李淑華，張凱旋

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，推動了雷達(dá)干擾方式的快速轉(zhuǎn)變，雷達(dá)的干擾方式已由傳統(tǒng)的瞄頻窄帶噪聲干擾和寬帶噪聲壓制式干擾，變得越來越綜合化、分布化、靈巧化，尤其是數(shù)字射頻存儲（DRFM）技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了具有多種欺騙干擾技術(shù)的回答式和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)。DRFM 干擾是對雷達(dá)發(fā)射信號的精確“復(fù)制”，它與雷達(dá)信號的相干特性，對雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測構(gòu)成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。所以，對DRFM干擾進(jìn)行分析，并進(jìn)行針對的抗干擾措施研究是一項十分緊迫的任務(wù)。

1 DRFM 技術(shù)原理、特點(diǎn)和局限性分析

DRFM 干擾是干擾機(jī)對截獲雷射信號的相干存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，它在接收機(jī)處理過程中可以獲得與目標(biāo)回波幾乎相同的增益，達(dá)到對相參體制雷達(dá)干擾的目的。

1.1 DRFM 技術(shù)原理

圖1 DRFM 系統(tǒng)工作原理

下頁圖1 是DRFM 系統(tǒng)主要組成部分［1］，其工作的主要流程為：首先將監(jiān)測到的信號下變頻為中頻信號，隨后進(jìn)行采樣量化處理，并將結(jié)果保存到存儲器中，需要時從存儲器中讀取數(shù)字信號并恢復(fù)成模擬信號，最后經(jīng)過上變頻為射頻信號發(fā)射。

1.2 DRFM 的特點(diǎn)

相比其他類型的干擾，DRFM 干擾有自己獨(dú)特的特性［1-2］，具體表現(xiàn)如下：

1）相參特性。DRFM 系統(tǒng)可以對截獲的脈沖信號進(jìn)行相參復(fù)制，而且能夠保留頻率、幅度和相位等幾乎所有信息。2）復(fù)制存儲能力強(qiáng)?？梢詫π盘栠M(jìn)行長時間采樣和存儲，并能夠保存很長時間。3）具有形成多種干擾方式的能力。對脈沖信號：長時間轉(zhuǎn)發(fā)相參及非相參脈沖，可以在距離上產(chǎn)生許多密集假目標(biāo)；與卷積干擾相結(jié)合實(shí)現(xiàn)壓制性干擾；反復(fù)地逐漸延時轉(zhuǎn)發(fā)，可以產(chǎn)生距離門拖引干擾；調(diào)制一個多普勒頻移，可以產(chǎn)生距離單假目標(biāo)等。

1.3 DRFM 的局限性

1）器件水平影響信號的存儲長度。DRFM 存儲波形的容量受到現(xiàn)有高速集成電路技術(shù)水平的限制，這一點(diǎn)在許多體積有限的移動搭載平臺上體現(xiàn)的尤為明顯。2）產(chǎn)生寄生信號。本振信號的泄漏、諧波以及交叉調(diào)制等都會產(chǎn)生干擾系統(tǒng)正常工作的信號。3）帶寬與動態(tài)范圍有限。無法對一些大帶寬信號復(fù)制存儲。4）時延特性。由于量化、采樣過程需要一定時間，所以轉(zhuǎn)發(fā)的脈沖必然會在幾個雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)周期之后到達(dá)。

通過對DRFM 干擾局限性分析，為我們提供了抗干擾的思路：1）增加DRFM 干擾機(jī)對雷達(dá)信號的識別、分析以及存儲的難度，使得干擾難以生成；2）利用干擾信號的時延特性，對發(fā)射信號在幅度、頻率以及相位上進(jìn)行一定的調(diào)制，達(dá)到降低干擾與回波信號的相干性目的。無論是上述思路1）還是2），都可以通過設(shè)計復(fù)雜的發(fā)射信號波形來實(shí)現(xiàn)，這也是目前對抗DRFM 干擾的重要手段之一。

2 波形設(shè)計對抗干擾的研究進(jìn)展

影響雷達(dá)工作性能的最重要參數(shù)之一便是雷達(dá)的發(fā)射波形。從抗干擾角度來講，設(shè)計具有比較復(fù)雜形式的雷達(dá)信號，對干擾機(jī)偵察、提取雷達(dá)信號和形成干擾等方面具有重要的抑制作用。

Mehrdad Soumekh 首先提出了針對傳統(tǒng)LFM 信號的相位擾動調(diào)制方法（MT-PM LFM 和SV LFM）［3］，在此基礎(chǔ)上，王小念、黨立坤等人將上述兩種方法相結(jié)合，研究了一種階段相位擾動信號［4］，并與相位編碼結(jié)合作了具體分析；LFM 信號通過脈壓，可以抑制大部分隨機(jī)噪聲干擾，但對于相干干擾效果并不理想，隨之又有學(xué)者提出了頻率步進(jìn)體制雷達(dá)。文獻(xiàn)［5］分析了步進(jìn)頻率信號對有源干擾的抑制能力；靳凱等人提出了脈內(nèi)相位編碼脈間步進(jìn)頻雷達(dá)信號（PCSF）［6］，通過獲得更大的頻率步進(jìn)量，進(jìn)一步提高了雷達(dá)的抗干擾能力。

不同目標(biāo)回波的極化特性往往具有很大差異，這使得充分利用目標(biāo)散射波中的極化信息成為一種重要的干擾對抗手段。例如，羅金亮等結(jié)合跳頻與極化編碼兩種信號特點(diǎn)研究了一種復(fù)合型信號［7］；文獻(xiàn)［12］提出脈間采用垂直和水平線極化的極化編碼，使雷達(dá)距離分辨率有了很大提高；喬曉林等提出脈內(nèi)相位編碼，脈間水平和垂直線極化的極化編碼信號調(diào)制方式［8］，提高了雷達(dá)的抗干擾性能和作用距離。

3 波形設(shè)計基本原則

根據(jù)DRFM 干擾的特征，本文主要考慮從兩個方面對設(shè)計的發(fā)射波形抗干擾能力進(jìn)行評價：一是低截獲性，降低干擾機(jī)截獲到雷達(dá)信號的概率，增加其對發(fā)射信號的識別難度，從源頭上減少雷達(dá)受到DRFM 干擾的可能；二是對雷達(dá)信號進(jìn)行參數(shù)捷變設(shè)計，利用干擾機(jī)延時轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號與目標(biāo)回波間的差異，經(jīng)接收機(jī)匹配濾波處理后抑制干擾信號。

3.1 低截獲雷達(dá)波形（LPI）設(shè)計準(zhǔn)則

“偵查目標(biāo)的同時不被敵方偵查到”［9］是LPI 技術(shù)的核心。如圖2 所示。

圖2 雷達(dá)、目標(biāo)和干擾機(jī)的相對位置關(guān)系圖

定義截獲概率因子α［10］：

顯然，α 越小，信號的低截獲性能越好。依據(jù)文獻(xiàn)［7］中給出的α 與雷達(dá)系統(tǒng)各參數(shù)的關(guān)系可知，α與雷達(dá)的有效距離、天線增益、干擾機(jī)損耗等許多因素有直接關(guān)系。本文只考慮與波形設(shè)計有關(guān)的因素：信號的時帶積。

式（2）為α 與信號時寬帶寬的關(guān)系。關(guān)于雷達(dá)信號的時寬帶寬對LPI 特性的影響，文獻(xiàn)［9］作了詳細(xì)討論。對脈壓體制的雷達(dá)來說：

3.2 參數(shù)捷變波形設(shè)計準(zhǔn)則

根據(jù)匹配濾波的定義可知，對輸入信號進(jìn)行匹配，其結(jié)果為輸入信號與脈壓系數(shù)的互相關(guān)函數(shù)（在無噪聲情況下）。因此，為對抗干擾機(jī)延時轉(zhuǎn)發(fā)（圖3）的DRFM 干擾，需要使相鄰（接收回波信號后，要先進(jìn)行距離解模糊，然后進(jìn)行匹配濾波處理）兩脈沖重復(fù)周期內(nèi)信號互相關(guān)性更低。

圖3 真實(shí)回波、干擾信號和脈壓系數(shù)之間關(guān)系

其中*為取共軛。下面具體分析參數(shù)捷變雷達(dá)波形抗DRFM 干擾的處理過程。

設(shè)在第m 個脈沖重復(fù)周期內(nèi)，雷達(dá)接收到回波信號：

式中，y1（t）可以看作發(fā)射信號的自相關(guān)函數(shù)，y2（t）則可以看作干擾與發(fā)射信號的互相關(guān)函數(shù)。

在此采用這樣一個信號抗干擾性能分析準(zhǔn)則［13］：一定輸入信干比下，如果互相關(guān)函數(shù)峰值低于自相關(guān)函數(shù)峰值達(dá)到3 dB 以上，說明經(jīng)過脈壓處理后可以從干擾中檢測出目標(biāo)回波，可以實(shí)現(xiàn)對抗干擾的效果。

4 一種脈內(nèi)非線性調(diào)頻脈間極化編碼信號設(shè)計

4.1 相位擾動LFM 信號

4.1.1 MT-PM LFM 信號

傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)大多采用的是線性調(diào)頻信號：

當(dāng)0≤t≤Tp時，a（t）=1，其余時刻為零；k 為調(diào)頻斜率，fc為載頻，Tp為脈沖持續(xù)時間。

MT-PM 信號［2，11］通過對線性調(diào)頻信號附加一個小的相位擾動，令發(fā)射信號在脈沖持續(xù)時間內(nèi)存在相位擾動，第m 個脈沖重復(fù)周期內(nèi)的MT-PM 信號表示如下：

其中，φm（t）為調(diào)制的相位擾動，它采用偽隨機(jī)信號

4.1.2 SV LFM 信號

相位擾動也可以通過改變線性調(diào)頻信號的斜率實(shí)現(xiàn)，令在第m 個脈沖重復(fù)周期內(nèi)，幅度信號a（t）的相位定義如下：

其中，γm為調(diào)頻斜率擾動參數(shù)，它必須選擇原調(diào)頻斜率k 的某一百分比，以保證a（t）的帶寬是原信號帶寬的一部分，而且不同脈沖重復(fù)周期內(nèi)的信號脈沖持續(xù)時間應(yīng)與其有效調(diào)頻斜率k+γ 成反比關(guān)系。

4.2 極化編碼調(diào)制技術(shù)

所謂極化編碼調(diào)制技術(shù)，是指采用偽隨機(jī)碼對發(fā)射端射頻載波的極化方式進(jìn)行調(diào)制，來獲得極化編碼雷達(dá)信號的技術(shù)［12-15］。其形式表示為：

式中，j 表示頻域的正交分量；i 表示極化域的正交分量。

將E（it）表示為脈沖函數(shù)，則可以表示為對應(yīng)的極化調(diào)制函數(shù)。如果選取水平和垂直的線極化作為基底，使雷達(dá)發(fā)射的每一個脈沖信號其極化方式在垂直和水平極化之間捷變，并結(jié)合一定的編碼方式來進(jìn)行編碼，便產(chǎn)生相應(yīng)的極化編碼信號。

4.3 脈內(nèi)非線性調(diào)頻脈間極化編碼的組合波形設(shè)計

在雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用很廣的單一調(diào)制信號（如線性調(diào)頻、相位編碼等），由于它們的時帶積、復(fù)雜度等參數(shù)的限制，已經(jīng)漸漸不能滿足雷達(dá)對發(fā)射信號的需求。所以，組合調(diào)制波形逐漸成為雷達(dá)波形設(shè)計的主要研究方向，組合波形具有更復(fù)雜的帶內(nèi)特征，可以將不同調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，產(chǎn)生性能更好的發(fā)射波形。

在前文的基礎(chǔ)上，本節(jié)研究一種脈內(nèi)非線性調(diào)頻，脈間極化編碼的組合波形。將MT-PM LFM 信號與SV LFM 信號相結(jié)合作為脈內(nèi)調(diào)制方式，脈間采用偽隨機(jī)碼對發(fā)射端射頻載波的極化方式進(jìn)行調(diào)制，具體方法如下。

脈內(nèi)：第m 個脈沖重復(fù)周期內(nèi)信號表示形式為：

脈間：設(shè)雷達(dá)脈沖重復(fù)周期為T，選取垂直、水平線極化基，發(fā)射的各個脈沖的極化方式在垂直和水平線極化之間按照偽隨機(jī)碼Pk捷變，其表達(dá)式為：

結(jié)合兩者，就可以得到脈內(nèi)非線性調(diào)頻脈間極化編碼信號，形式為：

4.4 抗干擾性能分析

4.4.1 時寬帶寬積

本文提出的脈內(nèi)非線性調(diào)頻脈間極化編碼信號，其帶寬大小主要由脈內(nèi)采用的非線性調(diào)頻信號決定。線性調(diào)頻信號是一種大時寬帶寬積信號，它通過對寬脈沖進(jìn)行調(diào)制，獲得了與窄脈沖相同的大帶寬，是一種比較理想的低截獲波形。對于脈內(nèi)非線性調(diào)頻信號式（14），其相位擾動：

表1 極化與相位調(diào)制的對應(yīng)關(guān)系（以13 位巴克碼為例）

當(dāng)進(jìn)行相位的調(diào)制時，相位參數(shù)（amn，ωmn，θmn）采用的是偽隨機(jī)序列，并且ωmn的取值是在原LFM 信號基帶范圍內(nèi)；同時a（t）帶寬是原信號帶寬的一部分，γm選擇為原信號調(diào)頻斜率k 的某一百分比。基于以上分析，本文所設(shè)計脈內(nèi)非線性調(diào)頻脈間極化編碼信號也是一種大帶寬信號，具有大的時寬帶寬積。設(shè)置仿真參數(shù)如下：脈沖時間為10 μs，信號帶寬為30 MHz，ω 服從（0，1 MHz）內(nèi)均勻分布，a 服從高斯分布，θ 服從（0，2π）內(nèi)均勻分布，仿真得其頻譜圖如圖4 所示：

圖4 脈內(nèi)非線性調(diào)頻信號頻譜圖

此外，脈內(nèi)非線性調(diào)頻脈間極化編碼信號是在脈內(nèi)調(diào)制隨機(jī)的不同調(diào)頻斜率基礎(chǔ)上，增加了一定的相位變化，并且脈間采用偽隨機(jī)碼對發(fā)射信號的極化方式進(jìn)行調(diào)制，使得波形的復(fù)雜度得到了大大的增加，干擾方要實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)信號的參數(shù)估計并復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)就更難了，因此，具有較好的抗干擾性能。

4.4.2 自、互相關(guān)性分析

由3.2 可知，對輸入信號進(jìn)行匹配濾波，其結(jié)果為輸入信號與脈壓系數(shù)的互相關(guān)函數(shù)。將所設(shè)計信號代入式（5），可得其自相關(guān)與互相關(guān)函數(shù)。

圖5 為脈內(nèi)非線性調(diào)頻脈間極化編碼信號某一脈沖重復(fù)周期內(nèi)自相關(guān)函數(shù)仿真圖，圖6 為不同脈沖重復(fù)周期的信號互相關(guān)函數(shù)圖。

圖5 自相關(guān)函數(shù)圖

圖6 互相關(guān)函數(shù)圖

由上圖可知，設(shè)計信號的自相關(guān)性能很好，而不同周期的信號具有很弱的相關(guān)性。而且互相關(guān)函數(shù)峰值低于自相關(guān)函數(shù)，峰值達(dá)到15 dB，滿足波形設(shè)計的要求，說明經(jīng)過脈壓處理，可以從干擾中檢測出目標(biāo)回波。可見針對DRFM 干擾，所設(shè)計的信號具有很好的抗干擾性能。

5 結(jié)論

本文通過對DRFM 原理的分析，以低截獲性和參數(shù)捷變?yōu)闇?zhǔn)則，設(shè)計了一種組合雷達(dá)發(fā)射波形，并對該信號的頻譜、互相關(guān)和自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行了仿真，驗證了其具有對抗DRFM 干擾的性能。此外，由于在信號設(shè)計過程中進(jìn)行了極化編碼設(shè)計，所以在信號接收時，首先需要對回波信號進(jìn)行極化解碼，如何對信號進(jìn)行有效的解碼，以最大程度地獲取目標(biāo)信息濾除干擾，這是下一步需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。