(91404部隊(duì) 秦皇島 066001)
近年來(lái),對(duì)脈沖壓縮雷達(dá)靈巧噪聲干擾技術(shù)的研究越來(lái)越廣泛和深入。靈巧噪聲干擾實(shí)際上是噪聲干擾和欺騙性干擾的組合,其原理是利用數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù),將全部或部分雷達(dá)脈沖采樣存儲(chǔ),附以噪聲或多普勒調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā),在雷達(dá)的實(shí)際目標(biāo)回波前后叢生,幅度隨機(jī)起伏,形成較好的壓制和擾亂效果[1~2]。
通過(guò)分析線性調(diào)頻信號(hào)脈壓的原理可知,要想對(duì)敵方脈壓雷達(dá)形成較強(qiáng)的干擾效果,干擾信號(hào)必須與雷達(dá)信號(hào)具有相位參考關(guān)系,這樣干擾信號(hào)才能進(jìn)入雷達(dá)的匹配濾波網(wǎng)絡(luò),否則無(wú)法產(chǎn)生干擾作用。通過(guò)DRFM復(fù)制目標(biāo)雷達(dá)的發(fā)射脈沖產(chǎn)生干擾信號(hào),保證了其中心頻率與目標(biāo)雷達(dá)的一致性,并且干擾波形與雷達(dá)信號(hào)具有相干性。對(duì)技術(shù)已然成熟的脈沖壓縮雷達(dá)來(lái)說(shuō),即使其采用了脈內(nèi)和脈間相干技術(shù),干擾信號(hào)依然可以抵消被干擾對(duì)象的部分相干處理增益,使其無(wú)法正常工作[4~5]。
靈巧噪聲干擾的目的是同時(shí)達(dá)成噪聲干擾和欺騙干擾的效果,其前提是對(duì)雷達(dá)信號(hào)的精確測(cè)量,包括近似100%截獲雷達(dá)脈沖,實(shí)時(shí)測(cè)量得到干擾對(duì)象的載頻、重頻調(diào)制特性以及脈內(nèi)調(diào)制參數(shù)。靈巧噪聲干擾的技術(shù)基礎(chǔ)是數(shù)字頻率存儲(chǔ)技術(shù),通過(guò)這種技術(shù)可以恢復(fù)雷達(dá)信號(hào)的脈沖調(diào)制特征。DRFM的輸出信號(hào)雖然能夠通過(guò)雷達(dá)的匹配濾波網(wǎng)絡(luò)獲得處理增益,但是或多或少存在時(shí)間延遲[6~7]。本文選取了一些典型的靈巧噪聲干擾樣式,包括叢偽目標(biāo)復(fù)合干擾、延時(shí)疊加多假干擾、前端復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾和步進(jìn)取樣群集干擾等,并對(duì)這些干擾樣式進(jìn)行了原理分析和仿真研究。值得注意的是,考慮到干擾信號(hào)功率是衡量干擾影響的重要因素,且在干擾信號(hào)功率之比中方便計(jì)算,因此在文章中估算這種靈巧噪聲干擾仿真的效果時(shí),重點(diǎn)參考了干擾信號(hào)功率之比的標(biāo)準(zhǔn)。
基于頻移的叢偽目標(biāo)復(fù)合干擾,就是存儲(chǔ)干擾器通過(guò)全脈沖(包括脈沖內(nèi)調(diào)制信息)接收到的雷達(dá)發(fā)射信號(hào),并在進(jìn)行頻移調(diào)制后進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)。雷達(dá)接收機(jī)接收到干擾信號(hào)后,它會(huì)在實(shí)際目標(biāo)回波之前和之后通過(guò)雷達(dá)脈沖壓縮處理形成許多錯(cuò)誤的目標(biāo)干擾信號(hào),從而影響脈壓雷達(dá)先檢測(cè)后識(shí)別再跟蹤目標(biāo)?;诰€性調(diào)頻信號(hào)的距離--多普勒耦合這一特性,設(shè)計(jì)了頻移叢偽目標(biāo)復(fù)合干擾樣式[8~10]。
設(shè)目標(biāo)雷達(dá)的線性調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式為
其中,k為調(diào)頻斜率,τ為脈沖寬度,f0為中心頻率下限。
對(duì)該信號(hào)移頻調(diào)制的干擾信號(hào)表示為
由于DRFM采樣位數(shù)限制,干擾信號(hào)與回波信號(hào)的脈內(nèi)調(diào)制斜率往往并不一致,二者之間存在誤差Δk,轉(zhuǎn)發(fā)生成的干擾信號(hào)可表示為
通過(guò)理論分析可知,對(duì)脈壓雷達(dá)的欺騙干擾效果與調(diào)制斜率誤差Δf直接相關(guān),Δf值越小,移頻處理之后的干擾信號(hào)欺騙效果越逼真,所以應(yīng)該選擇合適的移頻量,這里選擇Δf≤B/2,B為調(diào)制帶寬。與此同時(shí),假如欺騙干擾同一時(shí)間只能產(chǎn)生一個(gè)假目標(biāo),則很輕易就被雷達(dá)處理掉。為解決這一問(wèn)題,可以采用同時(shí)發(fā)射多個(gè)疊加脈沖的叢偽目標(biāo)復(fù)合干擾方法。如果干擾機(jī)產(chǎn)生的假目標(biāo)數(shù)量足夠多,就會(huì)對(duì)脈壓雷達(dá)同時(shí)產(chǎn)生噪聲干擾和欺騙干擾的效果。
下面給出叢偽目標(biāo)復(fù)合干擾的仿真結(jié)果,假設(shè)脈壓雷達(dá)的中心頻率為9370MHz,脈沖寬度Tp=9μs。
1)選擇脈沖疊加個(gè)數(shù)為10個(gè),頻率偏移量Δf=-1×106,調(diào)頻斜率誤差Δk=0,線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮輸出結(jié)果如圖1所示。
圖1 疊加10個(gè)脈沖的移頻干擾
2)選擇脈沖疊加個(gè)數(shù)為40個(gè),頻率偏移量Δf=-1×105,調(diào)頻斜率誤差Δk=0,線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮輸出結(jié)果如圖2所示。
圖2 疊加40個(gè)脈沖的移頻干擾
3)選擇脈沖疊加個(gè)數(shù)為40個(gè),頻率偏移量Δf=-1×105,調(diào)頻斜率誤差Δk=0.1k,線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮輸出結(jié)果如圖3所示。
圖3 疊加40個(gè)脈沖的移頻干擾
以上仿真結(jié)果表明,附加頻移的叢偽目標(biāo)復(fù)合干擾具有良好的干擾效果。通過(guò)比較前后結(jié)果可以看出,多普勒頻率偏移量越小,叢集目標(biāo)復(fù)合干擾的效果越好,疊加脈沖數(shù)的多少直接影響干擾效果,脈沖數(shù)越多干擾效果越好。注意在此種干擾樣式中,調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào)FM斜率應(yīng)與雷達(dá)回波信號(hào)盡可能一致,以期獲得更好的干擾效果。這就提升在設(shè)計(jì)干擾信號(hào)時(shí),可以減小頻移間隔用以增加虛假目標(biāo)的密度,也可以通過(guò)改變頻移的正負(fù)值,欺騙產(chǎn)生超前或滯后的叢集虛假目標(biāo)。
為使機(jī)載脈壓雷達(dá)在跟蹤目標(biāo)時(shí)能夠獲得更多的處理增益,發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)相參且脈沖寬度比較高,僅靠噪聲壓制難以取得理想的效果?,F(xiàn)代雷達(dá)的相參處理技術(shù)越來(lái)越強(qiáng),傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾產(chǎn)生的虛假目標(biāo)數(shù)量較少,難以形成類(lèi)似真實(shí)目標(biāo)的欺騙效果。如果干擾機(jī)在處理時(shí)能夠延遲N個(gè)采樣周期、疊加產(chǎn)生多個(gè)相干脈沖,并在干擾脈沖中保留原始信號(hào)的調(diào)制信息,就會(huì)在雷達(dá)處理結(jié)果上附加產(chǎn)生大量具有擾亂作用的目標(biāo)信號(hào),對(duì)使用脈沖壓縮信號(hào)的機(jī)載雷達(dá)有更好的干擾效果,尤其是對(duì)工作于脈沖多普勒模式的機(jī)載火控雷達(dá)而言,干擾非常有效[11~12]。
設(shè)脈沖壓縮雷達(dá)的時(shí)域信號(hào)為s(t),經(jīng)干擾機(jī)數(shù)字儲(chǔ)頻調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào)為J(t),延時(shí)時(shí)間用t0表示,這里取做采樣周期的倍數(shù),則干擾機(jī)發(fā)射的單個(gè)延遲干擾信號(hào)可表示為
設(shè)目標(biāo)雷達(dá)的響應(yīng)函數(shù)為h(t),雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)匹配濾波后輸出結(jié)果為
則干擾信號(hào)經(jīng)匹配濾波處理后,其輸出可用J0(t)表示為
通過(guò)不斷轉(zhuǎn)發(fā)、將許多單個(gè)延遲干擾信號(hào)在時(shí)域上疊加,就形成了對(duì)目標(biāo)雷達(dá)而言難以分辨的多個(gè)延遲假目標(biāo)干擾。機(jī)載脈壓雷達(dá)能夠同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的距離和速度,由單個(gè)延遲干擾產(chǎn)生的錯(cuò)誤目標(biāo)如此不真實(shí),以至于雷達(dá)稍加處理就能識(shí)別和消除這種干擾。延遲疊加多假信號(hào)避免了單個(gè)延遲干擾虛假目標(biāo)數(shù)目少、易識(shí)別的缺點(diǎn),可以形成不同密度的虛假目標(biāo),能夠抑制雷達(dá)探測(cè)到真實(shí)目標(biāo)。
對(duì)線性FM信號(hào)的延遲疊加多假干擾進(jìn)行了仿真分析,設(shè)雷達(dá)信號(hào)的中心頻率為9370MHz,脈沖持續(xù)時(shí)間為10μs,F(xiàn)M帶寬為11MHz,采樣頻率為201MHz。
當(dāng)使用三種不同的延遲周期和疊加脈沖數(shù)的參數(shù)設(shè)置時(shí),延遲疊加靈巧干擾的仿真圖如圖4所示。圖4(a)被延遲了30個(gè)采樣周期,60個(gè)疊加脈沖;圖4(b)被延遲了10個(gè)采樣周期和30個(gè)疊加脈沖;圖4(c)延遲30個(gè)采樣周期,10個(gè)疊加脈沖。
圖4 延時(shí)疊加多假干擾仿真圖
如果不加延遲疊加干擾,真實(shí)目標(biāo)應(yīng)該只有一個(gè)且出現(xiàn)在0時(shí)刻。而前面三幅圖中,在真實(shí)目標(biāo)之外還出現(xiàn)了多個(gè)與真實(shí)目標(biāo)幅度相當(dāng)?shù)男盘?hào),在脈壓雷達(dá)看來(lái)就是無(wú)法分辨的多個(gè)真實(shí)目標(biāo)。通過(guò)延遲疊加不同個(gè)數(shù)的干擾脈沖,就形成了真實(shí)目標(biāo)之后的密集存在的60個(gè)錯(cuò)誤目標(biāo),30個(gè)錯(cuò)誤目標(biāo)和10個(gè)錯(cuò)誤目標(biāo)。當(dāng)疊加的脈沖數(shù)和延遲間隔改變時(shí),會(huì)出現(xiàn)密度和干擾變化的錯(cuò)誤目標(biāo)信號(hào)。
通過(guò)仿真可以看出,不同參數(shù)設(shè)置的延遲疊加多假干擾,延遲時(shí)間間隔越小,假目標(biāo)與真目標(biāo)的距離越接近。當(dāng)干擾功率足夠大時(shí),增加疊加干擾脈沖的個(gè)數(shù),能夠獲得更好的干擾效果。
還有一類(lèi)轉(zhuǎn)發(fā)干擾,利用了脈沖壓縮雷達(dá)在一個(gè)脈沖處理周期內(nèi),必須接收完整個(gè)寬脈寬信號(hào)才開(kāi)始處理的特點(diǎn),干擾機(jī)僅在接收前端部分脈沖之后,即開(kāi)始復(fù)制脈沖并快速連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā),稱之為前端復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾[13~14]。僅僅復(fù)制復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)還是不夠,數(shù)字儲(chǔ)頻必須對(duì)前端信號(hào)完成必要的噪聲調(diào)制,例如噪聲調(diào)幅。調(diào)制噪聲可以選擇余弦波信號(hào)、三角波信號(hào)或白噪聲,調(diào)制深度視前端調(diào)頻帶寬而定。因?yàn)閿?shù)字儲(chǔ)頻轉(zhuǎn)發(fā)的是前端部分脈沖,干擾釋放的時(shí)間比較快,這樣就能保證干擾信號(hào)在轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)象結(jié)束之前同步進(jìn)入目標(biāo)雷達(dá)接收機(jī),破壞與目標(biāo)匹配的雷達(dá)目標(biāo)回波,進(jìn)而獲得擾亂跟蹤的目的[15~16]。
為進(jìn)一步說(shuō)明干擾信號(hào)的差異,圖5對(duì)前端復(fù)制、延遲轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào)與連續(xù)噪聲調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了仿真例證。第一幅圖為一個(gè)脈沖片段的連續(xù)復(fù)制,在該干擾信號(hào)存續(xù)周期內(nèi),原始信號(hào)的前四分之一被復(fù)制并延遲了四分之一脈沖寬度后發(fā)出。第二幅圖是一個(gè)連續(xù)噪聲調(diào)制信號(hào)。和之前的頻移干擾和延遲重疊干擾相比,因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)干擾復(fù)制的只是脈沖的前端片段,干擾信號(hào)與回波信號(hào)之間的延遲大大縮短,對(duì)數(shù)字儲(chǔ)頻存儲(chǔ)容量的要求相對(duì)更小,處理速度可以更快,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)干擾敵方雷達(dá)。
圖5 前端復(fù)制信號(hào)(a)和噪聲信號(hào)(b)
脈沖壓縮處理后的雷達(dá)回波和干擾信號(hào)輸出如圖6所示。左圖是真實(shí)的雷達(dá)回波信號(hào),右圖是真實(shí)的雷達(dá)回波加三個(gè)假目標(biāo)的干擾信號(hào),假目標(biāo)輕而易舉被認(rèn)出。
要想解決干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)不像的問(wèn)題,就必須考慮在前端復(fù)制干擾施加的影響之外,附加調(diào)制一個(gè)周期性的調(diào)幅噪聲。例如附加調(diào)制深度為15dB噪聲調(diào)幅信號(hào)之后,其干擾效果如圖7所示。
圖6 前端復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾
圖7 前端復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)加調(diào)幅噪聲干擾
通過(guò)仿真可以看出,真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)本來(lái)應(yīng)該出現(xiàn)在0位置處,再加上15dB的噪聲幅度調(diào)制后,前端復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾完全淹沒(méi)了真實(shí)目標(biāo)回波,達(dá)到了有效干擾的目的。
步進(jìn)取樣群集干擾是前端復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾的進(jìn)一步深化,具體來(lái)說(shuō)就是在雷達(dá)脈沖存續(xù)時(shí)間內(nèi),對(duì)整個(gè)雷達(dá)脈沖波形以相等間隔進(jìn)行采樣,隨后逐一延遲轉(zhuǎn)發(fā)已采樣的脈沖片段。在原始脈沖之內(nèi)進(jìn)行等間隔采樣的目的,就是使轉(zhuǎn)發(fā)的多個(gè)干擾信號(hào)與原始信號(hào)相位特征更加接近,更能形成群集欺騙的干擾效果。1/20PW等距采樣干擾效果如圖8所示,1/5PW等距采樣干擾效果如圖9所示。
圖8 1/20PW等距采樣干擾信號(hào)和形成的干擾效果
圖9 1/5PW等距采樣干擾信號(hào)和形成的干擾效果
比較圖9的兩張圖片的目標(biāo)回波,出現(xiàn)在真實(shí)目標(biāo)附近的群集目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)回波比較相似,因此推斷以相等間隔進(jìn)行采樣相比前端復(fù)制具有更好的靈巧干擾效果。分析1/20脈沖寬度等間隔采樣和1/5脈沖寬度等間隔采樣的仿真結(jié)果可以得出,脈內(nèi)采樣間隔越密集,轉(zhuǎn)發(fā)干擾的延遲就越小,真假目標(biāo)的間距就越小,但要注意假目標(biāo)的回波能量此時(shí)就越低。因此干擾信號(hào)的采樣間隔通常是距離與幅度兩者的折中。在錯(cuò)誤目標(biāo)的位置周?chē)€出現(xiàn)了較大的雜散,利用這一點(diǎn)可以增加增益,使其形成更多的假目標(biāo)。
圖10和圖11是步進(jìn)取樣信號(hào)增益加倍時(shí)的干擾效果仿真圖,假目標(biāo)更像真目標(biāo),效果更好。
圖10 1/20脈寬等間隔取樣2倍增益和脈壓后波形
圖11 1/5脈寬等間隔取樣2倍增益和脈壓后波形
本文根據(jù)線性調(diào)頻脈壓雷達(dá)發(fā)射脈沖較寬、頻率調(diào)制、相參處理的信號(hào)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了不同屬性的頻移叢偽目標(biāo)復(fù)合干擾、延時(shí)疊加多假干擾、前端復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾和步進(jìn)取樣群集干擾等靈巧干擾樣式,對(duì)脈沖壓縮雷達(dá)的模擬噪聲干擾模式進(jìn)行了仿真分析,并分別給出了每種樣式的干擾效果圖。這些干擾模式在跟蹤模式下對(duì)脈沖壓縮雷達(dá)具有良好的干擾效果。為了更好地達(dá)到以假亂真的目的,還可以通過(guò)將干擾添加到噪聲中或?qū)⑦@些干擾樣式合并使用,一定會(huì)產(chǎn)生更好的干擾效果。