基于時域波形掩護的間歇采樣干擾對抗研究

賀青 朱新國 劉傳保 吳道慶

（中國電子科技集團公司第十四研究所 江蘇省南京市 210039）

1 引言

當前日趨復雜的電子戰(zhàn)環(huán)境中，偵察與反偵察、干擾與抗干擾是永恒的主題。作為電磁博弈與對抗的絕對主角，現(xiàn)代雷達常處在復雜電磁作戰(zhàn)環(huán)境中，面臨的電磁干擾威脅嚴重影響目標探測，甚至使雷達變“瞎”，無法完成正常作戰(zhàn)任務。雷達作為大功率輻射源，常常是偵察定位、干擾掩護突防的首要目標，因此雷達反偵察與抗干擾需要持續(xù)不斷的改進與演變。

基于數(shù)字射頻存儲技術（DRFM）的間歇采樣干擾是一種高效率干擾技術，是現(xiàn)代雷達面臨的重要干擾形式，雷達常通過時域、頻域、空域、能量域、極化域多個維度進行間歇采樣干擾對抗。其中波形對抗是一種行之有效的主動對抗措施，是雷達進行反偵察與抗干擾的重要手段，雷達通過波形參數(shù)的復雜調(diào)制、頻率捷變、周期抖動、脈沖掩護等增加干擾機分選識別難度，實現(xiàn)波形發(fā)射的低截獲。

掩護波形作為重要的主動波形對抗措施，主要通過時域、頻域、極化域等維度迷惑干擾機，以實現(xiàn)對雷達真實探測波形的保護，是一種技術與戰(zhàn)術兼具的有效干擾對抗手段。目前掩護波形抗干擾相關的文獻報道較少，文獻從頻率引導角度分析掩護信號對抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾中的應用，文獻重點討論了掩護信號的使用對雷達信號低截獲、抗分選性能的提升，文獻研究射頻掩護對抗應答式干擾的信號設計方法。

本文從時域波形掩護原理分析，建立掩護波形下的間歇采樣干擾模型，并全面考慮掩護脈寬、干擾非同步采樣等參數(shù)的影響，對掩護波形在間歇采樣干擾對抗場景中的應用效能進行定量分析，研究成果對雷達抗間歇采樣干擾中的掩護波形參數(shù)設計具有重要指導意義和參考價值。

2 雷達波形掩護原理

2.1 波形掩護基本模式

掩護波形本質(zhì)上是一種波形，其任務就是對干擾機進行誘導誘騙，為雷達真實探測波形提供保護，從而降低干擾機對真實探測信號的干擾，因此掩護波形越接近真實探測波形，對干擾機的誘騙效果越好。作為一種波形，掩護波形的描述參數(shù)包括脈寬、帶寬、頻點、調(diào)制形式，即與真實探測波形完全無差異，掩護脈沖與真實探測脈沖的時序模式見圖1，共有如下幾種基本掩護模式：

圖1：波形掩護時序模式圖

（1）一個前掩護波形模式；

（2）一個前掩護波形加一個后掩護波形模式；

（3）兩個前掩護波形模式；

（4）兩個前掩護波形加一個后掩護波形模式等等。

以上四種模式只是最基本的掩護模式，數(shù)字相控陣雷達可根據(jù)系統(tǒng)時間資源情況、波形靈活控制架構實現(xiàn)進行掩護波形的時域位置與掩護數(shù)量自由配置。雷達同一駐留時間內(nèi)，不同脈沖重復周期也可采用不同的掩護模式，實現(xiàn)雷達波形參數(shù)的非同步隨機跳變，更易達到以假亂真，擾亂干擾機對雷達輻射源信號波形的分選與識別。

每種掩護模式下，掩護波形與主探測波形工作頻點錯開，調(diào)制形式獨立搭配，脈寬按需自由配置，波形與波形之間的時間間隔Δt為零時則是無間隙掩護，不為零時則是有間隙掩護，雷達發(fā)射波形表達式為：

表1：情形1和情形2仿真參數(shù)

2.2 波形掩護實現(xiàn)架構

一種現(xiàn)代數(shù)字相控陣雷達的波形產(chǎn)生架構見圖2，采用軟件化架構設計，天線陣面劃分為多個子陣，雷達采用基于射頻本振的波形產(chǎn)生技術，通過矩陣控制器對產(chǎn)生的波形進行靈活控制與重組后送至天線陣面，在統(tǒng)一的控制時序下可實現(xiàn)掩護波形分時序、分陣面的時空靈活配置。

圖2：一種多波形掩護實現(xiàn)架構

2.3 波形掩護抗干擾機理

現(xiàn)代數(shù)字相控陣雷達面臨的間歇采樣干擾對任意波形而言均為無差別干擾，干擾機采用信道化技術，將大瞬時接收帶寬劃分為多個信道進行接收波形處理、分選與識別，因此波形調(diào)制、頻率脈間捷變效果甚微。然而間歇采樣干擾機工作時序為收發(fā)反復切換，接收時便無法進行干擾釋放，掩護波形正是通過尋找干擾機的時序破綻和不足進行干擾主動對抗。

波形掩護反時序抗干擾機理示意圖見圖3。間歇采樣干擾機工作時，工作時序為采樣時序和干擾發(fā)射時序交替，其中采樣時序用于控制干擾機對雷達信號進行偵收、采樣、信道化接收、檢測與干擾調(diào)制控制，通過包絡檢波觸發(fā)檢測門限后對雷達信號進行存儲、調(diào)制；干擾發(fā)射時序用于進行雷達信號復制轉(zhuǎn)發(fā)與干擾產(chǎn)生。雷達發(fā)射波形為掩護波形與探測波形組合，在干擾采樣時序間隙雷達發(fā)射掩護波形，誘使干擾機成功采樣掩護波形，干擾發(fā)射間隙雷達發(fā)射探測波形，此時雷達接收波門內(nèi)將接收到目標回波探測信號和干擾發(fā)射信號的混疊信號，由于掩護波形與探測波形在頻域正交錯開，雷達系統(tǒng)接收后通過數(shù)字下變頻處理實現(xiàn)目標回波與干擾信號的頻域分離提取，從而實現(xiàn)干擾抑制。理想情況下，雷達通過對間歇采樣干擾進行參數(shù)精確測量、發(fā)射時序精準控制，可通過雷達波形與干擾反時序設計完成探測信號的隱匿，以完全避開干擾，實現(xiàn)干擾認知對抗。

圖3：波形掩護反時序抗干擾機理

3 掩護波形下的間歇采樣干擾建模

理想情況下，雷達通過發(fā)射波形與干擾反時序設計可完全實現(xiàn)干擾抑制。然而實際中存在諸多因素導致雷達波形掩護反時序設計無法達到理想狀態(tài)：

（1）干擾機與雷達本身不是同步系統(tǒng)，而是完全獨立的兩個非同步系統(tǒng)；

（2）實際干擾對抗中，一部干擾機一般可以同時對抗多部雷達，不同雷達獨立輻射作戰(zhàn)時信號到達干擾機時間具有隨機性，將觸發(fā)干擾機時序的非同步；

（3）雷達接收機中接收回波是噪聲、雜波、干擾的混疊信號，雷達對間歇采樣干擾時序參數(shù)參測存在隨機誤差。

雷達波形參數(shù)、雷達信號到達時間、干擾機采樣時序參數(shù)、干擾機采樣雷達信號時間都具有隨機性，干擾機對雷達信號的成功采樣、雷達對干擾的反時序抑制都是概率性問題，下面對此進行建模分析。

掩護波形一般配置于工作脈沖的前方，為了增強迷惑性，可在工作脈沖前方配置多個掩護脈沖或者后方配置掩護波形。從反時序抗偵收采樣角度考慮，一個或多個前掩護波形均可等效為一個掩護波形脈寬，后置掩護波形只是增加干擾機對真實信號的識別難度，不影響對真實探測波形的采樣。如圖4所示為建模示意圖，設前掩護波形脈寬為τ，探測波形脈寬為τ；τ為干擾采樣時長；T為干擾采樣周期，定義采樣占空比定義為η=τ/T，干擾占空比定義為η=1-η；t為非同步時間參數(shù)，用于描述雷達發(fā)射信號到達干擾機時間與干擾機開始采樣時間的不一致性。

圖4：基于掩護波形的反時序抗干擾模型

設雷達探測波形s(t)，頻譜為X(f)，其表達式為：

式中B(t)為基帶波形復數(shù)表達式，u(t)為波形包絡。設干擾機采樣時序為p(t)，則考慮非同步采樣參數(shù)的采樣時序為：

干擾機采樣雷達信號為s(t)=s(t)p(t)，可得干擾機對雷達信號采樣成功的時寬為：

定義脈寬采樣比η為干擾機對雷達探測波形采樣成功的時寬與雷達真實探測波形脈寬占比，即η=τ/τ，脈寬采樣比與雷達參數(shù)（掩護波形脈寬、探測波形脈寬、波形調(diào)制）、干擾參數(shù)（采樣周期、采樣時間、干擾樣式）、非同步參數(shù)等有關，具有隨機概率特性。脈寬采樣比越低，干擾進入雷達接收機后匹配得益越少，脈寬采樣比為零時標識著雷達探測波形與干擾機形成反時序探測，此時可有效避開干擾采樣，成功利用波形掩護實現(xiàn)時序反干擾。

4 討論與分析

雷達與干擾機之間的電子對抗是一種動態(tài)博弈，干擾機干擾策略與雷達波形參數(shù)之間會根據(jù)對抗效能進行動態(tài)調(diào)整。對于地面雷達而言，可根據(jù)雷達波形參數(shù)與干擾參數(shù)之間的相對關系分為如下兩種情況進行分析。

情形1：τ≤T。此時一個干擾采樣周期內(nèi)對雷達信號最多進行一次采樣，一般對應于雷達工作在脈沖多普勒（PD）波形時，干擾機工作在常規(guī)策略參數(shù)下，此時干擾機未對雷達波形及時作出調(diào)整響應。

情形2：kT<τ≤(k+1)T-τ，k=1,2,...。此時一個干擾采樣周期內(nèi)可對雷達信號進行多次采樣，對應于雷達工作在PD波形下，干擾機通過及時調(diào)整干擾策略后工作在小采樣周期下，實現(xiàn)對雷達信號的高效采樣。

情形1和情形2的典型干擾參數(shù)和波形參數(shù)見表1，根據(jù)表1參數(shù)進行干擾仿真得到兩種情形下干擾響應幅度與探測波形時寬、掩護波形時寬的關系分別見圖5、圖6和圖7，仿真中干擾為直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾形式。

圖5：情形1干擾幅度與波形時寬關系

圖6：情形1干擾幅度與波形時寬關系（局部放大）

圖7：情形2干擾幅度與波形時寬關系

兩種情形下，均以掩護波形時寬為零（即無掩護波形）時的干擾幅度為參照進行歸一化。情形1中，逐步降低探測脈寬，并采用匹配的掩護脈寬，可以使得干擾得到極大抑制，探測脈寬不大于14us時，采用匹配掩護脈寬后干擾幅度得到至少5dB的抑制。當探測波形脈寬、掩護波形脈寬分別為[τ=11us，τ=9us]或[τ=10us，τ=9us/10us]時，可以得到該干擾參數(shù)下的最優(yōu)雷達波形脈寬組合，此時干擾抑制比大于10dB，分析可知此時脈寬采樣比最低，探測波形與掩護波形正好與干擾時序形成反時序探測，干擾機無法對雷達信號形成有效采樣。情形2中，當探測波形脈寬、掩護波形脈寬分別為[τ=10us，τ=1/2us]或[τ=11us，τ=91us]時，得到該干擾參數(shù)下的最優(yōu)雷達波形脈寬組合，此時干擾抑制比相比無掩護模式下降3dB，可見情形2干擾機通過及時調(diào)整干擾策略和干擾參數(shù)，減弱了雷達進行干擾抑制的效能。

考慮實際情形下，雷達發(fā)射信號到達干擾機時間與干擾機開始采樣時間具有不一致性，即干擾機與雷達具有隨機的非同步性。設非同步參數(shù)t在區(qū)間(0，T)服從均勻分布，針對情形1和情形2，仿真分析脈寬采樣比隨掩護脈寬、探測脈寬、隨機非同步參數(shù)之間的關系分別見圖8和圖9。

圖8：情形1非同步采樣對脈寬采樣比的影響

圖9：情形2非同步采樣對脈寬采樣比的影響

兩種情形下，隨機非同步參數(shù)對脈寬采樣比具有較大的影響。情形1中，當非同步參數(shù)較大時（≥8us）可以不發(fā)射掩護波形，只發(fā)射10us探測即可使得脈寬采樣比最優(yōu)，當非同步參數(shù)較小時（<8us）優(yōu)化掩護波形脈寬為10us，雷達探測波形脈寬可以隨非同步參數(shù)變化取最優(yōu)解；情形2中，雷達優(yōu)化探測波形脈寬為10us，掩護波形脈寬可依隨機非同步參數(shù)取優(yōu)設計，保證干擾只能對雷達波形進行最多1us的一次成功采樣。

5 結(jié)束語

本文從時域波形掩護原理出發(fā)，系統(tǒng)分析了波形掩護的基本模式、典型實現(xiàn)架構及其抗干擾機理。建立掩護波形下的間歇采樣干擾模型，系統(tǒng)考慮雷達波形參數(shù)（掩護波形脈寬、探測波形脈寬）、干擾時序參數(shù)（采樣周期、采樣時間）、雷達與干擾非同步隨機參數(shù)等對干擾響應的影響。針對雷達工作在脈沖多普勒（PD）波形時，干擾機工作在常規(guī)策略參數(shù)或小采樣周期參數(shù)這兩種典型對抗場景，進行干擾對抗效能的定量分析。

仿真研究表明：

（1）當干擾機時序與雷達發(fā)射嚴格同步時，情形1下優(yōu)化后的掩護波形與探測波形組合參數(shù)，可實現(xiàn)大于10dB的干擾抑制比，情形2下優(yōu)化的波形參數(shù)組合也可實現(xiàn)大于3dB的干擾抑制比；

（2）當干擾機時序與雷達發(fā)射具有隨機非同步性時，非同步參數(shù)對雷達探測波形的脈寬采樣比具有較大的影響，雷達掩護波形、探測波形脈寬參數(shù)組合可依隨機非同步參數(shù)取優(yōu)設計。

本文研究成果對雷達抗間歇采樣干擾中的掩護波形參數(shù)設計具有重要指導意義和參考價值。