寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾性能分析?

朱 平

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225001）

1 引言

壓制噪聲干擾是通過產(chǎn)生大功率噪聲或類噪聲干擾信號(hào)，提高雷達(dá)接收機(jī)的噪聲電平，以此遮蓋有用目標(biāo)回波信號(hào)，從而干擾雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測，降低雷達(dá)探測能力［1］。在這其中噪聲調(diào)頻干擾具有電路設(shè)計(jì)簡單、易實(shí)現(xiàn)大帶寬、干擾效率高等特點(diǎn)，因此成為目前雷達(dá)對(duì)抗中比較常見的干擾樣式。

寬限窄電路是一種常用抗干擾措施，最早應(yīng)用于通信接收機(jī)，用于抗高電平窄脈沖干擾，其在抗噪聲調(diào)頻干擾方面也具有良好的效果［2］。本文詳細(xì)分析了寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾的原理，并推導(dǎo)出其相對(duì)傳統(tǒng)脈沖壓縮雷達(dá)的抗干擾得益計(jì)算公式，通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 噪聲調(diào)頻干擾信號(hào)仿真及性能分析

噪聲調(diào)頻干擾即已調(diào)波的頻率按照噪聲調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化而振幅保持不變的調(diào)制過程，模型建立如式（1）。

式中：Uj為噪聲調(diào)頻干擾信號(hào)幅度；kfm為噪聲頻率調(diào)制系數(shù)；Un(t)為零均值、廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程的調(diào)制噪聲，φ(t)為[0 ， 2π]上的均勻分布，且與Un(t)獨(dú)立的隨機(jī)變量；fj為噪聲調(diào)頻信號(hào)的中心頻率［1］。噪聲調(diào)頻干擾信號(hào)的頻譜和帶寬決定于有效調(diào)頻指數(shù)，表達(dá)式為

式中kfm為式（1）中的噪聲頻率調(diào)制系數(shù)，σn為噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，Δfn為調(diào)制噪聲的帶寬。令fde=kfmσn，當(dāng)mfe＞＞1時(shí)，噪聲調(diào)頻信號(hào)的干擾帶寬可表示為，此時(shí)干擾帶寬與噪聲調(diào)制帶寬Δfn無關(guān)，而決定于調(diào)制噪聲功率和調(diào)頻斜率。因此噪聲調(diào)頻更容易產(chǎn)生寬帶的壓制性阻塞干擾信號(hào)［3］。

噪聲調(diào)頻干擾信號(hào)仿真設(shè)置參數(shù)：采樣頻率fs=800MHz，中心頻率f0=200MHz，調(diào)頻斜率kfm=36×106Hz/V，噪聲標(biāo)準(zhǔn)差σn=1。時(shí)域、頻域仿真波形如圖1。

圖1 噪聲調(diào)頻干擾信號(hào)時(shí)域波形圖和頻譜圖

根據(jù)圖1仿真結(jié)果，噪聲調(diào)頻干擾信號(hào)3dB帶寬為85.36MHz，與理論計(jì)算值接近。

3 寬限窄電路模型及抗噪聲調(diào)頻干擾原理

寬限窄電路是在寬帶中放后級(jí)聯(lián)限幅器和窄帶中放形成的電路，寬限窄電路綜合利用了頻域和時(shí)域抗干擾原理，采用多次“整削”噪聲調(diào)頻干擾的能量，同時(shí)保護(hù)有用信號(hào)能量不受損失，以達(dá)到有效改善信干比的目的，成為雷達(dá)對(duì)抗寬帶噪聲調(diào)頻干擾的一種有效抗干擾技術(shù)［4～6］。

為便于后續(xù)表述，這里將寬限窄電路后級(jí)聯(lián)脈沖壓縮結(jié)合在一起分析。如圖2所示。圖中Vj，Bj分別為輸入干擾信號(hào)的幅度和帶寬；Vs，Bs分別為輸入目標(biāo)回波信號(hào)的幅度和帶寬；f0，Bwid為寬帶濾波器的中心頻率和帶寬；f0，Bnar為窄帶濾波器的中心頻率和帶寬，在常規(guī)脈沖壓縮體制雷達(dá)中通常在窄帶濾波器后級(jí)聯(lián)脈沖壓縮進(jìn)一步提高信噪比［7］。

圖2 寬限窄電路實(shí)現(xiàn)原理框圖

當(dāng)使用寬限窄電路對(duì)抗寬帶噪聲調(diào)頻信號(hào)時(shí)，需滿足以下條件：

式（3）中Bn即為式（2）中的調(diào)制噪聲待寬Δfn，在此處為表述一致性，采用Bn表示。寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾各級(jí)波形示意圖如圖3所示。

圖3（a）所示為包括雷達(dá)目標(biāo)回波Vs和噪聲調(diào)頻干擾信號(hào)Vj的輸入信號(hào)，其中Vj＞＞Vs；圖3（b）所示為信號(hào)經(jīng)過寬限窄電路之后的時(shí)域和頻域波形，由于寬帶濾波器帶寬Bwid比回波信號(hào)帶寬Bs寬，因此目標(biāo)回波能夠無失真的通過濾波器，而寬帶濾波器帶寬之外的干擾則被濾除，形成寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾的第一次有效得益，此時(shí)干擾信號(hào)輸出表現(xiàn)為一串幅度相等、調(diào)頻帶寬相等、脈寬不等、脈寬間隔不等的調(diào)頻脈沖串［8～10］。

圖3（c）所示為信號(hào)經(jīng)過限幅器之后的時(shí)域和頻域波形，由于干擾信號(hào)幅度Vj遠(yuǎn)大于信號(hào)幅度Vs，假設(shè)限幅器限幅電平VL=Vs1，則經(jīng)過限幅器后干擾信號(hào)幅度被大大削減，而目標(biāo)信號(hào)幅度受影響較小，形成寬限窄電路抗寬帶噪聲調(diào)頻干擾的第二次有效得益。

圖3（d）所示為經(jīng)過窄帶濾波后的信號(hào)，窄帶濾波器帶寬通常設(shè)置為雷達(dá)信號(hào)帶寬，信號(hào)可以不失真的通過，而濾波器帶外的干擾則被濾除。圖3（e）所示為經(jīng)過脈沖壓縮后的信號(hào)，目標(biāo)回波經(jīng)過脈沖壓縮后可以獲得脈壓增益K，而干擾信號(hào)在經(jīng)過脈沖壓縮后能量進(jìn)一步被削減。圖3（d）和圖3（e）形成寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾的第三次有效得益［11］。

圖3 寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾各級(jí)波形示意圖

4 寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾仿真及效能分析

本節(jié)首先通過仿真驗(yàn)證第3節(jié)所述的寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾原理，然后推導(dǎo)出采用寬限窄電路抗干擾措施后相對(duì)傳統(tǒng)脈沖壓縮雷達(dá)的抗干擾得益公式，并仿真驗(yàn)證。

4.1 寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾仿真

設(shè)仿真參數(shù)為采樣頻率fs=800MHz，中心頻率f0=200MHz，調(diào)頻斜率kfm=36×106Hz/V，噪聲標(biāo)準(zhǔn)差σn=1，信干比SJR=?30dB，仿真時(shí)長100μs，目標(biāo)采用線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬τ=10μs，信號(hào)帶寬Bs=5MHz。

根據(jù)圖3分析，經(jīng)過寬帶濾波器后，干擾信號(hào)輸出為一串幅度近似相等、而脈沖寬度不等、且脈沖間間隔不等的脈沖串。令這些干擾形成的脈沖串平均脈沖寬度為，平均脈沖間隔時(shí)間為，有：

取Bwid=24MHz，經(jīng)過寬帶濾波器前、后的時(shí)域波形如圖4。

圖4 寬限窄電路前、后的時(shí)域波形

如圖4所示，信號(hào)經(jīng)過寬帶濾波器后，變成一串幅度近似相等的隨機(jī)調(diào)頻脈沖串，與理論分析一致［1,4,12］。這時(shí)干擾信號(hào)的遮蓋性較差，給目標(biāo)回波信號(hào)留出單獨(dú)的時(shí)隙，這就便于后續(xù)信干比的提升［13～14］。

然后信號(hào)通過限幅器，將限幅器的限幅電平設(shè)定為信號(hào)電平，得到信號(hào)經(jīng)過限幅器前、后時(shí)域波形和頻譜如圖5。

圖5 限幅器前、后的時(shí)域、頻域波形

如圖5所示，信號(hào)經(jīng)過限幅器后，其頻譜能量向通頻帶的兩端靠攏，而通帶中心處能量較低，這是由限幅器的非線性特性所導(dǎo)致，這也使得經(jīng)過限幅器后信干比進(jìn)一步提升［15～16］。

4.2 寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾性能分析

由于經(jīng)過限幅器后，目標(biāo)回波信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)存在部分信號(hào)功率將下降0.25π倍，其余部分信號(hào)功率不受影響［2］，因此經(jīng)過雷達(dá)匹配濾波器后，脈壓得益將有一定受損［19］。設(shè)目標(biāo)不經(jīng)過寬限窄電路，而直接進(jìn)入雷達(dá)匹配濾波器的脈壓得益為D［20］，將經(jīng)過寬限窄電路后的脈壓得益定義為I2，可得：

因此可得經(jīng)過寬限窄電路并級(jí)聯(lián)匹配濾波器后總的信干比得益為

將未經(jīng)過寬限窄電路，而直接進(jìn)入雷達(dá)窄帶濾波器和匹配濾波器得到的信干比得益定義為I0，可得：

將采用寬限窄電路抗干擾措施，相對(duì)常規(guī)脈沖壓縮雷達(dá)的抗干擾得益定義為Ir，可得：

根據(jù)上述所列仿真參數(shù)及式（11），計(jì)算經(jīng)過寬限窄電路抗干擾措施后，相對(duì)常規(guī)脈沖壓縮雷達(dá)帶來的抗干擾得益約為16.8dB。

分別仿真經(jīng)過寬限窄電路并級(jí)聯(lián)脈沖壓縮后的干擾和目標(biāo)回波信號(hào)，和不經(jīng)過寬限窄電路直接進(jìn)行正常接收和脈沖壓縮后的干擾和目標(biāo)回波信號(hào)。如圖6所示。

圖6 采用寬限窄電路和正常處理的目標(biāo)回波和干擾信號(hào)

如圖6所示，經(jīng)過寬限窄電路抗干擾措施后，目標(biāo)回波可以提取出來，與未采用寬限窄電路時(shí)相比，信干比得到明顯改善，經(jīng)過50次仿真試驗(yàn)并計(jì)算信干比改善Ir的平均值約為18.2dB，與理論計(jì)算值接近。

5 結(jié)語

本文在全面詳細(xì)分析噪聲調(diào)頻干擾的特點(diǎn)，和寬限窄電路抗噪聲調(diào)頻干擾原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了采用寬限窄電路抗干擾措施后，相對(duì)于常規(guī)脈沖壓縮雷達(dá)的抗干擾得益計(jì)算公式，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，一方面證明了該抗干擾措施的有效性，另一方面證明了該計(jì)算公式的合理性，為雷達(dá)抗噪聲調(diào)頻干擾性能分析提供了一種方法。