基于混沌序列的射頻隱身跳頻周期設(shè)計(jì)方法

楊宇曉+左瑞芹

摘要： 為提高跳頻系統(tǒng)的射頻隱身性能， 利用信號(hào)參數(shù)的不確定性策略， 提出了一種基于混沌序列的射頻隱身跳頻周期設(shè)計(jì)方法。 該方法采用Logistic映射生成混沌序列， 并將其在跳頻周期空間進(jìn)行映射， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)跳頻信號(hào)的跳頻周期參數(shù)控制。 仿真結(jié)果表明， 本文所提方法的不確定性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)固定周期方法， 具有更好的射頻隱身性能。

關(guān)鍵詞： 射頻隱身； 混沌序列； 跳頻周期

中圖分類號(hào)： TN914.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1673-5048（2016）05-0034-05

Abstract： In order to improve the RF stealth performance of frequency hopping system， a design method for hopping cycle of RF stealth based on chaotic sequences is proposed by using the uncertainty strategy of signal parameters. In this design， the chaotic sequences are generated by Logistic mapping， and the frequency hopping cycle space is mapped to achieve the control on hopping cycle parameters of hopping signals. The simulation results show that the proposed method is much better than the traditional fixed cycle method， it has better RF stealth performance.

Key words： RF stealth； chaotic sequence； hopping cycle

0引言

射頻隱身技術(shù)是近年來發(fā)展的一種新型隱身技術(shù)， 主要用以對(duì)抗無源探測(cè)系統(tǒng)。 該技術(shù)通過對(duì)平臺(tái)搭載的主動(dòng)輻射源進(jìn)行特征控制， 從而避免其被無源探測(cè)系統(tǒng)截獲、 分選識(shí)別和定位。 射頻隱身相比雷達(dá)隱身和紅外隱身[1]有所不同， 并非無限制的降低目標(biāo)特征， 而是在滿足設(shè)備功能、 性能要求的基礎(chǔ)上對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行有效控制， 提高其低被截獲性能[2-4]。

最大不確定策略是射頻隱身設(shè)計(jì)的重要方法[5]， 通過使主動(dòng)輻射源參數(shù)的不確定性最大， 使敵方偵察設(shè)備無法預(yù)估， 從而提高信號(hào)的抗分選識(shí)別能力。 跳頻通信信號(hào)即利用其頻率特征的不確定變化， 來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低被截獲， 其頻率的不確定性主要由跳頻序列性能來加以保證。 1974 年， Lempel 和Greenberger 給出了跳頻序列最大周期漢明自相關(guān)理論界， 即著名的Lempel-Greenbeger 界[6]。 Niu Xianhua[7]等建立了低碰撞區(qū)跳頻序列周期部分漢明相關(guān)函數(shù)的理論界。 為得到具有優(yōu)良性質(zhì)的跳頻序列， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用各種序列構(gòu)造方法， 使序列逼近理論界。 Cai Han等人[8]提出了基于局部漢明相關(guān)上界的嚴(yán)格最優(yōu)跳頻序列集， 并給出了新的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 Chung Jinho等人[9]利用笛卡爾積構(gòu)造了一類新的滿足Peng-Fan-Lee 界最優(yōu)的低碰撞區(qū)跳頻序列集。

跳頻通信雖具有較好的低截獲性能， 但其跳頻周期多為固定值， 敵方仍可通過跳頻頻率集、 跳頻速率及跳頻網(wǎng)屬等特征參數(shù)進(jìn)行估計(jì)， 實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)的截獲及分選。 因此， 單純采用隨機(jī)化跳頻序列的方法， 并不能夠完全解決跳頻信號(hào)的低截獲問題。 為進(jìn)一步降低跳頻系統(tǒng)截獲概率， 嚴(yán)季等[10]利用變跳速（周期）、 變間隔的“雙跳”方法， 提出了一種具有更優(yōu)抗截獲性能的跳頻系統(tǒng)。 本文利用最大信號(hào)不確定性策略， 將混沌思想引入跳頻信號(hào)設(shè)計(jì)中， 利用混沌序列的偽隨機(jī)、 類噪聲特性來進(jìn)行跳頻周期設(shè)計(jì)， 以實(shí)現(xiàn)跳頻序列周期的隨機(jī)變化， 提高跳頻系統(tǒng)的抗截獲能力。

1混沌序列

混沌通信的保密性能好， 具有巨大的應(yīng)用前景和研究潛力， 是21世紀(jì)通信技術(shù)的一個(gè)重要方向。 目前混沌通信主要分為四大類： 混沌擴(kuò)頻、 混沌鍵控、 混沌參數(shù)調(diào)制和混沌掩蓋。 其中混沌擴(kuò)頻技術(shù)的關(guān)鍵是產(chǎn)生具有逼近于高斯白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的混沌擴(kuò)頻序列。

本文的基本思想是以跳頻周期為設(shè)計(jì)對(duì)象， 通過不確定設(shè)計(jì)方法， 實(shí)現(xiàn)跳頻周期的隨機(jī)變化， 從而進(jìn)一步提高其抗截獲性能。 混沌序列固有的偽隨機(jī)、 類噪聲特性， 與本文的基本思想十分吻合， 并且由于混沌序列初值敏感性、 保密性能十分優(yōu)異。 因此， 將混沌擴(kuò)頻序列引入跳頻信號(hào)設(shè)計(jì)中， 利用混沌擴(kuò)頻序列對(duì)跳頻信號(hào)的跳頻周期進(jìn)行控制。

5.3仿真結(jié)果

將本文設(shè)計(jì)的方法與傳統(tǒng)的固定跳頻周期方法進(jìn)行對(duì)比， 對(duì)比結(jié)果如下所示。

5.3.1仿真1： 跳頻周期性能比較

跳頻周期對(duì)跳頻信號(hào)的截獲識(shí)別具有重要意義， 由于跳頻信號(hào)時(shí)間間隔的不同， 其跳頻周期也不相同。 對(duì)具有相同均值的變周期方法和固定周期方法進(jìn)行了仿真計(jì)算， 兩種跳頻周期曲線如圖3所示。

由仿真數(shù)據(jù)可知， 本文所提方法的跳頻周期在取值范圍內(nèi)按照混沌序列隨機(jī)變化， 敵方截獲系統(tǒng)無法提前預(yù)知。

5.3.2仿真2： 跳頻周期不確定性比較

由第2節(jié)可知， 可以利用信息熵對(duì)信號(hào)的不確定性進(jìn)行定量分析。 針對(duì)變周期方法和固定周期方法， 分別利用式（2）進(jìn)行了仿真計(jì)算， 兩種方法的熵值對(duì)比如表4所示。

由于固定周期方法的所有跳頻周期均為定值， 沒有不確定性， 因此其熵值為0。 由表4可知， 變周期方法的熵值為2.477， 其不確定性遠(yuǎn)優(yōu)于固定周期方法， 即變周期方法具有更優(yōu)的射頻隱身性能。

5.3.3仿真3： 截獲概率性能比較

截獲概率可用于衡量跳頻通信信號(hào)的射頻隱身性能， 截獲概率越低， 射頻隱身性能越好。 為驗(yàn)證混沌序列變周期方法的有效性， 針對(duì)固定周期方法、 隨機(jī)序列變周期和混沌序列變周期三種方法分別進(jìn)行了仿真計(jì)算， 仿真參數(shù)設(shè)置為： MF=11.2 m2； PI=-113 dBW； CO=0.477； DI=0.001； TI=5 s。 三種策略下的截獲概率均值如表5所示。

由仿真數(shù)據(jù)可知， 固定周期方法的截獲概率均值最高， 隨機(jī)序列和混沌序列變周期方法的截獲概率均值得到了降低。 因此， 通過對(duì)跳頻周期的控制， 可以降低跳頻信號(hào)的截獲概率， 提高信號(hào)的射頻隱身能力。

6結(jié)論

從提高跳頻周期的不確定性入手， 提出了一種基于混沌序列的射頻隱身跳頻周期設(shè)計(jì)方法。 該方法利用Logistic映射產(chǎn)生具有混沌特性的隨機(jī)序列， 并將該序列在跳頻周期空間中進(jìn)行映射， 生成實(shí)際可用的發(fā)射時(shí)間間隔序列， 對(duì)跳頻信號(hào)的跳頻周期參數(shù)進(jìn)行控制。 仿真結(jié)果表明， 與傳統(tǒng)的固定跳頻周期方法相比， 本文提出的基于混沌序列的變跳頻周期設(shè)計(jì)方法具有更大的熵值， 因此射頻隱身性能更優(yōu)。 但變周期方法涉及的計(jì)算量和硬件資源較多， 因此， 對(duì)硬件平臺(tái)提出了更高要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 樊浩， 黃樹彩， 謝永才， 等. 臨近空間飛行器平臺(tái)探測(cè)低空/隱身目標(biāo)分析[J]. 航空兵器， 2012（1）： 12-17.

[2] Schleher D C. LPI Radar： Fact or Fiction[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2006， 21（5）： 3-6.

[3] Gau J Y. Analysis of Low Probability of Intercept （LPI）Radar Signals Using the Wigner Distribution[D]. Monterey， Calif： Naval Post Graduate School， 2002.

[4] 楊紅兵， 周建江， 汪飛， 等. 飛機(jī)射頻隱身表征參量及其影響因素分析[J]. 航空學(xué)報(bào)， 2010， 31（10）： 2040-2045.

[5] 桑建華， 陳益鄰.發(fā)展中的飛行器射頻隱身技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù)， 2011（23/24）： 48-50.

[6] Lempel A， Greenberger H. Families of Sequences with Optimal Hamming Correlation Properties[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 1974， 20（1）： 90-94.

[7] Niu Xianhua， Peng Daiyuan， Liu Fang，et al. Lower Bounds on the Maximum Partial Correlations of Frequency Hopping Sequence Set with Low Hit Zone[J]. IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics， Communications and Computer Science， 2010， E93A（11）： 2227-2231.

[8] Cai Han， Yang Yang， Zhou Zhengchun， et al. Strictly Optimal FrequencyHopping Sequence Sets with Optimal Family Sizes[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2016， 62（2）： 1087-1093.

[9] Chung Jinho， Yang Kyeongcheol. New Classes of Optimal LowHitZone FrequencyHopping Sequence Sets by Cartesian Product[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2013， 59（1）： 726-732.

[10] 嚴(yán)季， 梁濤， 祈竹. 變跳速、 變間隔跳頻通信技術(shù)研究[J]. 無線通信技術(shù)， 2012， 21（4）： 25-29.

[11] 孫克輝， 賀少波， 尹林子， 等. 模糊熵算法在混沌序列復(fù)雜度分析中的應(yīng)用[J]. 物理學(xué)報(bào)， 2012， 61（13）： 1-7.

[12] Liu Lingfeng， Miao Suoxiao， Hu Hanping， et al. Pseudo Random Bit Generator Based on NonStationary Logistic Maps [J]. IET Information Security， 2016， 10（2）： 87-94.

[13] Nasim Z， Bano Z， Ahmad M. Analysis of Efficient Random Permutations Generation for Security Applications [C]∥International Conference on Advances in Computer Engineering and Applications， Ghaziabad， 2015： 337-341.

[14] Jaynes E T. Information Theory and Statistical Mechanics[J]. The Physical Review， 1957， 106（4）： 620- 630.

[15] Lynch D D. Introduction to RF Stealth[M]. Raleigh， North Carolina： Science Technology Publishing Incorporation， 2004： 8-12.

[16] 謝紅梅， 夏磊， 朱孟元， 等. 基于Logistic混沌映射的圖像加密系統(tǒng)及FPGA實(shí)現(xiàn)[J]. 航空兵器， 2016（2）： 56-60.

[17] 申振寧， 曾興雯， 周子琛， 等. JTIDS系統(tǒng)仿真與性能分析[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2005， 22（2）： 23-25.

[18] Liu Hongbo， Jun Gao， Tang Su，et al. Analysis of the Coding Performance and Performance of AntiJamming of JTIDS[C]∥3rd International Conference on Consumer Electronics， Communications and Networks（CECNet）， Xianning， 2013： 149-154.