對(duì)頻率步進(jìn)毫米波導(dǎo)引頭干擾技術(shù)研究

項(xiàng)正山

(桂林長(zhǎng)海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541001)

0 引言

毫米波器件技術(shù)突破和毫米波器件成本逐漸降低，使得毫米波技術(shù)得到快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，其中，毫米波精確制導(dǎo)是毫米波技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方向，相對(duì)于紅外和光學(xué)波段，毫米波適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和惡劣氣象條件能力更強(qiáng)；相對(duì)于微波波段，毫米波結(jié)構(gòu)尺寸小，易實(shí)現(xiàn)超大帶寬、系統(tǒng)復(fù)雜性低、易于工程實(shí)現(xiàn)[1-2]，具有分辨率高和抗有源、無(wú)源干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，安裝有毫米波制導(dǎo)的精確制導(dǎo)武器具有全天候的作戰(zhàn)能力[3-4]。

現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，毫米波電子對(duì)抗技術(shù)已引起世界各國(guó)的重視[5]，毫米波制導(dǎo)對(duì)抗包括有源對(duì)抗和無(wú)源對(duì)抗兩種手段，無(wú)源對(duì)抗技術(shù)研究相對(duì)較多，產(chǎn)品應(yīng)用也較為成熟[6]。在頻率步進(jìn)導(dǎo)引頭(或雷達(dá))一維成像干擾研究方面，2010 年，張宏偉等人[7]給出了頻率步進(jìn)毫米波導(dǎo)引頭的一維成像定性干擾技術(shù)研究，2016 年，譚銘等人[1]開(kāi)展了頻率步進(jìn)雷達(dá)一維成像的干擾技術(shù)研究，并給出了干擾效能分析。在頻率步進(jìn)毫米波導(dǎo)引頭二維成像干擾方面研究較少，因此，研究對(duì)毫米波導(dǎo)引頭二維成像干擾技術(shù)是十分必要的。

本文系統(tǒng)分析了頻率步進(jìn)毫米波導(dǎo)引頭二維成像的工作原理，在構(gòu)建毫米波導(dǎo)引頭對(duì)地探測(cè)幾何模型和二維成像處理模型基礎(chǔ)上，基于瞄頻非相參干擾和數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(Digital Radio Frequency Memory，DRFM)技術(shù)相參干擾技術(shù)，對(duì)頻率步進(jìn)毫米波導(dǎo)引頭成像性能進(jìn)行了仿真，對(duì)干擾效果進(jìn)行了系統(tǒng)全面分析，并提出逆增益和有源干擾的復(fù)合干擾策略，此方法可有效規(guī)避導(dǎo)引頭跟蹤干擾強(qiáng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)干擾源自身防護(hù)，是對(duì)抗步進(jìn)頻毫米波導(dǎo)引頭的一個(gè)有效干擾方法。利用DRFM 技術(shù)產(chǎn)生的相參干擾能通過(guò)雷達(dá)的相關(guān)處理，獲得更高的增益，提高了干擾利用效率[8-12]。

1 頻率步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)二維成像工作原理

毫米波精確制導(dǎo)武器在對(duì)地目標(biāo)實(shí)施精確打擊主要包括目標(biāo)搜索、目標(biāo)檢測(cè)(或截獲)、目標(biāo)跟蹤和尋的三個(gè)步驟。毫米波精確制導(dǎo)武器對(duì)地實(shí)施精確打擊過(guò)程示意圖如圖1 所示[13-14]。

圖1 毫米波精確制導(dǎo)武器對(duì)地實(shí)施精確打擊過(guò)程示意圖

毫米波導(dǎo)引頭在建立目標(biāo)跟蹤和尋的之前，導(dǎo)引頭通常對(duì)給定空域(方位、俯仰、距離等)范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)搜索。當(dāng)毫米波導(dǎo)引頭檢測(cè)分辨單元(天線波束、距離波門(mén)、速度門(mén)等)搜索到目標(biāo)并且目標(biāo)回波能量超過(guò)導(dǎo)引頭設(shè)定的檢測(cè)門(mén)限時(shí)，稱目標(biāo)被“截獲”。

獲取一維或二維地面目標(biāo)成像是毫米波導(dǎo)引頭對(duì)地目標(biāo)實(shí)施精確打擊的前提，利用Chirp-z 處理步進(jìn)頻率信號(hào)可以改善距離分辨性能[15]，因此，在體積、重量等受限條件下，毫米波導(dǎo)引頭為實(shí)現(xiàn)對(duì)地目標(biāo)的成像，通常采用步進(jìn)頻信號(hào)工作方式，步進(jìn)頻發(fā)射信號(hào)示意圖如圖2 所示。

圖2 步進(jìn)頻發(fā)射信號(hào)示意圖

導(dǎo)引頭一個(gè)積累周期內(nèi)的頻率步進(jìn)信號(hào)可表示為：

其中，τ 是脈沖寬度，T 是脈沖重復(fù)周期，Tp是相同頻率脈沖重復(fù)周期，f0是基頻，Δf 是頻率步進(jìn)間隔，n 是頻率步進(jìn)數(shù)，m 是積累周期內(nèi)相同頻率重復(fù)次數(shù)，θi是相對(duì)相位，ci是常數(shù)。脈沖寬度τ 與頻率步進(jìn)間隔Δf 滿足τ≤1/Δf[16]。

導(dǎo)引頭信號(hào)處理系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 導(dǎo)引頭信號(hào)處理系統(tǒng)框圖

假設(shè)地面靜止目標(biāo)距離導(dǎo)引頭起始距離為R0(時(shí)間t=0 對(duì)應(yīng)的距離)，徑向速度為v，光速為c，目標(biāo)的回波信號(hào)可表示為：

其中，目標(biāo)回波延遲時(shí)間為：

回波信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻后得基帶正交信號(hào)：

其中，Ai為常數(shù)，tr為一維距離像起始距離對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲。

同頻脈沖回波采樣進(jìn)行處理可得到目標(biāo)的速度信息，不同頻率連續(xù)脈沖回波采樣可得到目標(biāo)的距離信息。其中導(dǎo)引頭運(yùn)動(dòng)引起相目標(biāo)回波相位變化。

對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償：

補(bǔ)償后的回波信號(hào)為：

由于脈沖載頻不同，n 個(gè)頻率對(duì)應(yīng)不同的目標(biāo)多普勒頻率，采用NDFT，將n 個(gè)載頻的速度門(mén)都對(duì)應(yīng)到基頻上。

2 毫米波導(dǎo)引頭對(duì)地探測(cè)建模

毫米波導(dǎo)引頭為實(shí)現(xiàn)對(duì)地探測(cè)，其在搜索與截獲階段通常采用下斜視方式進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域探測(cè)，毫米波導(dǎo)引頭對(duì)地探測(cè)幾何關(guān)系如圖4 所示。

圖4 毫米波導(dǎo)引頭對(duì)地探測(cè)幾何關(guān)系

導(dǎo)彈飛行方向?yàn)榉轿坏?°角，v 為導(dǎo)彈飛行速度，H為導(dǎo)彈高度，Ψ 為天線軸線與導(dǎo)彈飛行速度方向之間夾角，θ 為天線波束法線方位角，ε 為天線波束俯仰角，R為目標(biāo)斜距，θ3dB為天線主波束寬度。

3 非相參干擾仿真

3.1 仿真條件

毫米波導(dǎo)引頭平臺(tái)仿真條件如下：導(dǎo)彈飛行速度v=200 m/s，導(dǎo)彈飛行高度H=200 m，天線波束方位角θ=20°，天線波束俯仰角ε=8°，導(dǎo)引頭距離干擾源距離R=2.91 km，天線波束寬度θ3dB=3.2°。

毫米波導(dǎo)引頭工作起始頻率f0=35.5 GHz，頻率步進(jìn)間隔Δf=5 MHz，頻率步進(jìn)數(shù)n=128，脈沖寬度τ=200 ns，脈沖重復(fù)頻率PRF=31 kHz，相同頻率脈沖重復(fù)周期Tp=3 200 μs，積累周期內(nèi)相同頻率重復(fù)次數(shù)m=32。

假設(shè)地面存在三個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)目標(biāo)，目標(biāo)l 距離導(dǎo)引頭初始距離R0=3 002，相對(duì)導(dǎo)引頭飛行方向夾角19.05°；目標(biāo)2 距離導(dǎo)引頭初始距離R1=3 028，相對(duì)導(dǎo)引頭飛行方向方位夾角21.35°；目標(biāo)3 距離導(dǎo)引頭初始距離R2=3 052，相對(duì)導(dǎo)引頭飛行方向方位夾角20.15°。

3.2 無(wú)干擾導(dǎo)引頭二維成像

假設(shè)點(diǎn)目標(biāo)回波強(qiáng)度為1，背景噪聲點(diǎn)頻為-20 dB，毫米波引信導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像如圖5 所示。

圖5 毫米波導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像

3.3 點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾

干擾源根據(jù)測(cè)頻接收機(jī)測(cè)頻結(jié)果自產(chǎn)生連續(xù)波干擾信號(hào)，干信比J/S 分別取10 dB 和20 dB，測(cè)頻最大誤差Δfmax為2 MHz 和1 MHz 時(shí)，且最大測(cè)頻誤差小于導(dǎo)引頭的接收機(jī)帶寬一半，即干擾信號(hào)能夠全部進(jìn)入導(dǎo)引頭接收機(jī)，點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(Δfmax=2 MHz)和點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(Δfmax=1 MHz)分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(Δfmax =2 MHz)

假設(shè)測(cè)頻接收機(jī)測(cè)頻結(jié)果不存在誤差，依此產(chǎn)生點(diǎn)頻連續(xù)波干擾信號(hào)，干信比J/S 分別10 dB 和20 dB，點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(精準(zhǔn)瞄頻)如圖8所示。

干信比J/S 分別取10 dB、20 dB 和26 dB，測(cè)頻最大誤差為1 MHz 時(shí)，且最大測(cè)頻誤差小于導(dǎo)引頭的接收機(jī)帶寬一半，即干擾信號(hào)能夠全部進(jìn)入導(dǎo)引頭接收機(jī)，導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(Δfmax=1 MHz)如圖9 所示。

圖7 點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(Δfmax =1 MHz)

圖8 點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(精準(zhǔn)瞄頻)

仿真結(jié)果表明，點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾時(shí)，干擾信號(hào)頻率精度能夠保證全部進(jìn)入導(dǎo)引頭接收機(jī)情況下，干擾信號(hào)頻率精度與干擾效果關(guān)系不大，波束內(nèi)干擾時(shí)，干信比J/S為20 dB 左右，點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾產(chǎn)生的隨機(jī)假目標(biāo)與導(dǎo)引頭波束覆蓋范圍內(nèi)的目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)，干信比J/S為26 dB 左右，點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾產(chǎn)生的隨機(jī)假目標(biāo)覆蓋導(dǎo)引頭波束覆蓋范圍內(nèi)的目標(biāo)回波信號(hào)，波束外干擾時(shí)，在目標(biāo)回波功率一定的情況下，干擾源增加功率倍數(shù)與毫米波導(dǎo)引頭天線主副瓣增益相同時(shí)，波束內(nèi)干擾與波束外干擾效果相當(dāng)。

圖9 導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(Δfmax =1 MHz)

3.4 調(diào)頻噪聲干擾

干擾源根據(jù)測(cè)頻接收機(jī)測(cè)頻結(jié)果自產(chǎn)生窄帶調(diào)頻干擾信號(hào)，測(cè)頻最大誤差Δfmax=2 MHz，基帶調(diào)頻噪聲信號(hào)帶寬ΔBW=4 MHz，且噪聲調(diào)頻信號(hào)能夠全部進(jìn)入導(dǎo)引頭接收機(jī)，干信比J/S 為10 dB，窄帶噪聲干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(ΔBW=4 MHz)如圖10 所示。

圖10 窄帶噪聲干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(ΔBW=4 MHz)

干擾源根據(jù)測(cè)頻接收機(jī)測(cè)頻結(jié)果自產(chǎn)生窄帶調(diào)頻干擾信號(hào)，測(cè)頻最大誤差Δfmax=1 MHz，基帶調(diào)頻噪聲信號(hào)帶寬ΔBW=2 MHz，且噪聲調(diào)頻信號(hào)能夠全部進(jìn)入導(dǎo)引頭接收機(jī)，干信比J/S 為10 dB，窄帶噪聲干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(ΔBW=2 MHz)如圖11 所示。

圖11 窄帶噪聲干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(ΔBW=2 MHz)

仿真結(jié)果表明，噪聲調(diào)頻干擾時(shí)，噪聲調(diào)頻信號(hào)能夠全部進(jìn)入導(dǎo)引頭接收機(jī)情況下，干擾信號(hào)帶寬與干擾效果關(guān)系不大，且噪聲調(diào)頻干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果與點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果相當(dāng)。

4 相參干擾仿真

4.1 仿真條件

仿真條件同3.1。

4.2 延遲多抽頭轉(zhuǎn)發(fā)干擾

4.2.1 波束內(nèi)干擾

假設(shè)干擾源相對(duì)導(dǎo)引頭飛行方向方位夾角19.05°，延遲抽頭數(shù)4，假設(shè)導(dǎo)引頭接收機(jī)接收的單個(gè)假目標(biāo)回波功率與真實(shí)目標(biāo)回波功率相同，且假目標(biāo)均分干擾源輸出功率，則干信比J/S 為6 dB。延遲多抽頭干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(波束內(nèi)干信)如圖12 所示。

圖12 延遲多抽頭干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(波束內(nèi)干擾)

4.2.2 波束外干擾

假設(shè)干擾源相對(duì)導(dǎo)引頭飛行方向方位夾角分別為16°和25°，延遲抽頭數(shù)4，假設(shè)導(dǎo)引頭接收機(jī)接收的單個(gè)假目標(biāo)回波功率與真實(shí)目標(biāo)回波功率相同，且假目標(biāo)均分干擾源輸出功率，干信比J/S 為6 dB。延遲多抽頭干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(波束外16°干信)如圖13 所示，延遲多抽頭干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(波束外25°干信)如圖14 所示，導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(波束外25°干信)如圖15 所示。

圖13 延遲多抽頭干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(波束外16°干信)

仿真結(jié)果表明，延遲多抽頭轉(zhuǎn)發(fā)干擾，不論干擾源是否位于導(dǎo)引頭天線波束照射的范圍內(nèi)，干擾信號(hào)都能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的距離假目標(biāo)，導(dǎo)引頭波束掃描成像過(guò)程中，干擾源能夠在導(dǎo)引頭波束掃描的覆蓋范圍內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生方位假目標(biāo)，從而對(duì)導(dǎo)引頭產(chǎn)生距離+方位假目標(biāo)的效果。

4.3 延遲多抽頭+相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾

根據(jù)4.2 仿真結(jié)果可以，波束內(nèi)干擾與波束外干擾產(chǎn)生的干擾效果類似，因此，延遲多抽頭+相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾只仿真波束內(nèi)干擾。

圖14 延遲多抽頭干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(波束外25°干信)

圖15 導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(波束外25°干信)

假設(shè)干擾源相對(duì)導(dǎo)引頭飛行方向方位夾角20.5°，延遲抽頭數(shù)4，假設(shè)導(dǎo)引頭接收機(jī)接收的單個(gè)假目標(biāo)回波功率與真實(shí)目標(biāo)回波功率相同，且假目標(biāo)均分干擾源輸出功率，則干信比J/S 為6 dB，同時(shí)進(jìn)行不同距離維度的相位調(diào)制，形成不同距離段的掩蓋區(qū)域。

小距離段相位調(diào)制，延遲多抽頭+相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(小距離段掩蓋)如圖16 所示，導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(小距離段掩蓋)如圖17 所示。

圖16 延遲多抽頭+相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(小距離段掩蓋)

圖17 導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(小距離段掩蓋)

長(zhǎng)小距離段相位調(diào)制，延遲多抽頭+相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(長(zhǎng)距離段掩蓋)如圖18 所示，導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(長(zhǎng)距離段掩蓋)如圖19 所示。

圖18 延遲多抽頭十相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)引導(dǎo)頭干擾效果(長(zhǎng)距離段掩蓋)

圖19 導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像(長(zhǎng)距離段掩蓋)

假設(shè)干擾源相對(duì)導(dǎo)引頭飛行方向方位夾角20.5°，延遲抽頭數(shù)4，假設(shè)導(dǎo)引頭接收機(jī)接收的單個(gè)假目標(biāo)回波功率是真實(shí)目標(biāo)回波功率2 倍，且假目標(biāo)均分干擾源輸出功率，則干信比J/S 為12 dB，同時(shí)進(jìn)行不同距離維度的相位調(diào)制，形成不同距離段的掩蓋區(qū)域。

小距離段相位調(diào)制，延遲多抽頭+相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(小距離段掩蓋)如圖20 所示，導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(小距離段掩蓋)如圖21 所示。

圖20 延遲多抽頭+相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(小距離段掩蓋)

圖21 導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(小距離段掩蓋)

長(zhǎng)小距離段相位調(diào)制，延遲多抽頭+相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)導(dǎo)引頭干擾效果(長(zhǎng)距離段掩蓋)如圖22 所示，導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像效果(長(zhǎng)距離段掩蓋)如圖23所示。

圖22 延遲多抽頭十相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)引導(dǎo)頭干擾效果(長(zhǎng)距離段掩蓋)

圖23 導(dǎo)引頭對(duì)地二維成像(長(zhǎng)距離段掩蓋)

仿真結(jié)果表明，延遲多抽頭轉(zhuǎn)發(fā)+相位調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾，干擾信號(hào)都能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的距離假目標(biāo)，單個(gè)假目標(biāo)掩蓋距離越長(zhǎng)，則假目標(biāo)信號(hào)峰值能量越弱，在干擾調(diào)制參數(shù)不變情況下，假目標(biāo)功率峰值與干信比成正比，且導(dǎo)引頭波束掃描成像過(guò)程中，干擾源能夠在導(dǎo)引頭波束掃描的覆蓋范圍內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生方位假目標(biāo)，從而對(duì)導(dǎo)引頭產(chǎn)生距離+方位假目標(biāo)的效果。

5 干擾分析

通過(guò)以上干擾仿真，可以得出以下結(jié)論：

(1)不論干擾源是否位于導(dǎo)引頭波束覆蓋范圍，非相參干擾和相參干擾都能夠?qū)?dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)干擾，且目標(biāo)回波功率一定的情況下，分別位于副瓣區(qū)、主瓣區(qū)的干擾源干擾功率比與導(dǎo)引頭天線主副瓣比相當(dāng)時(shí)，同一種干擾樣式的干擾效果相同。

(2)點(diǎn)頻瞄準(zhǔn)和窄帶噪聲調(diào)頻干擾獲取的干擾效果相當(dāng)，對(duì)導(dǎo)引頭形成一種干擾壓制的效果，當(dāng)干信比達(dá)到23 dB 左右時(shí)，干擾源可以對(duì)導(dǎo)引頭波束覆蓋范圍內(nèi)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有效遮蓋干擾。

(3)延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾和延遲轉(zhuǎn)發(fā)+相位調(diào)制干擾可獲取峰值功率較強(qiáng)的假目標(biāo)，單個(gè)假目標(biāo)功率峰值隨掩護(hù)距離增加而減弱，通常干信比J/S 為10 dB 左右，假目標(biāo)峰值功率與目標(biāo)回波功率相當(dāng)。

(4)不論是相參干擾還是非相參干擾，需采用逆增益進(jìn)行干擾，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭波束掃描過(guò)程中不產(chǎn)生強(qiáng)功率假目標(biāo)，從而保障干擾源的安全。

6 結(jié)論

通過(guò)理論分析與建模仿真，針對(duì)頻率步進(jìn)毫米波導(dǎo)引頭，非相參干擾時(shí)，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭波束覆蓋范圍內(nèi)成像干擾，干擾能量分散；相參干擾時(shí)，合理延遲多抽頭及相位調(diào)制，產(chǎn)生的假目標(biāo)功率強(qiáng)度更為集中，與非相參干擾相比，獲取同樣的假目標(biāo)功率峰值，其干信比較低，同時(shí)逆增益干擾可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭波束掃描過(guò)程中，不產(chǎn)生強(qiáng)功率假目標(biāo)，從而保障干擾源的安全，因此，逆增益和有源干擾的復(fù)合干擾策略是對(duì)抗頻率步進(jìn)毫米波導(dǎo)引頭的一種有效方法。