， ，

(航天工程大學(xué)， 北京 101416)

0 引言

脈壓雷達(dá)所采用的寬脈沖不僅可以提高雷達(dá)的平均發(fā)射功率，還能夠確保足夠大的作用距離。在接收端通過脈沖壓縮處理將寬脈沖轉(zhuǎn)化為窄脈沖，則可實(shí)現(xiàn)較好的距離分辨率，因此較好地解決了雷達(dá)大作用距離和高距離分辨率之間的矛盾。此外，脈沖壓縮處理大大提高了雷達(dá)對非相干干擾的抑制能力[1]。如何對脈壓雷達(dá)進(jìn)行有效干擾已成為電子戰(zhàn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

線性調(diào)頻(LFM)信號是脈壓雷達(dá)廣泛采用的信號之一，該信號存在距離和多普勒強(qiáng)耦合的固有缺陷[2]，這使得轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對脈壓雷達(dá)更容易產(chǎn)生干擾，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾是對抗采用LFM信號的脈壓雷達(dá)的常用轉(zhuǎn)發(fā)式干擾樣式之一[3]。間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾改善了由收發(fā)隔離問題所致的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾所產(chǎn)生假目標(biāo)滯后于真目標(biāo)的問題，同時(shí)兼顧了干擾信號與脈壓雷達(dá)信號間的相干性[4-5]。但是間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾形成的假目標(biāo)串中，主假目標(biāo)始終滯后于真目標(biāo)，且次假目標(biāo)幅度衰減過快，能有效形成干擾的假目標(biāo)數(shù)較少[6-7]。間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的提出在一定程度上解決了上述問題，然而該方法無法干擾脈壓雷達(dá)對目標(biāo)速度信息的獲取，導(dǎo)致所產(chǎn)生的假目標(biāo)不滿足目標(biāo)運(yùn)動特性，容易被敵方剔除，且對干擾機(jī)功率要求較高[8-10]。

本文提出一種基于多相位分段調(diào)制處理的脈壓雷達(dá)干擾方法，該方法能夠克服間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾無法對脈壓雷達(dá)獲取目標(biāo)速度信息產(chǎn)生影響的固有缺陷，通過對脈壓雷達(dá)信號進(jìn)行分段相位調(diào)制，部分保留和破壞脈壓雷達(dá)回波信號的相干性，從而形成靈活可靠的多樣化遮蓋效果。

1 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾

設(shè)脈壓雷達(dá)采用LFM信號，則雷達(dá)脈沖信號為

(1)

式中，T為脈沖寬度，k為LFM信號的調(diào)頻斜率。

間歇采樣處理可等效為一矩形脈沖串p(t)對雷達(dá)信號進(jìn)行采樣，則單次間歇采樣所得干擾信號的數(shù)學(xué)模型可表示為

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

(2)

由上式可知，干擾信號經(jīng)過脈壓處理后的輸出信號為

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

(3)

式中，h(t)為匹配濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)。

設(shè)脈壓雷達(dá)脈寬T是間歇采樣周期Ts的整數(shù)倍，Ts是采樣間隔τ的整數(shù)倍，轉(zhuǎn)發(fā)信號的時(shí)長均為τ，在間歇采樣周期Ts內(nèi)，可轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)前采樣的最高次數(shù)為M，則由式(3)可知，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的脈壓輸出可表示為

ys(t)+ys(t-τ)+ys(t-2τ)+…+

(4)

式中，M=Ts/τ-1。由上式可知，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾實(shí)際上是對ys(t)以等間隔τ進(jìn)行M次延拓。

與全樣本干擾方法相比，間歇采樣干擾的優(yōu)勢主要有：

1) 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾只要獲得脈壓雷達(dá)的最小脈寬就可實(shí)施有效干擾，因此不需要進(jìn)行過多的電子戰(zhàn)偵察工作，效率更高；

2) 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的采樣周期Ts取值靈活，不同取值可產(chǎn)生不同干擾效果，因此可適用于任何線性調(diào)頻體制脈壓雷達(dá)；

3) 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的干擾機(jī)相比全樣本干擾，體積更小，有利于工程實(shí)現(xiàn)。

但該干擾通常存在以下問題：

1) 假目標(biāo)數(shù)較少時(shí)，不僅不能遮蓋真實(shí)目標(biāo)，假目標(biāo)還容易成為敵方的信標(biāo)，暴露真實(shí)目標(biāo)位置；

2) 假目標(biāo)數(shù)較多時(shí)，干擾效果類似于噪聲壓制干擾，敵方可能會察覺到干擾的存在，難以對敵方造成欺騙；

3) 假目標(biāo)的多普勒信息與真實(shí)目標(biāo)相同，利用真實(shí)目標(biāo)的運(yùn)動特性，可以識別假目標(biāo)。

2 多相位分段調(diào)制干擾

2.1 干擾原理

對脈壓雷達(dá)的多相位分段調(diào)制干擾主要分為信號分段、相位調(diào)制、信號采樣和信號合成四個(gè)步驟[11]，如圖1所示。

具體步驟如下：

1) 信號分段

干擾機(jī)接收到脈壓雷達(dá)發(fā)射信號后，通過一等間距或非等間距的矩形脈沖串對存儲的雷達(dá)信號進(jìn)行采樣，隨后平移脈沖串將信號劃分為N(N≥2)個(gè)不同分段。

2) 相位調(diào)制

在不同信號分段上按照一定的規(guī)律進(jìn)行相位調(diào)制，即改變雷達(dá)發(fā)射信號波形的相位。相位調(diào)制是多相位分段調(diào)制干擾的核心環(huán)節(jié)，其具體規(guī)則如下：

① 相位調(diào)制后生成信號的總時(shí)長與雷達(dá)回波信號相等，和雷達(dá)信號的波形體制無關(guān)；

② 各分段相位調(diào)制采用的相位值可在[0,2π]上隨機(jī)取值，相位取值個(gè)數(shù)不少于2，并且為有限個(gè)；

③ 各分段信號的時(shí)長可以取小于脈壓雷達(dá)信號時(shí)長的任意值，并且各分段信號的時(shí)長取值可以是等分或非等分。

3) 信號采樣

相位調(diào)制處理后，根據(jù)存儲的子信號相位，能夠?qū)π盘柌蓸訒r(shí)間進(jìn)行選擇。對所選子信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，就得到了與脈壓雷達(dá)信號波形完全相同的相位調(diào)制子脈沖串。

4) 信號合成

將信號采樣后已按規(guī)律排列的各分段信號合路輸出，可以在干擾時(shí)段內(nèi)生成與脈壓雷達(dá)信號脈沖長度相同的干擾信號。

設(shè)脈壓雷達(dá)回波信號為s(t)，信號分段后的各分段長度為等長τ，各分段上的相位調(diào)制值分別為φ1,φ2,φ3,…,φp,相位調(diào)制過程中，相位調(diào)制值為φ1的信號分段數(shù)為n1,所有信號分段起止時(shí)刻分別為t1si和t1ei，其余信號分段的起止時(shí)刻同理可得。

以上述參數(shù)設(shè)置為基礎(chǔ)，用階躍函數(shù)ε(t)表示信號各分段之間的相位調(diào)制值跳變，則多相位分段調(diào)制干擾信號等價(jià)于脈壓雷達(dá)信號與一復(fù)合函數(shù)的乘積：

sJ(t)=s(t)·p(t)

(5)

式中，

(6)

干擾信號總分段數(shù)N=n1+n2+n3+…+np，脈壓雷達(dá)脈沖時(shí)寬Tp=Nτ。

2.2 干擾信號的幅相特性

脈壓雷達(dá)發(fā)射信號為f(t)，經(jīng)目標(biāo)后向散射產(chǎn)生的雷達(dá)發(fā)射信號回波為s(t)，干擾機(jī)對截獲的雷達(dá)信號進(jìn)行多相位分段調(diào)制處理后生成的干擾信號為sJ(t)，則由接收機(jī)脈沖壓縮處理后得到的輸出信號為F(t)+FJ(t)。

回波信號的波形與發(fā)射信號相同，二者只是在包絡(luò)幅度和產(chǎn)生時(shí)刻上不同，故結(jié)合式(5)可知，多相位分段調(diào)制干擾信號在時(shí)域可以表示為

式中，K為回波信號與發(fā)射信號的包絡(luò)幅度比值。

設(shè)相鄰信號分路的相位調(diào)制差值均為φx，結(jié)合式(6)，對式(7)作傅里葉變換可知，多相位分段調(diào)制干擾信號在頻域可以表示為

SJ(jω)=ηKF(jω)e-jω t0·P(jω)=ηKF(jω)e-jω t0·

(8)

式中，K′=ηK。則多相位分段調(diào)制干擾信號的幅頻特性和相頻特性分別為

(9)

結(jié)合式(9)可知，回波信號和k=1時(shí)的多相位分段調(diào)制干擾信號的幅相特性曲線如圖2所示。

由回波信號和多相位分段調(diào)制干擾信號的幅相特性曲線可知，干擾信號與回波信號的幅頻特性在全頻帶內(nèi)均為一常數(shù)，二者成倍數(shù)關(guān)系，干擾信號的相頻特性和y軸的交點(diǎn)與調(diào)制相位值的大小有關(guān)，曲線斜率與分路的時(shí)間點(diǎn)有關(guān)。由k=1時(shí)的干擾信號幅相特性推廣至k取任意值，可以看出，多相位分段調(diào)制干擾信號在單個(gè)信號分路上的相頻特性依然是線性連續(xù)的，然而多個(gè)分路間的相頻特性不再具有回波信號相頻特性所固有的線性相位特性。

綜上所述，多相位分段調(diào)制干擾是一種部分相干干擾，值得一提的是，通過各分路長度和相位調(diào)制值的不同組合，干擾方可以改變干擾信號對回波信號特征的保留程度與破壞程度，從而實(shí)現(xiàn)干擾效果的多樣性。

2.3 對干擾信號的脈壓輸出分析

設(shè)脈壓過程中的環(huán)境噪聲是功率譜密度為N0/2 W/Hz的高斯白噪聲，輸出噪聲的功率譜密度為(N0/2)·|H0(jω)|2W/Hz。假設(shè)脈壓輸出信號在t=td時(shí)刻得到峰值，則多相位分段調(diào)制干擾信號經(jīng)過匹配濾波器后的輸出信號表達(dá)式為

(10)

設(shè)相位調(diào)制值φ1所在信號分段的帶寬B1=ωH1-ωL1，由頻譜偏移產(chǎn)生的時(shí)延量Δt，則該分段干擾信號的脈沖壓縮輸出表達(dá)式為

(11)

令

(12)

(13)

則式(11)可以等價(jià)為

FJ1(td)=A1ejΦ1

(14)

將上式推廣至整段干擾信號，則多相位分段調(diào)制干擾信號的脈壓輸出結(jié)果為

(15)

由上式可知，干擾信號的脈壓輸出結(jié)果可以等效為若干個(gè)信號矢量的疊加，各信號矢量的幅值和幅角與干擾信號分段數(shù)、調(diào)制相位數(shù)以及調(diào)制相位值三個(gè)參數(shù)有關(guān)。進(jìn)一步分析可知，脈沖壓縮后的干擾信號主瓣寬度與干擾信號分段長度成反比關(guān)系，另外，sinc函數(shù)的中心在一定范圍內(nèi)偏移，且偏移量與干擾信號的參數(shù)有關(guān)。

結(jié)合以上分析可得，多相位分段調(diào)制干擾可以在真實(shí)目標(biāo)周圍形成一定范圍的局部遮蓋效果，且通過對干擾信號分段數(shù)、調(diào)制相位數(shù)以及調(diào)制相位值三個(gè)參數(shù)的控制可以實(shí)現(xiàn)靈活多樣的干擾效果。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及分析

在已有相關(guān)理論研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用Matlab軟件對采用LFM信號的脈壓雷達(dá)MTD結(jié)果進(jìn)行仿真分析，預(yù)設(shè)目標(biāo)場景為一勻速運(yùn)動目標(biāo)，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

在上述干擾場景和干擾參數(shù)下，采用四相位等分分段多相位分段調(diào)制干擾，相位值按照從小到大的順序進(jìn)行調(diào)制，與間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行以下3組仿真對比實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)進(jìn)行100次蒙特卡洛仿真，各組MTD結(jié)果取蒙特卡洛仿真結(jié)果均值的最大值對應(yīng)的距離和速度作為目標(biāo)信息。

實(shí)驗(yàn)一：間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的采樣周期Ts=2 μs，采樣間隔τ=0.5 μs，干信比分別取20，30，40 dB，所得目標(biāo)信息如表2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)一所得目標(biāo)信息

由圖3和表2可知，3種干信比對應(yīng)的間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾下脈壓雷達(dá)獲取的目標(biāo)距離誤差分別為-11，-12，-14 m，目標(biāo)速度誤差均為 -0.013 m/s，距離域和速度域均未對脈壓雷達(dá)形成干擾，而多相位分段調(diào)制干擾下雷達(dá)獲取的目標(biāo)距離信息和速度信息均與真實(shí)目標(biāo)信息間存在較大誤差，形成了欺騙假目標(biāo)。值得一提的是，隨著干信比的提高多相位分段調(diào)制干擾下的MTD峰值幅度逐步增大，在30 dB和40 dB時(shí)，明顯大于間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，即采用大干信比時(shí)多相位分段調(diào)制干擾的干擾能量利用率高于間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾。在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，后面的實(shí)驗(yàn)均在干信比40 dB下研究兩種干擾的遮蓋效果。

實(shí)驗(yàn)二：間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的采樣周期Ts=3 μs，采樣間隔τ=0.5 μs，干信比取40 dB，所得目標(biāo)信息如表3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)二所得目標(biāo)信息

由圖4和表3可知，增大采樣周期Ts后，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾產(chǎn)生大量密集假目標(biāo)，改善了對真實(shí)目標(biāo)的遮蓋效果。但由于間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾并沒有破壞原始信號的脈間信息，對脈壓雷達(dá)獲取目標(biāo)速度信息無影響。與多相位分段調(diào)制干擾相比，雖然遮蓋效果較好，但是沒有形成欺騙干擾。

實(shí)驗(yàn)三：間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的采樣周期Ts=3 μs，采樣間隔τ=0.7 μs，干信比取40 dB，所得目標(biāo)信息如表4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。

表4 實(shí)驗(yàn)三所得目標(biāo)信息

由圖5和表4可知，增大采樣間隔τ后，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)集中分布在真實(shí)目標(biāo)兩側(cè)，干擾能量的分布集中至分布中心。雖然MTD所得的目標(biāo)距離相比真實(shí)目標(biāo)發(fā)生偏移，而速度信息仍然無偏差。與多相位分段調(diào)制干擾相比，雖然真實(shí)目標(biāo)被遮蓋，但沒有形成欺騙效果。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于多相位分段調(diào)制處理的脈壓雷達(dá)干擾方法，在其基本原理的基礎(chǔ)上，以采用LFM信號的脈壓雷達(dá)為平臺，推導(dǎo)了干擾信號的表達(dá)式，并對干擾信號的幅相特性和脈沖壓縮輸出進(jìn)行分析，結(jié)果表明，信號分路數(shù)、調(diào)制相位數(shù)量以及相位調(diào)制值的變化組合可以產(chǎn)生靈活多樣的干擾效果。通過實(shí)驗(yàn)仿真對比了多相位分段調(diào)制干擾與間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的干擾效果，結(jié)果表明，該干擾克服了間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾對目標(biāo)速度無法產(chǎn)生欺騙且易被敵方識別的缺陷，干擾能量利用率較高，對真目標(biāo)形成了相對可靠的遮蓋效果。下一步將重點(diǎn)研究如何對多相位分段調(diào)制干擾的遮蓋范圍及干擾功率進(jìn)行控制。