基于MTD的LFM雷達對抗DRFM干擾方法

奚舒靚， 張仁李， 盛衛星， 李興熔

(1.南京理工大學電子工程與光電技術學院， 江蘇 南京 210094；2.中國航天科工集團十院十部， 貴州 貴陽 550009)

基于MTD的LFM雷達對抗DRFM干擾方法

奚舒靚1， 張仁李1， 盛衛星1， 李興熔2

(1.南京理工大學電子工程與光電技術學院， 江蘇 南京 210094；2.中國航天科工集團十院十部， 貴州 貴陽 550009)

針對數字射頻存儲器(Digital Radio Frequency Memory，DRFM)干擾作用下，線性調頻脈壓雷達無法穩定檢測與跟蹤目標的問題，提出了一種基于動目標檢測的DRFM干擾對抗算法。該算法利用動目標檢測處理分別將目標和干擾回波的能量進行相參積累這一特性，根據恒虛警檢測后峰值分選出兩種回波信號，通過逆動目標檢測和逆脈沖壓縮處理恢復時域信號，最后使用相位統計次數方差鑒別目標和干擾。仿真結果表明，在低信噪比條件下，該方法能夠有效地對抗DRFM干擾。

數字射頻存儲器； 動目標檢測； 線性調頻； 相位量化

0 引言

相干干擾要求干擾信號是雷達波形的精確模擬，目前主要采用數字射頻存儲器(Digital Radio Frequency Memory，DRFM)來實現[1]。基于DRFM的干擾系統截獲到線性調頻(Linear Frequency Modulated，LFM)脈沖雷達發射信號，經下變頻后進行采集、存儲，在適當時機讀出，經D/A轉換為模擬信號再上變頻為射頻信號。在一定條件下，DRFM重構的干擾信號是雷達信號的精確復制，因此可產生有效的欺騙干擾。DRFM干擾信號與雷達信號具有強相干性，且主要由主瓣進入雷達，因而以常規的天線或體制抗干擾措施難以對抗該種干擾形式[2-3]。

本文利用DRFM轉發干擾存在量化相位這一特點[4]，提出了一種能夠在低信噪比下有效工作的DRFM干擾的抑制算法。該方法首先利用脈沖壓縮、MTD處理分別將目標和干擾回波的能量進行相干積累，然后根據MTD峰值分選出兩個回波，通過逆MTD處理和逆脈沖壓縮處理，分別恢復出目標和干擾信號的時域波形。最后，利用目標和干擾相位統計量的區別鑒別目標和干擾信號，從而識別出MTD后真實的目標信號。通過仿真分析，該方法能夠在低信噪比情況下實現對目標和干擾的分離和鑒別，性能穩定。

1 信號建模

假設LFM脈壓雷達發射信號為

(1)

其中:

(2)

取t=0時刻，目標與雷達徑向距離為R0，目標為勻速運動，且目標相對雷達的徑向速度為vT，且記tm時刻目標回波的時延和多普勒頻率分別為τ(tm)、fd，則有

(3)

(4)

式中：c為光速；λ為信號波長。雷達接收的目標回波信號為

(5)

式中：AT表示目標回波的幅度。

干擾機對接收到雷達發射信號進行適當的延時和調制后轉發，記干擾回波的時延和多普勒頻移分別為σ(tm)、γD，DRFM干擾機采用相位量化技術，經過相位量化得到干擾信號[4]

(6)

其中：

(7)

式中：AJ表示干擾回波的幅度；NM=2M，M為相位量化位數。

綜上，雷達接收信號可表示為

(8)

式中：n(t)為高斯白噪聲。

DRFM干擾是目標回波的精確復制，與雷達回波信號具有高度相關性，可以獲得較高的相干處理增益，且干擾功率大于目標功率，能夠誘導系統檢測或跟蹤虛假目標，從而保護真實目標。

2 基于MTD的抗干擾方法

為了檢測目標回波，雷達接收機根據發射波形對接收信號進行脈沖壓縮和MTD處理，得到MTD處理的結果，記為rMTD(K,N)。其中，K為一個CPI內PRI個數；N為每個PRI采樣點數。MTD處理過程是對目標信號進行相參累積，MTD的兩維分別對應距離和多普勒頻率，目標、干擾回波能量累積，形成兩個峰值。

該算法根據MTD形成的峰值分選出兩種回波信息，分別通過逆MTD處理和逆脈沖壓縮處理，恢復時域信號，最后利用DRFM相位量化的特性實現對目標和干擾的鑒別。

當存在干擾時，利用MTD結果進行抗干擾處理，下面將對抗干擾的步驟進行詳細闡述。

(1) 目標和干擾的分離

對MTD的結果rMTD(K,N)進行恒虛警檢測，分別得到目標和干擾的點跡，分別檢測兩個點跡的峰值位置，記為max1(k1,n1)，max2(k2,n2)，利用峰值點的位置可以計算出兩個峰值點的回波對應的時延τ1，τ2。

以max1(k1,n1)為作為窗函數的峰值點，生成二維凱撒窗函數：

(9)

式中：T表示轉置；hK(k-k1)、hN(n-n1)分別對應多普勒維和距離維的一維凱撒窗函數：

(10)

式中：β是一個可調參數，可以通過改變β的值來調整窗函數的形狀，從而達到阻帶衰減要求。這里β可以取80。I0(x)是零階第一類修正貝塞爾函數，可用冪級數表示為

(11)

(2) 目標和干擾的鑒別

利用DRFM的量化特性可以實現目標和干擾的鑒別[4]。目標回波相位分散在整個[-π,π]區域，而干擾相位有限地集中在某幾個相位上，故采用相位統計次數方差(Variance of Phase Statistical Times， VPST)鑒別目標或干擾。具體實現如下。

將[-π,π]分割成P個子區間，第k個子區間表示為

(12)

設N(Θk)是信號相位在相位區間Θk上的統計次數，N為信號的采樣點數，其VPST可以表示為

(13)

文獻[5]中利用PRI內所有采樣點計算VPST，由于在回波脈寬外無有用信號，脈寬外的噪聲會影響計算結果；而且僅用一個PRI的VPST比較，信噪比較低時，干擾和目標VPST數值受噪聲影響較大，誤判概率較高。

因此，本文采用1個CPI內所有PRI脈寬內信號的VPST求和，進行比較，減少誤差。具體實現如下：

(14)

(15)

式中：L是信號脈寬內的采樣點數。

再將1個CPI內每個PRI的VPST累加進行判決，K為1個CPI內PRI的個數：

3 仿真實驗與分析

為了驗證算法的有效性，本文進行了以下的仿真實驗。具體參數：帶寬B=30 MHz，脈寬T=0.6 μs，脈沖重復周期Tr=13 μs的LFM脈沖信號，一個CPI內有256個PRI，采樣率fs=50 MHz，目標距離800 m，速度300 m/s，信噪比10 dB，DRFM干擾距離830 m，速度270 m/s，干信比10 dB，干擾相位量化位數M為3。

將回波信號做脈沖壓縮處理和MTD處理后的結果如圖1所示，從圖中可以看出脈壓和MTD處理后存在兩個峰值。

通過計算可知，幅值高的峰值對應干擾，幅值低的對應目標，在這種情況下，雷達系統檢測到干擾的概率大于目標。

對脈壓和MTD處理后加窗的結果如圖2所示，圖2(a)中僅剩一個峰值，即干擾，圖2(b)中存在兩個峰值，由于原來干擾幅值大于目標，加窗后，仍有部分干擾能量殘余，所以會存在一個較低的干擾峰值。

將兩個加窗后的結果，分別經過逆MTD處理和逆脈沖壓縮處理，得到兩個時域波形。圖3是恢復的兩個時域結果的相位統計直方圖，從圖3中可以看出，干擾信號的相位分布有限的集中在幾個相位，而目標信號的相位分布在整個相位區間。

通過800次Monte Carlo仿真，得到算法正確判斷目標的概率曲線如圖4所示。可見，在該仿真條件下，當信噪比較低時，算法正確鑒別目標

和干擾的概率大于95%。當信噪比大于-15 dB，且DRFM相位量化位數M低于4位時，算法能夠完全正確鑒別目標和干擾。

4 結論

本文針對存在DRFM干擾作用下LFM脈壓雷達無法穩定檢測與跟蹤目標的問題，提出了基于MTD的LFM脈壓雷達抗DRFM干擾方法。該方法利用MTD的結果分選出兩種回波信息，恢復時域信號，利用相位量化信息實現干擾和目標回波的分離與鑒別。本算法利用MTD后的信息，能夠在低信噪比下完成目標和干擾的分離，與現有的分離方法相比，大大降低了對信噪比的要求。實驗證明，在低信噪比下，干擾相位量化位數M小于4位時，該算法具有較好的抗干擾的性能。

[1] 王雪松.現代雷達電子戰系統建模與仿真[M]. 北京：電子工業出版社, 2010:130-172.

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[3] 盧剛, 唐斌, 羅雙才. LFM雷達中DRFM假目標自適應對消方法[J]. 系統工程與電子技術, 2011, 33(8):1760-1764.

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DRFM Jamming Suppression Method Based on MTD for LFM Radar

XIShu-liang1,ZHANGRen-li1,SHENGWei-xing1,LIXing-rong2

(1.School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210094, China; 2.The Tenth System Design Department of the Tenth Reasearch Academy of CASIC, Guiyang Guizhou 550009, China)

Linear Frequency Modulation (LFM) pulse radar suffers from detection and tracking performance degradation in the situation of Digital Radio Frequency Memory (DRFM) jamming. To solve this problem, based on Moving Target Detection (MTD), an algorithm to suppress the DRFM jamming is proposed. The algorithm is divided into three steps. Firstly, MTD is utilized to coherently integrate the energy of target and DRFM jamming separately in two peaks which are detected by Constant False Alarm Rate (CFAR) processor. Secondly, the time-domain echoes at the two peaks are recovered separately by inverse MTD processing and inverse pulse compression processing. Finally, the target and DRFM jamming are discriminated by using a statistic named Variance of Phase Statistical Times (VPST). Simulation results are given to demonstrate the efficiency of the proposed method. It shows that under the condition of low signal-to-noise ratio, the proposed method can suppress the DRFM jamming.

Digital Radio Frequency Memory (DRFM); moving target detection; linear frequency modulation; phase quantization

1671-0576(2017)01-0037-05

2016-07-15

奚舒靚(1992-) 女，碩士研究生，主要從事雷達抗干擾技術研究；張仁李(1986-) 男，副教授，碩士生導師，主要從事雷達信號處理、雷達抗干擾、恒虛警檢測技術研究。

TN974

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