面向IFM 的載頻隱蔽性雷達信號研究?

陳冠一 劉利民 韓壯志

（陸軍工程大學石家莊校區電子與光學工程系 石家莊 050003）

1 引言

隨著現代戰爭的不斷升級，電子對抗發揮著越來越重要的作用。電子偵察與反偵察已經成為現代戰爭勝利的首要因素。電子偵察的主要任務是獲取敵方雷達信號的載波頻率、到達方向、脈沖寬度、到達時間以及脈沖幅度［1］。其中載頻具有相對穩定性，是實施干擾與反干擾的重要依據。因此保護雷達信號載頻不被敵人發現具有重要戰略意義。

載頻隱蔽性，指在保證雷達正常戰術指標的前提下，使敵方電子偵察設備的測頻結果與我方雷達信號的真實信號載頻出現較大偏差，以此來保證我方真實雷達信號載頻不被偵察截獲的特性。目前IFM 接收機以其測頻時間短、實時性好、測頻范圍大，瞬時帶寬寬等優點被廣泛應用于電子偵察設備。針對IFM 接收機設計一種性能優良的載頻隱蔽性強的信號是雷達在戰場上生存的關鍵。目前載頻隱蔽性雷達信號設計主要有射頻掩護信號［2］、誘導脈沖組合信號和同時到達信號等。本文結合IFM 接收機的工作原理對雷達載頻隱蔽性信號進行了介紹。

2 IFM接收機工作原理

現代瞬時測頻接收機的組成如圖1 所示。瞬時測頻接收機將接收到的信號加到低噪聲射頻限幅放大器，經過放大之后的信號通過功率分配器送往延遲鑒相器實現頻率——相位的轉換，鑒相器輸出的結果將被送往極性量化器和編碼器完成測頻。通常鑒相器采用3 路或者4 路支路，若鑒相器支路過多，則系統體積比較大。IFM 接收機的特點是測頻時間短，只需要100ns～200ns。瞬時測頻接收機測頻范圍大，頻率截獲概率高，在頻段內單個脈沖的截獲概率高達100%，動態范圍中等，為50dB～60dB，靈敏度中等，為-50dBmW～-40dBmW。其缺點是對同時到達信號的分離能力差，易造成測頻誤差［3］。

3 載頻隱蔽性信號分類

目前國內外針對IFM 接收機的載頻隱蔽性信號主要有是組合信號設計。組合信號，顧名思義，是指兩個或兩個以上的雷達信號按照一定條件組合而成的信號。本文主要對射頻掩護信號，誘導脈沖組合，同時到達信號進行介紹。

3.1 射頻掩護信號

射頻掩護信號，由虛假掩護脈沖信號和真實雷達信號組合而成，是一種為了保護雷達真實信號頻率而設計的欺騙性信號。最早的射頻掩護信號比較簡單，在真實雷達信號發射之前，先發射一個虛假掩護脈沖信號，該虛假掩護信號與真實的雷達信號在時間和頻率上均錯開［4］。經典的射頻掩護信號時序如圖2 所示。這種經典射頻掩護信號最初是用來抗窄帶瞄頻干擾，當敵方偵察測頻接收機先測得虛假掩護信號載頻時，以為是我方真正的雷達信號的載頻，便對虛假掩護信號進行干擾。由于虛假掩護信號與真實雷達信號載頻不同，在虛假掩護信號被干擾時真實信號的功能不會受到影響，真實信號的載頻隱蔽性得以實現。后來隨著寬帶噪聲干擾技術的發展，這類射頻掩護信號在相當長的一段時間內逐漸被人們遺忘。直到相參干擾的出現，寬帶噪聲干擾有被替代的趨勢，射頻掩護信號又重新回到人們的視野。

周偉江等將射頻掩護信號進一步研究，將射頻掩護信號的位置做了改進。真實雷達信號可以在虛假脈沖掩護信號前面、后面，甚至是在虛假掩護信號內部。虛假掩護信號與真實信號的脈寬、相對位置、載頻以及調制方式均可按照需求隨意設置，射頻掩護信號的示意圖如圖3 所示。周偉江等認為，當真實信號隱藏在虛假掩護信號之間時，IFM接收機接收到整個掩護信號后會對脈沖前沿進行采樣，測頻結果便是虛假的掩護信號的頻率，以此達到真實信號載頻隱蔽性的目的。該文獻雖然對載頻隱蔽性信號的設計提供了方向，但是其沒有對具體射頻掩護信號的其他參數，如虛假掩護信號與真實雷達信號的功率關系、載頻設置關系、以及時序關系等進行深入研究。

圖2 經典的射頻掩護時序

圖3 射頻掩護信號示意波形

李宏［5］等通過改進射頻掩護信號的時序，提出了一種新的射頻掩護信號模型，如圖4 所示。該信號在一個周期內有三個頻率、脈寬各不相同的脈沖信號，且每個脈沖信號的載頻及發射時間均可根據需要調整。在三個脈沖中，可指定任一脈沖為真實雷達信號，其他脈沖作為虛假掩護信號。這種方法雖然在抗相參壓制干擾和欺騙干擾上有一定效果，但是當指定的真實雷達脈沖信號與虛假掩護脈沖信號之間的間隔大于IFM 接收機的視頻采樣帶寬時，IFM 接收機能夠測出每個單脈沖的載頻信息，若射頻掩護信號的載頻調整不及時，將有很大概率被敵方干擾，信號載頻隱蔽效果將比較差。

圖4 改進時序的射頻掩護信號

3.2 誘導脈沖組合信號

誘導脈沖組合信號是雷達發射的具有欺騙性的雷達信號，常用于對抗反艦導彈，也有學者認為其是一種低截獲雷達信號，在電子對抗領域有重要作用。某型典型相參捷變頻末制導雷達發射信號就是采用誘導脈沖組合信號形式，該組合信號由三種信號構成:誘導脈沖信號、真實脈沖信號和遮蓋脈沖信號。其中誘導脈沖和真實信號脈沖有信號模塊生成，而遮蓋脈沖信號則生成于干擾模塊。真實脈沖信號主要完成各項偵察任務，誘導脈沖則主要是充當假目標信號，目的就是對敵方偵察接收機形成干擾。遮蓋脈沖信號的作用主要是對自身發射的真實脈沖信號進行壓制和淹沒，以此來增加敵方偵察接收機識別和分辨信號的難度，因此這該脈沖的脈寬要大于真實信號脈沖寬度，并且發射時間在真實脈沖信號發射之前。另外，雷達發射機在一個周期內可以發射多個不同頻點的脈沖信號。

侯小林［7］等研究了誘導脈沖組合雷達波形組合原理以及使用誘導波形的代價。誘導脈沖組合波形是一種典型的射頻掩護信號，誘導脈沖即為虛假射頻掩護信號，其波形示意圖如圖5 所示。誘導脈沖的寬度τ滿足τ≥300ns，只需要誘導IFM 接收機完成測頻任務即可，否則誘導脈沖會占用雷達太多的資源。真實信號脈寬應在滿足雷達探測能力的條件下盡可能地小，否則會造成IFM 接收機的二次捕捉和跟蹤。隨著數字采樣技術的發展，目前國內IFM 接收機采樣量化時間可達到300ns 左右，誘導脈沖脈寬需減小到300ns，誘導組合信號才能具有更強的載頻隱蔽性。

圖5 誘導組合雷達波形

3.3 同時到達信號

丁爽［6］等分析了同時達到信號對IFM 接收機的影響，提出發射雷達信號的同時用連續波雷達干擾IFM接收機的方法并在SystemVue軟件平臺上進行了仿真實驗。這種方法的本質相當于設計了一種特殊情況的射頻掩護信號，連續波信號是虛假掩護信號，發射的雷達信號即為真實的信號頻率，與之前射頻掩護信號不同的是，連續波信號需一直發射才能實現真實信號的載頻隱蔽性。實驗仿真結果表明，當連續波頻率與真實雷達信號載頻差別越大時，IFM 接收機測頻結果誤差也越大；當連續波信號的功率與真實雷達信號功率之比越小時，IFM接收機測頻結果與真實信號的頻率結果偏差也越小。這種方法的局限性在于，當對相同距離的目標進行探測時，連續波掩護信號需要一直發射，消耗總功率是原來雷達功率的兩倍甚至更多，且當真實雷達脈沖信號未發射時，連續波掩護信號的頻率及其他參數便會被準確偵測。

3.4 頻率分集信號

頻率分集（Frequency Diverse Array，FDA）主要是指在一個周期內，講一個雷達信號分為發射時間和頻率上互相錯開的多個高頻脈沖一同發射，這一概念提出后立即引起了各國科學家的高度重視［8］。頻率分集技術有效地提升了雷達接收機的信雜比，提高了雷達的抗干擾性能和改善雷達的可靠性。頻率分集雷達在對海警戒雷達和對空警戒雷達中應用廣泛。

圖6 FDA雷達偵察信號示意圖

如圖6 所示，假設頻率分集陣列雷達在一個頻率周期內發射M個頻率差的相同的脈沖串，對于相干FDA 雷達，不同的天線單元之間發射的信號之間頻率差比較小，所有信號包絡幾乎完全相同；對于相關FDA 雷達而言，不同天線之間的信號除了存在較小的頻率差外，信號的包絡也有不同之處［9］。不同信號之間滿足相關性；正交FDA 雷達的不同天線之間雷達信號存在比較小的差異。雷達信號包絡具有MIMO雷達的波形特性。

當敵方IFM 偵察接收機偵察到我方脈沖信號時，其截獲的頻率也只是眾多脈沖中的一個，并不是原始要發射的真實信號的測頻，由于沒有相應的雷達信號處理方法，所以敵方并不能還原出我方的原始信號載頻。當脈沖重復周期內多個脈沖串的載頻差較大時，信號載頻隱蔽性效果較好，即便分信號頻率點被截獲，也不影響整個信號的處理。

4 結語

當兩個頻率不同的復信號按照一定的相位關系疊加時將產生一個新的復合信號［10］。IFM 接收機的測頻結果便是測得的合成信號的合成頻率，而合成頻率與每個信號的頻率都會有一定的頻率差，這就保證了分信號的載頻隱蔽性。選定一個分信號為主信號，則其他信號為副信號，主信號與副信號可以根據需要切換。調節主信號與副信號的功率關系、相位關系、調制方式以及頻率關系可以有效增加合成信號與主信號的頻率差，提升雷達信號的載頻隱蔽性能［11～12］。這種合成信號與射頻掩護信號的區別是組成和信號的每個信號都是真實信號，沒有虛假信號，避免了雷達發射功率的浪費，是未來雷達信號設計的主流方向。

單一的簡單的雷達信號已經不能滿足抗偵察與抗干擾的要求，組合信號具有非常大的潛力。組合信號在保留單個信號優點的同時，能彌補單個信號的不足，同時在載頻隱蔽性方面具有不可估量的作用。載頻隱蔽性雷達信號是我方其他雷達受到干擾后發射的的一種自我保護的信號，具有極其重要的戰略意義。