相位編碼雷達間歇采樣轉發干擾分析*1

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相位編碼雷達間歇采樣轉發干擾分析*1

張鵬程，王杰貴，房明星

(電子工程學院,安徽 合肥230037)

摘要：間歇采樣轉發干擾可形成逼真假目標串干擾效果。將該干擾思想用于相位編碼體制雷達，介紹了相位編碼信號脈沖壓縮原理，在時域詳細推導了回波信號和干擾信號的脈沖壓縮輸出形式，并理論分析了間歇采樣轉發干擾的干擾效果，相比在頻域推導的結論，更加清晰地說明了相位編碼信號間歇采樣干擾效果；最后研究了間歇采樣間隔、占空比、轉發方式等因素對相位編碼雷達干擾效果的影響。通過仿真實驗驗證了理論分析的正確性，該研究結果對于相位編碼雷達形成單、多逼真假目標有著重要的理論指導意義。

關鍵詞：相位編碼；脈沖壓縮；間歇采樣；轉發干擾；假目標

0引言

相位編碼雷達通過使用偽隨機序列對高頻脈沖進行相位調制，很好地解決了探測距離和分辨力之間的矛盾，是一種低截獲概率雷達[1-2]。回波信號通過脈沖壓縮處理，對與雷達發射波形不匹配的干擾信號具有很強的抗干擾性能，在現代新體制高性能雷達中得到廣泛應用[3]。針對相位編碼雷達的干擾方法是雷達對抗領域的研究熱點[4-5]。

間歇采樣轉發干擾是現代雷達對抗常用的相干干擾方式，可產生滯后的逼真假目標效果，主要采用數字射頻存儲器(digital radio frequency memory,DRFM)來實現。國內外針對線性調頻脈沖壓縮雷達的轉發干擾研究較多，文獻[6-8]研究了線性調頻信號的直接轉發干擾和重復轉發干擾，取得了良好的干擾效果。而針對相位編碼脈沖壓縮雷達研究較少，文獻[9]將間歇采樣轉發干擾應用于相位編碼雷達，通過頻域變換對干擾效果進行分析，分析表明間歇采樣轉發干擾可形成以主假目標為中心成辛格分布的相干假目標串[10]。然而文獻[11-12]通過對相位編碼雷達的間歇采樣轉發干擾仿真分析，均表明只能產生一個滯后的逼真假目標，可見通過頻域變換所得結論并不能清晰說明間歇采樣轉發干擾對相位編碼信號的干擾效果。本文從相位編碼雷達脈沖壓縮機理出發，在時域詳細推導出回波信號和干擾信號經過脈沖壓縮處理后的輸出形式，在理論上解釋了間歇采樣轉發干擾對相位編碼雷達的干擾效果，并分析了直接轉發和重復轉發在不同的采樣周期、占空比的情況下，假目標位置、幅度、間隔個數情況，通過仿真驗證了分析結論的正確性。

1回波信號和干擾信號的脈沖壓縮處理

1.1相位編碼信號脈沖壓縮機理

脈沖壓縮技術是匹配濾波和相關接收的實際應用。相關器是相位編碼脈沖壓縮器的典型代表。其實現原理如圖1所示。它亦是一個匹配濾波器，對接收到的相位編碼信號起到壓縮的作用。圖1中下變頻電路亦可采用正交雙通道下變頻電路，以克服回波初相不確知而引起的信噪比損失[13]。

圖1　相關器脈沖壓縮原理框圖Fig.1　Prototype structure of pulse compression　　　correlator

圖1中相關器輸出為窄脈沖

(1)

式中：x(t)和x(t+τ)分別為雷達發射信號和回波信號；“*”代表卷積。

1.2回波信號脈壓輸出

相位編碼雷達脈沖信號可表示為

x(t)=a(t)ejφ(t)ej2πf0t,0≤t≤T，

(2)

式中：φ(t)為相位調制函數，只有0或π 2個取值；T為脈寬。

信號的復包絡函數為[1-2]

x(t)=A(t)φm,0≤t≤T，

(3)

式中：φm為第m個碼元的編碼值，取值為-1或1。

相位編碼脈沖壓縮雷達在進行脈沖壓縮處理前，經過相參檢波和低通濾波處理，濾波器輸測出為信號的復包絡，為簡化模型，假設信號的復包絡為矩形，即

(4)

式中：p為碼元個數；τ0為碼元寬度。

則二相編碼的復包絡可寫成

(5)

令

(6)

則

x(t)=u(t)*v(t)，

(7)

代入式(1)，得脈沖壓縮器輸出為

x(t)*x*(-t)=[u(t)*u*(-t)]*[v(t)*v*(-t)]=

(8)

式中：Ru(t)，Rv(t)分別為u(t)，v(t)的自相關函數。

將式(6)分別代入Ru(t)，Rv(t)得

(9)

即有

(10)

n為整數，對于給定的t，n是唯一確定的，即有

(11)

式中:“?」”表示向下取整；“「?”表示向上取整。

同時有

(12)

對式(12)中m-k=n各項求和，令k=m+n，可得

(13)

根據自相關函數的對稱性，可知式(13)同樣適用當-(p-1)≤n≤0，即

(14)

將式(10)，(11)，(14)代入式(8)得

(15)

1.3間歇采樣干擾信號脈壓輸出

間歇采樣信號是一矩形脈沖抽樣序列，如圖2所示，p(t)可表示為

(16)

式中：rect(·)為矩形窗函數；τ為采樣脈寬；Ts為采樣周期；且有Ts≥2τ；δ(·)為沖擊函數。

圖2　間歇采樣脈沖串Fig.2　Intermittent sampling pulse series

根據采樣時長和相位編碼信號碼元寬度的關系，將采樣信號分割成寬度為τ0的p個子脈沖，因此采樣信號可表示為

(17)

式中：an為采樣信號第n個子脈沖的幅度，取值為0或1。

針對采樣脈寬、采樣周期和碼元寬度不同關系，分3種情況對an的取值進行討論。

(1) 子脈沖完全處在采樣時間內，an=1。

(2) 子脈沖完全處在間歇時間內，an=0。

(3) 子脈沖部分處在采樣時間內，部分處在間歇時間內，此時，若子脈沖寬度的50%以上(包括50%)處在采樣時間內，an=1；反之an=0。

間歇采樣過程為

xs(t)=x(t)p(t).

(18)

將式(5),(17)代入式(18)得

(19)

干擾信號脈沖壓縮處理后輸出為

ys(t)=xs(t)*h(t).

(20)

由于xs(t)的形式和x(t)的形式相同，則由式(15)的計算過程可得

ys(t)=

(21)

對比式(15)和式(21)，可見間歇采樣轉發干擾效果為：間歇采樣轉發干擾使相位編碼雷達產生一個滯后的逼真假目標，假目標的特性取決于ys(t)的后半部分，相當于對編碼序列的自相關函數的加權相加。權值am中1的個數越多，信號的幅度越大，am中1的個數由采樣占空比決定，故占空比越大，假目標幅度越大，當占空比為1時取得最大值。假目標滯后時間由τ決定，τ越小，則干擾信號被轉發得越及時，假目標滯后時間就越短。

2不同轉發形式下干擾效果分析

根據轉發方式的不同，可將間歇采樣轉發干擾分為直接轉發和重復轉發樣式。

間歇采樣直接轉發干擾是指截獲到寬帶信號后，高保真采樣其中的一小段后馬上進行調制并轉發，然后再采樣、再處理轉發下一段，采樣與轉發分時交替工作直到采樣結束。干擾機工作原理如圖3所示，Ts為采樣周期，τ為采樣脈寬，且有Ts≥2τ。前面的分析均是基于間歇采樣直接轉發干擾進行的，它是間歇采樣重復轉發的基礎。

圖3　間歇采樣直接轉發干擾示意圖Fig.3　Schematic diagram of intermittent sampling　　　 and direct repeater jamming

間歇采樣重復轉發干擾是指干擾機依次采樣雷達的一段信號后，按照程序設定的次數重復讀出并調制轉發，直到雷達脈沖結束。干擾機工作過程如圖4所示。圖中“轉發x-y”，x表示轉發的信號是第幾個采樣，y表示該信號被轉發的次數，如轉發1-2表示第1個采樣信號被第2次轉發。

圖4　間歇采樣重復轉發干擾示意圖Fig.4　Schematic diagram of intermittent sampling　　　and periodic repeater jamming

ys(t)=

(22)

由于信號的重復轉發，破壞了偽隨機序列的均衡性，從而抬高了序列自相關函數的旁瓣，根據式(22)，在ti時刻，對應元素相同的碼元至少有τ/τ0個，剩余碼元與發射信號碼元序列對應元素相同的個數與不同的個數之差記為Di，Di的大小不會超過發射信號編碼序列自相關函數的最大旁瓣，互相關函數的真實極值為τ/τ0-Di。因此間歇采樣重復轉發干擾可生成滯后的等間隔假目標串，假目標幅度由占空比決定，且各目標幅度有一定起伏。在占空比一定時，各假目標之間的間隔由采樣周期由Ts決定，Ts越小，假目標之間的間隔越小。

3仿真實驗

仿真方法根據式(18)和圖3,4生成干擾信號，相位編碼雷達信號參數設置如下：載頻f0=3 100 MHz，脈寬T-=51.1 μs，碼元寬度τ0=0.1 μs，相位采用m序列編碼，m序列采用9階線性反饋移位寄存器生成，連接方式為[100001000]。為了便于分析，采樣為整采整轉，直接轉發采樣脈寬和采樣周期的組合分別為：①τ=1 μs,Ts=4 μs；②τ=2 μs,Ts=4 μs；③τ=2 μs,Ts=8 μs；④τ=4 μs,Ts=8 μs。仿真結果如圖5所示，其中圖5a)，5b)，5c)，5d)分別為直接轉發干擾仿真參數不同的實驗結果。從圖5可以看出間歇采樣直接轉發只能形成一個滯后的假目標，且采樣占空比越大，假目標幅度越大，采樣脈寬越寬，假目標滯后時間越長。可見，該仿真結果與理論分析是一致。

重復轉發采樣脈寬和采樣周期的組合分別為：①τ=1 μs,Ts=3 μs；②τ=1 μs,Ts=4 μs；③τ=2 μs,Ts=6 μs，④τ=4 μs,Ts=8 μs。仿真結果如圖6所示，其中圖6a)，6b)，6c)，6d)為分別重復轉發干擾仿真參數不同的實驗結果。從圖6可以看出，間歇采樣重復轉發干擾可形成滯后假目標串，假目標個數與轉發次數相等，且占空比越大，可生成的假目標個數越少，假目標幅度越大，采樣脈寬越寬，假目標之間間隔越大。且由于多次轉發破壞了序列的均衡性，假目標幅度有所起伏，旁瓣被抬高。該仿真結果與理論分析完全一致。

無論是間歇采樣直接轉發干擾還是間歇采樣重復轉發干擾，為了能夠形成有效干擾，假目標脈壓幅度必須與真目標大小相當，通過加大干擾功率實現。根據仿真分析，生成的假目標幅度最小的為真目標的20%，若假目標幅度超過真目標幅度的80%為有效假目標，則干擾機轉發功率需要比接收功率高12 dB，假目標幅度便于真目標可相比擬，若假目標幅度超過真目標幅度的60%為有效假目標，則干擾機轉發功率需要比接收功率高9 dB。

4結束語

本文對相位編碼脈沖壓縮雷達的間歇采樣轉發干擾進行了研究，在時域詳細推導出間歇采樣轉發干擾信號脈壓后的輸出形式，理論分析了間歇采樣周期、占空比、轉發方式等重要因素對干擾效果的影響，并通過仿真進行了分析驗證。研究結果表明：相位編碼編碼脈沖壓縮雷達的間歇采樣轉發干擾可形成逼真的單、多假目標欺騙干擾效果。間歇采樣直接轉發形成的單假目標滯后時間由采樣脈寬決定，幅度由占空比決定。間歇采樣重復轉發干擾是在直接轉發的基礎上，多個間隔轉發延時的采樣序列的組合，假目標個數由轉發次數決定，由于破壞了序列均衡性，假目標幅度有所起伏。在實際應用中，可根據技術、戰術需要，合理選擇參數，可達到更好的干擾效果。

圖5　間歇采樣直接轉發干擾效果Fig.5　Effect of intermittent sampling and　　　direct repeater jamming

圖6　間歇采樣重復轉發干擾效果Fig.6　Effect of intermittent sampling and　　　periodic repeater jamming

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Analysis of Intermittent-Sampling Repeater Jamming Against Phase-Coded Radar

ZHANG Peng-cheng， WANG Jie-gui， FANG Ming-xing

(Electronic Engineering Institute，Anhui Hefei 230037， China)

Abstract:Analysis of Intermittent-Sampling Repeater Jamming Against Phase-Coded RadarThe intermittent sampling repeater jamming can form the jamming effect of numerous lifelike coherent false targets. The technique of intermittent sampling repeater jamming is applied to the phase-coded radars. The principle of phase-coded signal pulse compression is expounded. The output of echo and jamming pulse compression in time field is derived in detail. Then, the jamming effect of intermittent sampling repeater is analyzed theoretically. The problem of that the effect of intermittent jamming repeater for phase-coded pulse cannot be explained clearly by the frequency field conclusion of intermittent jamming repeater is solved. Finally, the influences of the sampling period, duty ratio, and repeater mode on the jamming effect are analyzed. The analyses are verified by simulation. The research is of significance for producing one and multi lifelike false targets to phase-coded radar.

Key words:phase-coded；pulse compression；intermittent sampling；repeater jamming；false target

中圖分類號：TN972

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0192-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.031

通信地址：710106陜西省西安市長安區王曲街道光明路甲字5號E-mail：15755109092@139.com

作者簡介：張鵬程(1990-)，男，陜西洛川人。碩士生，研究方向為雷達及雷達對抗理論與技術。

*收稿日期：2014-07-01；修回日期：2014-09-02