間歇采樣轉發干擾對線性調頻雷達的干擾性能分析

楊祎綪，王 波，曾瑞琪

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101；2.解放軍95478部隊，重慶 401329)

0 引 言

現代戰爭，核武器是戰略級威懾力量，電子對抗則是戰術級威懾力量，呈攻擊態勢的電子對抗是積極防御國防戰略的重要組成部分。對于現代有核國家之間進行的高科技局部戰爭而言，電子干擾無疑是軍事力量威懾的關鍵。電子干擾是我方在電磁域進攻的利劍，其有效殺傷敵人的充分條件是干擾信號在時、頻、空三維方向域均對準敵方雷達信號且在能量域取得優勢，而這其中的關鍵在于時頻域矛盾的解決與轉化。轉發干擾是電子干擾的一種重要實現方式，通過接收、存儲、調制、轉發敵方雷達信號完成對敵方雷達的壓制性干擾或欺騙性干擾[1]。然而轉發干擾收發一體的技術體制決定了其在偵收時間窗口內無法發射干擾信號，導致轉發的干擾信號在時間上總是滯后于目標回波，因此具有先天的缺陷。現代雷達為了提高雷達的抗干擾能力，通常采用跳頻方式以增加電子干擾系統時頻矛盾的復雜性，對轉發干擾的有效性提出了極大的挑戰。對壓制性干擾而言，雷達跳頻帶來的時頻復雜性使得轉發干擾偵收到的前一雷達脈沖的頻率可能已不能對準后一脈沖的頻率，無法對后一脈沖產生有效干擾；對欺騙性干擾而言，轉發干擾無法預測敵雷達信號的頻率跳變，產生的假目標總體上滯后于目標回波。本文通過間歇采樣的方式對雷達的每個脈沖進行干擾，保證每個干擾脈沖的頻率與雷達脈沖的頻率一致，分析并仿真了不同的間歇采樣轉發方式對線性調頻雷達的干擾性能。

1 線性調頻雷達信號處理流程分析

線性調頻雷達的信號處理流程如圖1所示[2]。雷達信號發射時，在時間波門的控制下將雷達波形庫中的雷達數字波形通過數模轉換器(DAC)變為模擬信號，經過一次濾波得到基帶模擬信號，再與兩級本振混頻得到射頻模擬信號，最后經功率放大再通過天線向空間輻射。接收雷達回波時，接收天線在時間波門的控制下接收射頻回波信號，經濾波、放大、混頻、再濾波后得到中頻模擬信號，中頻模擬信號經過模/數(A/D)采樣后得到中頻數字信號，再經過數字下變頻得到雷達基帶數字信號，由雷達波形庫提供數字波形副本，經過脈沖壓縮和相參處理得到目標的位置信息和速度信息。

圖1 線性調頻雷達信號處理流程

1.1 線性調頻信號波形調制過程分析

隨著雷達技術的發展，線性調頻信號作為現代雷達最常采用的一種波形，具有時寬脈寬積大、脈沖壓縮副瓣小、峰均比小的優良特性，有效解決了探測距離與距離分辨率之間的矛盾。

圖1中線性調頻信號的數字波形可表示為：

(1)

式中：fs為發射采樣率；Np為線性調頻信號的數字波形長度。

以fs為發射采樣率的DAC對數字波形完成數模轉換得到基帶模擬波形，表示為：

sL(t)=exp(j2πk(t-t0)2)，t0≤t≤t0+Tp

(2)

線性調頻信號的波形時頻域如圖2所示。

圖2 線性調頻信號的時頻域

圖1中基帶線性調頻信號經過本振1頻率為f1、本振2頻率為f2、兩次混頻得到射頻模擬信號：

st(t)=exp[j2π(fc(t-t0)+k(t-t0)2)]，

t0≤t≤t0+Tp

(3)

式中：fc=f1+f2，為雷達發射波形的載頻。

射頻信號經過功率放大后得到功率為Pt的發射信號，通過天線輻射探測目標。

1.2 線性調頻回波信號處理過程分析

假設距離R處有一徑向速度為v的運動目標，c為電磁波在空氣介質中的傳播速度，目標散射強度為A，則雷達接收端接收到的回波信號可表示為：

(4)

式中：n(t)為噪聲或干擾信號。

將st(t)代入式(4)，可得：

(5)

如圖1雷達回波信號處理流程所示，回波信號經過濾波后濾掉帶外雜波信號，經過低噪聲高頻放大器放大后送到混頻器進行下變頻，得到的回波中頻模擬信號可表示為：

(6)

式中：A′為中頻模擬信號的幅度，經過低噪聲高頻放大器放大后A′>APt；n′(t)為噪聲或干擾信號n(t)經過濾波器過濾后仍留在帶內的噪聲信號。

回波中頻模擬信號經A/D以fs的采樣率進行采樣后，又經數字下變頻得到回波基帶數字信號：

(7)

以發射數字波形作為匹配副本，對回波基帶數字信號進行脈沖壓縮，線性調頻信號脈沖壓縮處理結果仿真如圖3所示。

圖3 線性調頻信號的脈沖壓縮結果

2 間歇采樣轉發干擾過程分析

圖4 轉發干擾信號流程圖

間歇采樣轉發干擾是干擾機在較短的延遲時間內為了解決收發隔離問題而采取的技術方案。在雷達信號的1個脈沖周期內，間歇采樣轉發式干擾通過交替的接收和發送來完成對雷達的干擾。設敵方雷達脈沖的脈寬為Tp，間歇采樣[3]轉發旨在只截取小部分的轉發脈沖，經調制后迅速轉發，以達到時間上對準該脈沖、進而形成有效干擾的目的。設干擾系統的接收延遲為td1，截取寬度為tg，收發切換時間為td3，則第1個干擾脈沖轉發延遲為td1+tg+td3=td1+td2，時序圖如圖5所示。

圖5 間歇采樣轉發干擾時序圖

間歇采樣轉發干擾按照時序控制方式的不同，分為[4]間歇采樣直接轉發干擾、間歇采樣重復轉發干擾、間歇采樣循環轉發干擾。

2.1 間歇采樣直接轉發干擾

間歇采樣直接轉發干擾是干擾系統在偵獲到敵雷達信號后，對雷達信號進行采樣并截取寬度為tg的片段進行存儲，存儲完畢后經過收發切換的延時再立刻將該片段由ADC轉換為干擾模擬信號發出。經過一定的工作延遲tc后，繼續對雷達信號進行采樣并截取第2個寬度為tg的片段進行存儲轉發，如此交替進行直至雷達脈沖信號結束。其工作示意如圖6所示。

圖6 間歇采樣直接轉發干擾工作示意圖

從圖6中可以看出，間歇采樣直接轉發干擾為了滿足收發隔離的時序要求，轉發脈沖之間至少要滿足時長為tg+tc+td2的間隔要求，即當前干擾脈沖發射后必須間隔tc時間才能進行下一次采樣，對于時頻矛盾極其緊張的轉發式干擾而言，這削弱了其工作效能。

2.2 間歇采樣重復轉發干擾

間歇采樣重復轉發干擾由干擾系統在偵獲到敵雷達信號后，對雷達信號進行采樣并截取寬度為tg的片段進行存儲，存儲完畢后立刻將該片段重復轉發作為干擾信號，轉發完畢并經過一定的工作延遲tc后繼續對雷達信號進行片段存儲和重復轉發，如此重復直至雷達脈沖信號結束。間歇采樣重復轉發干擾的工作示意如圖7所示。

圖7 間歇采樣重復轉發干擾工作示意圖

與直接轉發式干擾相比，重復轉發干擾通過減少接收頻率、重復轉發干擾樣本的方法提高了轉發干擾的時間效率。

2.3 間歇采樣循環轉發干擾

間歇采樣循環轉發干擾旨在保持轉發干擾時間效率的同時增加干擾樣本的更新效率。間歇采樣循環轉發干擾的第1次轉發與直接轉發干擾方式一樣，干擾系統在偵獲到敵雷達信號后，對雷達信號進行采樣并截取寬度為tg的片段進行存儲，存儲完畢后立刻將該片段由數模轉換器再轉換為干擾模擬信號發出。而第2次轉發則是將第2個片段存儲在另一個存儲區間中完成干擾樣本積累，在轉發時按照順序依次轉發2個片段。以后的存儲和轉發過程依照此種模式進行樣本積累和轉發循環。間歇采樣循環轉發干擾的工作示意如圖8所示。

圖8 間歇采樣循環轉發干擾工作示意圖

間歇采樣循環轉發干擾采用樣本積累和轉發循環進行的方式，在提高轉發時間效率的同時也保持了樣本的更新。

Key words: new engineering construction; basis of computer engineering; course system

3 仿真與分析

設目標距離R=12 km，雷達發射功率Pt=400 W，雷達信號脈寬為Tp=25 μs，雷達天線增益Gt=Gr=30 dB，目標的雷達反射截面積σ=10 000 m2，雷達信號載頻為fc=9 GHz；轉發式干擾機發射功率Pj=550 W，干擾天線增益Gj=0 dB，干擾信號從雷達的主瓣天線進入，干擾信號對雷達天線的極化系數為γj=0.1。根據雷達方程，雷達接收到的目標回波功率可表示為：

(8)

回波經過脈沖壓縮處理后的結果如圖9所示。

圖9 目標回波脈沖壓縮結果

雷達接收到的干擾信號功率可表示為：

(9)

由式(8)和式(9)可得，雷達接收到的干擾信號和雷達回波信號的干信功率比可表示為：

(10)

根據以上背景設置可得在目標距離12 km處雷達接收機接收到的信號干信功率比PJ/S=25，干信比=10lgPJ/S=14。在此情況下對3種間歇采樣轉發式干擾對線性調頻雷達的干擾性能進行仿真。

設干擾機的采樣延遲為td1=0.5 μs，采樣片段tg分別為0.2 μs和1 μs，干擾設備收發切換時間為td3=0.5 μs，匿影時間為5 μs，對以線性調頻信號為探測波形的雷達進行間歇采樣直接轉發干擾性能仿真。

采樣片段為0.2 μs時，間歇采樣直接轉發干擾波形和雷達回波經過脈沖壓縮后獲得峰值位置為R=12 km的脈沖壓縮處理結果如圖10(a)所示；采樣片段為2 μs時，間歇采樣直接轉發干擾波形和雷達回波經過脈沖壓縮后獲得峰值位置為R=12 km的脈沖壓縮處理結果，如圖10(b)所示。

圖10 間歇采樣直接轉發干擾對線性調頻雷達的干擾性能仿真

以干擾信號和回波信號同時存在的情況下脈壓后回波信號的幅度為基準進行歸一化處理后，分析圖9可得出：采樣片段小時，干擾信號經過脈沖壓縮后的幅度小，形成的密集假目標幅度起伏小并且分布于目標回波前后；采樣片段大時，整個脈沖內的干擾時間增加，干擾信號經過脈沖壓縮后幅度增大，但是形成的假目標幅度起伏大且滯后于目標回波。

其他條件不變的情況下，間歇采樣重復轉發干擾和間歇采樣循環轉發干擾的轉發片段長度均設為5 μs，則2種干擾樣式對線性調頻雷達波形的干擾性能仿真如圖11、12所示。圖11(a)和(c)分別為轉發延遲0.2 μs和2 μs情況下，在干擾信號和回波信號同時存在的情況下，以脈壓后回波信號的幅度為基準進行歸一化處理，對間歇采樣重復轉發干擾對線性調頻雷達的干擾性能進行仿真。圖11(b)和(d)分別為轉發延遲0.2 μs和2 μs情況下，在只有回波信號時，以脈壓后回波信號的幅度為基準進行歸一化處理，對間歇采樣重復轉發干擾對線性調頻雷達的干擾性能進行仿真，圖12(a)和(b)分別為轉發延遲0.2 μs和2 μs情況下脈壓后回波信號的幅度為基準進行歸一化處理后間歇采樣循環轉發干擾對線性調頻雷達的干擾性能仿真。

圖11 2種轉發時延條件下的間歇采樣重復轉發干擾對線性調頻雷達的干擾性能仿真

圖12 2種轉發時延條件下的間歇采樣循環轉發干擾對線性調頻雷達的干擾性能仿真

分析圖11、12可得出：間歇采樣重復轉發干擾、間歇采樣循環轉發干擾和間歇采樣直接轉發干擾一樣，采樣片段越大，干擾信號經過脈沖壓縮后的幅度越大，形成的假目標幅度起伏越大；采樣片段越小，干擾信號經過脈沖壓縮后的幅度越小，形成的假目標幅度起伏越小。與直接轉發干擾不同的是，采樣片段越小，這2種干擾信號對雷達的干擾效果越接近噪聲壓制的干擾效果。同時還能發現，間歇采樣循環轉發干擾在延時很小的情況下脈壓后得到的假目標大部分仍滯后于目標回波。

4 結束語

本文對線性調頻雷達的工作原理和間歇采樣轉發干擾的工作原理進行了剖析，在此基礎上著重對間歇采樣直接轉發干擾、間歇采樣重復轉發干擾、間歇采樣循環轉發干擾的干擾性能進行了研究。通過信號級的仿真發現，對以線性調頻信號作為探測波形的雷達而言，采樣片段越小，間歇采樣轉發干擾形成的假目標越密集且幅度起伏越小，當干信比足夠大時，都可以對雷達實現壓制干擾，其中間歇采樣直接轉發干擾所需的干信比最大。對于間歇采樣直接轉發干擾和間歇采樣重復轉發干擾，當采樣片段足夠小時，干擾信號經過脈壓后得到的密集假目標可以部分超前于目標回波，從而使目標回波淹沒在干擾信號中，破壞雷達對目標的跟蹤，實現自衛干擾。