相位編碼雷達干擾技術(shù)研究

李繼鋒 盛驥松

摘 要:由于相位編碼雷達采用了相關處理技術(shù),使得傳統(tǒng)的干擾樣式很難達到理想的干擾效果。為了有效干擾此種雷達,首先分析相位編碼雷達信號的特點,然后通過理論分析和仿真驗證的方式研究射頻噪聲干擾、部分復制干擾、移頻干擾和基于DDS的相位編碼干擾。仿真分析結(jié)果表明,射頻噪聲干擾對相位編碼雷達的干擾效果較差,另外三種干擾樣式則可在低干信比條件下達到很好的干擾效果。

關鍵詞:相位編碼信號;射頻噪聲干擾;部分復制干擾;移頻干擾

中圖分類號:TN95 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-016-03

Study of Phase-coded Radar Jamming Technology

LI Jifeng1,SHENG Jisong2

(1.Jiangsu University of Science & Technology,Zhenjiang,212003,China;2.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou,225001,China)

Abstract:Because of using correlation processing technology,phase-coded radar can not be effectively jammed by traditional jamming styles.In order to effectively jam this radar,characteristics of the phase-coded radar signal is firstly analyzed,then radio frequency jamming,part duplication jamming,shift-frequency jamming and phase-coded jamming based on DDS are studied by theoretical analysis and simulation verification.The results of simulation and analysis prove that radio frequency jamming is not effective and the other three jamming styles are effective in the case of low JSR.

Keywords:phase-coded signal;radio jrequency jamming;part duplication jamming;shift-frequency jamming

相位編碼信號是一種脈沖壓縮信號,它具有大時寬帶寬積,很好地解決了雷達大探測距離和高距離分辨力之間的矛盾,具有優(yōu)良的抗干擾和低截獲概率特性,在現(xiàn)代新體制高性能雷達中得到廣泛使用[1-4]。相位編碼信號通過非線性調(diào)相擴展等效頻寬,不僅降低了單位頻帶內(nèi)的信號能量,使其不易被敵人察覺,同時也提高了距離分辨力和多普勒分辨力。這種信號的突出優(yōu)點是采用脈沖壓縮技術(shù)后,雷達的峰值發(fā)射功率得到顯著降低,從而實現(xiàn)低截獲的目的。

1 相位編碼信號及其特征分析

相位編碼脈沖信號是常用的雷達脈壓信號之一,與線性頻率調(diào)制(LFM)信號類似,相位編碼信號也通過時域非線性調(diào)相達到擴展等效頻寬的目的[5]。但LFM的調(diào)制函數(shù)在某一有限域內(nèi)為連續(xù)函數(shù),而相位編碼信號的調(diào)制函數(shù)是離散的有限狀態(tài)。一般隨機相位編碼信號的數(shù)學表達式為:

S(t)=u(t)ej2πf0t=a(t)ejφ(t)ej2πf0t

(1)

式中:u(t)=a(t)ejφ(t)為其復包絡;φ(t)為相位調(diào)制函數(shù);f0為載波頻率;a(t)為幅度調(diào)制函數(shù)。對二相編碼而言,φ(t)∈{0,π}或者表示為二進制序列ck=ejφ(t)∈{-1,+1}。若假設a(t)為矩形函數(shù),Ъ:

a(t)=1, 0

0, 其他

(2)

式中:τc為子脈沖寬度;N為子脈沖個數(shù)或稱碼長;τ=Nτc為編碼信號的持續(xù)期。

相位編碼雷達信號是用一定的碼字序列對載頻信號相位進行調(diào)制而產(chǎn)生的。調(diào)制編碼序列一般為偽隨機序列,并要求其自相關性好,距離旁瓣低。常見的二相編碼序列為13位巴克碼序列,其編碼規(guī)律如圖1所示[6]。

圖1 13位巴克碼序列

13位巴克碼調(diào)制的相位編碼信號時域波形如圖2所示。

相位編碼信號其特征之一就是信號頻譜被展寬,信號功率散布在更寬的頻帶上,功率譜密度降低;且利用匹配濾波器處理后可以得到信號處理增益,因而輻射信號的功率可以進一步降低。二相編碼信號經(jīng)過壓縮處理后,輸出信號被壓縮為窄脈沖,具有很高的壓縮處理增益,且壓縮處理增益的大小與編碼序列的長度成正比。

圖2 13位巴克碼調(diào)制的二相編碼信號時域波形

由匹配濾波器理論知道,信號通過匹配濾波器的輸出就是信號的自相關函數(shù)[7,8]。對于巴克碼而言,其碼元序列為{cn},其中cn∈(+1,-1),n=0,1,…,N-1。其非周期自相關函數(shù)滿足:

y〣k(m)=∑N-1-|m|k=0ckc﹌+m=N, m≡0

0或±1,m≠0

(3)

巴克碼自相關函數(shù)的主副瓣比等于壓縮比,即為碼長N。13位巴克碼調(diào)制的二相編碼信號經(jīng)過壓縮處理后,其輸出波形如圖3所示。

圖3 13位巴克碼調(diào)制的二相編碼信號脈壓后的輸出波形

相位編碼信號的另一個特征是不存在距離-多普勒耦合問題。這對于靜止目標信號對消、提高雷達作用距離及速度測量精度、抗距離波門前拖、脈沖前沿跟蹤等都具有十分重要的意義。

2 相位編碼信號干擾

2.1 射頻噪聲干擾

噪聲干擾作為一種通用性很強的干擾措施一直得到廣泛應用,這是因為任何雷達接收機都有內(nèi)部噪聲,任何雷達接收機無論采用什么手段都無法消除內(nèi)部噪聲,所以雷達接收機的內(nèi)部噪聲一直是影響雷達探測能力的主要因素。因此只要能夠使外部噪聲干擾信號進入雷達接收機,并使該噪聲干擾信號具有與內(nèi)部噪聲類似的特性,則雷達無論采用什么樣的方式都無法將其去除[9]。同時噪聲干擾具有對敵方雷達信息要求較少這一優(yōu)點。

射頻噪聲干擾的數(shù)學模型為:

J㏒F(t)=Un(t)cos[ωjt+φ(t)]

(4)

式中:包絡函數(shù)Un(t)服從瑞利分布;相位函數(shù)φ(t)服從[0,2π]均勻分布,且與Un(t)相互獨立;載頻ωj為常數(shù),且遠大于J(t)У鈉卓懟

雷達接收機接收到的回波信號中包含有目標回波和干擾信號兩部分,則回波信號的數(shù)學模型為:

Sh(t)=S(t)+J㏒F(t)

(5)

式中:S(t)表示目標回波信號;J㏒F(t)表示射頻噪聲干擾信號。

圖4為射頻噪聲干擾效果圖。仿真參數(shù)為:載波頻率f0=1 MHz;采樣頻率fs=10 MHz;子脈沖寬度│觕=5 μs;碼長N=13,圖4(a)中干信比JSR=5.542 3 dB,圖4(b)中干信比JSR=35.525 dB。

圖4 射頻噪聲干擾效果圖

從圖4可以看出,在干信比較小的情況下,射頻噪聲干擾不能有效地遮蓋目標回波,干擾效果很差;而在干信比較大的情況下,雖然干擾效果有所改善,但仍然不能有效壓制目標回波壓縮主峰。通過多次仿真證實,射頻噪聲干擾對相位編碼雷達的干擾效果較差。

2.2 部分復制干擾

由于噪聲干擾的效果很差,故不得不考慮其他的干擾信號形式。從相位編碼信號的處理方法出發(fā),要想對相位編碼信號進行有效干擾,干擾信號與相位編碼信號必須具有一定的相關性。因此,可以嘗試通過部分復制相位編碼信號作為干擾信號,然后轉(zhuǎn)發(fā)出去。這樣的干擾信號既可以滿足與雷達信號的匹配性,又具有干擾信號的特性,因而具有較好的干擾效果[10]。

部分復制干擾1的數(shù)學模型為:

J﹑1=S(t), τc≤t≤9τc

(6)

圖5為部分復制干擾的效果圖,其中干信比JSR=3.508 4 dB。由圖5可以看出,復制干擾經(jīng)壓縮處理后產(chǎn)生了一個假目標,假目標與真實目標回波信號相似度特別大,具有非常好的欺騙性干擾效果。

圖5 部分復制干擾1的效果圖

由上文分析可知,復制干擾信號來源于雷達信號的部分復制,由此可以想到通過復制雷達信號的不同部分,可能會產(chǎn)生不同的干擾效果。基于這種想法,本文給出了部分復制干擾2的數(shù)學模型為:

J﹑2=S(t), 5τc≤t≤13τc

(7)

圖6給出了部分復制干擾2的干擾效果圖,其中干信比JSR=3.012 dB。通過對比圖5和圖6可以看出,通過復制雷達信號的不同部分,確實產(chǎn)生了不同的干擾效果。圖5中干擾信號超前于目標信號;圖6中干擾信號滯后于目標信號。

圖6 部分復制干擾2的效果圖

2.3 移頻干擾

相位編碼信號的缺點是對多普勒頻率敏感,不適合探測高速運動的目標。因為高速運動目標回波信號的多普勒頻移會降低相位編碼信號在雷達接收機中的壓縮效果,不僅壓縮脈沖旁瓣電平會增大,而且壓縮脈沖主瓣也會惡化。基于相位編碼的這一缺點,可以考慮用移頻方法對相位編碼信號進行干擾。移頻干擾信號的表達式為:

Jd=u(t)ej2π(f0+fd)t=a(t)ejφ(t)ej2π(f0+fd)t

(8)

式中:fd為移頻值,其余參數(shù)的表示意義同上。在移頻干擾作用下,雷達回波信號可以表示為:

Sh(t)=S(t)+Jd(t)

(9)

圖7為移頻干擾效果圖。仿真參數(shù)如下:子脈沖寬度τc=5 μs;載波頻率f0=1 MHz;碼字長度N=13;采樣頻率fs=10 MHz;移頻值fd=15 kHz;干信比㎎SR=7.958 8 dB。

圖7 fd=15 kHz時的移頻干擾效果圖

由圖7可以看出,在移頻干擾作用下,旁瓣電平抬升,主瓣嚴重惡化,可以很好地壓制和欺騙雷達對真實目標的檢測。通過多次仿真發(fā)現(xiàn),選擇不同的移頻值會實現(xiàn)不同的干擾效果。圖8為fd=60 kHz,干信比JSR=9.542 4 dB時的移頻干擾效果圖。圖中抬升的旁瓣形成了逼真的假目標,從而可以起到欺騙干擾的效果。

圖8 fd=60 kHz時的移頻干擾效果圖

2.4 基于DDS的相位編碼干擾

基本原理:利用基于DDS的數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生與雷達發(fā)射信號相互獨立的相位編碼信號,然后通過干擾機把該信號發(fā)射出去,用該干擾信號模擬雷達回波信號,通過延時、移頻等方式給敵方雷達制造干擾。

基于DDS的相位編碼干擾信號的表達式為:

SJ(t)=G?u(t)ej2πf0t=G?a(t)ejφ(t)ej2πf0t

(10)

式中:G為干擾信號的增益系數(shù),其余各參數(shù)的意義同上。干擾信號與真實目標回波信號的差別在于子脈沖的寬度τcР煌。雷達收到的回波信號可以表示為:

Sh=S(t)+SJ(t)

(11)

圖9給出了基于DDS的相位編碼干擾效果圖。仿真參數(shù)如下:子脈沖寬度τc=5 μs;載波頻率f0=3 MHz;碼字長度N=13;采樣頻率fs=10 MHz;干擾信號子脈沖的寬度τc=10 μs,干信比JSR=5.105 5 dB。

從圖9中可以看出,干擾信號的峰值強度明顯高于目標回波信號的強度,能夠很好地欺騙雷達對真實目標的檢測;同時,在干擾信號的作用下脈壓后的信號呈現(xiàn)出旁瓣電平抬高,旁瓣寬度惡化現(xiàn)象。通過多次仿真證實,只有在干信比JSR>3.521 8 dB時,干擾信號峰值才能壓制住真實目標回波峰值,從而起到干擾作用。

圖9 基于DDS的相位編碼干擾效果圖

在基于DDS的相位編碼干擾的基礎上,同時實施移頻干擾,干擾效果如圖10所示。其中圖10(a),(b)中的干信比分別為6.848 5 dB,7.958 8 dB。

圖10 基于DDS的相位編碼移頻干擾效果圖

從圖10中可以看出,在基于DDS的相位編碼干擾的基礎上,同時實施移頻干擾后,主瓣和副瓣的惡化程度更加嚴重。在干信比為6.848 5 dB,移頻值為20 kHz和干信比為7.958 8 dB,移頻值為40 kHz的條件下,干擾信號的主峰強度都能夠很好地壓制住真實目標回波,能夠達到預期的干擾效果。

3 結(jié) 語

相位編碼雷達信號是一種大時寬帶寬積信號,具有優(yōu)良的低截獲和抗干擾特性。本文首先介紹了相位編碼信號及其特征,接著給出了相位編碼信號的壓縮處理過程,并對該信號及其脈壓后的信號時域波形進行了仿真。重點研究了針對相位編碼信號的4種干擾樣式,仿真分析結(jié)果表明射頻噪聲干擾對相位編碼雷達的干擾效果較差,其余三種干擾樣式可以在低干信比條件下起到很好的干擾效果。

參考文獻

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作者簡介 李繼鋒 男,1983年出生,碩士研究生。主要研究方向為電子對抗。

盛驥松 男,1968年出生,研究員。主要研究方向為電子對抗總體。