一種對LFM雷達的延時變脈寬干擾方法?

劉東青,王振華,徐 鵬,唐匯禹,常春賀

(1.空軍預警學院,湖北武漢430019;2.中國人民解放軍95910部隊,甘肅酒泉735000)

0 引言

未來作戰中,由于各類新型抗干擾技術在現代雷達中的應用[1],使得與雷達發射波形不匹配的干擾信號不能獲得相應的處理增益,很大程度上降低了壓制或者欺騙干擾的效果。為應對新型抗干擾樣式所帶來的威脅,迫切需要對新型干擾技術進行研究?，F代雷達多采用具有大時寬-帶寬積信號,而線性調頻脈沖信號(Linear Frequency Modulation,LFM)在雷達中是使用最為廣泛的一種大時寬-帶寬積信號,針對LFM脈沖壓縮雷達的干擾方法研究是目前電子戰領域研究的熱點。

LFM脈沖信號是脈內相干的,這種脈內相干性使其在距離 多普勒頻移之間存在強耦合作用,這種距離-多普勒之間的相互影響會引起距離隨著多普勒頻移的視在漂移而產生測距誤差[2]。因此,如果在轉發干擾信號時適當地疊加一個多普勒頻移量,回波信號經過匹配濾波處理后就可在真目標附近產生一個假目標,假目標的位置隨著頻移量大小的變化而變化。頻移干擾是現代干擾樣式中一種對付LFM脈沖壓縮雷達較為有效的手段。許多學者對移頻干擾進行了研究分析。文獻[3-4]分析了移頻干擾技術,得出了移頻干擾可以實現距離欺騙的結論。文獻[5-7]針對常規移頻干擾存在可被識別的特征,給出了特征隱藏的隨機移頻、正弦波移頻、階梯波移頻和線性函數移頻等新型移頻干擾樣式,通過改變移頻量(移頻量按函數形式變化),可產生不同位置、不同形狀的多假目標干擾效果。但當雷達調頻斜率改變時,以上移頻干擾技術產生的假目標位置將在不同位置發生距離跳變的現象,雷達方可根據該特點對假目標進行剔除,使干擾失去效果。本文所推導的延時-變脈寬移頻干擾是通過對接收信號進行延時和倍乘調制,使干擾信號的產生不依賴于調頻斜率,以達到隱藏特征的目的。與常規移頻干擾技術相比,具有如下特點:干擾信號與雷達信號具有很好的匹配性;同等干信比條件下,可降低對干擾機發射功率的要求;克服了常規移頻干擾在對抗雷達調頻斜率改變時干擾失效的缺點。

1 LFM信號移頻干擾原理

隨著數字射頻存儲器(Digital Radio Frequency Memory,DRFM)技術的成熟和應用,DRFM可實現移頻干擾技術。其原理是:首先DRFM對截獲到的雷達發射信號進行存儲,干擾需要時DRFM復制出原雷達信號,上變頻時通過給上變頻本振調制一個附加的頻移量,從而產生假目標干擾信號[8]。假設線性調頻雷達發射的雷達信號表達式為

式中,T為脈寬,k為調頻斜率,且k=B/T,B為信號帶寬,BT為脈沖壓縮比,u(t)為信號復包絡,其表達式為

根據信號匹配濾波理論,雷達接收到回波信號后在接收機中進行脈沖壓縮。匹配濾波器的單位沖激響應為x?(t0-t),式中t0為匹配濾波器物理可實現條件決定的附加延時[9]。則線性調頻信號經脈沖壓縮后輸出響應的振蕩包絡為

干擾機對截獲的雷達信號移頻后轉發,干擾信號進入雷達接收機,在匹配濾波器的輸入端表現為x(t)的頻率發生了fd的頻移,因此,移頻干擾信號為

式中,fd為附加的頻移量。式(4)經過匹配濾波后的輸出信號為

由式(5)可知,移頻干擾經匹配濾波后的輸出信號是一個單頻振蕩,其中心頻率為fc+B/2+振蕩包絡為

假設雷達脈寬T=10μs,帶寬B=10 M Hz,fd分別為1.0,3和-0.8 M Hz畫圖,如圖1所示。

圖1 移頻干擾脈壓輸出波形

由圖1可知,干擾信號中的頻移量使雷達受到了距離欺騙干擾效果,具體表現為假目標回波相對地發生前移或后移。當fd=0時,脈壓輸出在輸入脈沖結束時刻T出現主峰,主峰寬度為[-1/B,1/B],輸出信號包絡按sinc函數規律衰減;從式(5)和圖1可知,當fd≠0時,主峰偏移到Δt=T-fd/k處(fd＞0主峰導前,fd＜0則主峰導后),即其延時和頻移之間存在耦合作用,使得輸出主峰展寬,幅度按三角包絡下降,干擾功率出現失配損失,且fd的值越大,失配越嚴重[10],表現在假目標能量越小。根據式(5)知,移頻量fd使雷達受到距離欺騙的同時,還使干擾信號匹配濾波后單頻振蕩的中心頻率發生了fd/2的改變。因此,移頻干擾產生的假目標的中心頻率偏移真實目標,如果是單個假目標,則很容易被雷達識別,這也是常規移頻干擾的主要缺點。

2 延時-變脈寬移頻干擾

從上一節的分析可知,移頻干擾信號與真實目標回波信號相比,干擾信號經匹配濾波后中心頻率發生了fd/2的改變,這種中心頻率變化的特征可作為一種雷達抗干擾的潛在方法。目前,一種有效的方法是實施干擾時使用變化的移頻量來隱藏該特征,防止干擾被識別和濾除。許多學者通過對頻移量fd的調制和改變讓頻移量發生變化以隱藏該特征,主要包括階梯波移頻、線性函數移頻和隨機數移頻等新型移頻干擾樣式。但以上干擾技術均有一個共同的缺點,移頻量按一定的規律線性遞增或線性遞減變化,當雷達調頻斜率改變時,所產生的假目標將在多個不同距離進行跳變,可被雷達準確識別和剔除。因此,如何較好地隱藏移頻量的變化成了移頻干擾研究的重點。

由Δt=T-fd/k可知,假目標與真目標的距離只與頻移量fd和調頻斜率k的大小有關,而與其他參數無關。因此,若要知道移頻量與假目標距離差之間的一一對應關系,就必須知道調頻斜率的大小,且在對付具有不同調頻斜率的頻率分集雷達時,干擾產生的假目標由于存在假目標位置隨調頻斜率捷變而發生距離跳變的現象,將使得干擾完全失效。雷達參數不變,取fd=1 M Hz,分別取調頻斜率k,k/2,k/3作仿真。為便于分析,仿真中對不同調頻斜率下的匹配濾波輸出都作了歸一化處理,如圖2所示。

圖2 不同調頻斜率下的常規移頻干擾

由圖2可知,移頻量相同時,調頻斜率不同會造成假目標與真目標之間的距離差發生變化,且調頻斜率不同引起頻移量的不同導致假目標信號幅度也不同,仿真結論與理論分析一致。因此,針對常規移頻干擾技術的不足,若使干擾信號移頻量fd隨雷達調頻斜率k的變化而變化,而延時量Δt不隨k發生改變,則可避免假目標位置隨調頻斜率變化的特點,使干擾信號在對付雷達調頻斜率改變時仍有效。延時-變脈寬移頻干擾的思想是:首先分別對雷達信號及其延時信號進行整數倍頻譜擴展,然后利用后者對前者進行時域脈沖壓縮,可以產生前移或后移假目標干擾,無需檢測雷達調頻斜率,能夠克服常規移頻干擾存在的可被識別的特征。

為簡化分析,考慮載頻為零時的情況,將線性調頻信號重寫為

式中,A(t)為矩形包絡函數:

取時延量τ,則原信號經時延變換后可表示為

移頻干擾分為正向移頻和負向移頻,分別可產生超前假目標和拖后假目標干擾,以正移頻干擾為例討論干擾信號的產生原理。由式(10)可知,將式(10)左邊恢復為常規移頻干擾信號表現形式,并引入移頻干擾分量,需要對式(10)進行等式變換。將式(10)兩邊同乘以A(t),由式(7)可得

對式(11)兩邊取平方,得

再將式(12)兩邊同乘以x-2(t-τ)x(t),即

從式(14)、式(15)可以看出,線性調頻信號經過延時和倍乘變換后,等式左邊即為常規移頻干擾的表達式,其區別僅在于參數的取值范圍略有不同,等式中x′(t)·ej2πkt2τ較x(t)脈沖寬度減小τ,即干擾信號前沿長度為τ的小部分被截掉,截斷后的脈沖寬度變為T-τ,干擾信號載波頻率fc+2kτ,頻移量2kτ,線性調頻信號與延時變脈寬調制后的信號如圖3所示。其中,頻移量隨調頻斜率變化,將2kτ代入Δt=T-fd/k得Δt=T-2kτ/k=T-2τ,若延時量取值不變,Δt的值也就不變。故當雷達調頻斜率改變時,頻移量隨之改變,使得調頻斜率不會對Δt=T-fd/k造成影響,有效避免了常規移頻干擾技術假目標與真目標之間的距離差隨調頻斜率改變而發生變化的現象。令式(15)右邊為干擾信號,則延時-變脈寬移頻干擾信號可表示為

根據式(16)可以看出,通過延時和倍乘調制,可使干擾信號的產生不依賴于調頻斜率,無需檢測調頻斜率大小就可實現假目標欺騙干擾的效果,可有效避免常規移頻干擾假目標位置隨調頻斜率改變而發生距離跳變的現象。需要指出的是,式中ej2πkτ2項代入相關參數計算后為一固定常數,只對干擾信號幅度造成影響,而對干擾信號頻率不會產生影響。同理,若將式(12)兩邊同乘以x-2(t-τ)x-1(t)可以產生負移頻延時-變脈寬移頻干擾信號。

3 仿真實驗

對特征隱藏的三角波移頻和延時-變脈寬移頻干擾進行對比仿真,以驗證干擾的有效性。雷達參數同上,三角波移頻中,將脈寬T均分為兩段,即三角波周期為1,干擾機起始頻率設為1 M Hz,調頻斜率在時段[0,T/2]內為5 k Hz,在(T/2,T]內為-5 k Hz,干信比JSR1=8;延時-變脈寬移頻干擾中,以正移頻干擾為例,設延時量τ=1μs,干信比JSR2=4,分別以調頻斜率k,k/2,k/3作對比仿真,如圖4所示。

圖3 線性調頻與延時變脈寬調制信號

由圖4可以看出,當干信比分別大于等于8和4時,三角波移頻可產生覆蓋前移多個假目標干擾,但當雷達調頻斜率分別取k,k/2,k/3時,三角波移頻干擾產生的假目標位置與預定位置發生了偏移,抗干擾方可根據該特點對假目標進行剔除,而延時-變脈寬移頻干擾產生的假目標位置不隨調頻斜率的改變,且干信比一定時其干擾信號功率較大,合理控制延時量大小,可使雷達難以從目標中區分出真目標。由此可知,針對固定調頻斜率雷達而言,三角波移頻干擾可以形成覆蓋前移假目標干擾的效果,但雷達若采取調頻斜率捷變來對抗假目標干擾時,三角波移頻干擾由于假目標位置發生改變而失去干擾效果,而延時-變脈寬移頻干擾假目標位置不發生改變,仍具有欺騙干擾的效果。

圖4 延時變脈寬與三角波移頻干擾方法對比

4 結束語

移頻干擾是一種針對線性調頻脈沖壓縮雷達的距離多普勒頻率間存在耦合的特點進行攻擊的轉發式干擾。它通過對截獲的雷達發射信號調制一個附加的頻移量后轉發給雷達,以達到欺騙干擾的效果。本文首先分析了常規移頻干擾技術的不足,在此基礎上仿真分析了一種改進的延時 變脈寬移頻干擾方法,并將該方法同三角波移頻干擾作對比仿真。仿真結果表明延時 變脈寬移頻干擾具有假目標位置不隨雷達調頻斜率改變而發生距離跳變的特點,可有效避免常規移頻干擾在對付具有不同調頻斜率的頻率分集雷達時干擾失效的問題。仿真結論對移頻干擾技術的研究具有一定的實用性。

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