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相位編碼雷達(dá)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾分析*1

張鵬程，王杰貴，房明星

(電子工程學(xué)院,安徽 合肥230037)

摘要：間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾可形成逼真假目標(biāo)串干擾效果。將該干擾思想用于相位編碼體制雷達(dá)，介紹了相位編碼信號(hào)脈沖壓縮原理，在時(shí)域詳細(xì)推導(dǎo)了回波信號(hào)和干擾信號(hào)的脈沖壓縮輸出形式，并理論分析了間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的干擾效果，相比在頻域推導(dǎo)的結(jié)論，更加清晰地說(shuō)明了相位編碼信號(hào)間歇采樣干擾效果；最后研究了間歇采樣間隔、占空比、轉(zhuǎn)發(fā)方式等因素對(duì)相位編碼雷達(dá)干擾效果的影響。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性，該研究結(jié)果對(duì)于相位編碼雷達(dá)形成單、多逼真假目標(biāo)有著重要的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：相位編碼；脈沖壓縮；間歇采樣；轉(zhuǎn)發(fā)干擾；假目標(biāo)

0引言

相位編碼雷達(dá)通過(guò)使用偽隨機(jī)序列對(duì)高頻脈沖進(jìn)行相位調(diào)制，很好地解決了探測(cè)距離和分辨力之間的矛盾，是一種低截獲概率雷達(dá)[1-2]?；夭ㄐ盘?hào)通過(guò)脈沖壓縮處理，對(duì)與雷達(dá)發(fā)射波形不匹配的干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾性能，在現(xiàn)代新體制高性能雷達(dá)中得到廣泛應(yīng)用[3]。針對(duì)相位編碼雷達(dá)的干擾方法是雷達(dá)對(duì)抗領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-5]。

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾是現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)抗常用的相干干擾方式，可產(chǎn)生滯后的逼真假目標(biāo)效果，主要采用數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(digital radio frequency memory,DRFM)來(lái)實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)線(xiàn)性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)的轉(zhuǎn)發(fā)干擾研究較多，文獻(xiàn)[6-8]研究了線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾和重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，取得了良好的干擾效果。而針對(duì)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)研究較少，文獻(xiàn)[9]將間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾應(yīng)用于相位編碼雷達(dá)，通過(guò)頻域變換對(duì)干擾效果進(jìn)行分析，分析表明間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾可形成以主假目標(biāo)為中心成辛格分布的相干假目標(biāo)串[10]。然而文獻(xiàn)[11-12]通過(guò)對(duì)相位編碼雷達(dá)的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾仿真分析，均表明只能產(chǎn)生一個(gè)滯后的逼真假目標(biāo)，可見(jiàn)通過(guò)頻域變換所得結(jié)論并不能清晰說(shuō)明間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)相位編碼信號(hào)的干擾效果。本文從相位編碼雷達(dá)脈沖壓縮機(jī)理出發(fā)，在時(shí)域詳細(xì)推導(dǎo)出回波信號(hào)和干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖壓縮處理后的輸出形式，在理論上解釋了間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)相位編碼雷達(dá)的干擾效果，并分析了直接轉(zhuǎn)發(fā)和重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)在不同的采樣周期、占空比的情況下，假目標(biāo)位置、幅度、間隔個(gè)數(shù)情況，通過(guò)仿真驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性。

1回波信號(hào)和干擾信號(hào)的脈沖壓縮處理

1.1相位編碼信號(hào)脈沖壓縮機(jī)理

脈沖壓縮技術(shù)是匹配濾波和相關(guān)接收的實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)器是相位編碼脈沖壓縮器的典型代表。其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。它亦是一個(gè)匹配濾波器，對(duì)接收到的相位編碼信號(hào)起到壓縮的作用。圖1中下變頻電路亦可采用正交雙通道下變頻電路，以克服回波初相不確知而引起的信噪比損失[13]。

圖1　相關(guān)器脈沖壓縮原理框圖Fig.1　Prototype structure of pulse compression　　　correlator

圖1中相關(guān)器輸出為窄脈沖

(1)

式中：x(t)和x(t+τ)分別為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)；“*”代表卷積。

1.2回波信號(hào)脈壓輸出

相位編碼雷達(dá)脈沖信號(hào)可表示為

x(t)=a(t)ejφ(t)ej2πf0t,0≤t≤T，

(2)

式中：φ(t)為相位調(diào)制函數(shù)，只有0或π 2個(gè)取值；T為脈寬。

信號(hào)的復(fù)包絡(luò)函數(shù)為[1-2]

x(t)=A(t)φm,0≤t≤T，

(3)

式中：φm為第m個(gè)碼元的編碼值，取值為-1或1。

相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)在進(jìn)行脈沖壓縮處理前，經(jīng)過(guò)相參檢波和低通濾波處理，濾波器輸測(cè)出為信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，為簡(jiǎn)化模型，假設(shè)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)為矩形，即

(4)

式中：p為碼元個(gè)數(shù)；τ0為碼元寬度。

則二相編碼的復(fù)包絡(luò)可寫(xiě)成

(5)

令

(6)

則

x(t)=u(t)*v(t)，

(7)

代入式(1)，得脈沖壓縮器輸出為

x(t)*x*(-t)=[u(t)*u*(-t)]*[v(t)*v*(-t)]=

(8)

式中：Ru(t)，Rv(t)分別為u(t)，v(t)的自相關(guān)函數(shù)。

將式(6)分別代入Ru(t)，Rv(t)得

(9)

即有

(10)

n為整數(shù)，對(duì)于給定的t，n是唯一確定的，即有

(11)

式中:“?」”表示向下取整；“「?”表示向上取整。

同時(shí)有

(12)

對(duì)式(12)中m-k=n各項(xiàng)求和，令k=m+n，可得

(13)

根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的對(duì)稱(chēng)性，可知式(13)同樣適用當(dāng)-(p-1)≤n≤0，即

(14)

將式(10)，(11)，(14)代入式(8)得

(15)

1.3間歇采樣干擾信號(hào)脈壓輸出

間歇采樣信號(hào)是一矩形脈沖抽樣序列，如圖2所示，p(t)可表示為

(16)

式中：rect(·)為矩形窗函數(shù)；τ為采樣脈寬；Ts為采樣周期；且有Ts≥2τ；δ(·)為沖擊函數(shù)。

圖2　間歇采樣脈沖串Fig.2　Intermittent sampling pulse series

根據(jù)采樣時(shí)長(zhǎng)和相位編碼信號(hào)碼元寬度的關(guān)系，將采樣信號(hào)分割成寬度為τ0的p個(gè)子脈沖，因此采樣信號(hào)可表示為

(17)

式中：an為采樣信號(hào)第n個(gè)子脈沖的幅度，取值為0或1。

針對(duì)采樣脈寬、采樣周期和碼元寬度不同關(guān)系，分3種情況對(duì)an的取值進(jìn)行討論。

(1) 子脈沖完全處在采樣時(shí)間內(nèi)，an=1。

(2) 子脈沖完全處在間歇時(shí)間內(nèi)，an=0。

(3) 子脈沖部分處在采樣時(shí)間內(nèi)，部分處在間歇時(shí)間內(nèi)，此時(shí)，若子脈沖寬度的50%以上(包括50%)處在采樣時(shí)間內(nèi)，an=1；反之a(chǎn)n=0。

間歇采樣過(guò)程為

xs(t)=x(t)p(t).

(18)

將式(5),(17)代入式(18)得

(19)

干擾信號(hào)脈沖壓縮處理后輸出為

ys(t)=xs(t)*h(t).

(20)

由于xs(t)的形式和x(t)的形式相同，則由式(15)的計(jì)算過(guò)程可得

ys(t)=

(21)

對(duì)比式(15)和式(21)，可見(jiàn)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果為：間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾使相位編碼雷達(dá)產(chǎn)生一個(gè)滯后的逼真假目標(biāo)，假目標(biāo)的特性取決于ys(t)的后半部分，相當(dāng)于對(duì)編碼序列的自相關(guān)函數(shù)的加權(quán)相加。權(quán)值am中1的個(gè)數(shù)越多，信號(hào)的幅度越大，am中1的個(gè)數(shù)由采樣占空比決定，故占空比越大，假目標(biāo)幅度越大，當(dāng)占空比為1時(shí)取得最大值。假目標(biāo)滯后時(shí)間由τ決定，τ越小，則干擾信號(hào)被轉(zhuǎn)發(fā)得越及時(shí)，假目標(biāo)滯后時(shí)間就越短。

2不同轉(zhuǎn)發(fā)形式下干擾效果分析

根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式的不同，可將間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾分為直接轉(zhuǎn)發(fā)和重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)樣式。

間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾是指截獲到寬帶信號(hào)后，高保真采樣其中的一小段后馬上進(jìn)行調(diào)制并轉(zhuǎn)發(fā)，然后再采樣、再處理轉(zhuǎn)發(fā)下一段，采樣與轉(zhuǎn)發(fā)分時(shí)交替工作直到采樣結(jié)束。干擾機(jī)工作原理如圖3所示，Ts為采樣周期，τ為采樣脈寬，且有Ts≥2τ。前面的分析均是基于間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行的，它是間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)。

圖3　間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾示意圖Fig.3　Schematic diagram of intermittent sampling　　　 and direct repeater jamming

間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾是指干擾機(jī)依次采樣雷達(dá)的一段信號(hào)后，按照程序設(shè)定的次數(shù)重復(fù)讀出并調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)，直到雷達(dá)脈沖結(jié)束。干擾機(jī)工作過(guò)程如圖4所示。圖中“轉(zhuǎn)發(fā)x-y”，x表示轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)是第幾個(gè)采樣，y表示該信號(hào)被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，如轉(zhuǎn)發(fā)1-2表示第1個(gè)采樣信號(hào)被第2次轉(zhuǎn)發(fā)。

圖4　間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾示意圖Fig.4　Schematic diagram of intermittent sampling　　　and periodic repeater jamming

ys(t)=

(22)

由于信號(hào)的重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，破壞了偽隨機(jī)序列的均衡性，從而抬高了序列自相關(guān)函數(shù)的旁瓣，根據(jù)式(22)，在ti時(shí)刻，對(duì)應(yīng)元素相同的碼元至少有τ/τ0個(gè)，剩余碼元與發(fā)射信號(hào)碼元序列對(duì)應(yīng)元素相同的個(gè)數(shù)與不同的個(gè)數(shù)之差記為Di，Di的大小不會(huì)超過(guò)發(fā)射信號(hào)編碼序列自相關(guān)函數(shù)的最大旁瓣，互相關(guān)函數(shù)的真實(shí)極值為τ/τ0-Di。因此間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾可生成滯后的等間隔假目標(biāo)串，假目標(biāo)幅度由占空比決定，且各目標(biāo)幅度有一定起伏。在占空比一定時(shí)，各假目標(biāo)之間的間隔由采樣周期由Ts決定，Ts越小，假目標(biāo)之間的間隔越小。

3仿真實(shí)驗(yàn)

仿真方法根據(jù)式(18)和圖3,4生成干擾信號(hào)，相位編碼雷達(dá)信號(hào)參數(shù)設(shè)置如下：載頻f0=3 100 MHz，脈寬T-=51.1 μs，碼元寬度τ0=0.1 μs，相位采用m序列編碼，m序列采用9階線(xiàn)性反饋移位寄存器生成，連接方式為[100001000]。為了便于分析，采樣為整采整轉(zhuǎn)，直接轉(zhuǎn)發(fā)采樣脈寬和采樣周期的組合分別為：①τ=1 μs,Ts=4 μs；②τ=2 μs,Ts=4 μs；③τ=2 μs,Ts=8 μs；④τ=4 μs,Ts=8 μs。仿真結(jié)果如圖5所示，其中圖5a)，5b)，5c)，5d)分別為直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾仿真參數(shù)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖5可以看出間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)只能形成一個(gè)滯后的假目標(biāo)，且采樣占空比越大，假目標(biāo)幅度越大，采樣脈寬越寬，假目標(biāo)滯后時(shí)間越長(zhǎng)。可見(jiàn)，該仿真結(jié)果與理論分析是一致。

重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)采樣脈寬和采樣周期的組合分別為：①τ=1 μs,Ts=3 μs；②τ=1 μs,Ts=4 μs；③τ=2 μs,Ts=6 μs，④τ=4 μs,Ts=8 μs。仿真結(jié)果如圖6所示，其中圖6a)，6b)，6c)，6d)為分別重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾仿真參數(shù)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖6可以看出，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾可形成滯后假目標(biāo)串，假目標(biāo)個(gè)數(shù)與轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)相等，且占空比越大，可生成的假目標(biāo)個(gè)數(shù)越少，假目標(biāo)幅度越大，采樣脈寬越寬，假目標(biāo)之間間隔越大。且由于多次轉(zhuǎn)發(fā)破壞了序列的均衡性，假目標(biāo)幅度有所起伏，旁瓣被抬高。該仿真結(jié)果與理論分析完全一致。

無(wú)論是間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾還是間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，為了能夠形成有效干擾，假目標(biāo)脈壓幅度必須與真目標(biāo)大小相當(dāng)，通過(guò)加大干擾功率實(shí)現(xiàn)。根據(jù)仿真分析，生成的假目標(biāo)幅度最小的為真目標(biāo)的20%，若假目標(biāo)幅度超過(guò)真目標(biāo)幅度的80%為有效假目標(biāo)，則干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)功率需要比接收功率高12 dB，假目標(biāo)幅度便于真目標(biāo)可相比擬，若假目標(biāo)幅度超過(guò)真目標(biāo)幅度的60%為有效假目標(biāo)，則干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)功率需要比接收功率高9 dB。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行了研究，在時(shí)域詳細(xì)推導(dǎo)出間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)脈壓后的輸出形式，理論分析了間歇采樣周期、占空比、轉(zhuǎn)發(fā)方式等重要因素對(duì)干擾效果的影響，并通過(guò)仿真進(jìn)行了分析驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：相位編碼編碼脈沖壓縮雷達(dá)的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾可形成逼真的單、多假目標(biāo)欺騙干擾效果。間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)形成的單假目標(biāo)滯后時(shí)間由采樣脈寬決定，幅度由占空比決定。間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾是在直接轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上，多個(gè)間隔轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)的采樣序列的組合，假目標(biāo)個(gè)數(shù)由轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)決定，由于破壞了序列均衡性，假目標(biāo)幅度有所起伏。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)需要，合理選擇參數(shù)，可達(dá)到更好的干擾效果。

圖5　間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果Fig.5　Effect of intermittent sampling and　　　direct repeater jamming

圖6　間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果Fig.6　Effect of intermittent sampling and　　　periodic repeater jamming

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Analysis of Intermittent-Sampling Repeater Jamming Against Phase-Coded Radar

ZHANG Peng-cheng， WANG Jie-gui， FANG Ming-xing

(Electronic Engineering Institute，Anhui Hefei 230037， China)

Abstract:Analysis of Intermittent-Sampling Repeater Jamming Against Phase-Coded RadarThe intermittent sampling repeater jamming can form the jamming effect of numerous lifelike coherent false targets. The technique of intermittent sampling repeater jamming is applied to the phase-coded radars. The principle of phase-coded signal pulse compression is expounded. The output of echo and jamming pulse compression in time field is derived in detail. Then, the jamming effect of intermittent sampling repeater is analyzed theoretically. The problem of that the effect of intermittent jamming repeater for phase-coded pulse cannot be explained clearly by the frequency field conclusion of intermittent jamming repeater is solved. Finally, the influences of the sampling period, duty ratio, and repeater mode on the jamming effect are analyzed. The analyses are verified by simulation. The research is of significance for producing one and multi lifelike false targets to phase-coded radar.

Key words:phase-coded；pulse compression；intermittent sampling；repeater jamming；false target

中圖分類(lèi)號(hào)：TN972

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2015)-05-0192-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.031

通信地址：710106陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)王曲街道光明路甲字5號(hào)E-mail：15755109092@139.com

作者簡(jiǎn)介：張鵬程(1990-)，男，陜西洛川人。碩士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)及雷達(dá)對(duì)抗理論與技術(shù)。

*收稿日期：2014-07-01；修回日期：2014-09-02