雷達(dá)導(dǎo)引頭兩種步進(jìn)頻信號(hào)性能比較及抗干擾仿真

伍建輝 魏 政

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

步進(jìn)頻率(SF)信號(hào)是高距離分辨率信號(hào)中的一種重要形式，它通過(guò)相參脈沖串中各個(gè)載頻的跳變獲得大的帶寬，并通過(guò)IFFT處理獲得高的距離分辨率[1]。步進(jìn)頻率的合成帶寬為N·Δf(N為積累脈沖數(shù)，Δf為頻率步進(jìn)量)，提高距離分辨率需要增大N或增大Δf，增大N意味著系統(tǒng)數(shù)據(jù)率的降低，為了避免高分辨距離像的混疊以及抑制柵瓣出現(xiàn)，單載頻SF信號(hào)須滿足緊約束條件[2]τ·Δf≤1 (τ為脈沖寬度)，所以增大Δf必須減小τ，這會(huì)使發(fā)射信號(hào)的平均功率降低，導(dǎo)致雷達(dá)作用距離下降。而相位編碼步進(jìn)頻率(PCSF)信號(hào)通過(guò)在子脈沖內(nèi)附加相位調(diào)制，比單載頻SF信號(hào)更大的Δf，可以用較小的脈沖數(shù)N得到較大的合成帶寬，解決了脈沖數(shù)N與頻率步進(jìn)Δf之間的矛盾，從而具有較高的數(shù)據(jù)率。

1 PCSF信號(hào)表達(dá)形式

二相編碼步進(jìn)頻率信號(hào)是載頻以固定步長(zhǎng)跳變，且在子脈沖內(nèi)進(jìn)行相位編碼的脈沖序列，表達(dá)式可寫(xiě)為：

(1)

式(1)中rect(·)為矩形函數(shù)，其中N為脈沖個(gè)數(shù)，Tr為脈沖重復(fù)周期，Tc為編碼的子脈沖寬度，P為碼長(zhǎng)，編碼信號(hào)在一個(gè)Tr內(nèi)的脈寬為τ=P·Tc，Ck∈{1,-1}，為二相編碼序列，Δf為頻率步進(jìn)的步長(zhǎng)。

2 PCSF信號(hào)處理流程

PCSF信號(hào)的處理主要包括混頻、脈沖壓縮、相參積累等過(guò)程，流程如圖1所示。

如圖1所示，處理流程按以下步驟進(jìn)行：

1)回波信號(hào)與頻率綜合器出來(lái)的本振信號(hào)local(t)=e-j2πfit進(jìn)行相參混頻，得到回波的基帶信號(hào)。

2)由于二相編碼屬于多普勒敏感信號(hào)，必須消除多普勒相位帶來(lái)的影響——距離多普勒耦合以及副瓣抬高問(wèn)題，必須乘以頻移因子wb(t)=e-j2πfdt將fd搬移至零頻。

圖1 PCSF信號(hào)處理流程

3)對(duì)子脈沖依次進(jìn)行頻域脈壓，其中H(f)是頻域脈壓系數(shù)、W(f)是副瓣抑制濾波器的頻域傳遞函數(shù)，它的目的是為了壓低脈壓結(jié)果的副瓣電平。

5)N個(gè)脈沖結(jié)果進(jìn)行重排，做IFFT進(jìn)行相參積累。

6)采用拼像去偽峰算法得到最終的一維距離像，進(jìn)入后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)環(huán)節(jié)。

3 PCSF信號(hào)與Chirp-SF信號(hào)性能比較

現(xiàn)從模糊函數(shù)、抗干擾、多普勒效應(yīng)等方面將PCSF與工程常用的Chirp-SF信號(hào)做一比較。

1)模糊函數(shù)比較

設(shè)計(jì)和研究雷達(dá)波形的主要數(shù)學(xué)工具是模糊函數(shù)，PCSF信號(hào)的模糊函數(shù)為圖釘型[3-4]，沒(méi)有距離-多普勒耦合，可以精確測(cè)定遠(yuǎn)距離目標(biāo)和高速目標(biāo)。而Chirp-SF信號(hào)的模糊函數(shù)為傾斜的釘板型，存在距離-多普勒耦合現(xiàn)象，即耦合時(shí)移，對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)需做脈內(nèi)距離走動(dòng)補(bǔ)償處理。

2)抗干擾方面

PCSF信號(hào)脈內(nèi)采用偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)，外部干擾信號(hào)不論是周期性的還是隨機(jī)的，與本地二相碼作相關(guān)處理后均被隨機(jī)化，所以具有更低的波形截獲概率。Chirp-SF信號(hào)脈內(nèi)的Chirp信號(hào)由于存在周期性，波形結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，因此其波形容易被偵察干擾和截獲。

3)多普勒效應(yīng)

偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)屬于多普勒敏感信號(hào)[5][6]，目標(biāo)的多普勒會(huì)降低脈壓峰值，其多普勒容限fd1≈1/(4PTc)，同時(shí)該信號(hào)的距離旁瓣較高，其原因是相位編碼所用的偽隨機(jī)碼的相關(guān)函數(shù)不理想和目標(biāo)存在多普勒頻移所造成的，需要進(jìn)行特殊的加權(quán)濾波來(lái)抑制副瓣，同時(shí)會(huì)造成SNR損失。

Chirp信號(hào)屬于多普勒不敏感信號(hào)，其多普勒容限fd2=0.294Bn，Bn為脈內(nèi)Chirp信號(hào)帶寬，一般Bn較大，所以Chirp信號(hào)有較大的多普勒容限值和較好的多普勒性能。

4)脈壓性能比較

偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)對(duì)于中、遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)的完全回波接收，脈壓后的遠(yuǎn)區(qū)副瓣比較平緩，跟第一副瓣電平相當(dāng)。對(duì)于近區(qū)目標(biāo)的部分回波接收(即接收回波的脈沖寬度小于發(fā)射脈沖寬度)，回波中的碼元個(gè)數(shù)減少了，但是碼元寬度Tc并未改變，由于信號(hào)帶寬與碼元寬度Tc近似呈倒數(shù)關(guān)系，所以經(jīng)過(guò)脈壓后主瓣寬度并未展寬，只是抬高了距離副瓣。

Chirp信號(hào)對(duì)于中、遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)的完全回波接收，脈壓后的副瓣衰減速度較快，可以達(dá)到-50dB以下，所以從掩蓋遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)的角度來(lái)說(shuō)，偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)不如Chirp信號(hào)。但是Chirp信號(hào)對(duì)于近區(qū)目標(biāo)的部分回波接收，經(jīng)過(guò)脈壓后主瓣寬度展寬，嚴(yán)重時(shí)主瓣會(huì)發(fā)生畸變。

4 PCSF與Chirp-SF抗干擾能力比較

抗干擾能力是全面衡量雷達(dá)導(dǎo)引頭在復(fù)雜電磁環(huán)境下工作能力和生存能力的重要指標(biāo)，壓制性干擾與存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是雷達(dá)導(dǎo)引頭主要的干擾樣式，本節(jié)在同等的雷達(dá)參數(shù)條件下，比較PCSF與Chirp-SF信號(hào)的抗干擾性能。

比較條件：設(shè)置PCSF與Chirp-SF兩種信號(hào)具有同等的脈寬τ=2.54us，同等的脈沖周期Tr=60us，同等的脈沖數(shù)N=8，同等的頻率步進(jìn)量Δf=40MHz；同等的采樣率fs=100MHz， Chirp-SF信號(hào)子帶寬Bn=50MHz，PCSF采用碼長(zhǎng)為P=127的小m序列，信號(hào)子帶寬Bn2=1/Tc=50MHz，即二者有相同的子帶寬與合成帶寬。

4.1 壓制性干擾

壓制性干擾是雷達(dá)導(dǎo)引頭面臨的主要的干擾形式，壓制性干擾的定義：在雷達(dá)導(dǎo)引頭回波的頻譜范圍之內(nèi)，干擾機(jī)發(fā)射功率較強(qiáng)的干擾信號(hào)，以壓制敵方導(dǎo)引頭的有用回波信號(hào)，阻止敵方設(shè)備從電磁回波中獲取目標(biāo)信息[7]。

壓制性干擾根據(jù)頻譜特性分為瞄準(zhǔn)式、寬帶阻塞式、掃頻式三大類，本節(jié)從點(diǎn)頻干擾、窄帶干擾、寬帶干擾、掃頻干擾4種干擾形式來(lái)仿真兩種信號(hào)的抗干擾能力。

各種干擾源仿真參數(shù)：真實(shí)目標(biāo)距離R=3579m，輸入干噪比JNRi=20dB；輸入信噪比SNRi=15dB；輸入干信比JSRi=JNRi-SNRi=5dB。

4.1.1 點(diǎn)頻干擾

設(shè)置點(diǎn)頻干擾的中心載頻fc=30MHz，干擾點(diǎn)頻處于接收機(jī)瞬時(shí)帶寬之內(nèi)，兩種信號(hào)經(jīng)過(guò)脈間二次脈壓之后的細(xì)分辨距離像如圖2和圖3所示。

圖2 點(diǎn)頻干擾下PCSF信號(hào)距離像

圖3 點(diǎn)頻干擾下Chirp-SF信號(hào)距離像

如上圖所示，PCSF信號(hào)輸出的主副瓣比：MSR=-32.3dB, Chirp-SF信號(hào)輸出的MSR=-40.7dB。

4.1.2 窄帶干擾

設(shè)置窄帶干擾的中心載頻fc=0Hz，干擾帶寬BJn=2MHz，一維距離像如圖4、圖5所示。

圖4 窄帶干擾下PCSF信號(hào)距離像

圖5 窄帶干擾下Chirp-SF信號(hào)距離像

從圖4、圖5可見(jiàn)，在窄帶干擾環(huán)境下，PCSF信號(hào)輸出的MSR=-23.0dB, Chirp-SF信號(hào)輸出的MSR=-20.1dB。

4.1.3 寬帶干擾

寬帶干擾的中心載頻fc=0Hz，干擾帶寬BJn=40MHz，寬帶干擾帶寬接近50M的子脈沖帶寬，在寬帶干擾下的距離像如下所示。

圖6 寬帶干擾下PCSF信號(hào)距離像

圖7 寬帶干擾下Chirp-SF信號(hào)距離像

從圖6、圖7可以看出，在寬帶干擾環(huán)境下，PCSF信號(hào)輸出的MSR=-20.4dB, Chirp-SF信號(hào)輸出的MSR=-18.8dB。

4.1.4 掃頻干擾

此處采用的掃頻干擾的形式是余弦二次掃頻，掃頻帶寬Bw=40MHz，具體是[0，Tr/2]從40M掃頻至0，在[Tr/2，Tr]從0掃頻至40M，對(duì)應(yīng)的時(shí)頻譜如圖8所示。

圖8 掃頻干擾的時(shí)頻譜

圖9為掃頻干擾的頻譜，圖10、圖11分別對(duì)應(yīng)掃頻干擾環(huán)境的PCSF、Chirp-SF信號(hào)的距離像，在掃頻干擾環(huán)境下，PCSF信號(hào)輸出的MSR=-21.9dB, Chirp-SF信號(hào)輸出的MSR=-20.7dB。

圖9 掃頻干擾的頻譜

圖10 掃頻干擾下PCSF信號(hào)距離像

圖11 掃頻干擾下Chirp-SF信號(hào)距離像

4.2 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是對(duì)接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字射頻存儲(chǔ)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)延遲、放大后發(fā)射出去的干擾樣式。這種轉(zhuǎn)發(fā)式干擾很容易做到距離欺騙和速度欺騙，同時(shí)可以在雷達(dá)接收端產(chǎn)生大量虛假目標(biāo)，降低雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)真實(shí)目標(biāo)的檢測(cè)性能。

在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾樣式仿真中，設(shè)置干擾源徑向距離：RJ=R+100m(真實(shí)目標(biāo)距離R=3579m)，即干擾源置于比目標(biāo)的徑向距離遠(yuǎn)100m的地方,存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的其余仿真參數(shù)如4.1節(jié)參數(shù)設(shè)置。

4.2.1 Chirp-SF干擾

Chirp-SF信號(hào)的儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的信號(hào)形式為Chirp-SF，經(jīng)過(guò)前端混頻與濾波之后，進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)為零中頻的Chirp信號(hào)。

圖12 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾下Chirp-SF信號(hào)距離像

由圖12可以看出，Chirp-SF信號(hào)對(duì)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾比較敏感，在目標(biāo)R=3579m附近出現(xiàn)了8個(gè)虛假目標(biāo)，且最大的虛假目標(biāo)電平比目標(biāo)主峰只小7.9dB,在導(dǎo)引頭全程搜索過(guò)程中較多的虛假目標(biāo)會(huì)造成虛警過(guò)高而漏掉真實(shí)目標(biāo)，造成搜索困難，若跟蹤階段存在Chirp-SF存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾則可以通過(guò)距離門(mén)選通等手段剔除虛假目標(biāo)。

4.2.2 PCSF干擾

PCSF信號(hào)的儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的信號(hào)形式為PCSF，經(jīng)過(guò)前端混頻與濾波之后，濾除跳頻的載頻分量之后進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)為零中頻的偽隨機(jī)調(diào)相干擾信號(hào)。

由圖13可見(jiàn)，PCSF信號(hào)的儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)式干擾中目標(biāo)距離R=3579m,全程距離段只有1個(gè)干擾目標(biāo)位于RJ=3680m，且干擾電平比目標(biāo)主峰強(qiáng)3.5dB,

該干擾亦會(huì)對(duì)導(dǎo)引頭全程搜索造成影響，但通過(guò)剔除強(qiáng)干擾的虛假目標(biāo)等措施，可以大大降低對(duì)目標(biāo)搜索的影響，若跟蹤階段存在PCSF存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾也可以通過(guò)縮小波門(mén)等方法剔除轉(zhuǎn)發(fā)式距離欺騙干擾，但與Chirp-SF的抗干擾相比，PCSF信號(hào)的抗截獲能力較強(qiáng)。

圖13 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾下PCSF信號(hào)距離像

綜上所述，對(duì)上面的各種干擾形式從脈壓后的主副瓣比做一總結(jié)歸納，如表1所示。

表1 各種干擾下的PCSF、Chirp-SF信號(hào)的主副瓣比(MSR/dB)

從表1可以看出，點(diǎn)頻干擾下，Chirp-SF信號(hào)優(yōu)于PCSF信號(hào)，其余干擾下均是PCSF信號(hào)優(yōu)于Chirp-SF信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

二相編碼步進(jìn)頻率信號(hào)是頻率步進(jìn)信號(hào)中的一種重要形式，它可以在較低的瞬時(shí)帶寬下獲得高分辨率的效果。本文首次將PCSF信號(hào)與Chirp-SF信號(hào)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了全面對(duì)比，并在同等的雷達(dá)參數(shù)下對(duì)PCSF信號(hào)與Chirp-SF信號(hào)進(jìn)行了抗干擾比較，并得出結(jié)論：在抗干擾效能方面PCSF信號(hào)優(yōu)于Chirp-SF信號(hào)，應(yīng)在工程應(yīng)用中大力推廣使用。

參考文獻(xiàn):

[1] 鮑坤超，陶海紅，廖桂生.相位編碼步進(jìn)頻率信號(hào)的模糊函數(shù)分析[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2007,36(1):62-65.

[2] 龍騰，李耽，吳瓊之.頻率步進(jìn)雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)與目標(biāo)抽取算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001,23(6):26-31.

[3] 毛士藝，張瑞生.脈沖多普勒雷達(dá)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990.59-60.

[4] Donald R. Wehner. High Resolution Radar(Sencond Edition)[M].Boston.London: Artech House,1994:279-280.

[5] 靳凱，王衛(wèi)東，王東進(jìn).一種脈內(nèi)相位編碼脈間步進(jìn)頻率雷達(dá)信號(hào)的研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,36(2):137-142.

[6] 林茂庸，柯有安.雷達(dá)信號(hào)理論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.152-153.

[7] Skolnik M I.Radar Handbook[M].New York:Mclaraw-Hill Publishing House,1990:133-134.