低頻機(jī)載雷達(dá)受無意干擾分析及抑制研究

霍恩來

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

顧名思義,雷達(dá)干擾是對雷達(dá)系統(tǒng)工作進(jìn)行干擾的一種技術(shù)措施,其根據(jù)干擾來源可分為有意干擾和無意干擾,一般把敵方作戰(zhàn)序列對我方雷達(dá)主動(dòng)實(shí)施的干擾認(rèn)為是有意干擾,而大自然中存在電磁信號或者民用通信等設(shè)備產(chǎn)生的電磁信號被認(rèn)為是無意干擾[1]。而隨著軍事科技的發(fā)展,F22、F35戰(zhàn)機(jī)具備很強(qiáng)的隱身能力,在未來的作戰(zhàn)中,我方預(yù)警系統(tǒng)需要具備對這類目標(biāo)的反隱身探測能力,通過大量研究表明隱身飛機(jī)在P波段電磁波下,雷達(dá)RCS更加可觀,攜帶P頻段雷達(dá)的預(yù)警機(jī)在反隱身性能上更具優(yōu)勢。然而,P波段范圍內(nèi)存在十分可觀的民用信號,包括廣播、電視、通信等多種復(fù)雜信號,在雷達(dá)工作帶寬較窄的情況下,很難避開無意信號的頻段,從而使干擾信號很容易從雷達(dá)主瓣進(jìn)入,對雷達(dá)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。所以,如何在不影響雷達(dá)檢測性能的前提下對無意干擾進(jìn)行識別和剔除,成為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)信號處理中迫切需要解決的問題。無意干擾主要包括異步短脈沖式干擾和窄帶連續(xù)波干擾,下面主要針對雷達(dá)受窄帶連續(xù)波干擾下雷達(dá)監(jiān)測特性的變化進(jìn)行分析,并給出針對性的抗干擾措施[2]。

1 窄帶連續(xù)波干擾建模

窄帶連續(xù)波干擾是雷達(dá)面臨的無意干擾中最常見的一種干擾形式,具有下面兩大特征:一是信號功率高,無意干擾輻射源主要為地面廣播、通訊系統(tǒng),這些系統(tǒng)大多為連續(xù)工作態(tài),且功率較大,往往超高目標(biāo)回波和噪聲;二是頻率較為固定,民用射頻信號大都工作在固定的頻帶范圍,不具備快速跳頻的能力[3]。

窄帶連續(xù)波干擾信號可以通過一個(gè)載頻疊加調(diào)試信號表示,即

I(t)=A(t)e-j2πfct

(1)

其中,A(t)為干擾信號的調(diào)試函數(shù),fc為干擾信號的載頻。而干擾信號會(huì)落在雷達(dá)接收機(jī)帶寬內(nèi),如雷達(dá)信號中心頻率為500MHz,帶寬為5MHz,干擾信號的頻率只有在497.5MHz～502.5MHz范圍內(nèi),才能進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)。此時(shí)雷達(dá)的回波信號為

(2)

其中:s(t)為雷達(dá)目標(biāo)信號;L表示干擾個(gè)數(shù);Il(t)ejφl表示第l個(gè)干擾信號;n(t)表示噪聲信號[4-5]。

假設(shè)一個(gè)脈組內(nèi)有M個(gè)脈沖,脈沖重復(fù)間隔內(nèi)進(jìn)行了R次距離采樣,則第r個(gè)距離采樣接收到的回波信號為

xr=[xr,1…xr,m…xr,M]

(3)

其中,xr,m為第r距離門第m個(gè)脈沖的回波數(shù)據(jù)。

2 雷達(dá)受干擾分析

仿真中,雷達(dá)的信號帶寬為2.5MHz,脈沖重復(fù)頻率為1000Hz,目標(biāo)的多普勒帶寬為1300Hz,脈沖個(gè)數(shù)為128,脈寬為100μs,采樣頻率為3MHz。

首先,在不加入干擾的情況下,仿真雷達(dá)信號的時(shí)域信號,時(shí)域頻譜,脈壓結(jié)果以及距離頻率二維頻譜,圖1(a)為未受干擾情況下雷達(dá)信號時(shí)域圖,噪聲水平為-40dB;圖1(b)為時(shí)域信號的頻譜圖,可以看出其在2.5MHz頻帶內(nèi)較為光滑,且重合度較高;圖1(c)為目標(biāo)的脈壓結(jié)果;圖1(d)為距離-多普勒二維頻譜圖,在頻譜圖中可以輕松地檢測出目標(biāo)的距離和速度信息。

圖1 未受到干擾情況下雷達(dá)目標(biāo)信號仿真圖

保持上述仿真參數(shù)不變,加入3個(gè)窄帶連續(xù)波干擾信號,其與雷達(dá)信號中心頻率的頻偏分別為0.2MHz、0.5MHz、-0.5MHz,疊加的固定多普勒偏移分別為1010Hz、1260Hz、1300Hz,對受干擾情況下的時(shí)域信號,時(shí)域頻譜,脈壓結(jié)果以及距離頻率二維頻譜進(jìn)行了仿真分析,圖2(a)為受干擾情況下雷達(dá)信號時(shí)域圖,噪聲水平為0dB,相比未受干擾的-40dB抬高40dB;圖2(b)為受干擾下時(shí)域信號的頻譜圖,可以看出其在2.5MHz頻帶內(nèi)有三個(gè)較為明顯的干擾尖峰,且整個(gè)噪低抬高;圖2(c)目標(biāo)的脈壓結(jié)果二維圖,顯然,已經(jīng)很難從脈壓結(jié)果中檢測到目標(biāo);圖2(d)為受干擾條件下的距離-多普勒二維頻譜圖,在頻譜圖中可以看到,目標(biāo)被干擾引起的條帶狀覆蓋,目標(biāo)也無法得到檢測。

圖2 受到干擾情況下雷達(dá)目標(biāo)信號仿真圖

綜上所述,雷達(dá)在受到窄帶連續(xù)波干擾下,雷達(dá)噪底會(huì)明顯抬高,嚴(yán)重影響雷達(dá)威力。另外其橫跨所有距離單元的條帶狀信號會(huì)把目標(biāo)信號淹沒,使得落在其附近的目標(biāo)無法得到檢測,雷達(dá)性能大打折扣。

3 干擾抑制方法

窄帶干擾抑制技術(shù),需要綜合考慮算法的復(fù)雜度、實(shí)時(shí)性、干擾抑制能力以及對信號的損失等因素,本文考慮實(shí)際工程應(yīng)用的可行性,采用頻域零限法對干擾進(jìn)行剔除。

本方法無需獲取干擾的精確模型,直接對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以檢測出干擾頻譜分量,針對較強(qiáng)窄帶干擾信號可準(zhǔn)確的識別并通過檢測門限對其置零,然后作平滑處理,進(jìn)而達(dá)到抑制干擾的目的,且降低信號損失。具體操作步驟如下:

1)步驟1:針對雷達(dá)回波數(shù)據(jù),首先判斷是否存在干擾,將雷達(dá)數(shù)據(jù)快時(shí)間維做傅里葉變換,轉(zhuǎn)換到距離頻率-脈沖維,然后對一定脈沖數(shù)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖維求和,得到距離頻率-脈沖維的多通道積累結(jié)果,從結(jié)果可以看出是否有突起明顯的尖峰,如果有,說明存在窄帶連續(xù)波干擾。

2)步驟2:設(shè)置一定的門限,對其干擾頻率進(jìn)行檢測,基于檢測結(jié)果設(shè)計(jì)如下零限濾波器。

(4)

其中:J為檢測出的干擾個(gè)數(shù);fj為第j個(gè)干擾對應(yīng)的頻率;Bj為第j個(gè)干擾的帶寬。

3)步驟3:對步驟1)生成的距離頻率-脈沖維數(shù)據(jù)進(jìn)行零限濾波處理,然后用零限附近數(shù)據(jù)對置零數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

4)步驟4:對零限濾波處理后的數(shù)據(jù)在快時(shí)間維做逆傅里葉變換轉(zhuǎn)換到距離-脈沖維度。

5)步驟5:按照傳統(tǒng)PD雷達(dá)處理步驟進(jìn)行脈壓、頻域?yàn)V波處理,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。

4 仿真

仿真中,雷達(dá)信號帶寬為2.5MHz,重復(fù)頻率為1000Hz,目標(biāo)多普勒帶寬為1300Hz,脈沖個(gè)數(shù)為128,脈寬為100μs,采樣頻率為3MHz,加入3個(gè)窄帶連續(xù)波干擾信號,其與雷達(dá)信號中心頻率的頻偏分別為0.2MHz、0.5MHz、-0.5MHz。

圖3為雷達(dá)回波信號轉(zhuǎn)到距離頻率-脈沖維;然后選取60～80脈沖門的數(shù)據(jù)求和,得到圖4所示的距離頻率-脈沖積累幅度圖;通過脈沖維積累圖可以產(chǎn)生一個(gè)干擾零限濾波器,如圖5所示;圖3的距離頻率-脈沖維數(shù)據(jù)通過干擾零限濾波器處理后得到圖6所示的距離頻率-脈沖圖;圖7為平滑處理后的距離頻率-脈沖圖;圖8為濾波后信號的時(shí)間維頻譜,可以看出干擾信號已經(jīng)被濾除;然后對其轉(zhuǎn)到時(shí)域,并按照PD雷達(dá)傳統(tǒng)處理步驟進(jìn)行脈壓和頻域?yàn)V波處理,圖9為一維和二維脈壓結(jié)果,顯然,目標(biāo)可從脈壓結(jié)果中得出;對其進(jìn)行頻域?yàn)V波處理,得到圖10所示的距離-多普勒二維圖,從中可較為容易地檢測到目標(biāo)信息。

圖3 距離頻率-脈沖圖

圖4 脈沖維多通道積累

圖5 濾波窗

圖6 通過濾波窗零限處理后的距離頻率-脈沖圖

圖7 均值平滑后的距離頻率-脈沖圖

圖8 濾波后信號的時(shí)間維頻譜

圖10 濾波后的距離-多普勒及幅度圖

5 結(jié)束語

無意的窄帶連續(xù)波干擾對雷達(dá)系統(tǒng)性能影響較為嚴(yán)重,通過距離頻譜維抗干擾零限濾波處理后,雖然信噪比較無干擾情況下有所損失,但是大大提高了目標(biāo)檢測性能,可有效實(shí)現(xiàn)對窄帶連續(xù)波干擾的抑制,且方法簡單。在實(shí)際工程中,當(dāng)跳頻無法避開窄帶連續(xù)波時(shí),通過應(yīng)用此方法可提高信噪比,雖然相比無干擾情況下雷達(dá)威力有所降低,但是可有效提高信干噪比,且易于工程實(shí)現(xiàn)。