采用Chirp變換實(shí)現(xiàn)寬帶DRFM的技術(shù)

劉 璐

(西安電子科技大學(xué)電子信息攻防對(duì)抗與仿真技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710071)

Chirp信號(hào)，又稱線性調(diào)頻信號(hào)(LFM，Linear Frequency Modulation)具有良好的時(shí)頻分辨力，容易獲得較高的脈沖壓縮比，在現(xiàn)代雷達(dá)特別是高分辨力雷達(dá)中的作用突出，已成為現(xiàn)代雷達(dá)中普遍使用的一種信號(hào)［1］。

數(shù)字射頻存儲(chǔ)(DRFM，Digital Radio Frequency Memory)的基本功能是:將指定射頻帶寬內(nèi)的輸入信號(hào)以數(shù)字形式保存，在需要時(shí)重構(gòu)輸出該信號(hào)。DRFM是一種盡可能利用雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)和回波信息產(chǎn)生的原理，生成干擾信號(hào)、特別是假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)的雷達(dá)干擾技術(shù)［2］。在雷達(dá)對(duì)抗中，由于DRFM技術(shù)可根據(jù)存儲(chǔ)的雷達(dá)照射信號(hào)樣本產(chǎn)生干擾信號(hào)，具有信號(hào)逼真、難以被雷達(dá)識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代雷達(dá)干擾機(jī)不可或缺的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

隨著合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)和逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar，SAR)等寬帶雷達(dá)的出現(xiàn)，大帶寬LFM信號(hào)在雷達(dá)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。特別是雷達(dá)采用解頻線調(diào)技術(shù)(DeChirp)后，只需要幾十MHz的處理帶寬就能獲取上GHz寬帶LFM信號(hào)的處理增益和目標(biāo)分辨能力。與此同時(shí)，由于雷達(dá)干擾為非匹配信號(hào)處理，仍需對(duì)GHz帶寬的信號(hào)進(jìn)行處理，大大增加了DRFM和其他干擾信號(hào)處理的難度［3－4］。

文中借鑒雷達(dá)中DeChirp信號(hào)處理的思想，采用雙線性變換的方法實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)處理，大大降低了DRFM信號(hào)處理帶寬的要求，并通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，給出了基于Chirp變換的DRFM實(shí)現(xiàn)方法，討論了其應(yīng)用條件。

1 Chirp信號(hào)及其匹配濾波和

在雷達(dá)系統(tǒng)中，Chirp信號(hào)的匹配處理和脈沖壓縮可以采用匹配信號(hào)處理方法和解頻線調(diào)(DeChirp)處理方法［5］。

單個(gè)Chirp射頻脈沖信號(hào)可表示為［5］

式中，t0，ω0，B0，τ0分別為s(t)的初始時(shí)間、初始頻率、調(diào)頻帶寬和脈沖寬度。

Chirp信號(hào)的匹配濾波器為

匹配濾波輸出信號(hào)為［6］

包絡(luò)近似為辛克函數(shù)

壓縮后的脈沖寬度

可見壓縮后的脈寬反比于B0，與輸入脈寬 τ0無(wú)關(guān)，而壓縮后的脈沖寬度與雷達(dá)的距離分辨力成正比。

假設(shè)單邊輸入噪聲功率譜密度為n0，在帶寬B0內(nèi)的輸入噪聲功率Pni=n0×B0，因此輸入信噪比為［5］

式(4)在t'=0時(shí)輸出信號(hào)達(dá)到最大值，其信號(hào)峰值功率為

輸出噪聲的平均功率為

輸出信噪比為

可見匹配濾波脈沖壓縮技術(shù)，可使單個(gè)脈沖的輸出信噪比和距離分辨能力提高D倍，這對(duì)于提高雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)范圍和探測(cè)性能尤為重要。普通Chirp雷達(dá)常用的D在數(shù)十至數(shù)百，而現(xiàn)代高分辨力Chirp雷達(dá)所用的D可達(dá)105以上。

采用DeChirp處理時(shí)，當(dāng)雷達(dá)接收到目標(biāo)回波后，產(chǎn)生與回波信號(hào)相似的本振信號(hào)

解線調(diào)的結(jié)果為

其中，RΔ=Rt－Rref為目標(biāo)距離與參考距離之間的差值。顯然，對(duì)于一個(gè)固定的目標(biāo)解線調(diào)后的中頻信號(hào)是與距離差值成正比的單頻信號(hào)，該信號(hào)的頻率為

匹配濾波和解線調(diào)方法是等價(jià)的，區(qū)別只是前者在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)距離分辨，而后者在頻域?qū)崿F(xiàn)距離分辨。雷達(dá)通過(guò)大時(shí)寬帶寬積提高探測(cè)能力和距離分辨能力，通過(guò)DeChirp變換降低信號(hào)處理帶寬。

2 雙線性chirp變換的DRFM技術(shù)

雷達(dá)干擾由于采用非匹配處理，無(wú)法象雷達(dá)信號(hào)處理一樣，產(chǎn)生與雷達(dá)照射信號(hào)相參、調(diào)頻斜率相同的參考信號(hào)，因此無(wú)法在較低處理帶寬條件下實(shí)現(xiàn)DRFM干擾。同時(shí)，受模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、數(shù)碼轉(zhuǎn)換(DAC)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP、FPGA等)器件水平和工藝水平的限制，目前還無(wú)法在大帶寬條件下，采用DRFM技術(shù)產(chǎn)生干擾信號(hào)。為了解決此雷達(dá)對(duì)抗中的關(guān)鍵技術(shù)，多種文獻(xiàn)提出了信道化DRFM的方法，降低信號(hào)處理帶寬的處理難度，但其本質(zhì)上并未改變大帶寬處理的實(shí)質(zhì)，本文借用Dechirp信號(hào)處理的思想，給出了基于Chirp變換的寬帶DRFM實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

對(duì)雷達(dá)輻射信號(hào)的偵察雖然是一種非匹配的信號(hào)處理過(guò)程，但也可以獲得雷達(dá)輻射信號(hào)樣本，較為準(zhǔn)確地分析和測(cè)量雷達(dá)輻射信號(hào)的調(diào)制參數(shù)，并利用這些信息來(lái)引導(dǎo)干擾。

雙線性Chirp變換DRFM系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。假設(shè)單個(gè) Chirp脈沖信號(hào)s(t)的表達(dá)式如式(1)，雙線性Chirp變換DRFM系統(tǒng)的基本工作原理是:首先利用偵察引導(dǎo)接收機(jī)估計(jì)出s(t)的上述參數(shù)，構(gòu)建Chirp變換本振的基函數(shù)c(t)。

圖1 雙線性Chirp變換DRFM的原理示意圖

對(duì)輸入s(t)信號(hào)進(jìn)行Dechirp變換

該式表明，Dechirp變換后的輸出信號(hào)y(t)仍然可能是一個(gè)Chirp信號(hào)，其初始時(shí)間、脈寬、初始頻率和調(diào)頻帶寬取決于c(t)相對(duì)于s(t)的各項(xiàng)引導(dǎo)誤差，特別是對(duì)調(diào)頻斜率參數(shù)μ0的引導(dǎo)誤差。圖1中的帶通濾波器(BPF)是一個(gè)關(guān)鍵部件，為便于簡(jiǎn)化分析，假設(shè)其通帶特性H(ω)為理想矩形

如果y(t)的頻譜都位于BPF通帶內(nèi)，則y'(t)=y(t)，y'(t)送給DRFM進(jìn)行信號(hào)波形的采樣、存儲(chǔ)和恢復(fù)，輸出基帶干擾信號(hào)y″(t)。在一般情況下，y(t)和y'(t)的帶寬都將遠(yuǎn)＜s(t)的帶寬，成為窄帶信號(hào)。根據(jù)采樣定理，對(duì)窄帶信號(hào)y'(t)的采樣、保存和恢復(fù)將非常容易，此時(shí)DRFM瞬時(shí)帶寬只要不小于ωP即可。

為便于分析，假設(shè)DRFM只對(duì)y'(t)進(jìn)行簡(jiǎn)單的波形采集、保存和恢復(fù)，并忽略噪聲的影響，則DRFM的輸出y″(t)=y'(t)=y(t)，為重構(gòu)s(t)，需要再進(jìn)行一次Chirp變換，即令基函數(shù)c(t)與y(t)相乘

圖1所示的雙線性Chirp變換DRFM可以簡(jiǎn)記為

它們分別表示Dechirp變換，DRFM和Chirp變換。

3 仿真分析

忽略系統(tǒng)噪聲和各項(xiàng)參數(shù)引導(dǎo)誤差的信號(hào)。仿真信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)分別為

圖2 基于Chirp變換的DRFM關(guān)鍵環(huán)節(jié)

仿真結(jié)果表明，在沒有各項(xiàng)引導(dǎo)誤差和DRFM信號(hào)重構(gòu)誤差的情況下，y(t)只保留了s(t)信號(hào)的包絡(luò)，達(dá)到了寬帶信號(hào)最大頻帶壓縮的目的，且x(t)為s(t)信號(hào)的波形重構(gòu)［3］。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)系統(tǒng)的瞬時(shí)工作帶寬主要取決于Chirp本振的最大調(diào)頻帶寬，因此該系統(tǒng)不僅具有對(duì)抗的大帶寬Chirp信號(hào)的能力，而且節(jié)省資源、降低了DRFM的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度。

(2)各項(xiàng)信號(hào)參數(shù)引導(dǎo)誤差主要影響B(tài)PF帶寬ωP，應(yīng)該在滿足系統(tǒng)綜合引導(dǎo)誤差的條件下選擇盡可能小的ωP，以降低對(duì)DRFM瞬時(shí)帶寬的要求，獲得較大的Df。

(3)在相同的瞬時(shí)工作帶寬B0max下，該系統(tǒng)的輸出信噪比優(yōu)于一般DRFM系統(tǒng)的輸出信噪比。

［1］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［2］趙國(guó)慶.雷達(dá)對(duì)抗原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

［3］董創(chuàng)業(yè).基于DRFM的雷達(dá)干擾技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2007.

［4］劉忠.基于DRFM的線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)干擾新技術(shù)［D］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

［5］保錚，邢孟道，王彤.雷達(dá)成像技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［6］樓順天，李博菡.基于Matlab的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1998.