基于混疊濾波方式的假目標干擾效果研究

李　聰，徐洪青，常　梅

(1.上海機電工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術研究院，上海 201109)

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基于混疊濾波方式的假目標干擾效果研究

李聰1，徐洪青2，常梅1

(1.上海機電工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術研究院，上海 201109)

摘要：混疊濾波是基于數字射頻存儲(DRFM)技術產生多假目標干擾的方式，其結構簡單，延遲轉發的信號具有很強的相關性，可以快速產生多個假目標干擾，工程應用價值高。在設計時，期望N階的混疊濾波器可以產生2span個假目標干擾，可是在實際應用過程中，產生的干擾效果與期望的大不相同。因此建立了混疊濾波產生干擾的數學模型，通過研究干擾的幅值包絡和脈壓時域波形，分析混疊濾波器階數和延遲時間對干擾的影響，給出了不同條件下產生干擾的效果。

關鍵詞：混疊濾波；多假目標；濾波器階數；延遲時間

0引言

DRFM技術的快速發展[1]，衍生出了多種基于DRFM體制產生假目標干擾的方法?；贒RFM體制的假目標干擾，與雷達信號的相關性極強，且假目標的數量、位置都可以通過調制進行靈活設置，從而獲得更強的欺騙效果[2]。

關于可控變間隔的密集假目標產生機理的理論分析和仿真驗證較多[3]，但對于實際應用中出現的問題，相關文獻涉及到的較少。本文針對實際應用中，混疊濾波體制的假目標干擾的效果與期望的差別較大的問題，建立了混疊濾波產生假目標干擾的模型，分析了問題癥結所在，并通過仿真驗證了影響干擾效果的因素，給出了不同情況下干擾效果的總結。

1干擾產生原理

在DRFM體制中，可利用混疊濾波器產生多假目標干擾信號。通常采用密集復制、延遲疊加的方式對目標在距離向上進行遮蓋，干擾信號在距離向上可獲得處理增益，覆蓋真實目標，達到假目標干擾的效果或壓制效果[4-5]。多假目標可通過不同的延遲單元疊加獲得，如圖1所示，x(t)為輸入信號，y(t)表示輸出信號，用FIFO產生N級不同的延遲，延遲時間分別為Δt,2Δt,4Δt,…,2N-1Δt。若用xk(t)表示第k級的輸入，yk(t)表示第k級的輸出，則這種結構用硬件實現如圖1所示。

圖1　FIFO實現延遲疊加單元結構

其中混疊公式為：

(1)

(2)

經過N級延遲后，y(t)即為不同延遲信號疊加的輸出。在設計過程中，期望k階延遲疊加單元結構可以產生2k個假目標干擾。設計最大支持64個假目標，則只需6級延遲即可，具體每一級的延遲時間，可由實際要求具體計算得出。一般在設計時第1級FIFO的延遲時間為目標的距離分辨單元對應的時延時間1/B，B為欲干擾雷達的信號帶寬。

在應用過程中根據需求控制開關，例如需要產生8個間隔為2Δt的假目標，則斷開開關S1，閉合開關S2,S3,S4，就可以形成3階混疊濾波器，結構如圖2所示。

圖2　3階混疊濾波器示意圖

x(t)通過三階混疊濾波器輸出結果為：

(3)

式中，y3(t)表示8個不同延遲信號的疊加形成的干擾信號。

2干擾數學模型

本文在研究中假設雷達發射信號為線性調頻(LFM)信號,其表達式為[6]：

x(t)=rect(t/τ)exp(-jπbt2)

(4)

式中，τ為信號脈寬，b=B/τ為線性調頻斜率(B為信號帶寬)。

假設選擇第n級FIFO開始閉合開關，那么初始延遲時間為2n-1Δt，濾波階數為k，則產生的干擾信號為：

(5)

為推導方便，令2n-1Δt=τ0，可得：

(6)

(7)

令:

(8)

則:

(9)

根據式(10)可得一階混疊濾波輸出的包絡平方為：

(11)

從式(11)可以看出，一階混疊濾波得到的假目標干擾的幅度包絡的平方在t∈(τ0,τ)時是個周期函數，其周期為：

(12)

對于二階混疊濾波的假目標干擾的幅度包絡平方為：

(13)

從式(13)中可以得出，2階混疊濾波器產生干擾的幅度包絡平方是多個余弦信號的疊加，相對于一階混疊濾波的假目標干擾，多了幾個高倍頻分量，幅度起伏度增加。

根據上述干擾模型，令雷達發射信號τ=20μs,B=5MHz，則Δt=200ns，可以得到干擾的幅度包絡波形如表1所示。

表1　不同延遲不同階數對應的混疊濾波干擾幅度包絡

可以看出當k=1、初始延遲時間為Δt時，干擾信號的幅度包絡是呈尖劈狀，隨著混疊濾波階數的增加，干擾幅度包絡起伏度增加，逐漸呈馬鞍狀分布。

同時當k=1、初始延遲為Δt時的周期為20μs，初始延遲為4Δt時， 幅度包絡中的余弦分量的周期會變小為原來的1/4，與推導相符合。當初始延遲時間增大時，包絡出現更多的波峰和波谷，幅度起伏度增加。

3干擾效果仿真

本文第2節分析了混疊濾波產生假目標的幅度包絡的變化規律，分析混疊濾波產生假目標的干擾效果，主要看在干擾進入雷達接收機后信號處理得到的結果。本文針對混疊濾波方法的假目標干擾以及雷達信號處理過程進行了數學仿真，仿真過程如圖3所示。

圖3數學仿真過程示意圖

脈沖壓縮處理就是將雷達接收到的信號

s

(

t

)與雷達的發射信號

s

0

(

t

)進行匹配濾波:

(14)

式中，s(t)包含目標回波和混疊濾波方法產生的假目標干擾。

如圖4所示，CFAR處理是在恒定虛警概率下，檢測出干擾情況時目標的存在。首先進行包絡檢波，然后通過先求距離向的均值來求得判決門限。脈壓得到的假目標脈沖幅度也受混疊濾波參數的影響，而假目標脈沖幅度直接決定了參考單元給出的平均功率值y1、y2，影響判決門限的大小。

圖4　恒虛警處理示意圖

本文針對上述過程進行了數學仿真分析。信號數字化采樣率取為Fs=20MHz。

假設雷達發射信號的調制帶寬B=5MHz，時寬τ=20μs，則Δt=200ns，發射功率為150kW，收發天線增益為38.5dB。假設雷達在距離單元平均恒虛警(CA-CFAR)處理中，保護單元數目為2個，參考單元數目為64個。

假設目標攜帶自衛式干擾機，距離雷達5km，干擾機為收發分時工作方式，在偵收整個雷達脈沖后開始釋放干擾，干擾機固有延遲為300ns，發射機功率為200W，天線增益為10dB。

3.1　不同濾波器階數情況下干擾效果仿真

假設初始延遲為Δt，改變濾波器階數時，仿真結果如表2所示。

從表2中可以看出，當初始延遲為Δt、k=5時，仿真結果與理論結果一致。

當經過脈壓處理以后，在距真實目標約3km處出現第一個假目標干擾脈沖，對于濾波器階數為3、4、5、6的情況，干擾脈沖均呈現兩端幅度高，中間幅度低的現象，這是由于干擾信號幅度包絡呈馬鞍狀所致。同時從脈壓結果還可以看出，隨著濾波器階數的增大，假目標干擾的數目增多，干擾能量分散，使得干擾脈沖幅度變小，導致干信比降低。

另外，從仿真結果看出，經過CFAR和點跡合并處理后，在不同濾波階數情況下，實際形成的假目標數目和期望值并不一致。當濾波器階數為3時，形成8個等間距的假目標，達到期望值；當濾波器階數為4時，形成14個假目標，略少于期望值(16個)；當濾波器階數為5時，只形成4個假目標，遠少于期望值；當濾波器階數為6時，就只能形成首尾兩個假目標。這是由于隨著濾波器階數的增加，脈壓處理得到的脈沖數目增多，密集程度變大，CFAR門限抬高，并且干擾脈沖幅度呈兩端高中間低的現象，所以有些假目標脈沖會低于門限，被當作雜波濾除。

表2　初始延遲為Δt，不同階數時的仿真結果

注：脈壓結果圖中5km處為真實目標回波脈沖，其后為干擾信號。

因此當混疊濾波初始延遲等于雷達距離分辨單元對應的時間時，如果濾波器階數過高(如5階以上)，形成假目標干擾的數目就會遠少于期望值。

3.2　不同濾波器初始延遲時間情況下干擾效果仿真

當濾波器階數為5階，改變混疊濾波的初始延遲時間時，仿真結果如表3所示。

從表3中可以看出，隨著混疊濾波的初始延遲時間的增大，形成的干擾的時域包絡幅度起伏度減小，能量分布相對均勻。

此外可以看出，經過脈壓和點跡合并處理后，隨著混疊濾波初始延遲時間的增大，形成的假目標干擾數目向期望值趨近，當初始延遲為Δt時形成4個假目標干擾，遠少于期望值；當初始延遲為2Δt時，假目標數目為0，無法形成假目標干擾；當初始延遲為4Δt時，假目標數目為4；當初始延遲為8Δt，假目標數目為32個，與期望值一致。這是由于隨著初始延遲時間的增大，干擾時域包絡逐漸從馬鞍狀變成梯形狀，起伏變小，脈壓得到的干擾脈沖幅度波動小，且CFAR門限在初始延遲為4Δt時達到最大值后變小，所以形成假目標干擾的數目會增多。

因此混疊濾波方法在初始延遲較小時，形成的假目標數目少于期望值，當初始延遲增大，假目標數目就會增多，直至達到期望值。

4結束語

多假目標干擾是對抗敵方雷達的重要手段， 而混疊濾波器產生假目標干擾的方法結構簡單，易于實現，本文通過理論推導和仿真實驗，得出當延遲時間等于雷達距離分辨力對應的脈寬時，隨著濾波器階數的增加，被當作雜波濾除的假目標數目增多，最后只能形成2個假目標干擾；當混疊濾波的初始延遲變化時，起初形成的假目標個數遠少于期望值，但隨著延遲時間的增大，形成假目標數目就會增多，直至達到期望值。總的來說混疊濾波方法可以產生多假目標干擾，但必須要根據雷達發射信號參數合理設置混疊濾波的初始延遲，使產生的假目標干擾數目與期望值一致?！?/p>

表3　k=5時不同混疊濾波初始延遲時間的仿真結果

參考文獻：

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[2]Sparrow MJ,Cakilo J.ECM techniques to counter pulse compression radar[P].United States Patent,7081846,2006-07-25.

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[6]朱曉華.雷達信號分析與處理[M] .北京:國防工業出版社,2011.

The result of the jamming signal generated by aliasing filtering

Li Cong1, Xu Hongqing2, Chang Mei1

(1.Shanghai Institute of Electro-mechanical Engineering,Shanghai 201109,China;

2.Shanghai Academy of Spaceflight Technology,Shanghai 201109,China)

Abstract：Aliasing filtering is a method for generating range gate deception jamming in response to an incoming radar signal from a linear frequency modulated (LFM) pulse compression radar system. Digital radio frequency memory (DRFM) is the core technology. DRFM can store at least a portion of radar signal, and then transmit the radar signal to aliasing filters of order. The desired result of the jamming signal is generating 2spanfalse target jamming. But the actual result is very different from the desired result. The false target model is built to analyze the cause of the difference. The actual result of the jamming signal in different settings is given.

Key words：aliasing filtering;false targets;filter order;delay time

中圖分類號：TN972

文獻標識碼：A

作者簡介：李聰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電子對抗。

收稿日期：2015-09-17；2015-11-17修回。