雷達抗欺騙式干擾信號特征提取方法

閆 海，李國輝，李建勛

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雷達抗欺騙式干擾信號特征提取方法

閆 海1, 2，李國輝1，李建勛2

(1. 國防科技大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院 長沙 410073; 2.空軍裝備研究院雷達與電子對抗研究所 北京海淀區(qū) 100085)

欺騙式干擾由于與雷達回波特征相近，對軍用雷達造成嚴重威脅，迫切需要研究雷達抗欺騙式干擾新方法。為了分析提取欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號之間的不同特征，從而實現(xiàn)雷達抗欺騙式干擾，該文通過對欺騙式干擾和目標(biāo)回波數(shù)學(xué)模型進行分析和仿真，比較了欺騙式干擾和目標(biāo)回波在幅度起伏、高階累積量和雙譜特征方面的不同特征；并提出了特征提取方法，定義3組特征因子，構(gòu)建了抗欺騙式干擾特征參數(shù)集。通過仿真和外場試驗的數(shù)據(jù)對部分特征進行了驗證。

欺騙式干擾; 抗干擾; 試驗驗證; 特征提取; 雷達

信息戰(zhàn)中，雷達在作戰(zhàn)中的地位越來越重要，各種反雷達技術(shù)也在迅速發(fā)展，其中綜合電子干擾以樣式多、使用靈活、對抗性強等特點對軍用雷達構(gòu)成最嚴重的威脅。其中，欺騙式干擾由于和雷達目標(biāo)回波信號特征接近，傳統(tǒng)的基于能量的雷達目標(biāo)檢測方法難以分辨目標(biāo)真假，對雷達檢測性能造成重大影響。近年來，新研雷達在時域、頻域、空域和能量域均采取了多種先進的抗干擾措施，如重頻捷變、波形捷變、頻率捷變、副瓣對消、副瓣匿影等。但是，隨著數(shù)字儲頻技術(shù)和高速DSP處理芯片技術(shù)的發(fā)展，欺騙式干擾的實時性和自適應(yīng)能力越來越好，可根據(jù)截獲的雷達信號迅速分析其參數(shù)，快速調(diào)制干擾形式并在雷達當(dāng)前重復(fù)周期內(nèi)發(fā)送干擾[1-2]。在這種情況下，上述抗干擾措施除副瓣匿影外大都對欺騙式干擾無效，且副瓣匿影技術(shù)對輔助天線、輔助通道的設(shè)計要求很高，并會降低主瓣的目標(biāo)探測概率。因此，迫切需要研究雷達抗欺騙式干擾的新方法、新技術(shù)。

文獻[3]指出了對抗欺騙式干擾的總體思路，認為抗欺騙式干擾的前提是識別雷達跟蹤系統(tǒng)是否受到了欺騙式干擾，然后再采取相應(yīng)的對抗措施。由此可見，分析提取欺騙式干擾和目標(biāo)回波之間的不同特征，進而識別并剔除欺騙式干擾假目標(biāo)，是雷達抗欺騙式干擾的一條有效途徑。

為此，本文首先給出了欺騙式干擾和目標(biāo)回波的數(shù)學(xué)模型，然后對二者的幅度起伏特性、高階累積量和雙譜等特征進行分析比較，在此基礎(chǔ)上，研究可以用于抗欺騙式干擾的兩種特征提取方法，最后通過實際的外場試驗對部分特征進行了驗證。

1 欺騙式干擾與目標(biāo)回波模型

對于圓周掃描的對空情報(監(jiān)視)雷達，欺騙式干擾主要包括密集假目標(biāo)干擾和航跡欺騙干擾兩種方式，前者一般不進行復(fù)雜的調(diào)制，通過干擾機重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)截獲的雷達信號在雷達顯示畫面形成大量假目標(biāo)點跡；后者通過對距離、角度和速度信息進行調(diào)制雷達畫面形成連續(xù)運動的虛假航跡[4-6]。兩種干擾方式可以用一種數(shù)學(xué)模型描述。

只考慮實部信號，干擾機截獲到的雷達單次掃描期間的發(fā)射信號為：

根據(jù)欺騙式干擾的定義和目前欺騙式干擾機的實現(xiàn)技術(shù)，可以將欺騙式干擾信號統(tǒng)一表示為[5-6]：

(2)

只考慮實部信號，雷達單次掃描期間接收機中頻目標(biāo)回波信號仿真模型為[7,9]：

2 欺騙式干擾與目標(biāo)回波信號特征比較

通過對式(2)和式(4)進行一系列變換處理，可歸納出欺騙式干擾和目標(biāo)回波在幅度起伏、高階累積量和雙譜特征方面存在一定的區(qū)別。

2.1 幅度起伏特征比較

由于欺騙式干擾以假目標(biāo)的形式出現(xiàn)，所以分析掃描期間欺騙式干擾出現(xiàn)時間內(nèi)的統(tǒng)計特性。對式(2)進行一系列三角變化和近似，可以得出理想條件下欺騙式干擾信號的均值為常數(shù)，方差為0[7]，即：

(6)

只統(tǒng)計每次掃描期間目標(biāo)出現(xiàn)的時間內(nèi)目標(biāo)回波的均值和方差特性。在單次掃描到目標(biāo)很短的時間內(nèi)，可以認為目標(biāo)的運動速度是均勻的，式(4)中的余弦項可以近似為一常數(shù)，這樣目標(biāo)回波的均值可表示為：

目標(biāo)回波的方差可表示為：

分析式(8)可知，目標(biāo)回波信號的方差是時間的函數(shù)，且一般不會為0。

2.2 高階累積量特征比較

目標(biāo)回波信號和欺騙式干擾均具有時變特性，所以不能直接應(yīng)用高階累積量的定義。鑒于雷達的周期性，進入雷達接收機內(nèi)部的目標(biāo)和欺騙式干擾信號應(yīng)為循環(huán)平穩(wěn)隨機過程。考慮到累積量的對稱性和偶次時變累積量對噪聲的敏感性，認為欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號4階時變累積量(后面簡稱累積量)對角切片的特征包含了信號的高階統(tǒng)計信息，有望可以提取它們之間的細微特征[10-11]，分別定義為：

(10)

不考慮背景噪聲，由式(1)、式(2)和式(3)，分別模擬產(chǎn)生不同調(diào)制的欺騙干擾和目標(biāo)回波信號序列，時間長度為30 s，即雷達掃描3周，序列長度為192，分別估計它們的四階累積量對角切片，累積量的滯后時間取30 s，統(tǒng)計對角切片的均值和方差如表1所示。

表1 目標(biāo)回波信號和欺騙式干擾的 四階累積量對角切片統(tǒng)計特性

如表1所示目標(biāo)回波的四階累積量對角切片的均值和方差均大于欺騙式干擾，其中，方差特性的區(qū)別更為明顯。

2.3 雙譜特征比較

信號的高階累積量譜和時變累積量譜分別定義為高階累積量和時變累積量的傅里葉變換，簡稱為高階譜和時變多譜。其中，雙譜一般是復(fù)函數(shù)，包含幅度和相位部分，所以具有功率譜里沒有的相位信息，可從雙譜中得到更多的特征信息。

欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號的雙譜分別定義為[12-13]：

(12)

用間接法對模擬產(chǎn)生的目標(biāo)回波信號和不同調(diào)制的欺騙干擾序列進行雙譜估計，滯后時間取30 s，傅里葉變換的長度取64，得到的雙譜估計如圖1所示。

a. 欺騙式干擾

b. 目標(biāo)回波信號

圖1 目標(biāo)回波信號和欺騙式干擾的雙譜分布

由圖1可以看出，欺騙式干擾的雙譜峰值較多，在頻域平面的分布較分散，目標(biāo)回波的雙譜會有比較大的峰值，但是分布相對集中。二者在譜分布上區(qū)別比較明顯。

3 特征提取方法

基于對欺騙式干擾和目標(biāo)回波的特征進行分析和比較所得出的結(jié)論，定義三組特征因子，分別為幅度起伏特征因子、累積量特征因子和雙譜特征因子，最后構(gòu)建特征參數(shù)集。

3.1 幅度起伏特征因子

已知欺騙式干擾信號的均值大于等于目標(biāo)回波，方差近似為0。為了提高特征因子的可分性，可根據(jù)目標(biāo)回波的強弱和信干比(SJR)的大小對均值和方差進行加權(quán)，定義特征因子：

3.2 累積量特征因子

由前面的分析結(jié)果可知，目標(biāo)回波信號的4階累積量對角切片的均值和方差，均大于欺騙式干擾，其中目標(biāo)回波信號的四階累積量對角切片的方差至少要比欺騙式干擾的大一到兩個數(shù)量級。因此定義雷達回波的四階累積量對角切片的統(tǒng)計方差為特征因子：

3.3 雙譜特征因子

目標(biāo)回波信號和欺騙式干擾的雙譜對角切片的統(tǒng)計特性雖然有一定區(qū)別，但是均值和方差都有接近于0的情況，不利于特征提取和分類。觀察它們雙譜的峰值分布，發(fā)現(xiàn)區(qū)別較明顯，因此定義雙譜對角切片的信息熵為特征因子：

3.4 特征參數(shù)集

綜合幅度起伏特征因子、累積量特征因子和雙譜特征因子，可以得到抗欺騙式干擾的特征參數(shù)集：

該特征參數(shù)集只包含時域和高階譜的運算，計算量和特征維數(shù)適中。

4 仿真與試驗驗證

4.1 特征提取仿真

根據(jù)式(2)，隨機產(chǎn)生各種欺騙式干擾數(shù)據(jù)共20 000個，根據(jù)式(4)，模擬產(chǎn)生目標(biāo)回波數(shù)據(jù)20 000個，將這些數(shù)據(jù)按照不同的SJR進行混合(?10 dBSJR0 dB)，得到3組各包含20 000個目標(biāo)和欺騙式干擾的數(shù)據(jù)，分別進行幅度起伏、累積量和雙譜特征提取仿真，SJR為?3 dB時的特征提取結(jié)果如圖2所示，由于篇幅所限，不再列出不同SJR下的特征因子分布圖。

由圖2可以看出，幅度起伏、累積量和雙譜特征因子都能夠在一定程度上區(qū)分目標(biāo)和欺騙式干擾。其中，幅度起伏和累積量特征提取中，目標(biāo)和欺騙式干擾特征因子的分界間隔相對較大。這3種特征因子組成的特征參數(shù)集可以相互彌補各自的不足，提高特征提取和后續(xù)分類的穩(wěn)定性。

a. 幅度起伏特征因子

b. 累積量特征因子

c. 雙譜特征因子

4.2 試驗實測數(shù)據(jù)驗證

結(jié)合某次外場欺騙式干擾試驗采集的試驗數(shù)據(jù)，對本文的研究結(jié)果進行驗證。試驗中某型雷達觀測目標(biāo)并收集原始數(shù)據(jù)，欺騙式干擾與目標(biāo)回波的幅度比較如圖3所示。

a. 欺騙式干擾幅度

b. 某實體目標(biāo)回波幅度

圖3 欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號的回波幅度圖

圖3中，欺騙式干擾幅度明顯大于同距離段內(nèi)的實體目標(biāo)回波幅度。在單次掃描期間，欺騙式干擾幅度基本沒有起伏，方差接近0；目標(biāo)回波幅度起伏較大，方差不為0，且與時間有關(guān)。由此可見，幅度起伏特性的實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果與理論分析基本一致。

5 結(jié) 論

本文對欺騙式干擾和目標(biāo)回波信號的特征進行了深入分析比較，并研究了幅度起伏、累積量和雙譜特征的提取方法，仿真結(jié)果表明，提取的特征因子可以體現(xiàn)出欺騙式干擾和目標(biāo)回波的差異，外場試驗的實測數(shù)據(jù)驗證了幅度起伏特征的理論分析結(jié)果。下一步將在特征提取的基礎(chǔ)上研究信號處理抗欺騙式干擾的實現(xiàn)方法。

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編 輯 稅 紅

Signal Feature Extraction Methods of Radar Anti-deception Jamming

YAN Hai1,2, LI Guo-hui1, and LI Jian-xun2

(1. College of Information System and Management, National University of Defense Technology Changsha 410073; 2. Radar Research Institute Haidian Beijing 100085)

Since the features of jammer are similar to that of target echoes, the deception jamming poses a most serious threat to military radar. Therefore, there is an urgent need for new radar anti deception jamming methods. In order to accomplish radar anti deception jamming, it is necessary to analyze and extract the different features of the deception jamming and target echo. The mathematical models of deception jamming and target echo are given and studied firstly, then the differences in the amplitude undulation features, high order cumulant features and bispectrum features between the deception jamming and target echo are compared. Based on the results of feature analysis, the feature extraction methods applied in radar anti deception jamming are proposed and three feature factors are defined, then the feature parameters aggregate is built. Finally, the feature extraction methods are verified with simulation and real data in an actual deception jamming experiment.

deception jamming; ECCM; experimental verification; feature extraction; radar

TN973

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.01.008

2013-12-17;

2014-04-10

部級預(yù)研基金

閆海(1974-)，男，博士生，高級工程師，主要從事雷達抗干擾方面的研究.