一種對(duì)相位編碼雷達(dá)導(dǎo)前假目標(biāo)干擾的新方法*

甄曉鵬，艾小鋒，李永禎，馮德軍

(國(guó)防科技大學(xué) 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙　410073)

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一種對(duì)相位編碼雷達(dá)導(dǎo)前假目標(biāo)干擾的新方法*

甄曉鵬，艾小鋒，李永禎，馮德軍

(國(guó)防科技大學(xué) 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410073)

摘要：相位編碼脈沖雷達(dá)匹配濾波器不具色散效應(yīng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)前假目標(biāo)干擾成為技術(shù)難點(diǎn)與研究熱點(diǎn)。首先分析了相位編碼信號(hào)的特性，提出一種針對(duì)對(duì)稱結(jié)構(gòu)相位編碼序列的部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，并對(duì)假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率與復(fù)制碼元長(zhǎng)度的關(guān)系作了詳細(xì)分析。理論分析及仿真結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)途徑簡(jiǎn)單，是一種頗具潛力的新型干擾方法。

關(guān)鍵詞：相位編碼；模糊函數(shù)；m序列；部分碼復(fù)制；反向轉(zhuǎn)發(fā)；導(dǎo)前假目標(biāo)

0引言

相位編碼雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的廣泛應(yīng)用使得對(duì)其進(jìn)行有效干擾成為研究的必然，國(guó)內(nèi)外在此方向的研究多集中停留在對(duì)相位編碼信號(hào)特性分析、序列優(yōu)化上，可對(duì)其進(jìn)行有效假目標(biāo)干擾的研究成果則較少。

文獻(xiàn)[1-3]分析了偽碼調(diào)相雷達(dá)工作原理，抗干擾、抗截獲及良好的測(cè)距等特性，并指出相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)不存在距離-多譜勒耦合問題。文獻(xiàn)[4-5]從匹配濾波器群延遲(色散效應(yīng))角度闡述了移頻干擾對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)可形成導(dǎo)前假目標(biāo)，而對(duì)單載頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)無法實(shí)現(xiàn)假目標(biāo)導(dǎo)前的內(nèi)在機(jī)理。文獻(xiàn)[6-7]提出運(yùn)用部分碼復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)假目標(biāo)的導(dǎo)前，事實(shí)上，這種方法利用了偽隨機(jī)碼“01”局部分布不均，如對(duì)m序列整體有均衡性(0，1個(gè)數(shù)之差為1)而截取其一段則該段并沒有此特性，該方法所形成的假目標(biāo)位置和幅度有較大隨機(jī)性，并且對(duì)干擾功率要求較高。文獻(xiàn)[8]針對(duì)相位編碼m序列的編碼特點(diǎn)，提出了一種基于間歇采樣的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，在理想條件下可取得較好假目標(biāo)導(dǎo)前的干擾效果，但前提是對(duì)碼元的準(zhǔn)確獲取并分析出整個(gè)碼元序列，干擾效果很大程度上依賴于解碼算法的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性。

本文在上述工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入分析了典型相位編碼信號(hào)的特性與結(jié)構(gòu)，提出一種基于對(duì)稱結(jié)構(gòu)編碼序列的部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，并分析了假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率與復(fù)制碼元長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。理論分析及仿真結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)途徑簡(jiǎn)單，是一種頗具潛力的新型干擾方法。

1相位編碼信號(hào)的特性

相位編碼雷達(dá)信號(hào)是雷達(dá)脈沖脈內(nèi)調(diào)制信號(hào)之一，屬于脈沖壓縮信號(hào)，壓縮處理增益與編碼序列長(zhǎng)度成正比，雷達(dá)接收機(jī)可利用匹配接收得到壓縮處理增益，降低發(fā)射信號(hào)的峰值功率。脈內(nèi)相位編碼調(diào)制一般有二相編碼調(diào)制和多相編碼調(diào)制，設(shè)二相編碼雷達(dá)發(fā)射信號(hào)可描述為如下復(fù)數(shù)形式：

x(t)=a(t)ejφ(t)ej2πf0t,

(1)

式中：a(t)為脈寬為T1的矩形脈沖；ej2πf0t為載頻信號(hào)；φ(t)為調(diào)相函數(shù);且有

(2)

式中：pi為相位編碼信號(hào)的第i個(gè)碼元；τ為碼元寬度。

相位編碼信號(hào)具有接近圖釘型的模糊函數(shù)[9](如圖1)，這表明相位編碼信號(hào)具有較好的距離分辨力，且對(duì)多普勒頻移較為敏感。當(dāng)雷達(dá)探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，存在的多普勒頻移將使回波信號(hào)各子脈沖特定的相位關(guān)系受到破壞，導(dǎo)致回波在壓縮處理時(shí)增益降低，尤其是當(dāng)雷達(dá)探測(cè)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，若不補(bǔ)償則多普勒頻移引起的失配更為嚴(yán)重。

圖1　雷達(dá)二相編碼信號(hào)模糊函數(shù)Fig.1　Ambiguity function of binary phase-coded radar signal

同時(shí),由圖1也可以看出與線性調(diào)頻信號(hào)不同，相位編碼信號(hào)不存在距離-多普勒耦合問題，頻移并未能影響匹配接收輸出時(shí)延，故應(yīng)用移頻干擾或間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾等對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生導(dǎo)前假目標(biāo)的干擾方法對(duì)相位編碼信號(hào)將不再適用。其本質(zhì)原因是相位編碼信號(hào)的群延遲由編碼序列P和子脈沖寬度τ決定而與頻率無關(guān)，故調(diào)制頻率不能改變匹配濾波輸出時(shí)延，探索對(duì)相位編碼信號(hào)的導(dǎo)前假目標(biāo)干擾也成為電子對(duì)抗干擾方亟待解決的問題。

2部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾

2.1干擾原理

m序列是偽隨機(jī)序列中最重要序列中的一種，序列的最大長(zhǎng)度決定于移位寄存器的級(jí)數(shù)，而碼的結(jié)構(gòu)決定于反饋抽頭的位置和數(shù)量，不同的抽頭組合可以產(chǎn)生不同長(zhǎng)度和不同結(jié)構(gòu)的碼序列[10-11]，它不但具有易于產(chǎn)生的特點(diǎn)，還具有良好的自相關(guān)特性，在擴(kuò)頻通信及相位編碼雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

通過對(duì)部分碼復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果分析可知，當(dāng)用窗函數(shù)截取m序列的一段，可得該段與原序列的互相關(guān)性將降低的結(jié)論。因此可以考慮，將m序列復(fù)制前一段后進(jìn)行反向轉(zhuǎn)發(fā)，其互相關(guān)性又將如何？經(jīng)反復(fù)分析發(fā)現(xiàn)m序列除具有周期性、均衡性外，在一定條件下還具有局部對(duì)稱性，即在一定級(jí)數(shù)移位寄存器抽頭結(jié)構(gòu)與初始狀態(tài)下將產(chǎn)生局部對(duì)稱結(jié)構(gòu)的m序列，如文獻(xiàn)[12]運(yùn)用平移截?cái)喾ㄍㄟ^計(jì)算機(jī)篩選所獲得的最優(yōu)409位及101位m序列相位編碼信號(hào)就具有該對(duì)稱結(jié)構(gòu)。現(xiàn)將該兩序列復(fù)寫如下，序列的自相關(guān)函數(shù)如圖2所示，由文獻(xiàn)[12]及編碼優(yōu)選理論分析，知該兩序列有最大的主旁瓣比(28.7，24.6)dB。

A、409位長(zhǎng)

B、101位長(zhǎng)

圖2　給定碼組相位編碼信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)Fig.2　Autocorrelation function of phase-coded signal with the given sequence

經(jīng)分析可發(fā)現(xiàn)若A序列以b點(diǎn)為截點(diǎn)分為前后2部分，b點(diǎn)之前的188位碼元以a點(diǎn)對(duì)稱，b點(diǎn)之后的221位碼元?jiǎng)t以c點(diǎn)對(duì)稱，而101位相位編碼具有類似的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。對(duì)于具有該局部對(duì)稱結(jié)構(gòu)的相位編碼信號(hào)可以通過部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)前與滯后的假目標(biāo)，具體干擾過程可描述為：在干擾機(jī)探測(cè)到雷達(dá)發(fā)射信號(hào)之后，運(yùn)用數(shù)字射頻存儲(chǔ)(DRFM)技術(shù)[13-14]對(duì)信號(hào)無失真采樣，截取其中一段并對(duì)該段相位編碼信號(hào)反轉(zhuǎn)放大發(fā)出，對(duì)雷達(dá)接收站進(jìn)行干擾。

以該409位相位編碼信號(hào)為例(下文同)，干擾信號(hào)在理想條件下(未考慮噪聲、干擾機(jī)系統(tǒng)延遲等其它因素時(shí))，干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)通過匹配濾波器的過程如圖3所示，圖中對(duì)稱排列的數(shù)字代表對(duì)稱的碼元結(jié)構(gòu)。在t1時(shí)刻復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)將出現(xiàn)峰值，雷達(dá)回波信號(hào)通過匹配濾波器后在t2時(shí)刻出現(xiàn)峰值，即在目標(biāo)回波匹配輸出之前出現(xiàn)干擾峰值，實(shí)現(xiàn)假目標(biāo)的導(dǎo)前。

圖3　部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾匹配濾波過程示意圖Fig.3　Matched filtering process of partial elements copy and reverse repeater jamming

2.2干擾參數(shù)分析

由上節(jié)圖3干擾過程可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)的碼元在一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的前半部分中時(shí)，復(fù)制的碼元長(zhǎng)度(L)越長(zhǎng)則干擾的幅值越大，所需干擾功率越小。復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)的末端(N1)越接近對(duì)稱點(diǎn)(N0)，t1，t2越靠近，則假目標(biāo)導(dǎo)前的距離越小。設(shè)一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)碼元長(zhǎng)度為M0，使所干擾雷達(dá)接收干信比為ndB時(shí)，真實(shí)目標(biāo)幅度與假目標(biāo)幅度之比為

(3)

式中：M為雷達(dá)信號(hào)碼元長(zhǎng)度。

假目標(biāo)導(dǎo)前距離可表示為

d=cτ(M0-2N1)/2，

(4)

式中：c為光速；τ為碼元寬度；N1為復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)末端碼元編號(hào)。

若保證假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)幅值相當(dāng)，所需干擾機(jī)有效輻射功率與雷達(dá)參數(shù)關(guān)系[15]為

(5)

當(dāng)干擾機(jī)復(fù)制碼元的起始位置一定時(shí)，如起始位置為第一個(gè)碼元時(shí)(L=N1)，則將有復(fù)制的碼元長(zhǎng)度(L)越長(zhǎng)，復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)的末端(N1)越接近對(duì)稱點(diǎn)(N0)，干擾峰值越大，假目標(biāo)導(dǎo)前的距離越小。

3干擾效果仿真分析

設(shè)定仿真參數(shù)：雷達(dá)峰值功率P=200 kW，雷達(dá)天線增益40 dB，目標(biāo)RCS為σ=1 m2，干擾機(jī)與雷達(dá)距離R=500 km，碼元寬度τ=0.125 μs，信號(hào)脈沖寬度51.1 μs，載頻1 GBZ，截取上節(jié)2.1(A)中該相位編碼信號(hào)前60位、85位碼元，在理想條件下(未考慮噪聲、干擾機(jī)系統(tǒng)延遲等其他因素時(shí))，干擾機(jī)有效輻射功率2.9 mW，1.4 mW，干擾效果如圖4所示。

圖4　對(duì)給定碼組相位編碼信號(hào)的部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾Fig.4　Partial elements copy and reverse repeater jamming of the phase-coded signal with the given sequence

由公式(4)知該干擾信號(hào)將分別超前目標(biāo)回波信號(hào)68，18個(gè)碼元的時(shí)間，碼元寬度為0.125 μs時(shí)，則該干擾將超前目標(biāo)回波峰值(t2時(shí)刻)8.5，2.25 μs的時(shí)間，干擾分別在目標(biāo)回波峰值之前8.5,2.25 μs處出現(xiàn)，仿真結(jié)果與理論值相符合，此時(shí)對(duì)應(yīng)的假目標(biāo)導(dǎo)前徑向距離分別為1 275，337 m。同時(shí)，復(fù)制的碼元長(zhǎng)度直接決定雷達(dá)接收干擾及回波信號(hào)功率相等(0 dB)時(shí)的真實(shí)目標(biāo)與假目標(biāo)的幅度之比(此處分別為：60/409，85/409)，若保證假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)幅值相當(dāng)，則需結(jié)合公式則需提供所需有效干擾功率。可見，復(fù)制的碼元位數(shù)對(duì)假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率有復(fù)合性的影響。

在該仿真條件下，由式(3)～(5)可得出部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾所生成假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率與復(fù)制碼元長(zhǎng)度關(guān)系如圖5所示。

圖5　假目標(biāo)導(dǎo)前距離、所需干擾功率與復(fù)制碼元長(zhǎng)度關(guān)系Fig.5　Relations between the distance of false targets, the requirement for repeater power and the length copied

可以看出復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾截取信號(hào)長(zhǎng)度、位置對(duì)干擾功率、導(dǎo)前距離均有影響，即：截取信號(hào)長(zhǎng)度的增加將節(jié)省轉(zhuǎn)發(fā)所需的干擾功率，但同時(shí)也將損失假目標(biāo)導(dǎo)前的距離。因此，對(duì)于具有該局部對(duì)稱結(jié)構(gòu)的相位編碼雷達(dá)信號(hào)，采用部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)干擾時(shí)，應(yīng)綜合考慮復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)長(zhǎng)度，干擾功率及假目標(biāo)導(dǎo)前距離等因素，并結(jié)合循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)以期達(dá)到多假目標(biāo)欺騙的干擾效果。

4結(jié)束語

通過本文研究可以看出，對(duì)于具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的相位編碼序列，部分碼復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)可以產(chǎn)生導(dǎo)前假目標(biāo)干擾，且對(duì)于具有雙(或多)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的相位編碼序列，復(fù)制各對(duì)稱結(jié)構(gòu)的前半部分均可產(chǎn)生導(dǎo)前的假目標(biāo)，復(fù)制對(duì)稱結(jié)構(gòu)后半部分則將產(chǎn)生滯后假目標(biāo)。該方法無需對(duì)相位編碼序列進(jìn)行精確計(jì)算，實(shí)現(xiàn)方法較預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)干擾更為簡(jiǎn)單易行，功率要求適中。理論上，復(fù)制反向轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)稱結(jié)構(gòu)相位編碼序列的固定部分，可產(chǎn)生導(dǎo)前距離與幅值穩(wěn)定的假目標(biāo)，與部分碼復(fù)制直接轉(zhuǎn)發(fā)相比該方法所產(chǎn)生假目標(biāo)在導(dǎo)前距離及幅值上具有更高可控性、穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹軍亮，牟連云，楊網(wǎng)成，等.偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)模糊函數(shù)推導(dǎo)及仿真分析[J]. 艦船電子對(duì)抗，2011，34(1):64-67.

CAO Jun-liang, MOU Lian-yun, YANG Wang-cheng, et al. Deduction and Simulation Analysis on the Ambiguity Function of PRC-CW Radar [J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2011, 34(1):64-67.

[2]易正紅.相位編碼雷達(dá)信號(hào)特征研究[J]. 電子對(duì)抗技術(shù)，2002，17(2):31-34.

YI Zheng-hong. Researchs in the Signal Characteristics of Phase-Coded Radar [J]. Electronic Warfare Technology, 2002, 17(2):31-34.

[3]施祥同. OFDM雷達(dá)信號(hào)波形設(shè)計(jì)方法與仿真實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2010.

SHI Xiang-tong.The Waveform Design Methods and Simulation Realization of OFDM Radar Signal [D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2010.

[4]劉建成，劉忠，王雪松，等.基于群延遲的前移干擾研究[J]. 自然科學(xué)進(jìn)展，2007，17(1): 99-105.LIU Jian-cheng, LIU Zhong, WANG Xue-song, et al. Study on the Group Delay Based on Forward Jamming [J].Progress in Natural Science, 2007, 17(1): 99-105.

[5]Perez Martine, Burgos Garcio. Group Delay Effects on the Performance of Wide-Band CW-LFM Radar [J]. IEE. Proc.-Radar, Sonar, and Navigation, 2001, 148(2): 95-100.

[6]史林，彭燕，楊萬海. 脈沖壓縮雷達(dá)干擾仿真分析[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2003，25(8):37-40.

SHI Lin, PENG Yan, YANG Wan-hai. Simulation of Jamming on Pulse Compression Radar [J]. Modern Radar, 2003, 25(8):37-40.

[7]李繼鋒，盛驥松.相位編碼雷達(dá)干擾技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(21):16-24.

LI Ji-feng, SHENG Ji-song. Study of Phase-Coded Radar Jamming Technology [J]. Modern Electronics Technique, 2009(21):16-24.

[8]徐樂濤，馮德軍，趙晶，等.對(duì)相位編碼體制雷達(dá)的導(dǎo)前假目標(biāo)干擾[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2013，34(1):133-138.

XU Le-tao, FENG De-jun, ZHAO Jing, et al. Preceded False Targets Jamming Against Phase-Coded Radars [J]. Journal of Astronautics, 2013, 34(1):133-138.

[9]侯民勝. PD雷達(dá)信號(hào)模糊函數(shù)的計(jì)算[J]. 信息化研究，2009，35(2)：22-25.

HOU Min-sheng. Computation of the Ambiguity Function of PD Radar [J]. Informatization Research, 2009, 35(2): 22-25.

[10]張志輝，宋花榮. m序列與Gold序列比較[J]. 信息技術(shù)，2006，30(6)：69-71.

ZHANG Zhi-hui, SONG Hua-rong. The Comparison to m Sequences and Gold Sequence [J]. Information Technology, 2006, 30(6)：69-71.

[11]徐慶，徐繼麟. 線性調(diào)頻-二相編碼雷達(dá)信號(hào)分析[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2000，22(12)：7-9.

XU Qing, XU Ji-lin. A Discussion of Performance of Hybrid Waveform of Radar [J]. System Engineering and Electronics, 2000, 22(12): 7-9.

[12]張亮. 相位編碼雷達(dá)新型干擾技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2008.

ZHANG Liang. Research on New Jamming Technology of Phase-Coded Radar [D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2008.

[13]張俊. 基于DRFM的雷達(dá)干擾系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 北京：北京理工大學(xué)，2001.

ZHANG Jun. Research and Design of Radar Jamming System Based on DRFM [D]. Beijing: Beijing Institute of Technology，2001.

[14]董創(chuàng)業(yè). 基于DRFM的雷達(dá)干擾技術(shù)研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

DONG Chuang-ye. Research on Radar Jamming Technology Based on DRFM [D]. Xi’an: Xidian University，2007.

[15]SCHLEHER D C. Electronic Warfare in the Information Age [M]. MA: Artech House, Norwood, Massachusetts, 1999.

New Method of Preceded False Target Jamming Against Phase-coded Radars

ZHEN Xiao-peng, AI Xiao-feng, LI Yong-zhen, FENG De-jun

( National University of Defense Technology,State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information System,Hunan Changsha 410073, China)

Abstract:Phase-coded radar has no dispersion effect, so its unique advantage makes the preceded false target jamming against phase coded radars become one of the technical difficulties and research focuses. The characteristics of phase-coded signal are analyzed first. Aimed at the symmetric phase-coded sequence, a novel jamming approach, partial elements copy and reverse repeater, for forming preceded false targets is proposed. Then the relations between the distance of the preceded false target, the requirement for repeater power and the length copied are analyzed in detail. Theoretical analysis and simulation results show that the new jamming method is easy to achieve and has potential value in practice.

Key words:phase-coded；ambiguity function; m sequence；partial elements copy；reverse repeater；preceded false target

*收稿日期：2015-02-05；修回日期：2015-07-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61372170)

作者簡(jiǎn)介：甄曉鵬(1988-)，男，河北邯鄲人。碩士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)電子對(duì)抗。 E-mail：zhenxiaopeng0520@126.com

通信地址：410073湖南省長(zhǎng)沙市國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院CEMEE國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.007

中圖分類號(hào)：TN95；TN972

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2016)-02-0043-05

空天防御體系與武器