面向IFM 的載頻隱蔽性雷達(dá)信號研究?

陳冠一 劉利民 韓壯志

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電子與光學(xué)工程系 石家莊 050003）

1 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的不斷升級，電子對抗發(fā)揮著越來越重要的作用。電子偵察與反偵察已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝利的首要因素。電子偵察的主要任務(wù)是獲取敵方雷達(dá)信號的載波頻率、到達(dá)方向、脈沖寬度、到達(dá)時間以及脈沖幅度［1］。其中載頻具有相對穩(wěn)定性，是實施干擾與反干擾的重要依據(jù)。因此保護(hù)雷達(dá)信號載頻不被敵人發(fā)現(xiàn)具有重要戰(zhàn)略意義。

載頻隱蔽性，指在保證雷達(dá)正常戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的前提下，使敵方電子偵察設(shè)備的測頻結(jié)果與我方雷達(dá)信號的真實信號載頻出現(xiàn)較大偏差，以此來保證我方真實雷達(dá)信號載頻不被偵察截獲的特性。目前IFM 接收機以其測頻時間短、實時性好、測頻范圍大，瞬時帶寬寬等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于電子偵察設(shè)備。針對IFM 接收機設(shè)計一種性能優(yōu)良的載頻隱蔽性強的信號是雷達(dá)在戰(zhàn)場上生存的關(guān)鍵。目前載頻隱蔽性雷達(dá)信號設(shè)計主要有射頻掩護(hù)信號［2］、誘導(dǎo)脈沖組合信號和同時到達(dá)信號等。本文結(jié)合IFM 接收機的工作原理對雷達(dá)載頻隱蔽性信號進(jìn)行了介紹。

2 IFM接收機工作原理

現(xiàn)代瞬時測頻接收機的組成如圖1 所示。瞬時測頻接收機將接收到的信號加到低噪聲射頻限幅放大器，經(jīng)過放大之后的信號通過功率分配器送往延遲鑒相器實現(xiàn)頻率——相位的轉(zhuǎn)換，鑒相器輸出的結(jié)果將被送往極性量化器和編碼器完成測頻。通常鑒相器采用3 路或者4 路支路，若鑒相器支路過多，則系統(tǒng)體積比較大。IFM 接收機的特點是測頻時間短，只需要100ns～200ns。瞬時測頻接收機測頻范圍大，頻率截獲概率高，在頻段內(nèi)單個脈沖的截獲概率高達(dá)100%，動態(tài)范圍中等，為50dB～60dB，靈敏度中等，為-50dBmW～-40dBmW。其缺點是對同時到達(dá)信號的分離能力差，易造成測頻誤差［3］。

3 載頻隱蔽性信號分類

目前國內(nèi)外針對IFM 接收機的載頻隱蔽性信號主要有是組合信號設(shè)計。組合信號，顧名思義，是指兩個或兩個以上的雷達(dá)信號按照一定條件組合而成的信號。本文主要對射頻掩護(hù)信號，誘導(dǎo)脈沖組合，同時到達(dá)信號進(jìn)行介紹。

3.1 射頻掩護(hù)信號

射頻掩護(hù)信號，由虛假掩護(hù)脈沖信號和真實雷達(dá)信號組合而成，是一種為了保護(hù)雷達(dá)真實信號頻率而設(shè)計的欺騙性信號。最早的射頻掩護(hù)信號比較簡單，在真實雷達(dá)信號發(fā)射之前，先發(fā)射一個虛假掩護(hù)脈沖信號，該虛假掩護(hù)信號與真實的雷達(dá)信號在時間和頻率上均錯開［4］。經(jīng)典的射頻掩護(hù)信號時序如圖2 所示。這種經(jīng)典射頻掩護(hù)信號最初是用來抗窄帶瞄頻干擾，當(dāng)敵方偵察測頻接收機先測得虛假掩護(hù)信號載頻時，以為是我方真正的雷達(dá)信號的載頻，便對虛假掩護(hù)信號進(jìn)行干擾。由于虛假掩護(hù)信號與真實雷達(dá)信號載頻不同，在虛假掩護(hù)信號被干擾時真實信號的功能不會受到影響，真實信號的載頻隱蔽性得以實現(xiàn)。后來隨著寬帶噪聲干擾技術(shù)的發(fā)展，這類射頻掩護(hù)信號在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)逐漸被人們遺忘。直到相參干擾的出現(xiàn)，寬帶噪聲干擾有被替代的趨勢，射頻掩護(hù)信號又重新回到人們的視野。

周偉江等將射頻掩護(hù)信號進(jìn)一步研究，將射頻掩護(hù)信號的位置做了改進(jìn)。真實雷達(dá)信號可以在虛假脈沖掩護(hù)信號前面、后面，甚至是在虛假掩護(hù)信號內(nèi)部。虛假掩護(hù)信號與真實信號的脈寬、相對位置、載頻以及調(diào)制方式均可按照需求隨意設(shè)置，射頻掩護(hù)信號的示意圖如圖3 所示。周偉江等認(rèn)為，當(dāng)真實信號隱藏在虛假掩護(hù)信號之間時，IFM接收機接收到整個掩護(hù)信號后會對脈沖前沿進(jìn)行采樣，測頻結(jié)果便是虛假的掩護(hù)信號的頻率，以此達(dá)到真實信號載頻隱蔽性的目的。該文獻(xiàn)雖然對載頻隱蔽性信號的設(shè)計提供了方向，但是其沒有對具體射頻掩護(hù)信號的其他參數(shù)，如虛假掩護(hù)信號與真實雷達(dá)信號的功率關(guān)系、載頻設(shè)置關(guān)系、以及時序關(guān)系等進(jìn)行深入研究。

圖2 經(jīng)典的射頻掩護(hù)時序

圖3 射頻掩護(hù)信號示意波形

李宏［5］等通過改進(jìn)射頻掩護(hù)信號的時序，提出了一種新的射頻掩護(hù)信號模型，如圖4 所示。該信號在一個周期內(nèi)有三個頻率、脈寬各不相同的脈沖信號，且每個脈沖信號的載頻及發(fā)射時間均可根據(jù)需要調(diào)整。在三個脈沖中，可指定任一脈沖為真實雷達(dá)信號，其他脈沖作為虛假掩護(hù)信號。這種方法雖然在抗相參壓制干擾和欺騙干擾上有一定效果，但是當(dāng)指定的真實雷達(dá)脈沖信號與虛假掩護(hù)脈沖信號之間的間隔大于IFM 接收機的視頻采樣帶寬時，IFM 接收機能夠測出每個單脈沖的載頻信息，若射頻掩護(hù)信號的載頻調(diào)整不及時，將有很大概率被敵方干擾，信號載頻隱蔽效果將比較差。

圖4 改進(jìn)時序的射頻掩護(hù)信號

3.2 誘導(dǎo)脈沖組合信號

誘導(dǎo)脈沖組合信號是雷達(dá)發(fā)射的具有欺騙性的雷達(dá)信號，常用于對抗反艦導(dǎo)彈，也有學(xué)者認(rèn)為其是一種低截獲雷達(dá)信號，在電子對抗領(lǐng)域有重要作用。某型典型相參捷變頻末制導(dǎo)雷達(dá)發(fā)射信號就是采用誘導(dǎo)脈沖組合信號形式，該組合信號由三種信號構(gòu)成:誘導(dǎo)脈沖信號、真實脈沖信號和遮蓋脈沖信號。其中誘導(dǎo)脈沖和真實信號脈沖有信號模塊生成，而遮蓋脈沖信號則生成于干擾模塊。真實脈沖信號主要完成各項偵察任務(wù)，誘導(dǎo)脈沖則主要是充當(dāng)假目標(biāo)信號，目的就是對敵方偵察接收機形成干擾。遮蓋脈沖信號的作用主要是對自身發(fā)射的真實脈沖信號進(jìn)行壓制和淹沒，以此來增加敵方偵察接收機識別和分辨信號的難度，因此這該脈沖的脈寬要大于真實信號脈沖寬度，并且發(fā)射時間在真實脈沖信號發(fā)射之前。另外，雷達(dá)發(fā)射機在一個周期內(nèi)可以發(fā)射多個不同頻點的脈沖信號。

侯小林［7］等研究了誘導(dǎo)脈沖組合雷達(dá)波形組合原理以及使用誘導(dǎo)波形的代價。誘導(dǎo)脈沖組合波形是一種典型的射頻掩護(hù)信號，誘導(dǎo)脈沖即為虛假射頻掩護(hù)信號，其波形示意圖如圖5 所示。誘導(dǎo)脈沖的寬度τ滿足τ≥300ns，只需要誘導(dǎo)IFM 接收機完成測頻任務(wù)即可，否則誘導(dǎo)脈沖會占用雷達(dá)太多的資源。真實信號脈寬應(yīng)在滿足雷達(dá)探測能力的條件下盡可能地小，否則會造成IFM 接收機的二次捕捉和跟蹤。隨著數(shù)字采樣技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)IFM 接收機采樣量化時間可達(dá)到300ns 左右，誘導(dǎo)脈沖脈寬需減小到300ns，誘導(dǎo)組合信號才能具有更強的載頻隱蔽性。

圖5 誘導(dǎo)組合雷達(dá)波形

3.3 同時到達(dá)信號

丁爽［6］等分析了同時達(dá)到信號對IFM 接收機的影響，提出發(fā)射雷達(dá)信號的同時用連續(xù)波雷達(dá)干擾IFM接收機的方法并在SystemVue軟件平臺上進(jìn)行了仿真實驗。這種方法的本質(zhì)相當(dāng)于設(shè)計了一種特殊情況的射頻掩護(hù)信號，連續(xù)波信號是虛假掩護(hù)信號，發(fā)射的雷達(dá)信號即為真實的信號頻率，與之前射頻掩護(hù)信號不同的是，連續(xù)波信號需一直發(fā)射才能實現(xiàn)真實信號的載頻隱蔽性。實驗仿真結(jié)果表明，當(dāng)連續(xù)波頻率與真實雷達(dá)信號載頻差別越大時，IFM 接收機測頻結(jié)果誤差也越大；當(dāng)連續(xù)波信號的功率與真實雷達(dá)信號功率之比越小時，IFM接收機測頻結(jié)果與真實信號的頻率結(jié)果偏差也越小。這種方法的局限性在于，當(dāng)對相同距離的目標(biāo)進(jìn)行探測時，連續(xù)波掩護(hù)信號需要一直發(fā)射，消耗總功率是原來雷達(dá)功率的兩倍甚至更多，且當(dāng)真實雷達(dá)脈沖信號未發(fā)射時，連續(xù)波掩護(hù)信號的頻率及其他參數(shù)便會被準(zhǔn)確偵測。

3.4 頻率分集信號

頻率分集（Frequency Diverse Array，F(xiàn)DA）主要是指在一個周期內(nèi)，講一個雷達(dá)信號分為發(fā)射時間和頻率上互相錯開的多個高頻脈沖一同發(fā)射，這一概念提出后立即引起了各國科學(xué)家的高度重視［8］。頻率分集技術(shù)有效地提升了雷達(dá)接收機的信雜比，提高了雷達(dá)的抗干擾性能和改善雷達(dá)的可靠性。頻率分集雷達(dá)在對海警戒雷達(dá)和對空警戒雷達(dá)中應(yīng)用廣泛。

圖6 FDA雷達(dá)偵察信號示意圖

如圖6 所示，假設(shè)頻率分集陣列雷達(dá)在一個頻率周期內(nèi)發(fā)射M個頻率差的相同的脈沖串，對于相干FDA 雷達(dá)，不同的天線單元之間發(fā)射的信號之間頻率差比較小，所有信號包絡(luò)幾乎完全相同；對于相關(guān)FDA 雷達(dá)而言，不同天線之間的信號除了存在較小的頻率差外，信號的包絡(luò)也有不同之處［9］。不同信號之間滿足相關(guān)性；正交FDA 雷達(dá)的不同天線之間雷達(dá)信號存在比較小的差異。雷達(dá)信號包絡(luò)具有MIMO雷達(dá)的波形特性。

當(dāng)敵方IFM 偵察接收機偵察到我方脈沖信號時，其截獲的頻率也只是眾多脈沖中的一個，并不是原始要發(fā)射的真實信號的測頻，由于沒有相應(yīng)的雷達(dá)信號處理方法，所以敵方并不能還原出我方的原始信號載頻。當(dāng)脈沖重復(fù)周期內(nèi)多個脈沖串的載頻差較大時，信號載頻隱蔽性效果較好，即便分信號頻率點被截獲，也不影響整個信號的處理。

4 結(jié)語

當(dāng)兩個頻率不同的復(fù)信號按照一定的相位關(guān)系疊加時將產(chǎn)生一個新的復(fù)合信號［10］。IFM 接收機的測頻結(jié)果便是測得的合成信號的合成頻率，而合成頻率與每個信號的頻率都會有一定的頻率差，這就保證了分信號的載頻隱蔽性。選定一個分信號為主信號，則其他信號為副信號，主信號與副信號可以根據(jù)需要切換。調(diào)節(jié)主信號與副信號的功率關(guān)系、相位關(guān)系、調(diào)制方式以及頻率關(guān)系可以有效增加合成信號與主信號的頻率差，提升雷達(dá)信號的載頻隱蔽性能［11～12］。這種合成信號與射頻掩護(hù)信號的區(qū)別是組成和信號的每個信號都是真實信號，沒有虛假信號，避免了雷達(dá)發(fā)射功率的浪費，是未來雷達(dá)信號設(shè)計的主流方向。

單一的簡單的雷達(dá)信號已經(jīng)不能滿足抗偵察與抗干擾的要求，組合信號具有非常大的潛力。組合信號在保留單個信號優(yōu)點的同時，能彌補單個信號的不足，同時在載頻隱蔽性方面具有不可估量的作用。載頻隱蔽性雷達(dá)信號是我方其他雷達(dá)受到干擾后發(fā)射的的一種自我保護(hù)的信號，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。