線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)干擾仿真研究
2008-04-12 00:00:00張斌張英波
現(xiàn)代電子技術(shù) 2008年7期
摘 要：脈沖壓縮雷達(dá)作為一種抗干擾能力很強(qiáng)的新型雷達(dá)受到了廣泛的關(guān)注，如何對(duì)其進(jìn)行有效干擾是一項(xiàng)亟需解決的課題。在對(duì)線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)分析的基礎(chǔ)上，研究了噪聲干擾、脈沖干擾、頻移干擾、延時(shí)干擾對(duì)該雷達(dá)信號(hào)的干擾效果，通過(guò)計(jì)算輸入、輸出信干比比較了不同干擾的干擾效果。通過(guò)仿真，給出了最佳的干擾信號(hào)樣式。
關(guān)鍵詞：線性調(diào)頻；脈沖壓縮；噪聲干擾；脈沖干擾；頻移干擾；延時(shí)干擾
中圖分類號(hào)：TN95文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-011-03
A Simulated Study on Jamming of LFM Pulse-compression Radar Signal
ZHANG Bin1，ZHANG Yingbo2
(1.College of Electro.Inform.，Jiangsu University of Science Technology，Zhenjiang，212003，China;2.The 723 Institute of CSIC，Yangzhou，225001，China)
Abstract：Pulse-compression radar，as a strong anti-jamming capability of new radar has been widespread concerned，and how effective interference is an urgent need to address the issue.Based on analysis of LFM Pulse-compression radar signal，study on the effect of noise jamming，pulse jamming，shift-frequency jamming and time-delay jamming to jam the LFM pulse-compression radar signal.By calculating the SNR of input and output，comparing the different effects of jamming.By simulation，the best jamming signal is proposed.
Keywords：LFM;pulse-compression;noise-jamming;pulse-jamming;shift-frequency jamming;time-delay jamming
脈沖壓縮是指發(fā)射寬編碼脈沖并對(duì)回波進(jìn)行處理獲得窄脈沖，因此脈沖壓縮雷達(dá)既保持了窄脈沖的高距離分辨力，又能獲得寬脈沖的強(qiáng)檢測(cè)能力。脈沖壓縮雷達(dá)常用的信號(hào)包括線性調(diào)頻信號(hào)，非線性調(diào)頻信號(hào)和相位編碼信號(hào)，其中線性調(diào)頻信號(hào)對(duì)多普勒頻移不敏感，是用的最廣泛、技術(shù)最成熟的一種脈沖壓縮信號(hào)。線性調(diào)頻脈沖壓縮本質(zhì)上就是對(duì)回波進(jìn)行頻率延遲，低頻信號(hào)部分延遲時(shí)間長(zhǎng)，高頻信號(hào)部分延遲時(shí)間短，從而使脈寬為T的寬脈沖壓縮為窄脈沖τ。壓縮比D=T/τ，如果不考慮損耗，壓縮后的脈沖幅度將變?yōu)樵瓉?lái)的D倍。
1 線性調(diào)頻信號(hào)的頻譜
線性調(diào)頻信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式：
S(t)=ArecttTexpj2πf0t+Kt22
其中，recttT為矩形包絡(luò)函數(shù)，T為脈沖寬度，f0為中心頻率，K=B/T為調(diào)頻斜率，B為調(diào)制帶寬。
幅頻特性：
|S(f)|[WB]=A1/K{[c(v1)+c(v2)]2+
[DW][s(v1)+s(v2)]2}1/2
其中c(v)，s(v)為菲涅耳積分：
s(v)=∫v0sin(π2x2)dx
c(v)=∫v0cos(π2x2)dx
v1=BT1+2(f-f0)/B2
v2=BT1-2(f-f0)/B2
菲涅耳積分的性質(zhì)：
limv→∞c(v)=limv→∞s(v)=0.5
相頻特性：
φi=-π(f-f0)2K+arctans(v1)+s(v2)c(v1)+c(v2)
圖1、圖2分別為線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域波形和幅度譜。
圖1 線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域波形
圖2 線性調(diào)頻信號(hào)的幅度譜
本文的線性調(diào)頻信號(hào)仿真參數(shù)取如下值：
中心頻率：f0=5 MHz；頻帶寬度：B=30 MHz；脈沖寬度：T=30 μs；采樣頻率：fs=100 MHz。
2 噪聲干擾
噪聲干擾是在敵方雷達(dá)中注入干擾信號(hào)以使真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)被干擾淹沒(méi)的一種有源方式的干擾。噪聲干擾的主要優(yōu)點(diǎn)是需要了解敵方雷達(dá)的信息很少，噪聲干擾機(jī)不需要詳細(xì)了解雷達(dá)的信號(hào)特征和處理信號(hào)的環(huán)節(jié)，只需要知道雷達(dá)的工作頻率。干擾設(shè)備比較簡(jiǎn)單，對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的干擾效果好。
噪聲干擾可窄帶噪聲表示，其表達(dá)式為：
J(t)=Un(t)cos(ωjt+φ(t))
其中，Un(t)服從瑞利分布；φ(t)服從[0，2π]均勻分布，且與Un(t)相互獨(dú)立；ωj為干擾信號(hào)的角頻率。圖3為噪聲干擾與線型調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后的波形。圖3干擾的中心頻率fj=5 MHz，平均功率σ2=25。干擾和信號(hào)混合之后，信號(hào)完全淹沒(méi)在噪聲干擾之中，經(jīng)過(guò)匹配濾波之后，信號(hào)出現(xiàn)了峰值，而干擾卻沒(méi)有形成峰值，如圖3所示。此時(shí)輸出干擾強(qiáng)度明顯小于輸入干擾強(qiáng)度，這是由于匹配濾波器對(duì)干擾的失配造成的。
圖3 噪聲干擾與線型調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后的波形
表1是在上述給定的參數(shù)情況下計(jì)算出來(lái)的線性調(diào)頻信號(hào)和噪聲干擾通過(guò)匹配濾波器前后的信干比。
表1 輸入/輸出信干比及改善
干擾形式輸入信干比/dB輸出信干比/dB信干比改善/dB
噪聲干擾-17.0815.2332.31
3 脈沖干擾
圖4是加了脈沖干擾為周期脈沖干擾，每個(gè)子脈沖的寬度τ=0.5 μs，整個(gè)脈沖的寬度T=30 μs，等于線性調(diào)頻信號(hào)的脈寬，其表示式可以寫(xiě)為：
J(t)=5cos(2πf0t) 2nτ≤t≤(2n+1)τ，n=0，1，2…
其中τ 處干擾為0。
圖4 周期脈沖干擾處理后輸出波形
由于線性調(diào)頻信號(hào)是一種大時(shí)寬帶寬脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)，而脈沖干擾不具有這種性能，所以當(dāng)干信比較小時(shí)，干擾效果不是很理想。雖然圖中所取參數(shù)均不足以使干擾有效遮蓋信號(hào)，但是經(jīng)過(guò)計(jì)算和多次仿真表明，高干信比的欺騙脈沖能有效的降低脈壓雷達(dá)信號(hào)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)能力。采用高干信比的欺騙脈沖可以使雷達(dá)的壓縮處理增益造成損失，從而使干擾信號(hào)遮蓋目標(biāo)信號(hào)。
表2是遮蓋脈沖干擾和周期脈沖干擾與線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波器處理前后的信干比的計(jì)算結(jié)果。仿真還發(fā)現(xiàn)，如干信比較大，真實(shí)目標(biāo)就會(huì)被淹沒(méi)，只能看到假目標(biāo)。
表2 脈沖干擾和線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波器
處理前后的信干比及其改善
干擾形式輸入信干比 /dB輸出信干比 /dB信干比改善 /dB
周期脈沖干擾-10.4412.9423.38
遮蓋脈沖干擾-16.133.6319.76
4 頻移干擾
線性調(diào)頻信號(hào)的模糊圖表明，這種信號(hào)在距離和速度間存在著強(qiáng)耦合，當(dāng)信號(hào)具有多普勒頻移時(shí)，壓縮信號(hào)的主峰出現(xiàn)時(shí)間，將相對(duì)于無(wú)多普勒頻移時(shí)超前或遲后(決定于多普勒頻率的極性)，這種現(xiàn)象構(gòu)成了對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)干擾的基礎(chǔ)。
對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)較有效的干擾方法是移頻干擾。圖6的頻移干擾采用的是fd頻率拖引，干擾信號(hào)所用fd的值為fd=3 MHz，占線性調(diào)頻信號(hào)帶寬的10%，其表達(dá)式如下：
Jam1=exp(jπμt2+j2πfdt)0＜t＜T
對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)通過(guò)頻移干擾可以形成距離假目標(biāo)欺騙干擾，但是要合理選擇頻移量，多次仿真的結(jié)果表明，通常情況下，如果要取得較好的干擾效果，所選頻移量最好不要超過(guò)線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)制帶寬的一半，頻移量越小，干擾效果越好。這是因?yàn)椋l移量越大，干擾信號(hào)有效通過(guò)匹配濾波器的能量越小。
圖6施加的是一個(gè)線性調(diào)頻干擾信號(hào)，該干擾信號(hào)在30 μs的時(shí)間內(nèi)頻率線性變化了1.05 MHz，即其調(diào)頻斜率為線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻斜率的1.05倍，表達(dá)式如下：
J(t)=exp(j1.05πμt2)0＜t＜T
圖5 移頻干擾1與線性調(diào)頻信號(hào)
經(jīng)過(guò)處理后的輸出波形
圖6 移頻干擾2與線性調(diào)頻信號(hào)
經(jīng)過(guò)處理后的輸出波形
由圖可以看出：移頻干擾 2 與線性調(diào)頻信號(hào)的干擾效果不明顯。
5 延時(shí)干擾
除了用移頻方法產(chǎn)生假目標(biāo)外，還可用延時(shí)方法產(chǎn)生假目標(biāo)。圖7延時(shí)干擾和線性調(diào)頻信號(hào)混合經(jīng)過(guò)處理后的仿真結(jié)果。
圖7 延時(shí)干擾與線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后的輸出波形
原線性調(diào)頻信號(hào)延時(shí)2 μs作為干擾信號(hào)，圖7為經(jīng)過(guò)匹配濾波后的輸出波形。圖中呈現(xiàn)了與目標(biāo)回波信號(hào)一樣的假目標(biāo)信號(hào)。多次仿真結(jié)果表明，用這種延時(shí)的方法產(chǎn)生干擾信號(hào)的干擾效果是有效的。圖中只畫(huà)出了干擾延時(shí)2 μs后的處理輸出，實(shí)際上不管延時(shí)多久，這種干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)欺騙都是有效的。這是因?yàn)楦蓴_信號(hào)頻譜特性與真目標(biāo)的回波頻譜特性完全相同，因而也和壓縮網(wǎng)絡(luò)匹配，幾乎沒(méi)有能量落在匹配濾波器頻帶之外。
由表3中的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，移頻干擾1在濾波器處理前后的信干比有些許的改善，但是很小；移頻干擾2相對(duì)來(lái)說(shuō)卻改善了很多，這說(shuō)明移頻干擾1對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的干擾效果要明顯好于移頻干擾2對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的干擾效果。對(duì)于延時(shí)干擾，在匹配處理前后信干比幾乎沒(méi)有什么變化，而且由于干擾只是信號(hào)的延時(shí)，所以匹配濾波前后信干比沒(méi)有變化且均為零。
表3 移頻干擾和延時(shí)干擾與線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波器處理前后的信干比
干擾形式輸入信干比 /dB輸出信干比 /dB信干比改善 /dB
移頻干擾 11.452.631.18
移頻干擾 2-12.5812.2924.87
延時(shí)干擾0約為0約為0
6 結(jié) 語(yǔ)
(1) 噪聲干擾，由于干擾信號(hào)的隨機(jī)性，使得他經(jīng)過(guò)匹配濾波器時(shí)，不能與傳輸函數(shù)有效匹配，導(dǎo)致干擾不能有效通過(guò)匹配濾波器，當(dāng)干信比不夠高時(shí)，不能形成有效干擾。
(2) 遮蓋脈沖干擾和周期脈沖干擾都不能對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)形成有效干擾。
高干信比的欺騙脈沖能有效形成假目標(biāo)信號(hào)，降低線性調(diào)頻脈壓雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和距離跟蹤能力。
(3) 對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)施加一個(gè)中心頻率偏移的線性調(diào)頻干擾信號(hào)，能對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)通過(guò)頻移干擾形成距離欺騙假目標(biāo)，只是要合理選擇頻移量。頻移量越小，干擾效果越好。通常頻移量不超過(guò)雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)制帶寬的一半。
而對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)施加調(diào)頻斜率不同的移頻干擾時(shí)，干擾信號(hào)中與匹配濾波器不匹配的那部分不能通過(guò)匹配濾波器輸出，尤其當(dāng)調(diào)頻斜率與信號(hào)差別較大時(shí)，不能形成有效干擾。
(4) 接收雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)后再轉(zhuǎn)發(fā)給雷達(dá)，只要信號(hào)在幾個(gè)周期內(nèi)參數(shù)不變，這種干擾方式就能起到很好的干擾效果。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］馬銀玲，田忠.脈壓雷達(dá)抗干擾性能研究[D].成都:電子科技大學(xué)，2005.
［2］史林，彭燕，楊萬(wàn)海.脈沖壓縮雷達(dá)干擾仿真分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2003(8):37-40.
［3］向敬成，張明友.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2001.
作者簡(jiǎn)介
張 斌 男，1981年出生，碩士研究生。研究方向?yàn)槔走_(dá)干擾與抗干擾技術(shù)。
張英波 男，1967年出生，研究員，中船重工集團(tuán)723所副總工程師。研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗，雷達(dá)總體技術(shù)。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。
