對機載預警PD 雷達的航跡欺騙干擾技術研究

原 偉,束 坤,高 晨

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101)

機載預警雷達普遍采用脈沖壓縮技術、脈沖多普勒(PD)體制,具有很強的抗干擾性能。一般的壓制式干擾和欺騙式干擾無法對其產生良好的干擾效果。航跡欺騙干擾技術是一種可以在距離、角度和速度3個維度上同時對雷達實施欺騙的新型綜合欺騙干擾技術,比單純的一維欺騙具有更高的模擬逼真度,是一種更高級的有源欺騙干擾技術,因此,可以用來作為對機載預警PD雷達進行干擾的一種有效措施。

1 航跡欺騙干擾技術

1.1 航跡欺騙干擾技術的基本原理

通常采用副瓣干擾的方法,當雷達副瓣接收到的干擾功率大于或等于主瓣接收到的回波功率時,雷達信號處理系統會把收到副瓣干擾瞬間的主瓣方位誤認為是目標方位,從而實現方位欺騙[1]。干擾機對雷達副瓣信號進行實時偵收,并在加以延時、多普勒頻移調制以及幅度調制后轉發,使其在雷達接收端產生具有距離-方位-速度綜合性欺騙干擾且雷達檢測有效的假目標航跡點。這樣對多個副瓣實施干擾,可最終在雷達顯示屏上顯示出與真實目標運動軌跡相似但方位、距離各不相同的多假目標航跡,從而形成多方位密集假目標航跡欺騙干擾。

圖1 副瓣干擾示意圖

1.2 航跡欺騙干擾的關鍵技術

航跡欺騙干擾的關鍵技術是對轉發時延量的選取,方位欺騙和距離欺騙可分別通過方位轉發時延和距離轉發時延實現,而速度欺騙可通過多普勒頻移來實現。

1.2.1 方位轉發時延

假設雷達天線的主瓣在對準干擾機后,還需轉過角度Δθ(即角度欺騙量)才能對準假目標航跡起始點所在方位(見圖2說明),則干擾機產生上述角度欺騙的假目標所需的轉發時延為:

式中:Vn為雷達天線的轉速;0≤Δtθ≤Tθ,Tθ為雷達天線的掃描周期[2]。

圖2 方位欺騙圖示說明

假設模擬產生沿任意方位運動的假目標,取雷達天線的掃描周期Tθ為1個時間步長,即雷達天線每掃描1周,假目標航跡點更新一次。假設干擾機共產生n個假目標,產生每個假目標的起始航跡點所需的角度欺騙量分別為θ1,θ2,…,θi,…,θn,i=1,2,…,n,且后續每個航跡點相對于前一個航跡點的方位角變化量均為Δθω,則干擾機產生第i個假目標的第j個航跡點所需的方位轉發時延為:

式中:i=1,2,…,n;j=1,2,…。

1.2.2 距離轉發時延

設雷達發射脈沖信號的脈沖重復周期為Tr,雷達脈沖在雷達與干擾機間的傳播時延為t干,干擾機到雷達的距離為R干,假目標起始航跡點到雷達的距離R假,干擾機產生上述距離欺騙的假目標所需的轉發時延為ΔtR,則有[3]:

圖3 航跡欺騙干擾的距離轉發時延關系圖

1.2.3 多普勒頻移

假設由干擾機相對于雷達運動而產生的多普勒頻移為fd,若要生成帶有不同運動速度的假目標,則干擾機在轉發回波信號時,一方面要抵消掉干擾機原有的多普勒頻移fd,另一方面要注入新的多普勒頻移fd′。設雷達發射信號頻率為f0,干擾機回波信號頻率為f回,干擾機轉發信號頻率為f轉,則有:

式中:fd′=2vr/λ,vr為假目標相對于雷達的徑向運動速度,λ為雷達工作波長。

1.2.4 距離-速度相關

對具有距離-速度二維檢測能力的PD雷達來說,必須進行距離-速度相關處理,否則很容易被雷達識別為假目標。

目標的徑向速度vr是目標距離R對時間t的導數,也是多普勒頻移的函數。假設假目標在起始航跡點的徑向速度為v0,徑向加速度為a,則假目標徑向移動ΔR距離需要的距離轉發時延為:

對應t時刻假目標的多普勒頻移為:

式中:f0為雷達信號載頻。

則按照式(8)設定假目標的多普勒頻移即可實現距離-速度相關。

1.2.5 航跡欺騙干擾的總時延

設干擾機產生每個假目標航跡所需的總轉發時延為 Δt,則:

假設假目標保持徑向速度vr不變,則雷達天線掃描1周,假目標的徑向移動距離ΔR=vrTθ,則由式(7)可得,假目標徑向移動ΔR距離需要的距離轉發時延為:

記產生假目標起始航點所需的距離轉發時延為ΔtR0,則由式(2)、(9)、(10)可得,干擾機產生第i個假目標的第j個航跡點所需的總轉發時延為:

式中:i=1,2,…,n;j=1,2,…。

1.3 航跡欺騙干擾的輔助性參數設計

干擾機的偵收靈敏度、有效輻射功率、干擾壓制系數等輔助性參數是有源雷達干擾系統的重要性能指標,干擾成功與否及干擾效果的好壞與其設計是否合理同樣息息相關[1]。

1.3.1 偵收靈敏度

已知干擾機接收到雷達主瓣信號的功率為:

式中:Pt為雷達發射信號功率(W);Gt為雷達天線主瓣增益;Gjr為干擾機接收天線增益;Rj為干擾機與雷達間的距離(m);λ為雷達工作波長(m);LP為干擾機與雷達天線極化失配損耗、雷達發射饋線損耗、大氣傳播損耗(這一項很小,通常不超過0.5 d B～1 d B)。

令PJR取偵收靈敏度Prmin,則可得:

式(13)便是干擾機的偵察方程。

1.3.2 有效輻射功率

有效輻射功率可表示為:

式中:PJ為干擾機發射功率(W);GJ為干擾發射天線增益;k為玻爾茲曼常數,k=1.38×10-23J/K;T0為標準室溫,T0=290 K;N為雷達接收機輸入噪聲系數;ΔF為干擾信號頻譜寬度(Hz)。

則由式(14)可求出干擾機的干擾功率。

1.3.3 干擾壓制系數及最小干擾功率

假設雷達主瓣接收到距離Rt處的目標回波信號功率為Prs,同時雷達旁瓣接收到距離Rj處的干擾信號功率為Prj,則有:

式中:σ為真實目標的雷達截面積(m2);L′P為干擾機與雷達天線極化失配損耗(圓極化對線極化為0.5),則干擾機能夠對雷達實施有效干擾的空間能量條件為:

式中:KJ為雷達接收機輸入端的干擾壓制系數。

令Prj/Prs=KJ=1,給定雷達各項參數,則根據式(18)可求出不同Rt和Rj下,干擾機所需的最小干擾功率:

2 航跡欺騙干擾信號的產生

2.1 基于數字射頻存儲器(DRFM)的距離-角度-速度三維聯合欺騙點目標生成模型

基于DRFM的距離-角度-速度三維聯合欺騙點目標生成模型如圖4所示,其由傳統轉發式欺騙干擾系統與DRFM系統相結合而得到[4-5]。

該模型的主要工作模塊如下:

圖4 基于DRFM的距離-角度-速度三維聯合欺騙式轉發干擾生成模型

(1)主控計算機向數字信號處理器(DSP)發送系統各個工作模塊的啟動、終止和初始化等命令,并設置相應的干擾參數、調制參數,DSP根據接收到的參數和指令實時計算出每次數據更新所需的假目標轉發總時延和多譜勒頻移,并把其存入相應的鎖存器中。

(2)雷達射頻信號經系統天線接收,與頻率綜合器提供的系統本振信號(f0)進行混頻,下變頻為中頻信號,然后通過DRFM系統高速采樣將得到的數字信號存入系統存儲器中以備讀取。

(3)可編程脈沖延時電路根據DSP提供的參數,對雷達中頻采樣信號進行相應的延時,以滿足距離欺騙和角度欺騙的要求,并產生DRFM的數據釋放信號,控制DRFM的數/模(D/A)轉換器工作,從而恢復出雷達中頻信號。且可編程脈沖延時電路可根據需要設置多個脈沖延時單元,從而實現對多個目標及欺騙干擾信號的模擬產生。DRFM讀寫時序控制如圖5所示。

圖5 DRFM讀寫時序控制

(4)DDS根據DSP提供的多普勒頻移參數產生新的本振信號(f0+fd′),與D/A轉換器輸出的雷達中頻信號混頻,上變頻為雷達射頻信號。

(5)干擾信號調制模塊根據DSP提供的調制參數對重構的雷達射頻信號進行幅度調制、功率調整及交叉極化調制(一種應對雷達旁瓣匿影的措施),以生成最終的欺騙干擾信號。

通過圖4所示模型可實現一個雷達脈沖重復周期內的多個轉發式欺騙干擾信號的產生,接下來通過對多點假目標回波進行快時間域(距離門)積累即可完成航跡欺騙干擾系統和PD雷達系統的對接[6]。

2.2 航跡欺騙干擾信號的數學表達式

PD雷達發射信號為線性調頻信號,其復數表達式為:

假定目標初始距離為R0,對應的時延為t0,即t0=2R0/c,則目標回波可表示為:

將雷達發射信號輸入圖6所示的干擾系統,根據式(9)和式(19)可得到系統生成的干擾信號表達式:

式中:A為雷達發射信號幅度;k為幅度調制增益;Δtθ為方位轉發時延;ΔtR為距離轉發時延;fd′為多普勒頻移。

則對J(t)進行快時間域積累后的數學表達式可記為:

式中:m為雷達動目標檢測(MTD)處理時快速傅里葉變換(FFT)的點數。

3 航跡欺騙干擾仿真

本文以“對某型機載預警PD雷達進行航跡欺騙干擾”為研究實例,該PD雷達為低重頻脈沖多普勒體制,發射信號采用線性調頻信號。

3.1 雷達回波信號仿真

總雷達回波信號應為目標回波信號與雜波信號及系統噪聲信號的疊加,即:

式中:n(t)為系統噪聲信號;C(t)為雜波信號。

以17個脈沖回波、4個運動目標為例,且設回波時延為零,仿真可得總雷達回波基帶復信號的波形,如圖6所示。

圖6 總雷達回波基帶復信號的時域波形

圖7 是單個脈沖回波頻域脈壓的結果,可以看到,通過脈壓,4個不同距離位置(不同目標間的間距需大于雷達的距離分辨率ΔR才能被分辨,ΔR=c/2B)上的目標被明顯地區分開來,同時可以根據每個目標的橫坐標(雷達信號往返各目標的時間)求出其各自相對于雷達的徑向距離值。

圖7 單個脈沖回波頻域脈壓結果

3.2 假目標航跡仿真

如圖8所示,首先以敵方雷達所處的空間位置為坐標原點,以真實目標所處的方位作為雷達天線掃描的起始參考方位;接下來設定假目標預定航線S(t),并在S(t)上選取假目標的起始航點,根據其坐標信息計算出所選假目標起始航點相對干擾機的距離和方位差,即可求出產生該假目標起始航點所需的時延信息;將此時延信息作為干擾機的輸入參數,即可得到系統實際輸出的假目標起始航點信息。

圖8 假目標航跡起始航點生成示例

以一個天線掃描周期為時間步長,根據設定的假目標速度求出天線轉到第2個步長時干擾機所需的轉發時延;將此時延信息作為干擾機輸入參數,即可得到系統實際輸出的假目標的第2個航點信息;最后可將系統實際輸出結果進行顯示。后續航點的產生與顯示均可按照第2個航點的方法步驟進行[7-8]。

圖9 假目標前2個航跡點生成示例

根據所建航跡欺騙干擾生成模型和PD雷達模型,通過MATLAB仿真可得到如圖10所示的多假目標航跡欺騙干擾效果。

圖10 多假目標航跡欺騙干擾

4 結束語

機載預警PD雷達由于體制和作戰使用的特點,具有很強的抗干擾能力。本文研究了基于副瓣干擾的多方位航跡假目標欺騙干擾技術,最終可在被干擾的機載預警PD雷達的PPI顯示器上形成假目標航跡,具有較高的欺騙性。