基于梳狀譜調制和間歇采樣重復轉發(fā)的復合干擾

周勝文, 沙明輝, 胡小春

(北京無線電測量研究所, 北京 100854)

0 引 言

近年來隨著大規(guī)模數(shù)字集成電路在電子對抗領域的廣泛應用,基于數(shù)字射頻存儲(digital radio frequency memory, DRFM)的干擾技術受到越來越多的關注[1-3]。間歇采樣轉發(fā)干擾基于DRFM技術采用收發(fā)分時工作體制,解決了收發(fā)同時工作體制下系統(tǒng)隔離度要求高的難題,同時干擾轉發(fā)的延遲非常小,廣泛應用于小型化干擾裝備的實際工程研制中[4-5]。在間歇采樣轉發(fā)干擾的基礎之上,文獻[6]提出幅度均勻加權疊加的干擾樣式,文獻[7-8]研究了疊加干擾的時序優(yōu)化和干擾效能;文獻[9]分析了間歇采樣重復轉發(fā)干擾(interrupted sampling repetitive repeater jamming, ISRRJ)對脈內頻率編碼信號的干擾效果,文獻[10]針對采用恒虛警處理的雷達提出優(yōu)化ISRRJ參數(shù)的方法,文獻[11]分析ISRRJ對線性調頻信號的欺騙干擾和對相位編碼的壓制干擾。針對均勻間歇采樣導致的假目標幅度遞減問題,文獻[12]提出間歇采樣非均勻重復轉發(fā)干擾(interrupted-sampling and nonuniform periodic repeater jamming, ISNPRJ),總結了干擾參數(shù)的選取步驟并對干擾效果進行分析,文獻[13]提出間歇混沌采樣的干擾方法,文獻[14]針對相位編碼雷達提出預測轉發(fā)的干擾方法,相比直接轉發(fā)和重復轉發(fā)有更好效果。間歇采樣在合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)和逆SAR(inverse SAR,ISAR)的干擾領域也有廣泛應用,文獻[15-21]研究了通過間歇采樣干擾形成ISAR圖像欺騙的方法,文獻[22-24]則將間歇采樣干擾的思想應用于SAR欺騙干擾。結合不同干擾樣式的優(yōu)點開展復合干擾樣式的研究是另一個重要的研究方向,文獻[25]提出基于靈巧噪聲卷積調制和ISRRJ的復合干擾方法,文獻[26]提出基于頻移干擾和ISNPRJ的復合干擾方法,復合干擾相比單一干擾樣式具有更高干擾效能。

梳狀譜調制干擾(comb spectrum modulation jamming, CSMJ) 本質上是一種多分量的頻移干擾,被廣泛用于欺騙干擾[27]和壓制干擾[28],但是當梳狀譜的數(shù)量較少時,CSMJ形成的稀疏假目標容易被雷達采用各種抗干擾技術識別出來并被剔除掉[29-35]。本文提出基于CSMJ和ISRRJ的復合干擾方法,通過梳狀譜調制參數(shù)控制假目標的分布范圍,利用間歇采樣重復轉發(fā)特性使假目標的個數(shù)倍增。新方法通過調節(jié)復合干擾參數(shù)控制字,能夠產生幅度均勻分布的密集假目標群,具有良好的欺騙兼壓制干擾效果。

1 CSMJ

設雷達發(fā)射時寬為T,帶寬為B的線性調頻(linear frequency modulation, LFM)脈沖信號,其信號形式如下:

(1)

式中:f0為載頻;rect (·)為矩形函數(shù);μ為調頻斜率且μ=B/T。

梳狀譜信號是M+1個單頻連續(xù)波的加權和,其信號形式如下:

(2)

式中:am為第m+1個信號的幅度;fm為第m+1個信號的頻率。

CSMJ制干擾是將截獲的雷達信號x(t)與梳狀譜信號進行時域乘積調制從而產生相參欺騙干擾,梳狀譜干擾Jcomb(t)為

(3)

雷達脈沖壓縮匹配濾波器的單位沖擊響應為h(t)=x*(-t),則干擾信號經過匹配濾波器后輸出為

(4)

式中:*為卷積運算;F(t,am,fm)為干擾輸出的第m個分量,其信號形式為

(5)

式中:sinc(x)=sin(πx)/πx為辛克函數(shù)。

由式(5)可知,CSMJ經LFM雷達脈沖壓縮處理后其輸出為多個單頻震蕩,其包絡為M+1個sinc 函數(shù)的加權和。當fm>0時, 第m個分量的脈壓峰值將在真實目標回波脈壓峰值之前出現(xiàn),形成前置性干擾效果。當雷達信號調頻斜率一定時,CSMJ信號經脈沖壓縮處理后形成的多個假目標峰值點位置與梳狀譜各個頻率點的頻率值成正比,假目標間隔與梳狀譜相鄰譜線頻率差成正比。通過設置梳狀譜頻率數(shù)量和頻率值,可產生不同分布的假目標。

CSMJ在脈沖壓縮處理后形成的假目標時間間隔為(fm+1-fm)/μ,換算為距離間隔為ΔR(fm+1-fm)T,ΔR為LFM脈沖壓縮雷達的距離分辨率,即ΔR=c/2B,c為光速。當假目標間隔小于雷達距離分辨率時,即(fm+1-fm)T≤1,則梳狀譜干擾為密集假目標壓制干擾。

若假目標保持相同間隔,間隔為若干個雷達分辨單元且假目標均分布在真實目標之前,則

fm=mΔf

(6)

式中:Δf=L/T為頻率間隔,L為假目標間距控制字。由|fm|

(7)

2 ISRRJ

間歇采樣干擾是指接收到雷達信號后只采樣較短的時間就進行處理轉發(fā),然后再繼續(xù)采樣后續(xù)脈沖并處理轉發(fā),采樣和轉發(fā)的過程分時交替進行。

間歇采樣脈沖p(t)是一個脈寬為τ,重復周期為Ts的矩形包絡脈沖串,可表示為

(8)

式中:δ為單位沖激函數(shù),對采樣脈沖p(t)進行傅里葉級數(shù)展開可得

(9)

式中:fs=1/Ts;b0=τfs;bn=τfssinc(nfsτ)。對截獲雷達信號進行采樣處理,即與間歇采樣信號相乘,則間歇采樣轉發(fā)干擾信號為

(10)

如果真實目標的回波通過匹配濾波器的響應為y(t)=x(t)*h(t),由式(5)可知干擾信號經過匹配濾波器的輸出為

(11)

間歇干擾信號所產生的假目標包含兩部分:零階假目標和高階假目標,高階假目標幅度逐漸減少且對稱分布在零階假目標兩側[4-5],根據(jù)線性調頻信號的時頻耦合關系,脈沖壓縮后假目標的距離間隔為fsTΔR。

當采樣一次重復轉發(fā)K次時,干擾信號為

(12)

其匹配濾波輸出為

(13)

間歇采樣重復轉發(fā)K次時各假目標幅度bn=sinc(n/(K+1)/(K+1)。如果假目標回波功率大于真實目標功率判定為有效假目標,則K次重復轉發(fā)干擾的假目標總數(shù)為

(14)

其中xn為

(15)

式中:JSR為干信比,表示干擾信號功率和目標回波的功率比值。不同重復轉發(fā)次數(shù)的條件下假目標個數(shù)與JSR的關系如圖1所示,由圖1可知,假目標個數(shù)受到干信比的制約,不能單純靠增大重復轉發(fā)次數(shù)來增加假目標個數(shù),實際應用中應結合干擾功率選擇合適的重復轉發(fā)次數(shù)。

圖1 不同轉發(fā)次數(shù)下JSR和假目標數(shù)量關系Fig.1 Relationship between JSR and false targets amount with different repetitive times

3 復合干擾

由第1節(jié)可知,梳狀譜干擾能夠形成數(shù)量、幅度、間隔可控的多假目標,但是假目標數(shù)量與間隔控制字的乘積受到脈沖壓縮增益的約束;由第2節(jié)可知,間歇采樣干擾形成的假目標群的幅度隨著距離散布的擴大按照sinc函數(shù)遞減,并且隨著重復轉發(fā)次數(shù)K的增加進一步降低。

因此,將梳狀譜調制和間歇采樣重復轉發(fā)結合起來形成新的復合干擾樣式,可以充分利用不同樣式的優(yōu)點,為產生幅度分布均勻的密集假目標群提供一種可能。

設復合干擾信號為J(t),其信號形式為

(16)

根據(jù)式(5)和式(13),干擾信號經過脈沖壓縮處理后表示為

(17)

由式(17)可知,復合干擾方法可形成K組假目標群,各假目標群之間的間距為BτΔR。每組假目標群又包括兩個部分,第1部分以梳狀譜干擾為主假目標群,假目標的數(shù)量和間隔可通過梳狀譜函數(shù)的控制參數(shù)進行調節(jié),假目標幅度較大,假目標個數(shù)較少;第2部分為分布在主假目標左右兩側的次假目標群,該部分假目標的幅度隨著遠離主假目標減小,假目標個數(shù)較多。

當梳狀譜形成的假目標群的總距離大于重復轉發(fā)形成的假目標間距時,即

Bτ≤ML≤BT

(18)

復合干擾可形成掩護區(qū)間較寬的密集假目標,反之,轉發(fā)的假目標群之間出現(xiàn)較大縫隙,不利于掩護真實目標。

當梳狀譜調制形成的假目標間距大于間歇采樣假目標的間距時,LΔR>fsTΔR,即

L(K+1)τ≥T

(19)

間歇采樣形成的次假目標群可以分布在梳狀譜調制形成的距離區(qū)間,此時干擾能量集中。

根據(jù)雷達信號時寬、帶寬、間歇采樣脈寬和干信比選取復合干擾的控制參數(shù)M、L、K的步驟如下:

(1) 重復轉發(fā)次數(shù)一般選擇1～4,JSR較大時可選擇較大K值;

(2) 受干擾響應時間的限制同時考慮工程應用中開關切換時間,間歇采樣脈寬τ一般選擇為若干微秒;

(3) 根據(jù)式(19)選擇梳狀譜間距控制字L;

(4) 根據(jù)式(18)選擇梳狀譜個數(shù)控制字M。

當干擾控制參數(shù)滿足上述條件時,新的復合干擾方法能夠形成一定距離區(qū)間上幅度均勻分布的密集假目標群。

4 仿真分析

針對新的復合干擾方法的控制參數(shù)選取問題,設計仿真實驗進行對比分析,用于證明理論分析的正確性。

4.1 CSMJ仿真分析

仿真參數(shù)設置如下:雷達信號脈沖寬度T=10 μs,帶寬B=10 MHz;CSMJ干信比JSR=20 dB。仿真結果如圖2所示。

圖2 不同參數(shù)條件下CSMJ干擾效果對比圖Fig.2 Contrast diagram of jamming effect using CSMJ with different parameters

從圖2可以看出,梳狀譜調制干擾形成的假目標個數(shù)分別為11、4、5、5,假目標間隔分別為60 m、150 m、300 m、300 m;假目標個數(shù)和間隔與理論相符。對比圖2(a)和圖2(b)可知,假目標個數(shù)越多,干擾輸出幅度越小。對比圖2(b)和圖2(d)可知,M、L越大,假目標覆蓋范圍越寬,假目標幅度的衰減也增大,需要利用式(7)進行幅度校正。

4.2 ISRRJ仿真分析

仿真參數(shù)設置如下:雷達信號脈沖寬度T=100 μs,帶寬B=50 MHz; ISRRJ干信比JSR=20 dB。仿真結果如圖3所示。

對比圖3(a)和圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)可以看出，相同參數(shù)條件下增大重復轉發(fā)次數(shù)K可以增加假目標個數(shù)，但是假目標干擾能量降低。對比圖3(a)和圖3(c)～圖3(d)可以看出，相同參數(shù)條件下，增加間歇采樣寬度，假目標間隔減少，假目標越密集。

4.3 復合干擾仿真分析

4.3.1 不同重復轉發(fā)次數(shù)仿真分析

仿真參數(shù)設置如下:雷達信號脈沖寬度T=100 μs,帶寬B=50 MHz;復合干擾干信比JSR=20 dB,采樣脈寬τ=2 μs。仿真結果如圖4所示。

對比圖4(a)和圖4(b)可以看出,在其他參數(shù)相同的條件下,增加轉發(fā)次數(shù)可以擴大假目標距離覆蓋區(qū)間,但是假目標幅度減小;對比圖4(b)和圖4(d)可知,增大梳狀譜間隔,可以改善間歇采樣造成的能量分散;當ML

4.3.2 不同采樣脈寬仿真分析

仿真參數(shù)設置如下:雷達信號脈沖寬度T=100 μs,帶寬B=50 MHz;復合干擾,干信比JSR=20 dB,重復轉發(fā)次數(shù)K=3。仿真結果如圖5所示。對比圖5(a)和圖5(b)可以看出,采樣脈沖寬度增加可以擴大假目標距離覆蓋區(qū)間,但是假目標覆蓋空隙變大,總的有效覆蓋范圍不變;對比圖5(b)和圖5(d)可知,增大梳狀譜間隔,雖然干擾幅度降低,但是有效覆蓋范圍增加。

5 結 論

本文提出一種基于CSMJ和ISRRJ的復合干擾方法,通過對CSMJ的仿真分析,推導出幅度校正公式以及假目標個數(shù)與間隔控制字的約束關系;通過對ISRRJ的仿真分析,給出假目標個數(shù)、干信比、重復轉發(fā)次數(shù)的關系。針對復合干擾形成的密集假目標的特性,給出復合干擾參數(shù)控制字的選擇步驟,并進行干擾效果仿真分析。理論分析和仿真結果表明,新方法不僅能夠形成幅度均勻分布的密集假目標群,而且參數(shù)控制簡便,下一步將開展具體工程應用工作。