基于兩種噪聲調制模型的雷達干擾信號仿真研究*

張潤哲 察 豪 溫東陽 孟路穩

(海軍工程大學海洋電磁環境研究所 武漢 430033)

基于兩種噪聲調制模型的雷達干擾信號仿真研究*

張潤哲 察 豪 溫東陽 孟路穩

(海軍工程大學海洋電磁環境研究所 武漢 430033)

從信號處理的角度,建立了噪聲調幅干擾和噪聲調頻干擾這兩種噪聲瞄頻干擾的數學模型,通過計算機仿真,對它們的特點進行對比,并結合脈沖壓縮雷達的工作方式,采用這兩種干擾信號對巴克碼脈沖壓縮雷達進行干擾,由仿真結果得出雷達信號與干擾信號參數對干擾效果的影響。

雷達; 干擾; 噪聲調制; 仿真

Class Number TN955

1 引言

在電子對抗中,若要使干擾機對雷達實施的干擾效果比較好,就要滿足兩點要求：一是干擾機的干擾功率足夠強,足以把被掩護目標的回波信號淹沒于干擾信號中;二是干擾機的干擾頻帶能夠有效地覆蓋被干擾雷達的工作頻段[1]。本文著重討論第二點,即如何使干擾達到比較好的效果。我們可以通過產生一個寬帶高斯噪聲,再使它通過低通濾波器來生成一個零頻附近的窄帶白噪聲,再將該窄帶噪聲調制到雷達工作頻帶附近,使調制過的噪聲信號能夠有效地覆蓋住雷達頻帶,從而實現對雷達的干擾,這就是窄帶噪聲瞄頻干擾[2]。

現代雷達常采用的信號有線性調頻(LFM)信號和二相編碼(BPSK)信號,而巴克(Barker)碼信號又是很常見的二相編碼信號。本文針對巴克碼雷達信號施加不同類型的噪聲瞄頻干擾,對其干擾性能進行仿真比較。

2 巴克碼雷達信號的特點

二相編碼(BPSK)信號是一種主要的雷達信號。一個二相編碼波形具有恒定的RF頻率,但在脈沖持續時間內絕對相位以固定的間隔在N個確定值之間轉換。這種脈沖可以作為N個脈寬為τc的連續子脈沖xn(t)的集合,每個子脈沖具有相同頻率,但可能具有不同相位。二相編碼波形的表達式可以寫為

(1)

雷達系統中最重要的二相編碼是巴克碼,N位巴克碼是一組特定的二元序列,它們使匹配濾波器的輸出峰值與最高旁瓣之比為N∶1。由于僅存在兩個相位狀態,可以用以下序列來表示一個13位巴克碼的碼字序列:

c={1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1}

(2)

本文就采用該巴克碼信號進行二相編碼信號的仿真。

13位巴克碼波形的頻譜主瓣寬度是具有相同脈寬簡單脈沖頻譜主瓣的13倍。另外,與簡單脈沖相比,巴克碼波形頻譜旁瓣的衰減速度慢了許多;但是巴克碼有兩個主要的缺點。首先,比N=13長的巴克碼全部未知,這就限制了可能的旁瓣抑制程度。其次,它們的多普勒容許度很差[4]。

圖1 13位巴克碼信號時域波形與頻譜圖

圖1為13位巴克碼信號的時域波形與頻譜圖,這里設定信號的碼片寬度τc=0.2μs,載波頻率fc為20MHz。

3 兩種噪聲瞄頻干擾信號的建模

文獻[1]已對下面將要采用的兩種干擾信號的數學模型進行了相應的理論分析,為仿真提供了依據。

3.1 噪聲調幅干擾

噪聲調幅干擾可以用如下廣義平穩隨機過程建模：

J(t)=A[z+n(t)]cos(2πf1t+φ)

(3)

其中調制噪聲n(t)為零均值的廣義平穩隨機過程,相位φ服從[0,2π]的均勻分布,且與n(t)獨立,A為噪聲調幅信號的幅度,f1為中心頻率,z為常數。

圖2為一個幅度A=1,調制信號中心頻率f1=60MHz,z=1的噪聲調幅信號時域波形和功率譜,其中被調制的噪聲是均值為零,方差為1的低通高斯噪聲,其頻率分布為-20MHz～20MHz。

圖2 噪聲調幅干擾時域波形和功率譜

3.2 噪聲調頻干擾

噪聲調頻信號可以使用如下的廣義平穩隨機過程建模：

(4)

其中調制噪聲u(t)為零均值、廣義平穩的隨機過程,相位φ服從[0,2π]的均勻分布,且與u(t)相互獨立,A為噪聲調頻信號的幅度,f1為中心頻率,KFM為調頻斜率。

圖3為一個幅度A=1,調制信號中心頻率f1=60MHz,調頻斜率KFM=5MHz/s的噪聲調頻信號時域波形和功率譜,其中被調制的噪聲是均值為零,方差為1的低通高斯噪聲,其頻率分布為-20MHz～20MHz。

圖3 噪聲調頻干擾時域波形和功率譜

3.3 兩種噪聲干擾的對比

根據兩種瞄頻干擾的數學特征,分別對它們進行建模仿真。由它們的波形可以看出,噪聲調幅信號由于對窄帶噪聲的幅度進行了調制,提高了噪聲電平,所以幅度要比其他兩種干擾信號大。通過兩種干擾的功率譜可以發現,在以上的仿真中,分布在-20MHz～20MHz的窄帶高斯噪聲經過調制,頻率范圍變為40MHz～80MHz,并且兩種干擾都是在調制信號中心頻率處達到最大。噪聲調幅信號在噪聲頻帶范圍內變化很平緩,但在噪聲頻帶范圍外衰減很快;噪聲調頻信號在調制信號中心頻率兩邊衰減較快,并且在40MHz和80MHz處下降得非常明顯。

4 對脈沖壓縮雷達的干擾仿真

4.1 脈沖壓縮雷達的特點

脈沖壓縮是指發射寬編碼脈沖并對回波進行處理后獲得窄脈沖,因此脈沖壓縮雷達既保持了窄脈沖的高距離分辨率,又具有寬脈沖的強檢測能力。

脈壓雷達受到噪聲干擾時,由于雷達匹配濾波器的脈沖響應函數與信號匹配,而與噪聲干擾信號失配,導致濾波器輸出的信干比增大,甚至可以達到幾十到幾千。為使噪聲干擾有效,干擾機在雷達接收機輸入端干擾功率需比回波信號功率大2～3個數量級,就目前的干擾機功率水平而言,脈壓雷達可以輕而易舉地對抗噪聲干擾[5～7]。

4.2 二相編碼脈壓雷達的干擾仿真

文獻[8～10]為雷達信號與系統的建模仿真提供了一些理論與方法。

首先產生一個13位巴克碼信號,碼字序列為式(2)。設定幅度A=1,信號的碼片寬度τc=0.2μs,載波頻率fc=20MHz。在給定兩個理想點目標的情況下,圖4為無干擾時經過雷達解調后的波形與經過雷達脈沖壓縮后的波形。

圖4 無干擾時經過雷達解調與脈沖壓縮的波形

現在將調制信號中心頻率f1設定為20MHz,其他參數不變。圖5和圖6分別是此時存在噪聲調幅干擾和噪聲調頻干擾時經過雷達解調和脈沖壓縮的波形。此時干擾的調制信號中心頻率與雷達載頻相同。

現在將調制信號中心頻率f1設定為30MHz,其他參數不變。圖7和圖8分別是此時存在噪聲調幅干擾和噪聲調頻干擾時經過雷達解調和脈沖壓縮的波形。

圖5 f1=20MHz的噪聲調幅干擾時經過雷達解調與脈沖壓縮的波形

圖6 f1=20MHz的噪聲調頻干擾時經過雷達解調與脈沖壓縮的波形

圖7 f1=30MHz的噪聲調幅干擾時經過雷達解調與脈沖壓縮的波形

圖8 f1=30MHz的噪聲調頻干擾時經過雷達解調與脈沖壓縮的波形

通過對以上的仿真進行分析,不難發現脈沖壓縮雷達可以很有效地將寬脈沖壓縮為一個很窄的脈沖,兼顧了雷達檢測能力和距離分辨率,并且在完全被噪聲干擾淹沒的目標回波中分離出目標信息。

觀察仿真結果,當調制信號中心頻率f1=20MHz時,兩種瞄頻干擾均能得到非常好的效果,雷達已經很難正確分辨出有效的目標信息,但當調制信號中心頻率偏離了雷達信號載頻fc,即設定f1=30MHz時,它們的干擾效果已經大打折扣。

同樣的干擾信號在調制信號中心頻率f1與雷達載頻fc相同時和f1偏離fc時,干擾效果存在一定的差別。這是因為巴克碼信號的頻譜有一個非常高的主瓣和許多較低的副瓣,信號的能量主要集中在主瓣附近,而瞄頻干擾信號的功率在調制信號中心頻率f1處最高,也就是說在f1附近才能有最好的干擾效果。當調制信號中心頻率f1偏離雷達載頻fc時,噪聲調幅干擾的效果要好于噪聲調頻干擾。這是因為噪聲調幅干擾的功率在較小的頻率范圍內平穩,而噪聲調頻干擾的功率隨頻率衰減非常快。

5 結語

本文已對巴克碼雷達信號的噪聲瞄頻干擾進行了仿真,得到了相應的結論。但計算機仿真畢竟存在一定的局限性,在實際的裝備使用、調試時還應該在仿真的基礎上結合裝備的具體參數多進行實踐。另外,從本文的仿真結果也可以看出,干擾信號調制頻率的變化對干擾效果的影響是很大的,在實際的戰場環境中,如果不能準確地知道敵方雷達工作的參數,或者對參數估計不準確,特別是雷達采取捷變頻工作時,都將給我方帶來巨大的影響[11]。所以雷達的參數估計問題是一個非常重要的方向,也是今后需要投入精力研究的方面。

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Radar Jamming Signal Simulation and Research Based on Two Noise Modulation Models

ZHANG Runzhe CHA Hao WEN Dongyang MENG Luwen

(Institute of Ocean Electromagnetic Environment, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

This paper established the models of noise AM signal and noise FM signal from the perspective of signal processing and compared their characteristics through simulation, studied the pulse compression system and generated jamming to Barker code pulse compression radar using the two jamming signals. The simulation results showed the influence of both radar signal and jamming signal on parameters.

radar, jamming, noise modulation, simulation

2014年6月10日,

2014年7月24日

張潤哲,男,碩士研究生,研究方向:信號與信息處理。察豪,男,教授,博士生導師,研究方向:雷達信號處理。溫東陽,男,碩士研究生,研究方向:信號與信息處理。孟路穩,男,碩士研究生,研究方向:信號與信息處理。

TN955

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.026