對空時自適應技術的卷積調制干擾研究

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(西安電子科技大學電子信息攻防對抗與仿真技術教育部重點實驗室， 陜西西安 710071)

0 引言

空時二維自適應(STAP)技術具有優秀的抑制雜波和干擾的特性[1-2]，是新一代高性能雷達的關鍵技術之一[1,3],近年來還應用到了導航、通信以及聲吶等領域[3-6]。STAP技術的發展給雷達對抗一方也提出了嚴峻的挑戰，但目前國內外公開的文獻資料對STAP干擾方法的研究卻十分有限。文獻[7]提出了一種針對STAP技術的密集干擾的方法，用多部干擾機占用系統自由度，使STAP系統因缺乏足夠的系統自由度而性能下降,但當陣元和脈沖個數較大時，所需干擾機的數量也比較龐大。文獻[8]提出了一種自衛式相干散射欺騙干擾方法，雖然能有效掩護受保護目標，但未考慮到收發分時體制下干擾機如何快速響應的問題。文獻[9]提出了一種利用階梯波移頻法構造距離假目標的干擾方法，雖然能形成非均勻環境，使STAP系統性能下降，但其形成的假目標數量較少，并且呈現一定的規律性。

針對現有干擾方法在收發分時體制下無法快速響應和假目標數量較少且呈現一定規律性等問題，本文研究了機載雷達STAP系統的信號模型，提出了一種基于間歇采樣的卷積調制疊加轉發干擾方法。這種干擾方法將間歇采樣、卷積調制和延時疊加三種方法相結合，提高了收發分時體制下干擾機的響應速率，產生了大量的幅度隨機起伏、間隔隨機分布的假目標信號。

1 機載雷達STAP系統的信號模型

圖1為機載相控陣雷達的幾何模型圖。假設雷達載機的飛行高度為H，以恒定的速度v作勻速直線飛行，雷達天線采用均勻線陣，各陣元的間距d=λ/2，λ為雷達發射電磁波的波長，θ和φ分別為天線波束指向的方位角和俯仰角，ψ為雜波散射體相對陣列天線的入射錐角，并滿足cosψ=cosθcosφ的數量關系，α為陣列天線的載機航行方向的夾角。

圖1 機載雷達陣列天線幾何模型

(1)

式中，xn,k,n=1,2,…,N,k=1,2,…,K表示第n個天線陣元接收到的第k個時刻的空時二維的采樣數據。在后續處理中，為了方便理解與表示，將每個距離單元的數據寫成(NK×1)維的向量形式。

雷達回波數據為X，其通常由目標信號回波St、雜波信號C、噪聲n和干擾信號J組成，即

X=St+C+n+J

(2)

設STAP系統的自適應權矢量為W，即

W=[w11,…,w1K,w21,…,w2K,…,

wN1,…,wNK]T

(3)

濾波處理后輸出為Y，則STAP系統的輸出為

Y=WHX

(4)

自適應最優權矢量Wopt為

(5)

圖2 輸入數據模型

2 基于間歇采樣的噪聲卷積疊加轉發干擾信號模型

受機載平臺應用的限制，干擾機收發隔離度難以保證，機載平臺干擾機通常采用收發分時體制。為了使干擾機快速響應，通常對截獲到的雷達信號進行間歇采樣。如圖3所示，在偵收窗內(WR為高電平期間，其中Δt為系統延時)，干擾機對截獲信號進行檢測。當檢測信號DET為高電平，啟動DRFM對信號進行存儲，當信號脈沖寬度大于系統設定的間歇時間τ，即信號存儲τ長度后，干擾發射選通信號JT變為高電平，并同時將存儲的信號讀出；數據讀出完畢后，JT再次降為低電平，存儲τ時間長度信號數據后，JT再次變為高電平，將新存儲的數據讀出；該過程持續直至DET轉低，即雷達脈沖結束。圖中Tj為干擾窗長度。

圖3 間歇采樣原理

(6)

(7)

雷達發射線性調頻信號為x(t)，時寬為T，帶寬為B。使用間歇采樣脈沖串信號對雷達發射信號進行采樣，即可得到間歇采樣轉發干擾信號xs(t)，其頻譜為Xs(f):

xs(t)=c(t)x(t)

(8)

Xs(f)=C(f)*X(f)=

(9)

由式(9)可得，當n對應取不同值時，干擾信號頻譜與雷達頻譜形狀相似，只是在中心頻率處發生了±nfs的頻移，并在幅度上有一定衰減。設匹配濾波器為h(t)，則目標回波和干擾信號經過匹配濾波器的響應分別為y(t)，ys(t):

ys(t)=xs(t)*h(t)=

(10)

分析式(10)可得，經匹配濾波后干擾信號會形成一組由主假目標和分布在其兩側的次假目標群。雷達回波信號的匹配濾波輸出和間歇采樣轉發干擾信號的匹配濾波輸出的仿真結果分別如圖4(a)和圖4(b)所示(T=10 μs，B=2.5 MHz,τ=1 μs,Ts=2 μs)。假目標的幅度由間歇采樣脈沖信號的脈寬和重復周期決定，并且任意相鄰兩個假目標的間隔為

(11)

為了保證假目標群的產生且任意兩相鄰假目標不發生混疊，間歇采樣周期Ts必須滿足：

(12)

(a) 雷達信號匹配濾波輸出

(b) 間歇采樣轉發干擾信號匹配濾波輸出圖4 間歇采樣干擾轉發信號

圖5 基于間歇采樣的噪聲卷積延遲疊加轉發干擾原理

(13)

Xf-mfs·e-j2πfτi·Ni(f)

(14)

由式(14)可知，由于有Ni(f)的存在，使得干擾信號的頻譜在幅度上產生隨機起伏的現象。干擾信號j(t)經過匹配濾波器h(t)的輸出為jpc(t)，則

jpc(t)=j(t)*h(t)=

(15)

(a) 直接延時疊加轉發干擾信號

(b) 本文方法產生的干擾信號

(c) 直接延時疊加轉發干擾信號匹配濾波輸出

(d) 本文干擾信號匹配濾波輸出圖6 干擾信號對比

3 仿真分析

仿真參數：機載雷達工作頻率f0=450 MHz，脈沖重復頻率PRF=300 Hz，天線采用均勻線陣，陣列天線與載機航向的夾角α=0°，陣元個數N=16，脈沖積累數M=16,雜噪比CNR=40 dB，信噪比SNR=0 dB，干噪比JNR=28 dB，用30 dB切比雪夫加權。 載機速度vp=150 m/s，載機高度H=9 000 m，目標的方位角ψt=0°，速度vt=75 m/s，干擾機的方位角ψj=30°，速度vj=30 m/s，采用512個訓練樣本。仿真結果如圖7～圖11所示。

圖7 無干擾環境下雜波空時功率譜

圖8 雜波+干擾空時功率譜

圖9 雜波環境下STAP對目標的檢測

圖10 雜波+干擾環境下STAP對目標的檢測

圖11 改善因子對比

4 結束語

本文研究并分析了機載雷達STAP系統的信號模型，將間歇采樣、卷積調制、延時疊加轉發等方法相結合，提高了收發分時體制下干擾機的響應速率，并且針對STAP系統產生了大量的不滿足獨立同分布的干擾訓練樣本，造成STAP系統無法準確估計用于抑制雜波和干擾的協方差矩陣，大大降低了STAP系統的性能。仿真結果驗證了該干擾方法降低了STAP系統的輸出信雜噪比并展寬了濾波器凹口，造成STAP系統的性能下降。