針對密集假目標(biāo)的干擾效果分析與優(yōu)化

黃 奕 余建宇 蘇若龍 李辰梓

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

對雷達(dá)的干擾方法主要可以分為壓制干擾及欺騙干擾兩種[1],假目標(biāo)樣式通過其分布特性可以產(chǎn)生欺騙或者壓制效果,其作用原理主要是生成大量與雷達(dá)信號(hào)相參的假目標(biāo),針對雷達(dá)目標(biāo)檢測中的恒虛警檢測進(jìn)行干擾,假目標(biāo)的分布特性主要來源于其調(diào)制方法,如分段重構(gòu)法中的采樣間隔。普遍認(rèn)為干信比達(dá)到10dB時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較好的壓制干擾效果[2],然而在實(shí)際應(yīng)用中尤其是當(dāng)干擾機(jī)搭載在無人機(jī)等小型平臺(tái)時(shí),受限于重量和體積導(dǎo)致干擾機(jī)功率有限,難以達(dá)到所要求的干信比,另一方面過大的干信比也易觸發(fā)雷達(dá)抗干擾措施[3]。因此需要對密集假目標(biāo)的干擾效果進(jìn)行分析,尋求當(dāng)假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)尖峰幅度相近時(shí)也能實(shí)現(xiàn)良好干擾效果的方法。本文將針對多假目標(biāo)干擾對恒虛警檢測的干擾原理,定量分析其壓制效果,給出一種可以有效提升其壓制干擾效果的協(xié)同方法。

1 恒虛警檢測原理

對干擾有效性的評估可以通過使用雷達(dá)信號(hào)處理中特定的目標(biāo)檢測方法實(shí)現(xiàn)。雷達(dá)在存在噪聲和干擾的背景中進(jìn)行目標(biāo)檢測時(shí),常采用恒虛警檢測(CFAR)的處理方法,通過生成檢測門限,與被檢測單元內(nèi)信號(hào)的幅值進(jìn)行比較,判斷是否存在目標(biāo)信號(hào)來評估干擾效果。

單元平均恒虛警檢測(CA-CFAR)的原理如圖1所示,在距離門上以檢測單元為中心在其兩側(cè)分別選取長度分別為M的保護(hù)單元和長度為L的參考單元,之后對兩側(cè)參考單元內(nèi)所存在噪聲和干擾幅值求均值后與乘性因子K0相乘得到檢測門限S。乘性因子K0由所設(shè)計(jì)雷達(dá)的虛警概率Pfa決定,不同用途的雷達(dá)虛警概率不同,虛警概率越小,則乘性因子的值越大,所生成的門限值也越高,以CA-CFAR為例,乘性因子的計(jì)算方法為

(1)

之后將所求得的門限與被檢測單元內(nèi)信號(hào)的幅值進(jìn)行比較,若大于門限,則認(rèn)為該檢測單元中存在目標(biāo)。評估干擾效果最直接的方法是當(dāng)恒虛警處理方法無法檢測到目標(biāo)信號(hào)時(shí)則認(rèn)為壓制干擾有效,反之則認(rèn)為無效。

圖1 CA-CFAR原理圖

常用的CFAR方法除單元平均CFAR外還有單元平均取小(SO-CFAR)、單元平均取大(GO-CFAR)等處理方法,這兩種方法求取門限的計(jì)算公式為

(2)

2 干擾原理與效果分析

2.1 密集假目標(biāo)生成原理

密集假目標(biāo)干擾可以通過分段重構(gòu)法實(shí)現(xiàn),原理如圖2所示。將長度為N的雷達(dá)信號(hào)x(t)以間隔L分為k段,對信號(hào)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行L點(diǎn)延時(shí),依照所需假目標(biāo)個(gè)數(shù)做M次延時(shí),將這M次延時(shí)的數(shù)據(jù)依時(shí)間順序排列并累加得到干擾信號(hào)xjam(t),這表明xjam(t)由(M+N-1)段信號(hào)組成,其中第一段就是對雷達(dá)信號(hào)x(t)的第一段采樣,第二段為前兩段采樣之和,第三段為前三段采樣之和,依此類推,直至最后一段采樣為雷達(dá)信號(hào)x(t)的最后一段。間隔L對應(yīng)假目標(biāo)之間的時(shí)間間隔,M對應(yīng)假目標(biāo)數(shù)目,這兩個(gè)參數(shù)用于控制所生成假目標(biāo)的密度。

圖2 分段重構(gòu)法原理示意圖

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)為

(3)

將x(t)延時(shí)疊加后得到干擾信號(hào)為

(4)

密集假目標(biāo)干擾經(jīng)過128個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行相參積累和脈壓后的干擾效果如圖3(a)所示,在距離維上生成等間隔均勻分布的假目標(biāo)尖峰,經(jīng)過MTI、MTD處理后的結(jié)果如圖3(b)、圖3(c)所示,在距離維和多普勒維上形成與目標(biāo)信號(hào)一致的密集假目標(biāo)。

圖3 干擾效果及處理結(jié)果圖

2.2 密集假目標(biāo)干擾效果分析

密集假目標(biāo)根據(jù)其假目標(biāo)的密度可以產(chǎn)生壓制干擾和欺騙干擾兩種效果,主要取決于雷達(dá)所接收到信號(hào)的干信比或落入雷達(dá)CFAR參考單元內(nèi)的假目標(biāo)個(gè)數(shù)。根據(jù)恒虛警檢測處理方法的原理,當(dāng)落入?yún)⒖紗卧獌?nèi)假目標(biāo)個(gè)數(shù)足夠多時(shí),其檢測門限將會(huì)被抬高,從而導(dǎo)致對目標(biāo)信號(hào)的漏警甚至實(shí)現(xiàn)對假目標(biāo)自身的遮蔽從而起到壓制效果[4]。而當(dāng)落入?yún)⒖紗卧獌?nèi)的假目標(biāo)個(gè)數(shù)較少時(shí),會(huì)造成假目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)同時(shí)被雷達(dá)所檢測到從而形成欺騙干擾的效果。

CFAR滑窗長度Lall可以表示為:Lall=2(L+M)+1,均勻分布的假目標(biāo)之間的間距為D,當(dāng)滑窗長度與假目標(biāo)間隔滿足一定關(guān)系時(shí),密集假目標(biāo)干擾對于檢測門限的干擾效果是不同的。

1)當(dāng)CFAR滑窗長度Lall小于假目標(biāo)間距D時(shí),即無論何時(shí)最多有一個(gè)假目標(biāo)處于真目標(biāo)兩側(cè)的任一參考單元內(nèi),則使用CA-CFAR處理方法檢測門限抬高幅度有限,使用SO-CFAR處理方法時(shí),門限僅由噪聲決定,無法抬高檢測門限。這種情況下也存在沒有假目標(biāo)落入真目標(biāo)兩側(cè)參考單元的情況,如圖4所示,無論使用何種處理方法檢測門限僅由參考單元中的噪聲決定,干擾無法抬高檢測門限。

圖4 Lall

2)當(dāng)CFAR滑窗長度Lall大于假目標(biāo)間隔D但小于兩倍的假目標(biāo)間隔,則無論何時(shí)都可以保證至少有一個(gè)假目標(biāo)位于一側(cè)參考單元內(nèi),如圖5所示。在這種情況下,假如僅有一個(gè)假目標(biāo)落入?yún)⒖紗卧?采用SO-CFAR處理方法時(shí),干擾無法抬高檢測門限,采用其他方法時(shí)均可實(shí)現(xiàn)對檢測門限的抬高,使真實(shí)目標(biāo)無法被檢測到。

圖5 D≤Lall<2D示意圖

3)當(dāng)滑窗長度Lall大于兩倍的假目標(biāo)間隔D時(shí),則無論何時(shí)真目標(biāo)兩側(cè)的參考單元內(nèi)都會(huì)有假目標(biāo)分布,如圖6所示。在這種情況下,無論采用哪一種處理方法,干擾都可以起到抬高檢測門限的作用,使真實(shí)目標(biāo)無法被檢測到。

圖6 2D

2.3 仿真分析

假設(shè)真實(shí)目標(biāo)位于距離門3000處,干擾信號(hào)樣式為密集假目標(biāo)干擾,所生成的假目標(biāo)之間的間距為30個(gè)距離單元,對三種長度不同滑窗經(jīng)CA-CFAR、SO-CFAR和GA-CFAR三種方法的處理結(jié)果進(jìn)行仿真。

1)仿真1:假設(shè)CFAR滑窗中單側(cè)參考單元數(shù)量為8,保護(hù)單元數(shù)量為2,則滑窗長度Lall=21,虛警概率Pfa=1×10-4,三種處理方法的仿真結(jié)果如圖7所示,其中實(shí)線為信號(hào),虛線為所生成的恒虛警門限。

圖7 三種處理方法仿真結(jié)果圖

由這三種方法的處理結(jié)果圖可以看到距離門3000處的真實(shí)目標(biāo)尖峰與檢測門限的關(guān)系,當(dāng)滑窗長度小于假目標(biāo)間隔時(shí),會(huì)出現(xiàn)無法有效抬高檢測門限,從而導(dǎo)致真實(shí)目標(biāo)尖峰依然可以被雷達(dá)所檢測到,與理論分析一致,密集假目標(biāo)干擾無法實(shí)現(xiàn)壓制效果。

2)仿真2:假設(shè)CFAR滑窗中單側(cè)參考單元數(shù)量為16,保護(hù)單元數(shù)量為2,則滑窗長度為37,Pfa=1×10-4,三種處理方法的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 三種處理方法仿真結(jié)果圖

由三種方法的處理結(jié)果圖可以看出,當(dāng)滑窗長度大于一倍假目標(biāo)間隔,小于兩倍假目標(biāo)間隔時(shí),采用CA-CFAR、GO-CFAR處理均無法有效檢測目標(biāo)信號(hào),但當(dāng)采用SO-CFAR時(shí)可以有效檢測到目標(biāo)信號(hào),與理論分析一致。

3)仿真3:假設(shè)CFAR滑窗中單側(cè)參考單元數(shù)量為32,保護(hù)單元數(shù)量為2,則滑窗長度為69,Pfa=1×10-4,三種處理方法的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 三種處理方法仿真結(jié)果圖

由三種方法的處理結(jié)果圖可以看出,當(dāng)滑窗長度大于兩倍的假目標(biāo)間隔時(shí),與理論分析相符,真實(shí)目標(biāo)將無法被檢測到,甚至出現(xiàn)密集假目標(biāo)的自遮蔽效果,但CA-CFAR及SO-CFAR方法對干擾生成的第一個(gè)及最后一個(gè)假目標(biāo)能夠有效檢測到,原因是邊緣假目標(biāo)的兩側(cè)檢測單元中有一側(cè)為噪聲而非假目標(biāo),對檢測門限的抬升有限,因此邊緣假目標(biāo)會(huì)被檢測到。

3 優(yōu)化分析與仿真

3.1 優(yōu)化方向分析

通過對密集假目標(biāo)干擾效果的分析可知,當(dāng)滑窗長度大于兩倍的假目標(biāo)間隔時(shí),壓制效果穩(wěn)定良好。但在實(shí)際作戰(zhàn)中,敵方雷達(dá)的恒虛警門限不可知,無法確定合適的假目標(biāo)間隔。因此需要從其他角度出發(fā),提升密集假目標(biāo)干擾的壓制效果。決定恒虛警門限的因素是檢測單元兩側(cè)參考單元的平均幅值,當(dāng)參考單元內(nèi)不存在假目標(biāo)時(shí),其平均幅值實(shí)際上僅取決于環(huán)境和系統(tǒng)噪聲,因此可以考慮通過提升密集假目標(biāo)干擾信號(hào)時(shí)寬內(nèi)的噪聲功率水平來提升其壓制干擾效果。通過多機(jī)協(xié)同的方式可以實(shí)現(xiàn),如兩架干擾機(jī)同時(shí)工作,一架向雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)密集假目標(biāo)樣式干擾信號(hào),另一架發(fā)射類噪聲信號(hào)。由于現(xiàn)代雷達(dá)存在相干積累、脈沖壓縮等一系列抑制雜波的信號(hào)處理方法,若類噪聲信號(hào)采取傳統(tǒng)噪聲調(diào)頻調(diào)幅等樣式干擾效率較低,且面對雷達(dá)相參處理時(shí)無法享受其增益,因此考慮類噪聲信號(hào)采用與雷達(dá)信號(hào)相干的干擾樣式,如卷積靈巧噪聲[5],時(shí)寬上略大于密集假目標(biāo)干擾信號(hào)的時(shí)寬,幅度低于密集假目標(biāo)信號(hào),干擾機(jī)1,2與雷達(dá)的位置關(guān)系如圖10所示,干擾機(jī)1采用卷積靈巧噪聲干擾樣式,干擾機(jī)2采用密集假目標(biāo)干擾樣式,兩干擾機(jī)信號(hào)時(shí)域上的協(xié)同關(guān)系如圖11所示。

圖10 干擾機(jī)位置關(guān)系圖

圖11 信號(hào)時(shí)域協(xié)同示意圖

(5)

由公式(5)可知S0主要與滑窗長度和假目標(biāo)個(gè)數(shù)有關(guān),以極限情況推算,當(dāng)滑窗內(nèi)不存在假目標(biāo)時(shí),即N=0,則門限全由卷積靈巧噪聲功率決定,則其所生成門限可以表示為

S0=(Anoise+A0)·KCA

(6)

當(dāng)卷積靈巧噪聲功率較大時(shí),則該式中的A0可忽略不計(jì),當(dāng)門限值S0大于真實(shí)目標(biāo)信號(hào)幅度Atarget時(shí)則可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號(hào)的壓制效果,即卷積靈巧噪聲在參考單元內(nèi)的幅值與乘性因子的乘積大于真實(shí)目標(biāo)信號(hào)幅值即可。隨著落入?yún)⒖紗卧倌繕?biāo)數(shù)量增多,對卷積靈巧噪聲干擾的功率要求進(jìn)一步降低。

3.2 仿真分析

假設(shè)真實(shí)目標(biāo)信號(hào)位于距離門3000處,CFAR滑窗中單側(cè)參考單元數(shù)量為8,保護(hù)單元數(shù)量為2,則滑窗長度Lall=21,Pfa=1×10-4。對脈沖信號(hào)進(jìn)行相干積累、脈沖壓縮后幅值為67.5dB,假目標(biāo)幅值與真實(shí)目標(biāo)信號(hào)幅值相近,卷積靈巧噪聲的幅值為55.1dB,在乘性因子與前文一致的情況下,可求得CA-CFAR門限為77.02dB。仿真結(jié)果如圖12所示,其中仿真所得CA-CFAR門限為77.45dB,與理論分析接近,能夠壓制目標(biāo)信號(hào)。

圖12 三種處理方法仿真結(jié)果圖

由三種方法的處理結(jié)果圖可以看出,當(dāng)采用兩機(jī)協(xié)同的方式,另一干擾機(jī)采用卷積靈巧噪聲信號(hào)時(shí),可以有效提高所生成的檢測門限,從而達(dá)到干擾雷達(dá)使其無法有效檢測真實(shí)目標(biāo)的目的。當(dāng)在滑窗長度小于假目標(biāo)間隔的情況下,所生成門限已高于目標(biāo)信號(hào),根據(jù)理論分析和前文的仿真結(jié)果可知,隨著CFAR滑窗長度的增加,落入?yún)⒖紗卧獌?nèi)的假目標(biāo)數(shù)目也會(huì)增多,從而進(jìn)一步提升所生成的檢測門限,則可判斷當(dāng)滑窗長度增加時(shí)也可實(shí)現(xiàn)壓制干擾,且效果更佳。仿真的虛警概率Pfa=1×10-4,在實(shí)際雷達(dá)設(shè)計(jì)中屬于較高的虛警概率,當(dāng)虛警概率設(shè)計(jì)較低時(shí),相應(yīng)的乘性因子增大,則實(shí)現(xiàn)壓制干擾所需求的卷積靈巧噪聲功率可以進(jìn)一步降低。

4 結(jié)束語

本文介紹了密集假目標(biāo)干擾的生成原理和雷達(dá)恒虛警檢測處理方法,對密集假目標(biāo)樣式的干擾效果進(jìn)行了定量分析,通過仿真研究在不同長度參考單元和使用不同恒虛警處理方法情況下密集假目標(biāo)干擾的效果。針對干信比較低時(shí)其在壓制真實(shí)目標(biāo)上的不足,提出一種兩機(jī)協(xié)同的方法,通過采用卷積靈巧噪聲與之時(shí)域疊加提升假目標(biāo)間隔中的噪聲功率水平,實(shí)現(xiàn)在面對不同長度參考單元的三種CFAR處理方法時(shí)都能較好的壓制真實(shí)目標(biāo),為工程實(shí)踐提供一定借鑒和參考意義。