一種新的空空雷達主動制導(dǎo)導(dǎo)彈抗速度波門拖引干擾方法

李小龍， 王 星， 李 彬， 程嗣怡

(空軍工程大學工程學院，西安 710038)

0 引言

電子戰(zhàn)是現(xiàn)代空戰(zhàn)不可缺少的作戰(zhàn)樣式。隨著復(fù)合制導(dǎo)體制的發(fā)展，在未來空戰(zhàn)中，具有全天候、全方位、全高度作戰(zhàn)性能的空空雷達主動制導(dǎo)導(dǎo)彈將扮演越來越重要的角色，而該類型導(dǎo)彈的出現(xiàn)也推動了干擾技術(shù)的革新。因此，如何提高空空雷達主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的抗干擾能力是有效發(fā)揮其作戰(zhàn)性能的前提［1］。

在空空雷達主動制導(dǎo)導(dǎo)彈面臨的干擾環(huán)境中，速度欺騙干擾技術(shù)比較成熟，是目前需要著力對付的一種干擾樣式。速度欺騙干擾的主要方式有:速度波門拖引干擾，假多普勒頻率干擾、多普勒頻率閃爍干擾和多普勒頻率噪聲干擾。其中，速度波門拖引干擾是最常見的欺騙干擾技術(shù)［2］。

在速度波門拖引干擾中，干擾信號的多普勒頻率相對于回波多普勒頻移fd逐漸增大或逐漸減小。由于干擾幅度大于回波信號，導(dǎo)引頭的速度跟蹤電路將隨干擾的多普勒頻率移動而逐漸被脫離目標，最終造成目標丟失。對于頻率隨時間變化的接收信號，傳統(tǒng)的一維濾波算法很難將回波和干擾分離開。

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法(EMD)是由美籍華人Huang N E等人提出的一種時頻分析方法［3］。該方法將信號分解成不同頻率成分，即固有模式函數(shù)(IMF)。高頻的IMF分量一般為隨機噪聲，低頻的IMF分量一般為原始信號。通過選擇部分IMF進行信號重構(gòu)，可以較好地去除高頻噪聲。

本文根據(jù)速度波門拖引干擾回波信號模型，采用EMD方法對回波信號進行分解。然后去掉高頻分量，將余下的低頻分量進行重構(gòu)。仿真結(jié)果表明，該方法具有抑制速度波門拖引干擾的能力。

1 速度波門拖引干擾原理

1.1 導(dǎo)引頭速度跟蹤模型

速度跟蹤的基本原理是跟蹤目標的多普勒頻率［4］。導(dǎo)彈與目標間存在接近速度所引起的多普勒效應(yīng)，使得導(dǎo)引頭所接收到的目標反射回波信號的頻率與導(dǎo)引頭發(fā)射信號的頻率之間，產(chǎn)生一個多普勒頻移，此頻移與接近速度成正比。導(dǎo)引頭速度跟蹤回路就是通過對此多普勒頻移的跟蹤實現(xiàn)對彈－目接近速度的跟蹤與測量。原理如圖1所示。

圖1 速度跟蹤原理Fig.1 Principle of velocity tracking

彈載計算機根據(jù)速度估值控制VCO產(chǎn)生的多普勒頻率fd1并通過發(fā)射機調(diào)制，由天線輻射出去，由于目標存在真實速度，接收信號經(jīng)混頻處理后形成頻差fd1－fd2，鑒頻器輸出頻差信號到彈載計算機，由計算機調(diào)整fd1，如此循環(huán)，使頻差fd1－fd2趨于零，從而完成對目標的速度跟蹤。

1.2 速度波門拖引干擾機理

根據(jù)導(dǎo)引頭速度跟蹤原理，干擾機實施速度拖引時，首先轉(zhuǎn)發(fā)與目標回波具有相同多普勒頻率fd的干擾信號，且能量大于目標回波能量，使導(dǎo)引頭速度跟蹤電路捕獲干擾信號，然后使干擾信號多普勒頻率增大或減小，逐漸脫離目標回波多普勒頻率，由于干擾能量大于回波，使得速度跟蹤回路跟蹤在干擾信號的多普勒頻率上［5］。一定時間后，關(guān)閉干擾機，導(dǎo)引頭跟蹤系統(tǒng)由于信號消失，將被迫重新轉(zhuǎn)入搜索狀態(tài)。

速度波門拖引干擾的典型時序如圖2所示。

圖2 速度波門拖引時序Fig.2 Time series for velocity deception jamming

干擾信號多普勒頻率fdj的變化過程為

整個干擾過程可以分為3個階段:停拖期、拖引期、關(guān)閉期。0～t1時間段為停拖期，干擾信號具有與目標回波相同的多普勒頻率fd，且幅度大于目標回波，導(dǎo)引頭末制導(dǎo)雷達AGC電路將根據(jù)干擾信號能量控制接收機增益，逐漸轉(zhuǎn)到鎖定干擾信號。t1～t2時間段為拖引期，干擾信號頻率逐漸增大或減小，其變化速度不大于導(dǎo)引頭最大識別速度。此時，跟蹤電路將隨干擾的多普勒頻率移動，逐漸被拖離目標。t2～Tr時間段為停拖期，停止發(fā)射干擾信號，此時速度跟蹤波門內(nèi)既無干擾又無目標回波，導(dǎo)引頭將重新轉(zhuǎn)入搜索狀態(tài)。當再次捕獲目標時，開始新的拖引過程，周而復(fù)始，一次次地將速度跟蹤波門拖離目標信號，使導(dǎo)引頭找不到真信號。

2 經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸庠?EMD)

Huang N E于1994年提出的EMD方法實質(zhì)是對一個信號進行平穩(wěn)化處理，即將信號中不同尺度的信號逐級分解，產(chǎn)生一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列［6］。通常，EMD方法分解出來的后幾個IMF分量集中了原信號中主要的信息［7］，因此該部分分量一般為原始信號的趨勢或均值，對混有隨機噪聲的信號，經(jīng)分解后的高頻IMF分量通常為信號的噪聲。因此，EMD分解方法可以有效地進行濾波，提取原信號的趨勢項。

IMF信號一般需要滿足兩個條件:1)從全局特性上看，極值點數(shù)必須和過零點數(shù)一致或者至多相差一個;2)在某一個局部點，極大值包絡(luò)和極小值包絡(luò)的算術(shù)平均值是零，即兩條包絡(luò)線關(guān)于t軸對稱。在實際應(yīng)用中只需判斷待分析信號是否滿足IMF信號條件即可［8］。設(shè)時間序列信號為x(t)，其上、下包絡(luò)線分別為υ1(t)和υ2(t)。EMD分解的具體算法如下［9］:

1)找出原始信號x(t)的局部極大值集和局部極小值集，然后用三次樣條線將所有的局部極大值點連接起來形成上包絡(luò)線υ1(t)，用三次樣條線將所有的局部極小值點連接起來形成下包絡(luò)υ2(t)［7］;

3)判斷h1(t)是否滿足IMF條件，若不滿足，則將h1(t)作為新信號，重復(fù)以上兩步，直到h1(t)滿足IMF條件，記作c1(t)=h1(t)，c1(t)即為第一階 IMF，代表原始信號的最高頻分量，把c1(t)分離出來，記r1(t)=x(t)－c1(t);

4)對r1(t)作為原始信號，重復(fù)以上3步，直到rn(t)變成單調(diào)函數(shù)時，EMD分解結(jié)束。

應(yīng)用EMD算法對正弦信號加高斯白噪聲進行處理，其效果如圖3所示。

圖3 加噪信號和EMD處理后的信號波形Fig.3 Waveform of signal with noise and the signal after EMD processing

由圖3可看出，分解過程可理解為對信號自適應(yīng)濾波過程。

3 抗速度波門拖引干擾方法

在速度波門拖引干擾中，當跟蹤通道捕獲干擾信號后，每接收一個照射脈沖，干擾信號頻率就從目標多普勒頻率值開始變化，從而使速度跟蹤波門隨著干擾信號移動而逐漸遠離真實目標回波，達到干擾的目的［10］。對于夾雜干擾的回波信號，當分析頻譜時，很難識別出真實多普勒頻移，采用本文的EMD分解將初始頻率值和頻率增加量分離，再進行頻譜分析，由多普勒濾波器截獲目標多普勒頻移，進而達到跟蹤的目的。

設(shè)導(dǎo)引頭發(fā)射信號為

則理想狀態(tài)下，回波信號為

式中:fd為多普勒頻移。

干擾信號可表示為

式中:A為干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)放大幅度;fdj為上文所述干擾信號多普勒頻率。則，導(dǎo)引頭接收信號為

分析可知，接收信號為線性調(diào)頻形式，根據(jù)EMD原理，具體處理方法如下:

1)對夾雜波門拖引干擾的多普勒回波信號sr(t)進行EMD分解，得到n個IMF分量;

2)選取后幾個IMF分量進行重構(gòu)，得到消除干擾后的回波信號;

3)完成重構(gòu)后，當下個波門拖引干擾信號來臨時，即可達到消除此類欺騙干擾的目的。

4 仿真與分析

選取一個脈沖周期進行考慮，采用典型空戰(zhàn)參數(shù)，假設(shè)相對運動的兩架戰(zhàn)斗機，飛行速度均為800 m/s，機載雷達工作波長2 cm，則多普勒頻率為1.6×105Hz。采樣點數(shù)1024，波門拖引干擾調(diào)頻系數(shù)10 GHz/s，干信比為20 dB。

采用EMD對回波信號進行分解重構(gòu)，仿真結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 被干擾的回波信號及其頻譜Fig.4 The jammed echo signal and its spectrum

圖5 消除干擾后的回波信號及其頻譜Fig.5 The denoised echo signal and its spectrum

圖4 為被波門拖引干擾的回波信號，由圖可以看出干擾能量較強，干擾頻譜較寬，目標多普勒頻譜淹沒在干擾中難以檢測跟蹤。

圖5為采用文中方法處理后的信號，由于采用EMD分解將回波信號劃分為低頻分量和高頻分量，重構(gòu)時，忽略前幾項高頻分量，由圖可以看出干擾基本被抑制掉。當然伴隨著處理過程，回波信號有一定的失真，說明高頻分量中也含有部分信號信息，更好的改進方法是對高頻分量進行閾值濾波處理，但是這并不影響抗干擾的整體效果。

5 結(jié)論

未來空戰(zhàn)電磁環(huán)境的復(fù)雜性要求空空雷達主動制導(dǎo)導(dǎo)彈必須具有較強的抗干擾能力。本文針對常用的速度波門拖引干擾，提出了基于EMD分解的抗干擾方法，通過對回波信號分解、重構(gòu)，較好地抑制了拖引干擾。仿真結(jié)果證明該方法是可行的。

［1］ 張偉.機載武器［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2008.

［2］ 趙國慶.雷達對抗原理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1999.

［3］ 謝啟偉.經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸馑惴ǚ治龊蛻?yīng)用［D］.合肥:中國科學技術(shù)大學，2008.

［4］ 王國玉.雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學仿真與評估［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［5］ 王星.航空電子對抗原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［6］ HUANG N E.The empirical mode decomposition and the hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis［C］//Proc.R.Soc.Lond.A，1998，454:903-995.

［7］ 楊宇，于德介，程軍圣，等.基于EMD的奇異值分解技術(shù)在滾動軸承故障診斷中的應(yīng)用［J］.振動與沖擊，2005(2):12-15.

［8］ 譚善文.多分辨希爾伯特—黃變換方法的研究［D］.重慶:重慶大學，2001.

［9］ 陳東方，吳先良.采用EMD方法消除瞬態(tài)散射回波中的高斯白噪聲干擾［J］.電子學報，2004(3):496-498.

［10］ 陳浩，何明浩，毛五星，等.小波分解在雷達抗速度欺騙干擾中的運用［J］.空軍雷達學院學報，2006(1):31-33.