李尚生，付哲泉，李煒杰，鄒瀚鋒

(海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺(tái)　264001)

?

箔條干擾回波信號(hào)頻域特性研究

李尚生，付哲泉，李煒杰，鄒瀚鋒

(海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺(tái)264001)

針對(duì)雷達(dá)內(nèi)場(chǎng)測(cè)試中由于模擬箔條云回波信號(hào)信息不完整造成的測(cè)試結(jié)果不能反映雷達(dá)實(shí)戰(zhàn)性能的問(wèn)題，提出了考慮箔條錐動(dòng)的回波信號(hào)構(gòu)建方法。該方法綜合考慮箔條絲平動(dòng)與錐動(dòng)對(duì)頻譜的作用，得到單根箔條以及箔條云在不同波段、不同運(yùn)動(dòng)情況下的回波信號(hào)頻譜，總結(jié)了不同運(yùn)動(dòng)情況下的頻譜變化規(guī)律，研究結(jié)論對(duì)于建立更真實(shí)的模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、提高雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)以及抗箔條干擾能力具有重要意義。

雷達(dá)；箔條干擾；回波信號(hào)；頻域特性；錐動(dòng)；平動(dòng)

0　引言

箔條干擾由于使用方便、造價(jià)低廉，經(jīng)過(guò)大半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)成為使用最廣泛的雷達(dá)無(wú)源干擾之一。箔條可以掩護(hù)飛機(jī)編隊(duì)突防，也可以保護(hù)艦艇免受導(dǎo)彈打擊。近代戰(zhàn)爭(zhēng)中的多次成功使用，證明箔條干擾在欺騙雷達(dá)、降低雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別能力方面取得了很顯著的效果，圍繞箔條干擾展開(kāi)的干擾與抗干擾研究顯得格外重要。同時(shí)，在雷達(dá)的研制與改進(jìn)過(guò)程中，對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力是雷達(dá)重要的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)之一。由于雷達(dá)的外場(chǎng)測(cè)試周期長(zhǎng)、花費(fèi)高，往往通過(guò)信號(hào)模擬器來(lái)產(chǎn)生目標(biāo)回波信號(hào)和各種干擾信號(hào)以滿(mǎn)足測(cè)試?yán)走_(dá)抗干擾能力的要求。雷達(dá)一般可以通過(guò)對(duì)回波信號(hào)時(shí)域、頻域、極化域3方面特征的提取來(lái)區(qū)分箔條干擾與真實(shí)目標(biāo)[1-4]。因此，研究箔條云回波信號(hào)特征將對(duì)雷達(dá)識(shí)別目標(biāo)能力的提高提供有力的理論支持?，F(xiàn)有文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)箔條干擾回波信號(hào)的頻域特性有了廣泛研究，但一般只考慮箔條絲水平運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移和頻譜展寬，而忽略了箔條絲錐動(dòng)對(duì)頻譜的影響[5-8]。為了更全面地分析箔條干擾回波信號(hào)頻域特性的影響因素，本文提出了考慮錐動(dòng)的箔條干擾回波信號(hào)模型，并對(duì)不同情況下箔條干擾回波信號(hào)頻譜特征進(jìn)行了仿真分析。

1　箔條云回波信號(hào)模型的建立

一般認(rèn)為相對(duì)徑向速度的變化會(huì)引起頻移[9-13]。如果雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)速度服從一定的分布，回波信號(hào)的頻譜也會(huì)有一定的分布，所以箔條云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)會(huì)造成回波信號(hào)頻譜的變化。箔條彈在空中散開(kāi)時(shí)，箔條絲在風(fēng)力和重力的作用下，水平和豎直方向速度隨時(shí)間變化，直到箔條絲達(dá)到受力平衡，變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)“平動(dòng)”，此時(shí)箔條云為相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)箔條絲還繞某一固定軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)“錐動(dòng)”，由于存在平動(dòng)和錐動(dòng)，導(dǎo)致回波信號(hào)頻譜存在頻譜搬移與頻譜展寬現(xiàn)象。雷達(dá)可以根據(jù)回波信號(hào)的頻移和頻譜展寬來(lái)識(shí)別目標(biāo)和箔條干擾，因此研究箔條云雷達(dá)回波的頻移和頻譜展寬特性具有重要意義。下面分析箔條絲繞某一固定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的回波信號(hào)頻域特性。

圖1　箔條絲錐動(dòng)示意圖Fig.1　Sketch map of chaff cone rotary motion

ay,az)通過(guò)初始旋轉(zhuǎn)矩陣RInit得到，坐標(biāo)變換的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

(1)

(2)

錐旋矩陣RC[9-10]表示為

(3)

(4)

將式(4)帶入式(3)，可以得到

(5)

則經(jīng)過(guò)時(shí)間t旋轉(zhuǎn)后的散射點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為rt=RCRInitr0，雷達(dá)與散射點(diǎn)的距離為

(6)

(7)

式中：v為箔條絲與雷達(dá)間的徑向運(yùn)動(dòng)速度。相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，v為正值；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，v為負(fù)值。

(8)

(9)

假設(shè)箔條云中箔條間距大于2倍發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，可以忽略箔條之間的互耦效應(yīng)[2]，則箔條云回波信號(hào)認(rèn)為是箔條絲各自回波的矢量疊加。

2　單根箔條回波信號(hào)頻域特征分析

2.1單根箔條在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的回波信號(hào)頻譜

圖2給出了單根箔條在以上3種情況下的頻譜仿真結(jié)果，可以看出，箔條絲的錐動(dòng)使得回波頻譜展寬，平動(dòng)則導(dǎo)致回波信號(hào)頻譜的搬移，搬移大小與理論計(jì)算結(jié)果fd=2f|v|/c相對(duì)應(yīng)；第3張圖與第1張相比，頻譜中心由0 Hz搬移到1 000 Hz，搬移的產(chǎn)生是因?yàn)槠絼?dòng)的影響，搬移大小與平動(dòng)速度對(duì)應(yīng)，兩張圖片譜線分布特征完全相同，說(shuō)明單一平動(dòng)速度時(shí)，平動(dòng)只造成頻譜搬移，不影響頻譜寬度，與回波信號(hào)模型的理論結(jié)果一致。因此對(duì)單根箔條絲而言，平動(dòng)和錐動(dòng)產(chǎn)生的綜合效果為2種運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生效果的疊加。

圖2　單根箔條在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的回波信號(hào)頻譜Fig.2　Echo signal spectrum of single chaff in different motion states

2.2單根箔條在不同加速度平動(dòng)下的回波信號(hào)頻譜

假設(shè)箔條絲位于雷達(dá)坐標(biāo)系中(5 000,0,0)處，發(fā)射信號(hào)頻率f=15 GHz，箔條絲長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)l=λ/2=0.01 m，長(zhǎng)細(xì)比為100。箔條初始位置由中心在原點(diǎn)，垂直于Oxy平面，然后分別繞x，y，z軸旋轉(zhuǎn)30°，45°，60°得到。分析單根箔條在以下3種平動(dòng)情況下的回波信號(hào)頻譜特征：①vx=10+0.1t；②vx=10+0.5t；③vx=10+t(單位為m/s)。

圖3給出了單根箔條在不同加速度平動(dòng)下的頻譜仿真結(jié)果，對(duì)比3張圖片可以發(fā)現(xiàn)，隨著加速度的不斷增大，回波信號(hào)頻譜越來(lái)越寬，幅度越來(lái)越小。

圖3　單根箔條在不同加速度平動(dòng)下的回波信號(hào)頻譜Fig.3　Echo signal spectrum of single chaff under different translational accelerations

3　箔條云回波信號(hào)頻域特征分析

3.1箔條云在不同錐動(dòng)角速度下的回波信號(hào)頻譜

圖4為2種錐旋角速度下的箔條云回波信號(hào)頻譜仿真結(jié)果，由圖4可以看出，對(duì)同一箔條云而言，發(fā)射信號(hào)頻率固定，隨著箔條絲錐旋角速度的增大，箔條云回波信號(hào)頻譜展寬越寬。

圖4　f=15 GHz時(shí)箔條云在不同錐旋角速度下的回波信號(hào)頻譜Fig.4　Echo signal spectrum of chaff cloud at different cone rotary motion angular speeds when f=15 GHz

圖5為發(fā)射信號(hào)頻率為20 GHz、錐旋角速度為9π時(shí)的箔條云回波信號(hào)頻譜仿真結(jié)果。與圖4對(duì)比可以看出，相同錐旋角速度下，隨著發(fā)射信號(hào)頻率變大，回波信號(hào)頻譜更寬。與圖3結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，錐動(dòng)造成的頻譜展寬與風(fēng)速變化造成的頻譜展寬相比要小得多。

圖5　f=20 GHz時(shí)箔條云回波信號(hào)頻譜Fig.5　Echo signal spectrum of chaff cloud when f=20 GHz

3.2箔條云在不同風(fēng)速情況下的回波信號(hào)頻譜

仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，vx=10時(shí)，回波信號(hào)中心頻率為1 000 Hz，與速度對(duì)應(yīng)，此時(shí)頻譜展寬由均勻分布的錐旋角速度造成；當(dāng)風(fēng)速變?yōu)榫鶆蚍植紩r(shí)，頻譜寬度依然與速度大小對(duì)應(yīng)，頻譜展寬主要由均勻分布的風(fēng)速產(chǎn)生，并且隨著速度分布范圍的增大，回波信號(hào)頻譜展寬，幅度變小，此時(shí)錐動(dòng)造成的頻譜展寬仍遠(yuǎn)小于風(fēng)速均勻分布造成的頻譜展寬。

圖6　半波長(zhǎng)箔條云在不同風(fēng)速情況下的回波信號(hào)頻譜Fig.6　Echo signal spectrum of half wavelength chaff cloud in different wind conditions

下面以L波段的雷達(dá)為例，分析其對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)箔條云回波信號(hào)頻譜特性。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率為f=1 GHz，箔條云由發(fā)射信號(hào)頻率f=0.8，1，1.2 GHz對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)箔條各1/3構(gòu)成，其他條件不變，得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　L波段半波長(zhǎng)箔條云在不同風(fēng)速情況下的回波信號(hào)頻譜Fig.7　Echo signal spectrum of L-band half wavelength chaff cloud in different wind conditions

由圖7可以看出，回波信號(hào)頻譜中心頻率仍然與風(fēng)速的大小對(duì)應(yīng)，但此時(shí)錐動(dòng)造成的頻譜展寬幅度相比于Ku波段雷達(dá)信號(hào)變得更大。得到結(jié)論為：波長(zhǎng)越長(zhǎng)，回波信號(hào)頻譜中錐動(dòng)造成的頻譜展寬越明顯。

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)不同波段的相參體制雷達(dá)，本文建立考慮箔條錐動(dòng)的回波信號(hào)模型，分析單根箔條以及箔條云的回波信號(hào)頻譜特征，得到不同環(huán)境下頻譜變化規(guī)律。結(jié)果表明，對(duì)單根箔條而言，錐動(dòng)造成回波信號(hào)頻譜展寬，平動(dòng)使得頻譜搬移，當(dāng)平動(dòng)對(duì)應(yīng)風(fēng)速服從均勻分布時(shí)，頻譜也對(duì)應(yīng)一定的寬度。對(duì)空間均勻分布箔條云而言，隨著箔條錐旋角速度的增大，回波信號(hào)頻譜變寬；隨著平動(dòng)風(fēng)速的逐漸變大，頻譜搬移值也隨之變大；風(fēng)速均勻分布的范圍增大，頻譜也相應(yīng)展寬。風(fēng)速造成的頻譜展寬與錐動(dòng)造成的頻譜展寬相比要大，隨著發(fā)射信號(hào)頻率的降低，差距變小，對(duì)L波段雷達(dá)而言，兩者造成的頻譜展寬可以相互比擬。以上結(jié)論對(duì)雷達(dá)有效識(shí)別箔條假目標(biāo)，提高雷達(dá)識(shí)別目標(biāo)能力有一定的借鑒意義。同時(shí)，利用上述結(jié)論可以得出不同頻率、不同風(fēng)速條件下的箔條云雷達(dá)回波頻譜特征，為在內(nèi)場(chǎng)建立不同自然條件下對(duì)不同頻率雷達(dá)的模擬箔條干擾環(huán)境，進(jìn)而測(cè)試?yán)走_(dá)在各種條件下的抗干擾性能奠定基礎(chǔ)。

[1]李金梁. 箔條干擾的特性與雷達(dá)抗箔條技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

LI Jin-liang. Study on Characteristics of Chaff Jamming and Anti-Chaff Technology for Radar [D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2010.

[2]陳靜. 雷達(dá)箔條干擾原理[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2007.

CHEN Jing. Principles of Radar Passive Jamming [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2007.

[3]李金梁, 王雪松, 李永禎. 箔條云散射的極化統(tǒng)計(jì)特性[J]. 電子學(xué)報(bào), 2010, 3(3): 714-719.

LI Jin-liang, WANG Xue-song, LI Yong-zhen. Statistics Characteristics of Polarimetric Scattering from Chaff [J]. Acta Electronica Sinica, 2010, 3(3): 714-719.

[4]康立學(xué). 反艦導(dǎo)彈抗箔條無(wú)源干擾研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2010.

KANG Li-xue. Research on Anti-Ship Missiles’ Countermeasure Against Chaff’s Passive Jamming [D]. Xi’an: Xidian University, 2010.

[5]劉世敏. 箔條干擾的特征及其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2009.

LIU Shi-min. Charactristic of Chaff Jamming and Field-Collected Chaff-Jammed Data Analysis [D]. Xi’an: Xidian University, 2009.

[6]崔偉, 楊承志, 李云鵬. 箔條彈干擾主動(dòng)雷達(dá)多普勒導(dǎo)引頭建模與仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2014, 26(2): 419-424.

CUI Wei, YANG Cheng-zhi, LI Yun-peng. Modeling and Simulation of Research on Jamming of Chaff Cartridge for Active Doppler Radar Seeker [J]. Journal of System Simulation, 2014, 26(2): 419-424.

[7]劉博, 常文革. 反艦寬帶相參雷達(dá)的一種抗箔條干擾方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2014, 36(3): 440-446.

LIU Bo, CHANG Wen-ge. Effective Anti-Chaff Jamming Method for Anti-Ship Wideband Coherent Radar [J]. Systems Engineering and Electronics, 2014, 36(3): 440-446.

[8]馮云松. 雷達(dá)箔條的特性及其戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用[J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2012(1): 29-31.

FENG Yun-song. Characteristics and Tactical Applications of Radar Chaff [J]. Aeronautical Science & Technology, 2012(1): 29-31.

[9]丁曉松, 金亞秋. 海面上方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和人造箔條云干擾的多普勒頻移仿真[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 19(4):431-437.

DING Xiao-song, JIN Ya-qiu. Simulation of Doppler Frequency Shift for a Moving Target and Chaff Cloud Above the Oceanic Surface [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2004, 19(4):431-437.

[10]劉強(qiáng), 劉以安. 箔條云回波的一種建模與仿真方法[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2006, 28(8): 91-94.

LIU Qiang, LIU Yi-an. A Modeling and Simulation Method of Chaff Cloud Echo[J]. Modern Radar, 2006, 28(8): 91-94.

[11]姚遠(yuǎn). 雷達(dá)抗箔條干擾技術(shù)的研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學(xué), 2012.

YAO Yuan. Radar Anti-Chaff-Jamming Technology Research [D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2012.

[12]孫照強(qiáng), 魯耀兵, 李寶柱. 彈道目標(biāo)進(jìn)動(dòng)特性的微多普勒研究與特征分析[J]. 航天電子對(duì)抗, 2008, 24(1): 7-10.

SUN Zhao-qiang, LU Yao-bing, LI Bao-zhu. Research and Analysis of Micro-Doppler Based on Precession of Ballistic Missile [J]. Aerospace Electronic Warfare, 2008, 24(1): 7-10.

[13]CHEN V C, LI F, HO S, et al. Micro-Doppler Effect in Radar: Phenomenon, Model and Simulation Study [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2006, 42(1): 2-21.

[14]呂萌萌. 箔條云電磁特性研究及仿真軟件設(shè)計(jì)[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2012.

Lü Meng-meng. Research of Chaff Cloud’s Electromagnetic Characteristics and Simulation Software Design [D]. Xi’an: Xidian University, 2012.

[15]劉暢, 占光, 盧景雙, 等. 新的箔條散射截面數(shù)學(xué)模型及其仿真[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版, 2011, 29(4): 320-323.

LIU Chang, ZHAN Guang, LU Jing-shuang, et al. New Mathematical Model of Chaff’s RCS and Its Simulation [J]. Journal of Jilin University：Information Science ed, 2011, 29(4):320-323.

Frequency Characteristics of Chaff Echo Signal

LI Shang-sheng，F(xiàn)U Zhe-quan，LI Wei-jie，ZOU Han-feng

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Electronics and Information Engineering Department,Shandong Yantai 264001, China)

In the infield test of radar, according to the problem that the incomplete information of the simulation of chaff cloud echo signal caused by test results cannot reflect the performance of radar practical problems, a new echo signal construction method is put forward. By considering the effect the chaff translation and cone rotary motion upon spectrum, this method gets echo signal chaff and chaff cloud in different bands and different motion. Then, the spectral variation rules of different motion are summed up. The conclusion of the study is of great significance for the establishment of a more realistic simulation of battlefield environment and improving radar target detection and anti chaff jamming ability.

radar；chaff jamming；echo signal；frequency characteristics；cone rotary motion；translation

2015-06-25；

2015-09-20

李尚生(1965-)，男，山東平陰人。教授，碩士，主要從事雷達(dá)探測(cè)技術(shù)研究。

通信地址：264001山東省煙臺(tái)市芝罘區(qū)二馬路188號(hào)海軍航空工程學(xué)院401教研室E-mail：liss1965@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.04.007

TN972+.41

A

1009-086X(2016)-04-0037-06