利用調頻率匹配的DRFM欺騙干擾檢測方法

盧云龍,李 明,閆 琰

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室,陜西西安 710071)

利用調頻率匹配的DRFM欺騙干擾檢測方法

盧云龍,李 明,閆 琰

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室,陜西西安 710071)

針對轉發式線性調頻(LFM)有源欺騙干擾的檢測問題,提出了基于干擾信號諧波分量調頻率匹配的檢測方法.數字射頻存儲器存在諧波效應特性,該方法通過分析干擾信號的頻譜特征規律,建立諧波分量調頻率參數庫.在雷達距離門內同時存在目標回波和干擾信號的情形下,利用分數階傅里葉變換檢測雷達回波中LFM信號分量并估計其調頻率,通過與參數庫進行匹配分析,實現干擾信號的檢測.仿真結果驗證了該方法的有效性.

數字射頻存儲器量化;有源欺騙干擾;分數階傅里葉變換;參數估計

有源欺騙干擾會嚴重降低雷達對目標的檢測性能.而基于數字射頻存儲器(DRFM)的距離波門拖引干擾(RGPO)和速度波門拖引干擾(VGPO)與雷達發射信號具有很強的相干性,干擾信號在相干雷達中可以獲得相當大的增益,使得雷達難以區分目標和干擾[1-2].

近年來針對DRFM欺騙干擾信號的研究主要有:文獻[3]通過在每個脈沖重復間隔期間發射不同初始相位的信號,利用目標回波與干擾信號在多普勒頻譜域的差異實現干擾檢測.文獻[4]通過聯合干擾信號幅度波動特征、高階累積量以及雙譜特征來識別具體干擾類型.文獻[5-6]研究了有源欺騙干擾在合成孔徑雷達成像中的特性.文獻[7-8]著重分析了寬帶DRFM干擾信號的特性及硬件實現.文獻[9-10]分析了基于DRFM的距離波門拖引干擾(RGPO)信號的頻譜,詳細推導了DRFM時延量化特性對干擾信號帶來的頻域細微變化特征.在此基礎上,文獻[11-12]分析了DRFM時延函數和相位聯合量化對RGPO信號的影響,分析量化后諧波譜線的特性,并得出相對相位量化.時延函數量化對信號的影響可以忽略.文獻[13]分析了距離-速度同步拖引干擾的理想頻譜與實際頻譜特征,這些頻譜特征在理想環境下有較明顯的差異,能夠為雷達檢測該類干擾提供依據.但是,上述文獻中對干擾信號頻譜特征的分析都是基于單頻脈沖雷達信號,而在實際檢測環境中,干擾信號諧波譜線易受噪聲等因素影響而不易檢測.同時文獻中沒有考慮雷達回波中同時存在目標回波和干擾信號的情形.

事實上,現代雷達廣泛采用脈內頻率調制信號,如LFM信號.對于波門拖引干擾,在波門捕獲期,雷達回波由目標回波與干擾信號組成,如能在此階段就檢測出干擾信號,可使雷達更及時地采取抗干擾措施.因此,筆者在上述研究成果基礎上,分析了DRFM線性調頻有源欺騙干擾信號的頻譜,推導出干擾信號諧波頻譜的特征規律并建立諧波分量調頻率參數庫,并提出一種基于諧波分量調頻率參數匹配的干擾檢測新方法.該方法通過建立可能存在的干擾信號諧波頻譜調頻率參數庫,利用分數階傅里葉變換估計雷達回波中LFM信號調頻率,并與參數庫進行匹配檢測.由于LFM信號調頻率參數受噪聲等因素影響小,通過參數匹配檢測,該方法能夠在復雜的電磁檢測環境下有效檢測出有源欺騙干擾信號.分析發現目標回波與干擾信號的疊加并不影響干擾信號的諧波特性規律,因此該方法在波門捕獲期就可以有效檢測出干擾信號.

1 信號模型

設雷達發射基帶信號為

DRFM下變頻后接收信號可以表示為

式中,fc=fI+fd,fI為干擾機下變頻頻率,fd是目標的多普勒頻率.

對于距離波門拖引干擾而言,在分析干擾信號相位量化效應時,時延函數離散量化對其的影響是可以忽略的[9].設距離拖引時延函數可表示為理想線性函數c(t)=at,a為拖引率,則經DRFM相位量化后的線性調頻欺騙干擾可表示為

其中,N=2M,M為量化位數,φ(t)為p(t)的相位,φ(t)=2πfct+πμt2,m對應不同的諧波分量.

將c(t)=at代入式(3),并令

則有

在雷達距離門內同時存在目標回波和干擾信號的情形下,回波信號經雷達接收機混頻后可表示為[2]

式(6)右邊第1項為目標回波,第2項為干擾信號,A1、A2表示幅度,通常A1＜A2.n(t)為高斯白噪聲.

2 基于譜參數匹配的干擾檢測方法

由DRFM產生的轉發式欺騙干擾信號可視為截獲雷達信號的復制品,因其與雷達發射信號的高度相干性而難以識別.尤其在波門內同時存在目標回波和干擾信號階段,干擾機對截獲雷達信號的調制很小,傳統的檢測方法難以有效檢測出干擾信號.由于DRFM干擾機存在諧波效應,筆者在分析線性調頻干擾信號相位量化模型時發現,干擾信號的調頻率由干擾機量化位數及雷達發射信號調頻率決定,并且與目標回波調頻率參數差異較大,因此提出一種新的干擾檢測方法.首先通過建立可能存在的干擾信號諧波頻譜調頻率參數庫,然后檢測并估計雷達回波中LFM分量調頻率參數,并與參數庫進行匹配分析,完成干擾信號的檢測.

2.1 頻譜特征分析

很多文獻已有證明,當Bτ?1,μ＞0時,u(t)的頻譜為

同理,當信號為負調頻,即μ-=-μ時,可求得

即U+(f)與U-(f)共軛相等,這并不影響u(t)頻譜的帶寬和形狀.

根據傅里葉變換定義可得y2(t)的頻譜為

令

代入式(9),可得

之后的推導過程與求線性調頻信號u(t)的頻譜U(f)類似,很多文獻有詳細推導過程,這里不再重復,直接給出最終結果:

式中,C(x),S(x)為菲涅耳積分,當Bτ?1時,式(12)可以表示為

同理,當m＜0時,信號為負調頻,有

結合以上分析,由式(5)、(13)、(14),可以得到y(t)的頻譜

不考慮噪聲對信號頻譜的影響,則雷達回波經接收機混頻后信號s(t)的頻譜可表示為

在實際應用中,拖引率a一般為10-6數量級,認為(1-a)2≈1,則由式(16)得s(t)頻譜近似為

圖1 目標信號與干擾信號的頻譜(時頻)圖

由式(17)可以看出回波中有多個LFM信號分量,當m=0的信號分量為主分量,其余為諧波分量時,每個信號分量的中心頻率滿足(Nm+1)fc-fI,頻率范圍變成即信號頻帶被展寬為則在相同脈寬時間內,分量信號的調頻率相應變為設采樣頻率Fs=1.024/2 GHz,M=2, B=10 M Hz,fI=30 M Hz,fd=4 k Hz,信號時寬τ=1μs,拖引率a=1×10-6.圖1(a)、(b)分別為目標信號與量化干擾的頻譜圖,圖1 (c)、(d)對應為兩信號的時頻圖.分析干擾信號的時頻圖如圖2所示,可以看出,除主分量外,干擾信號還有兩條明顯的諧波譜,其中m=-1時對應諧波分量1,m=1時對應諧波分量2.根據上述參數及前述的理論推導,可以計算出諧波分量1的理論中心頻率及調頻率分別為120.012MHz和-30×1012Hz/s ;諧波分量2的理論中心頻率及調頻率分別為120.02MHz和50×1012Hz/s.從圖2中數據可以粗略計算出諧波分量1的中心頻譜及調頻率分別為-120.7MHz和-30.1×1012Hz/s,諧波分量2的中心率及調頻率分別為120.7MHz和49.12×1012Hz/s,與理論值大致相符.

需要注意,當M較大時,根據式(17)可以發現最大的諧波分量有可能落在采樣帶寬之外,在干擾信號中將檢測不到諧波分量.2.2 參數匹配檢測

圖2 量化干擾信號的時頻圖

根據上節分析可知,當雷達沒有受到DRFM有源欺騙干擾時,雷達回波中僅有目標回波一個LFM信號分量;當雷達受到DRFM有源欺騙干擾時,雷達回波中會有多個LFM信號分量.而LFM信號在不同的分數階傅里葉變換域上會呈現出不同的能量聚集性,同時分數階傅里葉作為一維的線性變換,在處理多分量信號時可以避免交叉項的干擾,因此筆者采用分數階傅里葉方法來檢測雷達回波中多分量LFM信號.

LFM信號x(t)的p階分數階傅里葉變換定義為[14]

式中,變換核Kp(t,u)為

檢測未知LFM信號的基本原理是:以旋轉角α為變量,對觀測信號連續進行分數階傅里葉變換,形成信號能量在參數(α,u)平面上的二維分布,在此平面上按閾值進行峰值點的二維搜索即可實現信號的檢測.而雷達回波中LFM信號分量的幅度受sinc函數調制,差異較大,在信噪比較低的條件下,噪聲的起伏可能會影響弱諧波分量峰值點的檢測.同時,在實際電磁檢測環境中,雷達回波中除了目標回波和欺騙干擾外,還有可能包含來自其他輻射源的未知信號,因此,僅通過檢測雷達回波中是否存在多分量LFM信號,并不能有效可靠識別DRFM有源欺騙干擾.

但是從2.1小節的分析可得出干擾信號諧波分量的中心頻率及調頻率滿足一定的規律.為表述方便,令 LFM信號分量參數為其中表示在量化位數為M,N=2M條件下的諧波分量的調頻率為相同條件下的諧波分量的中心頻率,則有

由式(20)可以得出,干擾信號諧波譜的中心頻率是由干擾機量化位數M和fc決定的,其中fc=fI+ fd.干擾信號的調頻率由M和雷達發射信號調頻率μ決定.實際環境中,并不知道干擾機的量化位數,也無法獲知干擾機下變頻頻率fI,但可以得到參數μ及典型DRFM干擾機的量化位數[15].對于參數,由于受目標多普勒頻率、雷達接收機下變頻頻率以及干擾機下變頻頻率fI調制,不易計算.對于諧波調頻率,在給定典型干擾機量化位數條件下,可以結合已知參量μ計算出.諧波分量的幅度受sinc函數調制,公式(17)表明m=±1時取到最大和次大諧波分量.因此,應建立量化位數為1～4 bit條件下的諧波頻譜參數庫,其中m=±1,N=21,22,23,24.

文中檢測方法的基本思路為:利用分數階傅里葉變換在(α,u)平面上二維搜索LFM信號并估計參數,如果在雷達回波中檢測出多分量LFM信號并且估計出的參數)與參數庫)中的某一組參數匹配,就可以判定該雷達受到DRFM干擾機的干擾.這一方法的步驟可表示為:

(2)多分量LFM信號參數估計[14],在(α,u)二維平面上進行搜索,由最大峰值點的位置估計出最強信號分量相應的參數設計中心頻率為的窄帶濾波器,選擇適當帶寬,在u域內按尖峰作遮蓋處理,濾除最強信號分量.

(4)重復步驟(2)、(3),直到剩余信號中所有的信號分量的幅度均低于某一預定的閾值.將所有估計得到的LFM信號分量的調頻率參數與干擾信號諧波參數庫進行二維匹配,其具體過程為:先將估計參數與進行匹配,若誤差小于設定門限,再將該參數與進行匹配,若誤差也小于門限,則可判定雷達回波中存在干擾信號,并且可估計出干擾機量化位數M=1,匹配檢測過程結束.如有沒有參數滿足,則繼續與進行匹配,直到遍歷完所有參數庫中的諧波參數,并做出檢測判決.

3 仿真實驗

仿真實驗條件如下:根據目前典型欺騙干擾機結構,可設DRFM量化位數M=2,DRFM中頻FI=30 M Hz,采樣頻率Fs=1.024/2 GHz,目標多普勒頻率fd=4 k Hz.假設檢測環境中有兩個未知LFM信號分量(可能來自其他輻射源的無意干擾),幅度為雷達發射信號的1/10～1/5倍之間,調頻率在±10μ間隨機分布.噪聲n(t)是服從n～N(0)分布的零均值復高斯白噪聲.雷達發射信號為線性調頻信號,帶寬B=10 M Hz,脈寬τ=1μs.定義信噪比SNR=干噪比JNR=為干擾信號,強度一般是信號強度的1.3～1.5倍,因而可設定JNR=SNR+1.5dB.

圖3 分數階傅里葉變換域上的信號分離

圖3給出了雷達回波在分數階傅里葉變換域上的能量分布.其中,圖3(a)表示雷達回波為目標回波與兩個未知LFM信號疊加情形下的分數階傅里葉變換結果,信噪比為10 d B;圖3(b)為相同信噪比下回波中同時存在目標回波與干擾信號以及未知LFM信號的分數階傅里葉變換結果.在上述兩種仿真條件下,雷達回波中除主分量外,應該還有其余信號分量,由于幅度差異較大,圖3(a)和圖3(b)中顯示其他分量完全被主分量信號“淹沒”.而圖3(c)和圖3(d)分別為圖3(a)和圖3(b)情形下抑制了主分量信號后(α,u)平面上的信號能量分布.從圖3(c)中可以看出濾除主分量后,回波中還有兩個明顯的LFM信號分量,而圖3(d)中出現至少4個LFM信號分量.分析可知圖3(c)中的信號分量為仿真條件中假設的可能來自其他輻射源的兩個信號,圖3(d)中除了這兩個信號分量,其余為有源欺騙干擾信號產生的諧波信號分量.

上述仿真表明,在實際檢測環境中,通過檢測雷達回波中的多分量LFM信號,并不能有效地檢測有源欺騙干擾,需要進一步估計各分量的參數,并與參數庫進行匹配分析,才能有效可靠檢測出有源欺騙干擾.計算作為參數庫,如表1所示.

表1 干擾信號諧波調頻率參數庫(×1012Hz/s)

表2是在有無欺騙干擾條件下雷達回波檢測到的LFM信號分量調頻率估計值,分別對應圖3(c)和圖3 (d)兩圖.參數估計精度與搜索角度步長有關,根據參數估計精度,設定合適匹配門限,分析發現表2中的無欺騙干擾時所估計的信號分量1、信號分量2的調頻率與表1中任何M值下的調頻率都不匹配.而在有欺騙干擾時估計的信號分量2與信號分量3能夠與參數庫中M=2時的調頻相匹配,因此可以在復雜檢測環境中檢測出有欺騙干擾信號,同時還可以估計出干擾機的量化位數M.

表2 雷達回波中信號分量調頻率估計值(×1012Hz/s)

圖4為信噪比從-15 d B到15dB,每個信噪比下仿真1 000次的干擾信號檢測性能曲線.由圖中可以看出,在雷達回波中同時存在目標回波和欺騙干擾信號條件下,該方法在0dB左右仍能達到約0.8的正確檢測率.因此對于波門拖引干擾,該方法能夠在波門捕獲期就有效檢測干擾信號,使雷達更及時地采取抗干擾措施,保證對目標的正確跟蹤.值得說明的是,目前關于干擾檢測方法大多是基于模型的,因此算法之間不具有可移植性.干擾機量化特性是固定存在的,與利用干擾信號的幅度波動差異檢測方法相比較,文中提出的方法能穩定可靠地提取到干擾與目標信號的差異.

圖4 干擾檢測性能曲線

4 結束語

有源欺騙干擾因其與雷達發射信號有很強的相干性而難以檢測,筆者根據DRFM轉發式欺騙干擾存在諧波效應的事實,推導出線性調頻干擾信號的頻譜特征規律,并建立干擾信號諧波譜調頻率參數庫.在此基礎上提出了一種基于調頻率匹配的有源欺騙干擾檢測方法.該方法先檢測并估計雷達回波中LFM信號分量的調頻率參數,通過將估計得到的調頻率與參數庫進行匹配分析來實現干擾信號的檢測.由于LFM信號調頻率受環境影響小,因此該方法能在較低信噪比下有效檢測出干擾信號.仿真結果表明,該方法能在波門內同時存在目標回波和DRFM轉發干擾時有效檢測出干擾信號,可使雷達更及時地采取抗干擾措施,在實際應用中有很好的參考價值.同時,隨著抗干擾能力較強的捷變頻、編碼、混合脈沖等雷達發射波形的采用,對復雜波形干擾信號的量化特性將在筆者后繼的工作中進行深入研究.

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(編輯:王 瑞)

Method for detecting DRFM deception jamming based on LFM rate matching

LU Yunlong,LI Ming,YAN Yan
(National Key Lab.of Radar Signal Processing,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

For detecting linear frequency modulated(LFM)active deception jamming,a novel approach is outlined based on LFM rate matching of the jamming harmonic components.Utilizing the harmonic effect generated from a digital radio frequency memory(DRFM),the feature of the harmonic spectrum is analyzed and an LFM rate base of the jamming is established first.Then the Fractional Fourier Transform(Fr FT)is employed to detect LFM components in the radar echo when both the target echo and the jamming signal are co-existent in a range gate.After that the LFM rates of the detected LFM signal are estimated and compared with the LFM rate bank to achieve jamming detection.Validity of the method is verified by simulation results.

DRFM quantization;active deceptive jamming;Fr FT;parameter estimate

TN974

A

1001-2400(2014)05-0067-07

2013-05-21< class="emphasis_bold">網絡出版時間:

時間:2014-01-12

國家部委預研基金資助項目(9140A07020913DZ01001);博士學科點科研專項基金資助項目(20110203110001);航空科學基金資助項目(20110181006)

盧云龍(1986-),男,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:yllu@stu.xidian.edu.cn.

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.012.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.012