基于間歇采樣的線性調頻脈沖壓縮雷達干擾技術研究與實現

安 濤，石遠東，鄭繼剛

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

脈沖壓縮雷達采用寬脈沖發射來提高發射的平均功率，保證足夠的最大作用距離，而在接收時則采用相應的脈沖壓縮法獲得窄脈沖，以提高距離分辨力，因而能較好地解決作用距離和分辨能力之間的矛盾［1］。

脈沖壓縮雷達波形按調制規律不同可以分為線性調頻脈沖壓縮信號、非線性調頻脈沖壓縮信號、相位編碼脈沖壓縮信號和時間頻率編碼脈沖壓縮信號等［2］，而線性調頻（LFM）脈沖壓縮信號是應用最為廣泛的信號波形。一方面是因為LFM脈沖壓縮信號是脈內相干的，其頻率與時間之間的相關性使之具有大時寬帶寬積，這不僅較好地解決了雷達作用距離與距離分辨力的矛盾，而且使與雷達發射波形不匹配的干擾信號不能得到相應的處理增益，大大提高了雷達的抗干擾能力；另一方面是因為LFM脈沖壓縮信號具有良好的兼容性，可以與其它體制雷達（如脈沖多普勒雷達、相控陣雷達、合成孔徑雷達等）兼容使用，例如以美國“愛國者”雷達和X波段雷達為代表的一類雷達都采用了LFM脈沖壓縮波形［3］。

對LFM脈沖壓縮雷達的干擾一直是電子戰領域研究的熱點和難點，近年來先后出現了卷積調制干擾、數字多時延干擾、間歇采樣轉發干擾等新型的靈巧噪聲干擾樣式［4］。其中間歇采樣轉發干擾不僅可以快速跟上雷達回波，而且實現了干擾機收發系統的全隔離，具有較好的干擾效果和工程實現性。

1 間歇采樣轉發干擾原理

LFM脈沖壓縮雷達具有很高的壓縮比，對其采用噪聲壓制干擾難以取得功率上的優勢，干擾效果有限，因此對LFM脈沖壓縮雷達的干擾主要采用基于數字射頻存儲器（DRFM）的相干干擾技術。移頻干擾是對LFM脈沖壓縮雷達進行干擾的主要手段，它利用LFM脈沖壓縮雷達所具有的距離－多普勒耦合現象，在干擾機截獲的雷達信號上調制1個頻偏轉發給原雷達，對雷達進行欺騙干擾。

但移頻干擾在工程實現上有很多缺點，其一是移頻量需要電子支援的支持，對電子戰偵察系統高度依賴；其二是因為移頻干擾需要干擾機工作在邊收邊發狀態下，這就對干擾機收發天線的隔離度提出了很高的要求，而在一些諸如彈載干擾機等對體積要求比較高的設備中，這種高隔離度是無法實現的。

這就要求DRFM系統收發必須分時工作，而LFM脈沖壓縮雷達的脈沖寬度很寬，例如“愛國者”雷達常用的脈沖寬度有60μs、100μs等，利用全脈沖存儲轉發干擾時，假目標在距離上落后真目標9km、15km，此時的干擾效果非常有限。前沿復制干擾雖然可以解決全脈沖存儲轉發干擾產生的假目標時間滯后太多的問題，但是干擾信號的相干性比較差，功率利用率不高，干擾效果也非常有限。

而間歇采樣較好地解決了全脈沖存儲轉發干擾時假目標滯后太多和前沿復制干擾時相干性差的問題，同時也解決了收發天線隔離度不夠的問題，甚至在一些干擾機中，收發天線可以共用，具有很好的工程應用價值。

干擾機在接收到LFM脈沖壓縮雷達信號后，進行采樣存儲其中的一小段后，立即進行轉發，轉發完成后再采樣存儲下一段，采樣存儲和轉發分時交替工作直到雷達信號結束。間歇采樣轉發干擾原理框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，間歇采樣轉發干擾信號可以表示為雷達信號和矩形脈沖信號的乘積。設矩形脈沖信號寬度為τ，重頻周期為Ts，重復頻率fs為Ts的倒數，則矩形脈沖信號p（t）為：

圖1 間歇采樣轉發干擾原理框圖

傅里葉級數展開p（t）：

設LFM脈沖壓縮雷達信號為s（t），脈沖寬度為T，則干擾信號js（t）為：

若將LFM脈沖壓縮雷達匹配濾波器用h（t）表示，則真目標回波信號通過脈沖壓縮后的輸出y（t）為：

干擾信號通過脈沖壓縮后的輸出j（t）為：

由式（5）可以看出，干擾信號的輸出由兩部分組成，式中第1項為主假目標，第2項為次假目標群，次假目標群是將真目標回波信號頻譜搬移到p（t）的各次諧波處。無論是主假目標或次假目標群，通過脈沖壓縮后的信號形式與真目標通過脈沖壓縮后的信號形式相同，只是幅度上有改變而已，因此干擾信號可以起到很好的欺騙干擾效果。由于出現了假目標群，該干擾還兼具遮蓋干擾的效果。

2 間歇采樣轉發干擾仿真分析

在接收天線和發射天線分開的干擾機中，為了保證干擾機具有高的隔離度，間歇采樣脈寬τ最大為間歇采樣重頻周期的50%，即τ／Ts＝50%，τ／Ts也被稱為間歇采樣占空比。在接收天線和發射天線共用的干擾機中，由于開關需要反應時間，τ／Ts小于50%。因此選擇τ／Ts為50%和25%分別進行仿真，通過對比干擾信號和雷達回波信號脈沖壓縮后的幅度，對干擾效果進行分析。

雷達信號經過下變頻后，由射頻信號變為中頻信號送DRFM進行間歇采樣，設定中頻線性調頻信號中心頻率f0＝400MHz，帶寬B＝10MHz，脈寬T＝25μs，DRFM的采樣率為1 000MHz。假設干擾機所在平臺距離雷達11.25km，則回波信號脈沖壓縮后出現在75μs處，此目標稱之為真目標。取定τ分別為0.5μs和1μs，間歇采樣占空比分別為50%和25%，干擾信號幅度與真目標回波幅度相等，經過匹配濾波器后幅度進行歸一化處理，取真目標回波經過匹配濾波器后幅度為1。仿真結果如圖2和圖3所示。

圖2 間歇采樣占空比τ／Ts＝50%的干擾效果

在以上的仿真中，虛線為真目標，實線為假目標。干擾信號經過脈沖壓縮后形成了逼真的假目標群，主假目標幅度為真目標幅度的τ／Ts倍，與式（5）的分析吻合。增大τ＝0.5μs時干擾信號的幅度為真目標回波幅度的5倍，仿真結果如圖4所示，真目標已完全淹沒在假目標群中。

通過以上仿真可以看出，間歇采樣占空比τ／Ts較大時，主假目標幅度比較大，但次假目標群幅度下降比較快，干擾能量主要分布在主假目標和一次假目標上，因此有效利用的假目標數量比較少。間歇采樣占空比τ／Ts較小時，形成了數量更多的假目標群，且假目標群幅度相差不大，干擾能量分布比較均勻，可用假目標數量較多，干擾效果更好。

由于干擾信號相對于真目標回波信號有寬度為τ的延時，因此主假目標的位置由采樣寬度τ確定，即主假目標滯后真目標τ。假目標之間的間距與τ／Ts是否為50%相關，當τ／Ts不為50%時，假目標之間間距為：

當τ／Ts為50%時，主假目標與一次假目標的間距為Δt，但其它各次假目標之間的間距為2Δt。由圖4可以看出，由于T和B固定，Ts越大，假目標之間的間距越小。

圖4 干擾信號的幅度增大為真目標回波幅度5倍時的干擾效果

3 硬件實現及性能測試

數字儲頻是電子戰有源干擾的核心部件。不論是在國外，還是在國內，幾乎所有的干擾機都離不開數字儲頻。對輸入模擬信號量化的方法主要有幅度取樣法和相位取樣法，分別稱為幅度取樣DRFM和相位取樣DRFM［5］。幅度取樣與相位取樣相比具有采樣率高、雜散抑制性好等特點，應用更為廣泛。因此間歇采樣轉發干擾采用幅度取樣DRFM系統，實現框圖如圖5所示。

圖5 間歇采樣轉發干擾DRFM系統實現框圖

收發系統包括收發共用天線、開關控制和功率放大模塊等。默認狀態下天線切換到下變頻模塊接收雷達信號，下變頻模塊把射頻信號下變到中頻信號，一路送門限檢測模塊，一路送DRFM模塊；當門限檢測模塊檢測到有雷達信號時，觸發DRFM模塊開始采樣和存儲；當達到存儲寬度τ時，DRFM模塊停止采樣并把天線切換到上變頻模塊，同時開始轉發存儲的中頻雷達信號片段；轉發完畢后，天線切換到下變頻模塊，重復以上動作。

寬帶DRFM模塊是整個干擾系統的核心，硬件電路集成了高速數字信號處理器（DSP）、高速模數轉換器（ADC）、高速數模轉換器（DAC）和大規模現場可編程門陣列（FPGA）等數／模混合電路。在電路設計過程中，電磁兼容性必須充分考慮：

（1）板材選取。高速ADC、DAC模塊時鐘速度高達1GHz，數據速率也要達到0.5GHz，為了具有更好的信號完整性，DRFM模塊沒有采用普通的FR4印制板基材，而是采用介電常數比較小的高速ROGERS板材，同時精心設計疊層來滿足布線層單端線50Ω、差分100Ω的阻抗要求。

（2）傳輸線的鏡像層設計。共模電流是電磁干擾的主要源泉，在高速電路中，電流沿著阻抗最小的路徑流動。為了減小共模電流，與傳輸線相鄰的地層作為傳輸線的鏡像層，為返回電流指定低阻抗的返回路徑。為了使形成的閉合回路面積最小，嚴禁傳輸線跨越鏡像層的溝槽地帶。

（3）傳輸線的抗串擾設計。單端傳輸線使用3－W走線原則，即傳輸線間距至少是傳輸線寬度的3倍。差分對間的間距應大于2根差分傳輸線間距的2倍。

（4）傳輸線的等長設計。ADC和DAC的數據線和時鐘線應盡量等長，且走向相同，不但保證了數據線之間的延時相同，而且保證了數據線的容值也相同，有利于數據的鎖存和時序的調整。

（5）時鐘信號和模擬信號設計。時鐘信號輸入采用單端輸入差分輸出時鐘驅動電路，模擬信號利用變壓器進行單端信號和差分信號之間的轉換，同時進行阻抗變換。

（6）電源設計。模塊內部電源通過磁珠與外部電源進行隔離，開關電源的電源、地和其它電源也要隔離，高速ADC和DAC的電源采用線性電源。高速器件的電源濾波電容必須就近放置，不但提供濾波作用，而且為高速器件提供穩定的電源容量。

通過以上措施，寬帶DRFM具有很好的電磁兼容性，經過測試，1GHz、8位幅度采樣的DRFM模塊在50～450MHz頻段內雜散抑制大于45dBc。分別取τ＝0.5μs，Ts＝2μs和τ＝1μs，Ts＝4μs進行中頻信號間歇采樣轉發干擾的測試，測試干擾時序圖和干擾頻譜如圖6和圖7所示。在干擾時序圖中，上面的通道為中頻雷達信號，中心頻率400MHz，帶寬10MHz，脈寬25μs，下面的通道為中頻干擾信號。

圖6 ＝0.5μs，Ts＝2μs干擾時序圖和干擾頻譜圖

圖7 τ＝1μs，Ts＝4μs干擾時序圖和干擾頻譜圖

4 結束語

本文討論了間歇采樣轉發干擾的原理，對基于間歇采樣的線性調頻脈沖壓縮雷達干擾進行了仿真和分析，仿真結果表明該干擾樣式能快速跟上雷達回波，產生的假目標群與真目標回波相同，只是幅度有所減小，增大了干擾功率，具有較好的干擾效果。工程上以1GHz采樣為例進行了性能測試，后續設計了2GHz和4GHz采樣率的DRFM模塊，取得了不錯的性能指標。

［1］張明友，汪學剛.雷達系統［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［2］羅軍輝，羅勇江，白義臣，龐娜.MATLAB7.0在數字信號處理中的應用［M］.北京：械工業出版社，2005.

［3］劉忠.基于DRFM的線性調頻脈沖壓縮雷達干擾新技術［D］.長沙：國防科學技術大學，2006.

［4］陳秋東.靈巧噪聲干擾的仿真研究［D］.南京：南京理工大學，2007.

［5］趙國慶.雷達對抗原理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1999.