性、但干擾功能則要求波形必須隨時跟隨被干擾對象的信號的變化而變化，因此雷達干擾一體化波形必須從波形架構上解決探測穩(wěn)定性和干擾靈活機動性共存的問題。

本文提出一種基于OFDM架構的、由ZC （Zadoff-Chu） 序列和MT （Mersenne-Twister） 偽隨機序列調(diào)制的雷達干擾一體化波形 （簡稱為ZC-OFDM），該波形既解決了雷達干擾一體化功能所需的波形穩(wěn)定性和機動性共存的問題，也保證了一體化波形具有良好的探測性能和干擾性能。

1 ZC序列與MT序列特性研究

1.1 ZC序列特性研究

ZC序列是一種頻率隨時間變化的chirp序列，在各種通信系統(tǒng)［10-11］中作為同步序列被廣泛應用。ZC序列的定義為

3 仿真實驗

本文設計仿真實驗對所提出的ZC-OFDM雷達干擾一體化波形的探測功能和干擾功能進行了驗證，仿真實驗背景設置為一體化平臺對安裝有機載火控雷達的飛行目標進行探測和干擾，對方機載火控雷達采用常規(guī)線性調(diào)頻波形進行工作，仿真實驗參數(shù)設置如表1和表2所示。

圖9和圖10分別給出了針對目標雷達不同工作載頻的兩個脈組中3個ZC-OFDM雷達干擾一體化波形脈沖的時頻域仿真結(jié)果，其中脈組1針對目標雷達工作在載頻1，脈組2針對目標雷達工作在載頻2。從時域圖中可以看出，ZC-OFDM雷達干擾一體化波形呈現(xiàn)類噪聲的隨機特性且同一脈組當中脈沖間也呈現(xiàn)包絡不同的隨機特性。從頻域圖中可以看出，不同脈組波形的探測部分頻率子載波位置始終保持不變，干擾部分頻率子載波位置隨著目標雷達的頻率改變而機動。通過分析可以看出，一個脈組內(nèi)不同脈沖間的隨機特性是由干擾部分子載波調(diào)制序列（MT序列）的隨機性引起的，干擾部分子載波位置機動的靈活性保證了該一體化波形能夠有效干擾工作在多個頻點的雷達，并且由于探測子載波與干擾子載波的分頻復用避免了與目標雷達可能產(chǎn)生的同頻干擾。

圖11和圖12分別給出了ZC-OFDM波形的自相關函數(shù)和模糊函數(shù)仿真結(jié)果。圖11仿真結(jié)果表明，ZC-OFDM波形的自相關函數(shù)的副瓣較為平滑。圖12仿真結(jié)果表明，在帶寬為10 MHz、時寬為10 μs的相同參數(shù)條件下，ZC-OFDM波形的模糊函數(shù)與線性調(diào)頻波形模糊函數(shù)均呈現(xiàn)為“斜刀刃”特性，表明ZC-OFDM波形具有與線性調(diào)頻波形相似的多普勒容限特性［25］。結(jié)合圖11和圖12可以得出：ZC-OFDM波形具有良好的探測特性，其作為探測波形在回波處理時可以通過脈沖壓縮處理獲得較大的處理增益;同時，其具有較強的多普勒容限，由運動目標的多普勒頻移而造成的脈沖壓縮失配較小。根據(jù)式（18）得出的結(jié)論可知，ZC-OFDM雷達干擾一體化波形的探測回波在經(jīng)過探干分離處理后表現(xiàn)為與ZC-OFDM波形相同的性能特性，即ZC-OFDM雷達干擾一體化波形的回波處理也表現(xiàn)為較大的脈沖壓縮處理增益和較強的多普勒頻移容限。

圖13給出了ZC-OFDM雷達干擾一體化波形回波信號處理的有關仿真結(jié)果。圖13（a）和圖13（b）給出了一體化波形回波經(jīng)過探干分離濾波器后的時頻域，圖13（c）給出了相同參數(shù)條件下ZC-OFDM雷達干擾一體化波形回波和線性調(diào)頻波形回波的脈沖壓縮處理結(jié)果比較。結(jié)果表明，一體化波形回波在經(jīng)過探干分離濾波器后濾除了干擾部分子載波，得到了類似ZC-OFDM波形的時頻成分，而后進行的脈沖壓縮處理結(jié)果顯示其最小主副瓣比與相同時寬帶寬條件下的線性調(diào)頻波形的脈沖壓縮最小主副瓣比相近。圖13（d）和圖13（e）給出了ZC-OFDM雷達干擾一體化波形回波通過相參處理實現(xiàn)對目標進行測速的仿真結(jié)果以及目標回波信號處理的距離時間二維圖?？梢钥闯?，雖然ZC-OFDM雷達干擾一體化波形的一組脈沖中各個脈沖的包絡均表現(xiàn)為較強的隨機性，但各個脈沖的回波在經(jīng)過探干分離后仍然具備相參特性。根據(jù)參數(shù)設置可知，一體化波形的載頻為fyc=10.5 GHz、重復周期為Tyr=100 μs、相參測速脈沖數(shù)為Nyr=16，則根據(jù)式（23）可得一體化波形相參測速的速度精度為Δv=c/2TyrNyrfyc=8.92 m/s。仿真結(jié)果顯示，一體化波形回波測速結(jié)果為98.68 m/s、與真實速度100 m/s差值為1.32 m/s、在測速精度約束范圍之內(nèi)。綜上所述，一體化波形能夠通過回波的脈沖壓縮處理和相參測速處理完成對目標距離和速度的測量。

圖14和圖15給出了目標雷達分別工作在載頻1和載頻2時、ZC-OFDM雷達干擾一體化波形對其干擾的仿真結(jié)果。根據(jù)參數(shù)設置和雷達方程可知，當目標雷達采用頻率fec1進行工作時、目標雷達接收到的回波功率Prs1=［PtGtGtσ（c/fec1）2］/（4π）3R4=－10.48 dBW，當目標雷達采用頻率fec2進行工作時、目標雷達接收到的回波功率Prs2=［PtGtGtσ（c/fec2］2/（4π）3R4=－10.49 dBW，目標雷達接收到的一體化信號功率Pry=［PyGyGt（c/fyc）2γj］/（4π）2R2=－3.38 dBW。

圖14（a）、圖14（b）、圖15（a）、圖15（b）分別給出了在無干擾狀態(tài)下目標雷達工作在載頻1或載頻2時的回波處理結(jié)果，表明在無干擾狀態(tài)下目標雷達工作在載頻1或載頻2的狀態(tài)下均可通過線性調(diào)頻常規(guī)波形進行有效的測距測速，且其脈沖壓縮主副瓣比均達到40 dB以上，可有效抑制虛警［26］。圖14（c）、圖14（d）、圖15（a）、圖15（b）分別給出了目標雷達工作在載頻1或載頻2時受ZC-OFDM雷達干擾一體化波形干擾的回波處理仿真結(jié)果，表明在ZC-OFDM雷達干擾一體化波形干擾狀態(tài)下目標常規(guī)探測雷達無論工作在頻點1或頻點2均無法有效地測距和測速。這里需要特別指出的是，與傳統(tǒng)常規(guī)的干擾方式不同，一體化平臺采用ZC-OFDM雷達干擾一體化波形實現(xiàn)探干一體能夠保證波束在探測到目標的同時也一定干擾到了目標，因此仿真中的干擾天線增益實際上是探干一體的條件下實施定向干擾的天線增益。在定向干擾條件下，干擾天線可以獲得和雷達天線同樣的方向性和增益，將極大增加在目標方向的有效干擾功率，獲得比傳統(tǒng)常規(guī)干擾更佳的干擾效果。

4 結(jié) 論

本文提出一種ZC-OFDM雷達干擾一體化波形和信號處理方法，該波形以OFDM為架構獲得較為靈活的載波分配方式，解決了探測功能所需的頻率穩(wěn)定性和干擾功能所需的頻率機動性之間的矛盾。同時，利用ZC序列的強相關性使波形獲得良好的探測特性，利用MT序列的隨機性使波形獲得良好的干擾特性，既而從波形架構和調(diào)制序列兩個角度確保雷達干擾一體化波形優(yōu)越的一體化性能。本文提出的基于探干分離濾波的回波信號處理方法是在傳統(tǒng)雷達回波信號處理流程的基礎上進行工作的，具有較強的工程實踐可操作性。仿真結(jié)果表明，ZC-OFDM雷達干擾一體化波形能夠?qū)ΤＲ?guī)多頻點工作的雷達和其平臺實施有效的干擾和探測，并且由于探干一體實現(xiàn)了定向干擾使得該波形輻射干擾功率更加聚焦。本文通過研究還發(fā)現(xiàn)： ① ZC序列賦予了ZC-OFDM雷達干擾一體化波形一定的低峰均比特性，但由于加入了MT序列使得波形的恒模特性受到一定的影響;② 由于引入了MT序列使得一體化波形不同脈沖之間時域包絡具有較強的隨機性，該隨機性在經(jīng)過回波探干分離濾波后不影響波形的相參處理特性，但該隨機性可能使得波形具有一定的反偵察特性;③ ZC-OFDM雷達干擾一體化波形的回波經(jīng)過探干分離后干擾部分的能量在信號處理中未被利用、造成波形的探測能量利用率低于常規(guī)探測波形的能量利用率。因此，關于ZC-OFDM雷達干擾一體化波形的峰均比優(yōu)化研究、反偵察特性研究、和波形的能量利用率優(yōu)化研究可作為下一步研究的重點。

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作者簡介

劉方正（1983—），男，副教授，博士，主要研究方向為電子對抗信息處理。

曾瑞琪（1994—），男，助教，碩士，主要研究方向為雷達通信干擾一體化波形。

龔 陽（1992—），男，講師，博士，主要研究方向為多目標跟蹤、一體化波形設計。

韓振中（1987—），男，副教授，博士，主要研究方向為信息與信息處理。