箔條干擾回波信號頻域特性研究

李尚生，付哲泉，李煒杰，鄒瀚鋒

(海軍航空工程學院 電子信息工程系，山東 煙臺　264001)

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箔條干擾回波信號頻域特性研究

李尚生，付哲泉，李煒杰，鄒瀚鋒

(海軍航空工程學院 電子信息工程系，山東 煙臺264001)

針對雷達內場測試中由于模擬箔條云回波信號信息不完整造成的測試結果不能反映雷達實戰性能的問題，提出了考慮箔條錐動的回波信號構建方法。該方法綜合考慮箔條絲平動與錐動對頻譜的作用，得到單根箔條以及箔條云在不同波段、不同運動情況下的回波信號頻譜，總結了不同運動情況下的頻譜變化規律，研究結論對于建立更真實的模擬戰場環境、提高雷達目標探測以及抗箔條干擾能力具有重要意義。

雷達；箔條干擾；回波信號；頻域特性；錐動；平動

0　引言

箔條干擾由于使用方便、造價低廉，經過大半個世紀的發展，已經成為使用最廣泛的雷達無源干擾之一。箔條可以掩護飛機編隊突防，也可以保護艦艇免受導彈打擊。近代戰爭中的多次成功使用，證明箔條干擾在欺騙雷達、降低雷達目標識別能力方面取得了很顯著的效果，圍繞箔條干擾展開的干擾與抗干擾研究顯得格外重要。同時，在雷達的研制與改進過程中，對目標的探測能力是雷達重要的戰技術指標之一。由于雷達的外場測試周期長、花費高，往往通過信號模擬器來產生目標回波信號和各種干擾信號以滿足測試雷達抗干擾能力的要求。雷達一般可以通過對回波信號時域、頻域、極化域3方面特征的提取來區分箔條干擾與真實目標[1-4]。因此，研究箔條云回波信號特征將對雷達識別目標能力的提高提供有力的理論支持。現有文獻已經對箔條干擾回波信號的頻域特性有了廣泛研究，但一般只考慮箔條絲水平運動造成的多普勒頻移和頻譜展寬，而忽略了箔條絲錐動對頻譜的影響[5-8]。為了更全面地分析箔條干擾回波信號頻域特性的影響因素，本文提出了考慮錐動的箔條干擾回波信號模型，并對不同情況下箔條干擾回波信號頻譜特征進行了仿真分析。

1　箔條云回波信號模型的建立

一般認為相對徑向速度的變化會引起頻移[9-13]。如果雷達與目標相對速度服從一定的分布，回波信號的頻譜也會有一定的分布，所以箔條云團的運動會造成回波信號頻譜的變化。箔條彈在空中散開時，箔條絲在風力和重力的作用下，水平和豎直方向速度隨時間變化，直到箔條絲達到受力平衡，變為勻速運動，簡稱“平動”，此時箔條云為相對穩定狀態。同時箔條絲還繞某一固定軸作旋轉運動，簡稱“錐動”，由于存在平動和錐動，導致回波信號頻譜存在頻譜搬移與頻譜展寬現象。雷達可以根據回波信號的頻移和頻譜展寬來識別目標和箔條干擾，因此研究箔條云雷達回波的頻移和頻譜展寬特性具有重要意義。下面分析箔條絲繞某一固定軸旋轉運動時的回波信號頻域特性。

圖1　箔條絲錐動示意圖Fig.1　Sketch map of chaff cone rotary motion

ay,az)通過初始旋轉矩陣RInit得到，坐標變換的對應關系為

(1)

(2)

錐旋矩陣RC[9-10]表示為

(3)

(4)

將式(4)帶入式(3)，可以得到

(5)

則經過時間t旋轉后的散射點在參考坐標系中的坐標為rt=RCRInitr0，雷達與散射點的距離為

(6)

(7)

式中：v為箔條絲與雷達間的徑向運動速度。相向運動時，v為正值；反向運動時，v為負值。

(8)

(9)

假設箔條云中箔條間距大于2倍發射信號波長，可以忽略箔條之間的互耦效應[2]，則箔條云回波信號認為是箔條絲各自回波的矢量疊加。

2　單根箔條回波信號頻域特征分析

2.1單根箔條在不同運動狀態下的回波信號頻譜

圖2給出了單根箔條在以上3種情況下的頻譜仿真結果，可以看出，箔條絲的錐動使得回波頻譜展寬，平動則導致回波信號頻譜的搬移，搬移大小與理論計算結果fd=2f|v|/c相對應；第3張圖與第1張相比，頻譜中心由0 Hz搬移到1 000 Hz，搬移的產生是因為平動的影響，搬移大小與平動速度對應，兩張圖片譜線分布特征完全相同，說明單一平動速度時，平動只造成頻譜搬移，不影響頻譜寬度，與回波信號模型的理論結果一致。因此對單根箔條絲而言，平動和錐動產生的綜合效果為2種運動方式產生效果的疊加。

圖2　單根箔條在不同運動狀態下的回波信號頻譜Fig.2　Echo signal spectrum of single chaff in different motion states

2.2單根箔條在不同加速度平動下的回波信號頻譜

假設箔條絲位于雷達坐標系中(5 000,0,0)處，發射信號頻率f=15 GHz，箔條絲長度為半波長l=λ/2=0.01 m，長細比為100。箔條初始位置由中心在原點，垂直于Oxy平面，然后分別繞x，y，z軸旋轉30°，45°，60°得到。分析單根箔條在以下3種平動情況下的回波信號頻譜特征：①vx=10+0.1t；②vx=10+0.5t；③vx=10+t(單位為m/s)。

圖3給出了單根箔條在不同加速度平動下的頻譜仿真結果，對比3張圖片可以發現，隨著加速度的不斷增大，回波信號頻譜越來越寬，幅度越來越小。

圖3　單根箔條在不同加速度平動下的回波信號頻譜Fig.3　Echo signal spectrum of single chaff under different translational accelerations

3　箔條云回波信號頻域特征分析

3.1箔條云在不同錐動角速度下的回波信號頻譜

圖4為2種錐旋角速度下的箔條云回波信號頻譜仿真結果，由圖4可以看出，對同一箔條云而言，發射信號頻率固定，隨著箔條絲錐旋角速度的增大，箔條云回波信號頻譜展寬越寬。

圖4　f=15 GHz時箔條云在不同錐旋角速度下的回波信號頻譜Fig.4　Echo signal spectrum of chaff cloud at different cone rotary motion angular speeds when f=15 GHz

圖5為發射信號頻率為20 GHz、錐旋角速度為9π時的箔條云回波信號頻譜仿真結果。與圖4對比可以看出，相同錐旋角速度下，隨著發射信號頻率變大，回波信號頻譜更寬。與圖3結果對比可以發現，錐動造成的頻譜展寬與風速變化造成的頻譜展寬相比要小得多。

圖5　f=20 GHz時箔條云回波信號頻譜Fig.5　Echo signal spectrum of chaff cloud when f=20 GHz

3.2箔條云在不同風速情況下的回波信號頻譜

仿真結果如圖6所示。從圖6中可以看出，vx=10時，回波信號中心頻率為1 000 Hz，與速度對應，此時頻譜展寬由均勻分布的錐旋角速度造成；當風速變為均勻分布時，頻譜寬度依然與速度大小對應，頻譜展寬主要由均勻分布的風速產生，并且隨著速度分布范圍的增大，回波信號頻譜展寬，幅度變小，此時錐動造成的頻譜展寬仍遠小于風速均勻分布造成的頻譜展寬。

圖6　半波長箔條云在不同風速情況下的回波信號頻譜Fig.6　Echo signal spectrum of half wavelength chaff cloud in different wind conditions

下面以L波段的雷達為例，分析其對應的半波長箔條云回波信號頻譜特性。假設雷達發射信號頻率為f=1 GHz，箔條云由發射信號頻率f=0.8，1，1.2 GHz對應的半波長箔條各1/3構成，其他條件不變，得到的仿真結果如圖7所示。

圖7　L波段半波長箔條云在不同風速情況下的回波信號頻譜Fig.7　Echo signal spectrum of L-band half wavelength chaff cloud in different wind conditions

由圖7可以看出，回波信號頻譜中心頻率仍然與風速的大小對應，但此時錐動造成的頻譜展寬幅度相比于Ku波段雷達信號變得更大。得到結論為：波長越長，回波信號頻譜中錐動造成的頻譜展寬越明顯。

4　結束語

對不同波段的相參體制雷達，本文建立考慮箔條錐動的回波信號模型，分析單根箔條以及箔條云的回波信號頻譜特征，得到不同環境下頻譜變化規律。結果表明，對單根箔條而言，錐動造成回波信號頻譜展寬，平動使得頻譜搬移，當平動對應風速服從均勻分布時，頻譜也對應一定的寬度。對空間均勻分布箔條云而言，隨著箔條錐旋角速度的增大，回波信號頻譜變寬；隨著平動風速的逐漸變大，頻譜搬移值也隨之變大；風速均勻分布的范圍增大，頻譜也相應展寬。風速造成的頻譜展寬與錐動造成的頻譜展寬相比要大，隨著發射信號頻率的降低，差距變小，對L波段雷達而言，兩者造成的頻譜展寬可以相互比擬。以上結論對雷達有效識別箔條假目標，提高雷達識別目標能力有一定的借鑒意義。同時，利用上述結論可以得出不同頻率、不同風速條件下的箔條云雷達回波頻譜特征，為在內場建立不同自然條件下對不同頻率雷達的模擬箔條干擾環境，進而測試雷達在各種條件下的抗干擾性能奠定基礎。

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Frequency Characteristics of Chaff Echo Signal

LI Shang-sheng，FU Zhe-quan，LI Wei-jie，ZOU Han-feng

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Electronics and Information Engineering Department,Shandong Yantai 264001, China)

In the infield test of radar, according to the problem that the incomplete information of the simulation of chaff cloud echo signal caused by test results cannot reflect the performance of radar practical problems, a new echo signal construction method is put forward. By considering the effect the chaff translation and cone rotary motion upon spectrum, this method gets echo signal chaff and chaff cloud in different bands and different motion. Then, the spectral variation rules of different motion are summed up. The conclusion of the study is of great significance for the establishment of a more realistic simulation of battlefield environment and improving radar target detection and anti chaff jamming ability.

radar；chaff jamming；echo signal；frequency characteristics；cone rotary motion；translation

2015-06-25；

2015-09-20

李尚生(1965-)，男，山東平陰人。教授，碩士，主要從事雷達探測技術研究。

通信地址：264001山東省煙臺市芝罘區二馬路188號海軍航空工程學院401教研室E-mail：liss1965@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.04.007

TN972+.41

A

1009-086X(2016)-04-0037-06