對頻率步進信號的相干干擾技術*

陸洪濤，王坤，沈義龍

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

對頻率步進信號的相干干擾技術*

陸洪濤，王坤，沈義龍

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

頻率步進成像制導技術是當代精確制導技術發(fā)展的主流和方向之一，因此如何應對該技術對反導系統的影響已經成為導彈突防面臨的主要問題。從頻率步進雷達信號處理的基本原理出發(fā)，分析了目標運動對信號處理的影響，指出了其不足之處，有針對性地提出了一種基于跨周期相位調制的相干干擾技術。通過仿真分析了其有效性和可行性，并給出了干擾信號調制過程中幾個關鍵參數的選取原則。

頻率步進；相干干擾；跨周期相位調制；仿真

0 引言

頻率步進雷達通過發(fā)射一組載頻跳變的脈沖串來獲得大帶寬，回波信號等同于目標的頻域響應，只要發(fā)射的信號波形有足夠的帶寬，用常規(guī)的逆傅立葉變換處理就能孤立目標的強散射中心，從而實現距離高分辨率。頻率步進體制雷達因其接收機瞬時帶寬小、對數字信號處理硬件速度要求低等種種優(yōu)點且波形設計靈活，已成為高距離分辨率雷達技術的發(fā)展趨勢[1-2]。并在多種類型的反導系統中得到應用，成為導彈突防的重要威脅，因此如何對其進行有效的干擾以成為導彈突防領域的重要研究課題。

本文從頻率步進信號的基本原理出發(fā)，指出了目標運動對其信號處理的影響，并據此提出了一種基于跨周期相位調制的相干干擾技術，通過仿真分析驗證了其有效性和可行性。

1 頻率步進信號處理的基本原理

1.1 頻率步進信號分析

頻率步進脈沖串波形的數學表達式為

(1)

(2)

其中頻率步進脈沖串波形的參數為：T為脈沖寬度；Tr為重復周期；N為跳頻的脈沖個數；f0為起始頻率；Δf為步進頻率；Rect為矩形函數。

圖1為頻率步進信號的示意圖。

圖1 頻率步進信號示意圖Fig.1 Stepped frequency signal

文獻中給出了頻率步進信號[3]的頻域表達式為

(3)

從式(3)中可知，頻率步進信號的幅譜實際上是由中心頻率點不同的幾個sinc函數疊加而成，而且，每個sinc函數對應一個頻率步進信號中的脈沖。頻譜如圖2所示。

圖2 頻率步進信號頻譜圖Fig.2 Stepped frequency signal spectrum

1.2 頻率步進信號一維成像算法

頻率步進雷達波形通過脈沖串中各個脈沖載頻的跳變可以獲得大的等效帶寬，采用相應的信號處理方法可以獲得高的距離分辨率。常規(guī)的逆傅立葉變換處理方法具有“相干”、“窄帶”的處理作用，通過相干累積使各頻率點回波信號能量同時聚集，達到信號壓縮[4]的目的。

點目標情況下，第i個脈沖的回波信號為

(4)

為保證獲得最大的基帶相應信號幅度，采樣時間應選擇在回波信號波形的中心處，取第i個脈沖的回波信號的采樣時刻為

(5)

則連續(xù)N個回波信號的復采樣序列為

(6)

各采樣時刻目標回波延時為

(7)

式中：v為目標速度；R為目標距離；c為光速。

經混頻器輸出相位為

(8)

(9)

對式(9)取模得

(10)

脈沖重復周期Tr=100 μs

脈寬T=1 μs

步進頻率 Δf=1 MHz

起始頻率f0=35 GHz

脈沖個數N=512

圖3 IFFT仿真成像結果Fig.3 IFFT imaging simulation results

1.3 目標運動對成像結果的影響

頻率步進信號通過使相參脈沖串中的載頻跳變獲得大的帶寬，并通過IFFT獲得距離高分辨。這種信號的主要問題就是存在距離-速度耦合，而且比較嚴重。

由式(8)可以得出目標回波視頻輸出的相位表達式可以分解為以下4項[2]：

(11)

由于vt是常數，φ1也為常數，因此φ1對合成距離像沒有影響；φ2是正常的距離相位關系，包含了目標的距離信息，用來合成正確的目標距離像；φ3是目標速度引起的不同周期子脈沖間的相位變化，φ4是非線性頻率變化和目標速度共同引起的不同周期子脈沖間的相位變化。φ3和φ4會破壞脈沖序列間正常的相位關系，導致目標一維距離像峰值的位置偏移和衰減，下面將詳細地分析這兩個相位項對合成距離像的影響。

(1) 因為

為常數，這表示目標運動[5]不會破壞不同周期子脈沖間的相對相位關系，不會帶來脈沖波形的失真，但會產生距離游動，如圖4所示。

(2) 因為

不為常數，這就表示不同周期子脈沖間原來正確的相對相位關系將被改變，從而造成綜合脈沖幅度下降和寬度展寬，如圖4所示。

圖4 目標運動產生的距離移動和寬度展寬圖Fig.4 Distance shifting and width expanding of target motion

1.4 速度補償算法

從上面的分析看出，目標運動會對成像產生影響，因此需要進行速度補償。速度補償的方法為：在對回波采樣數據做逆傅里葉變換之前，對采樣數據乘以一個加權因子：

(12)

式中：ve為測量得到的目標速度估值。

速度測量方法主要有：頻域互相關法，時域相關法，正負調頻斜率測速法等。

頻域互相關法就是對IFFT前相鄰兩幀的回波求互相關，根據相關輸出的相位估計出目標的速度。

時域互相關法是對回波數據進行IFFT以后取互相關。其基本思想就是利用2幀之間對應脈沖的相關，求出目標在2幀之間的走動，進而利用走動距離和目標速度之間的關系估計目標速度。

正負調頻斜率測速法[6]通過比較2組調頻斜率不同的兩組脈沖由目標運動產生的不同距離游動，得到目標運動速度的估值。

2 跨周期相位調制相干干擾技術

通過上面的分析可以看出，目標運動對頻率步進信號的成像會產生較大的影響，因此成像過程中需要利用測量得到的目標速度估值對其進行速度補償。分析上述幾種速度測量的方法，可以發(fā)現均是利用目標運動對相鄰兩組脈沖組相位之間不同的影響，獲得目標速度估值。因此可以根據這個特點來實現對頻率步進信號的干擾[7]。

基本思想：基于數字儲頻技術，對雷達信號進行轉發(fā)，第1組干擾脈沖通過不同的延時，模擬不同距離的目標；第2組干擾脈沖在延時的基礎上，加上一定的相位調制；第3組按照第1組的方式進行；第4組按照第2組的方式進行，周而復始，使雷達在利用前后兩組脈沖間的相位差進行目標速度估計過程中產生誤差，進而在雷達整個距離窗上形成多個假目標干擾[8]。干擾信號的基本原理圖如圖5所示。

圖5 跨周期相位調制相干干擾技術原理圖Fig.5 Coherent interference technology of pulse skip phase-modulation principle

2.1 相位調制參數的設計

頻率步進信號在利用逆傅立葉變換進行一維距離成像之前，需要對目標運動速度進行估計，并利用估計到的目標速度ve，進行速度補償。估計的基本思想都是基于前后兩組脈沖的相位關系，如果對第2組脈沖進行相位調制[9]，將接收到的雷達信號乘上一個加權因子：

(13)

式中：vj為干擾信號附加的速度項。

結合式(8)，(12)可得，第1組和第2組脈沖的相位為

(14)

(15)

由式(14)，(15)可得

(16)

式(16)中可以看出，第2組脈沖進行相位調制后，造成了速度估計誤差。當不考慮速度估計精度對結果的影響，干擾信號經速度補償后會產生的距離游動ΔRj為[2]

(17)

由1.3節(jié)分析可知φ4主要導致綜合脈沖幅度下降和寬度展寬。為滿足波形不失真條件，需保證在脈沖綜合期間φ4項的變化不超過π/2，則vj應滿足下列關系：

(18)

2.2 距離項的調制

干擾信號距離項的調制從2個方面進行：一方面在單個不模糊距離窗內模擬一維距離像，形成多個散射點；另一方面為了實現干擾信號在雷達全量程上的覆蓋，需要通過距離延時在全量程范圍內產生干擾信號。

單個不模糊距離窗內的散射點距離和幅度根據目標自身的特性進行調制[10]，也可采用隨機的方式實現，達到對距離像識別進行欺騙[11]的目的。

全量程的干擾以單個不模糊距離窗為周期進行延時復制，即時間上以脈寬T為周期，每個周期內對單個不模糊距離窗內所形成的干擾信號進行一次復制。

3 干擾效果仿真分析

仿真參數同1.2節(jié)所述。目標在距離上由3個反射點組成分別為226，229和232 m，對應的RCS分別為1,2和3 m2。

3.1 干擾信號附加速度項對干擾效果的影響

仿真時vj=(-20,-10,10,20)m/s，干擾效果如圖6所示。從圖中可以看出隨著附加速度項的改變，假目標距離也隨著改變；距離項并沒有與式(17)嚴格對應，這是因為在速度估計過程中存在估計誤差的緣故。仿真結果也顯示出如果對干擾信號附加速度項進行適當的控制，還可以實現拖引干擾。

圖6 附加速度項對干擾效果的影響Fig.6 Influence of additional velocity upon interference effect

3.2 距離項調制干擾效果的仿真

受速度估計精度的影響，速度項調制的假目標個數不宜太多，為了在整個不模糊窗內形成較多的假目標，需要在距離項上進行調制。距離項的調制主要是依據被掩護目標的散射特性來進行。如圖7所示，干擾在一維距離像上形成了多個假目標信號。假目標信號覆蓋了整個不模糊窗內， 給一維距離像

圖7 單個不模糊窗距離項干擾效果仿真圖Fig.7 Single unambiguous range item interference effect simulation

的目標識別造成了困擾，達到了干擾的目的。仿真過程中，干擾信號的散射點間的距離和RCS都加了一定幅度的隨機量。

圖8給出了全量程干擾效果仿真圖。結合速度項的干擾調制[12]，可以對整個雷達跟蹤系統形成超前的拖引干擾。

圖8 全量程距離項干擾效果仿真圖Fig.8 Full range distance item interference effect simulation

4 結束語

本文從目標運動對頻率步進信號成像的影響入手，分析了其速度補償過程中對前后脈沖組相位關系的依賴，據此給出了一種針對頻率步進信號的跨周期相位調制相干干擾技術，及干擾過程中速度項和距離項調制的基本方法。通過仿真驗證了該干擾技術的有效性，實現了對頻率步進信號的超前欺騙干擾。

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Coherent Interference Technology to the Stepped Frequency

LU Hong-tao，WANG Kun，SHEN Yi-long

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China, Henan Luoyang 471003,China)

Stepped frequency imaging guidance technology is the mainstream and direction of contemporary accurate guidance technology. So how to deal with the influence of this technology upon the anti-missile system is the main problem faced by missile penetration. The influence of target movement to signal processing is analyzed based on the stepped frequency radar signal processing principle. Its weakness is pointed out and the coherent interference technology of pulse skip phase-modulation is put forward. The simulation shows the effectiveness and feasibility of the technology and some key parameters for selecting principle of interference signal modulation processing are presented.

stepped frequency; coherent interference; pulse skip phase-modulation; simulation

2014-09-25；

2014-10-27

陸洪濤(1978-)，男，河南洛陽人。工程師，碩士，主要研究方向為雷達與雷達對抗。

通信地址：471003 河南省洛陽市061信箱512分箱 E-mail：meterl@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.024

TN974

A

1009-086X(2015)-04-0144-06