摘 要:
脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)通過自身“主動(dòng)”抗干擾特性,利用傳統(tǒng)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的不連續(xù)性和周期性的特點(diǎn),結(jié)合抗干擾算法,可以有效抑制間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾。為提高干擾機(jī)對(duì)脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)的干擾效能,本文提出采用非均勻間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)進(jìn)行干擾,首先對(duì)截獲到的脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)信號(hào)通過時(shí)頻脊線提取與小波變換進(jìn)行參數(shù)估計(jì),獲取子脈沖寬度,然后根據(jù)子脈沖寬度約束干擾參數(shù),構(gòu)造非均勻間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾。理論分析和結(jié)果表明,通過非均勻間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)使得脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)在時(shí)頻域等多域難以抑制干擾,極大地提升了干擾機(jī)的干擾能力。
關(guān)鍵詞:
電子對(duì)抗; 脈內(nèi)頻率捷變; 時(shí)頻脊線; 小波變換; 非均勻間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾; 干擾參數(shù)
中圖分類號(hào):
TN 972
文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A""" DOI:10.12305/j.issn.1001-506X.2024.05.09
Analysis of the influence of non uniform interrupted sampling repeater
jamming on intra-pulse agile radar
SUN Zongzheng1, LIU Zhixing1, XIAO Guoyao1, QI Hanting2, QUAN Yinghui1,*
(1. School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China;
2. Beijing Institute of Radio Measurement, Beijing 100854, China)
Abstract:
Intra-pulse frequency agile radar can effectively suppress interrupted sampling repeater jamming by its own “active” anti-jamming characteristics, taking advantage of the discontinuity and periodicity of traditional interrupted sampling repeater jamming, and combining with anti-jamming algorithms. In order to improve the jamming efficiency of the jammer against the intra-pulse frequency agile radar, this paper proposes to use the non-uniform interrupted sampling repeater jamming to jam the intra-pulse frequency agile radar. First, the intercepted intra-pulse frequency agile radar signal is estimated by time-frequency ridge extraction and wavelet transform to obtain the sub-pulse width, and then the non-uniform interrupted sampling repeater jamming is constructed according to the sub-pulse width constraint jamming parameters. Theoretical analysis and results show that it is difficult to suppress interference in intra-pulse frequency agility radar in time and frequency domain through non-uniform interrupted sampling repeater, which greatly improves the jamming ability of jammer.
Keywords:
electronic counter; intra-pulse frequency agility; time-frequency ridge line; wavelet transform; non-uniform interrupted sampling repeater jamming; parameters of jamming
0 引 言
近年來(lái),雷達(dá)抗干擾技術(shù)日益發(fā)展,脈內(nèi)頻率捷變技術(shù)作為眾多抗干擾技術(shù)之一,憑借其優(yōu)越的干擾抑制性能,嚴(yán)重降低了干擾機(jī)的干擾效能?;跀?shù)字射頻存儲(chǔ)(digital radio frequency memory, DRFM)的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾(interrupted sampling repeater jamming, ISRJ)可以在一個(gè)脈沖內(nèi)對(duì)截獲到的信號(hào)進(jìn)行多次采樣和轉(zhuǎn)發(fā),并利用脈壓雷達(dá)的匹配濾波特性,形成逼真的相參假目標(biāo)串,以掩護(hù)真實(shí)目標(biāo)[1-5]。針對(duì)ISRJ,脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)憑借其“主動(dòng)”干擾對(duì)抗優(yōu)勢(shì),利用子脈沖間的相互掩護(hù),并在雷達(dá)在接收到回波信號(hào)后,結(jié)合抗干擾算法,在多域提取干擾信息并抑制[6-10]。文獻(xiàn)[11]通過脈內(nèi)頻率捷變,提取回波信號(hào)中未被干擾的子脈沖,通過脈沖壓縮實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。文獻(xiàn)[12]利用脈內(nèi)子脈沖間的正交性,通過短時(shí)傅里葉變換(short time Fourier transform, STFT),將時(shí)頻分布在時(shí)間維投影,提取回波信號(hào)門限并對(duì)時(shí)頻分布進(jìn)行干擾抑制。文獻(xiàn)[13]采用脈間-脈內(nèi)捷變波形,提高目標(biāo)回波信號(hào)與干擾信號(hào)的特征差異,在時(shí)域?qū)Ω蓴_進(jìn)行提取,然后在分?jǐn)?shù)階傅里葉域中通過窄帶濾波器提取目標(biāo)信號(hào)。文獻(xiàn)[14-15]通過脈內(nèi)頻率捷變,使雷達(dá)信號(hào)與干擾信號(hào)正交,在匹配濾波時(shí)抑制干擾信號(hào)。因此可見,ISRJ已經(jīng)無(wú)法有效地對(duì)抗基于脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)的多種抗干擾手段。
在ISRJ的基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)非均勻ISRJ(non-uniform ISRJ, NUISRJ)展開研究,提出對(duì)干擾脈壓輸出結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)壓制干擾和密集假目標(biāo)干擾等多種干擾樣式[16-22],文獻(xiàn)[23]通過非均勻間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)雷達(dá)成像進(jìn)行干擾,并取得較好的干擾效果。
本文在前人研究基礎(chǔ)上,分析NUISRJ的特點(diǎn),針對(duì)傳統(tǒng)ISRJ難以對(duì)脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)產(chǎn)生有效干擾,提出采用NUISRJ對(duì)脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)進(jìn)行干擾。首先,對(duì)截獲到的脈內(nèi)頻率捷變信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì),獲取子脈沖寬度,然后根據(jù)子脈沖寬度約束干擾參數(shù),進(jìn)行隨機(jī)長(zhǎng)度采樣和隨機(jī)數(shù)量轉(zhuǎn)發(fā),產(chǎn)生復(fù)雜多變的NUISRJ干擾形式。相較于ISRJ,雷達(dá)難以精準(zhǔn)感知NUISRJ采樣寬度等干擾參數(shù),極大地增加了干擾對(duì)抗難度。仿真實(shí)驗(yàn)表明,本文所提方法可以有效地干擾脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)。
1 信號(hào)模型
1.1 NUISRJ模型
NUISRJ對(duì)截獲信號(hào)隨機(jī)長(zhǎng)度采樣和隨機(jī)數(shù)量轉(zhuǎn)發(fā),其產(chǎn)生示意圖如圖1所示。
對(duì)脈寬為T的雷達(dá)信號(hào)一共進(jìn)行K次非均勻間歇采樣,假設(shè)每次采樣寬度為τk,每次采樣后的轉(zhuǎn)發(fā)個(gè)數(shù)為mk,則第k次采樣轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生干擾的總時(shí)間可以表示為
頻域很好的掩蓋目標(biāo)回波信號(hào),且各個(gè)子脈沖均存在干擾和目標(biāo)回波信號(hào),使得雷達(dá)在時(shí)域、頻域均無(wú)法較好地抑制干擾。
干擾機(jī)在產(chǎn)生干擾時(shí)通過上述步驟1獲取到了脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)的子脈沖寬度Ts。因此,式(23)只與Tk、τk、TJ有關(guān),進(jìn)而將滿足①和②兩個(gè)條件的干擾樣式轉(zhuǎn)換為k次采樣的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)mk、采樣寬度τk和采樣延遲TJ的參數(shù)解。若要優(yōu)化NUISRJ對(duì)脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)的干擾效果,需在干擾機(jī)截獲到雷達(dá)信號(hào)后,根據(jù)式(23)對(duì)mk、τk、TJ進(jìn)行參數(shù)約束,尋找符合條件的mk、τk、TJ生成NUISRJ。
2.2 回波信號(hào)脈壓
對(duì)脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá),無(wú)法直接采用一個(gè)匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮。因此,通過構(gòu)造S個(gè)子匹配濾波器來(lái)完成脈壓處理[25],下面分析NUISRJ回波信號(hào)脈壓結(jié)果。
根據(jù)式(11),對(duì)干擾信號(hào)下變頻后進(jìn)行分段脈壓處理,可以表示為
從式(25)可以看出,NUISRJ在經(jīng)過分段脈沖壓縮后,在第s個(gè)子脈沖內(nèi)第k次采樣第m次轉(zhuǎn)發(fā)的脈壓結(jié)果主瓣中心為mτk+γ,幅度為Ajτk。由文獻(xiàn)[26]可知,目標(biāo)回波信號(hào)脈壓幅度與信號(hào)脈寬有關(guān)。因此,若要使NUISRJ脈壓幅度覆蓋Ts目標(biāo)回波信號(hào),減小目標(biāo)檢測(cè)概率,則需保證每次采樣寬度τk相較于雷達(dá)信號(hào)脈寬不能太窄。從上述脈壓結(jié)果可以看出,和ISRJ不同,NUISRJ在進(jìn)行分段脈壓后,會(huì)在目標(biāo)附近產(chǎn)生大量雜亂密集假目標(biāo)[18],而ISRJ脈壓結(jié)果則具有很強(qiáng)的規(guī)律性[27-28],干擾易被感知,從而被針對(duì)性地對(duì)抗和抑制。
3 仿真實(shí)驗(yàn)
為驗(yàn)證本文所提方法對(duì)抗脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)的干擾效能,共設(shè)計(jì)五組仿真實(shí)驗(yàn),采用仿真軟件,第一組分析截獲到的脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)信號(hào)在不同信噪比(signal to noise ratio, SNR)下的子脈沖寬度估計(jì)相對(duì)誤差。第二組分析每次采樣寬度τk對(duì)干擾效果影響。第三、四組測(cè)試NUISRJ對(duì)現(xiàn)有的兩種脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)抗干擾方法的干擾效能,第五組分析干擾參數(shù)對(duì)NUISRJ效果的影響。雷達(dá)工作在Ku波段,脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)波形調(diào)制為線性調(diào)頻,具體波形參數(shù)如表1所示。
3.1 仿真實(shí)驗(yàn)1
截獲到的脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)的SNR在[0,15]dB范圍內(nèi)步進(jìn)時(shí),對(duì)具有不同寬度子脈沖的脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行子脈沖寬度估計(jì),并計(jì)算參數(shù)估計(jì)相對(duì)誤差。每組子脈沖寬度下分別做500次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn),得到仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,對(duì)于不同的寬度的子脈沖,在不同SNR下,參數(shù)估計(jì)相對(duì)誤差較小,可以實(shí)現(xiàn)子沖寬度的準(zhǔn)確估計(jì)。
3.2 仿真實(shí)驗(yàn)2
假設(shè)場(chǎng)景中目標(biāo)徑向距離2 500 m,目標(biāo)攜帶自衛(wèi)式干擾機(jī),目標(biāo)回波信號(hào)SNR為0 dB,干信比(jamming to signal ration, JSR)為20 dB。分別采用三組參數(shù)不同的NUISRJ對(duì)表1脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行干擾,并分析回波信號(hào)脈壓后結(jié)果。3組參數(shù)的采樣寬度取值范圍不同,干擾參數(shù)如表2所示。其中mp,k表示第p組參數(shù)的第k次干擾轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),其中τp,k表示第p組參數(shù)的第k次干擾采樣寬度,TpJ表示第p組參數(shù)的干擾延遲。
上述3組干擾參數(shù)的采樣寬度τk取值范圍依次增大,干擾脈壓仿真結(jié)果符合式(25),即隨著采樣寬度τk增大,干擾脈壓結(jié)果幅度增大,干擾效果較好,而當(dāng)采樣寬度較小時(shí),干擾脈壓幅度較小,難以有效地形成壓制/欺騙干擾。因此,根據(jù)式(23)約束干擾參數(shù)時(shí),應(yīng)限制NUISRJ的采樣寬度。
3.3 仿真實(shí)驗(yàn)3
假設(shè)場(chǎng)景中目標(biāo)徑向距離2 500 m,目標(biāo)攜帶自衛(wèi)式干擾機(jī),目標(biāo)回波信號(hào)SNR為0 dB,JSR為20 dB。分別采用ISRJ和NUISRJ對(duì)文獻(xiàn)[13]所提方法進(jìn)行干擾,該方法在利用脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)主動(dòng)規(guī)避干擾頻段,在分?jǐn)?shù)階傅里葉域構(gòu)造窄帶濾波器組進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)提取,從而達(dá)到抑制干擾的目的。分別對(duì)其抗干擾效果進(jìn)行仿真,抗ISRJ仿真結(jié)果如圖8所示。圖8(a)為ISRJ對(duì)脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)的干擾時(shí)頻分布。圖8(b)為脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)通過文獻(xiàn)[13]中的方法1對(duì)ISRJ抑制后的時(shí)頻分布圖,圖8(c)為ISRJ抑制前的脈壓結(jié)果圖,存在距離假目標(biāo)欺騙干擾,圖8(d)為ISRJ抑制后的脈壓結(jié)果圖,可以看出該方法可以有效地抑制ISRJ。針對(duì)文獻(xiàn)[13]所提的頻率捷變雷達(dá)抗干擾算法,采用NUISRJ對(duì)其進(jìn)行干擾,選擇干擾參數(shù)為m1=4,m2=3,m3=4,m4=4,τ1=1,τ2=1.5,τ3=2,τ4=1,TJ=0。其中采樣時(shí)寬和采樣時(shí)延單位為μs。
抗NUISRJ仿真結(jié)果如圖9所示,圖9(a)為NUISRJ對(duì)頻率捷變雷達(dá)的干擾時(shí)頻分布。圖9(b)為頻率捷變雷達(dá)通過文獻(xiàn)[13]的抗干擾方法對(duì)NUISRJ抑制后的時(shí)頻分布圖,由于該方法是尋找分?jǐn)?shù)階傅里葉域中的干擾峰值并濾除,當(dāng)分?jǐn)?shù)階傅里葉域存在兩個(gè)峰或者干擾與回波信號(hào)混疊時(shí)則會(huì)影響干擾抑制效果??梢钥闯龇椒?對(duì)NUISRJ抑制效果較差,在抑制NUISRJ的同時(shí)抑制了目標(biāo)回波信號(hào),并且在干擾抑制后在某些子脈沖內(nèi)仍存在干擾分量。圖9(c)為NUISRJ抑制前的脈壓結(jié)果,通過第2.2節(jié)分析可知,NUISRJ脈壓結(jié)果與采樣時(shí)寬和轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)有關(guān),相較于ISRJ,NUISRJ可以產(chǎn)生更多假目標(biāo)干擾。圖9(d)為NUISRJ抑制后的脈壓結(jié)果圖,可以看出,由于干擾抑制后仍存在干擾分量,使得脈壓結(jié)果仍存在假目標(biāo)干擾。因此,對(duì)于該抗干擾方法,NUISRJ相較于ISRJ,干擾效果更優(yōu)。
3.4 仿真實(shí)驗(yàn)4
采用文獻(xiàn)[12]所提方法進(jìn)行抗干擾,該方法是將回波信號(hào)進(jìn)行STFT到時(shí)頻域,利用時(shí)頻分布在時(shí)間維的投影提取未被干擾信號(hào)段,并以該段信號(hào)最大值為門限,抑制干擾主瓣以及幅度大于目標(biāo)信號(hào)的旁瓣,再將時(shí)頻域經(jīng)過逆STFT到時(shí)域。
下面分別對(duì)其抗ISRJ和NUISRJ效果進(jìn)行仿真,抗ISRJ仿真結(jié)果如圖10所示,可以看到在時(shí)頻域可以將ISRJ濾除,變換到時(shí)域后,經(jīng)過分段脈壓輸出后,可以檢測(cè)出目標(biāo)。針對(duì)文獻(xiàn)[12]所提的頻率捷變雷達(dá)抗干擾算法,采用NUISRJ對(duì)其進(jìn)行干擾,選擇的干擾參數(shù)為:m1=4,m2=3,m3=3,m4=4,τ1=1,τ2=2,τ3=1.5,τ4=1,TJ=0。
抗NUISRJ仿真結(jié)果如圖11所示,圖11(b)為干擾濾除后的時(shí)頻分布,從中可以看出該方法是在時(shí)頻域?qū)⒊^閾值的信號(hào)濾除,雖然可以濾除干擾信號(hào),但由于NUISRJ旁瓣掩蓋了目標(biāo)回波信號(hào),導(dǎo)致在濾除干擾的同時(shí)也濾除了部分目標(biāo)回波信號(hào)。通過對(duì)比圖11(c)和圖11(d)干擾濾除前后的脈壓結(jié)果圖,可以看出,干擾抑制后目標(biāo)信號(hào)存在損失,且仍存在大量干擾掩蓋目標(biāo),難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。
3.5 仿真實(shí)驗(yàn)5
本文對(duì)NUISRJ的干擾性能進(jìn)一步分析,采用信干比改善因子(signal to jamming ration improvement factor, SJRIF)作為評(píng)估指標(biāo)[29],對(duì)比文獻(xiàn)[12]方法和文獻(xiàn)[13]方法對(duì)ISRJ和NUISRJ的抗干擾性能以及不同NUISRJ參數(shù)下的干擾性能。
信干比改善因子δ定義為
δ=1L∑Ll=120lg(Al/Aj1)-20lg(Al/Aj0)(27)
式中:L表示目標(biāo)個(gè)數(shù);Al表示第l個(gè)目標(biāo)脈壓幅度;Aj1表示干擾抑制后目標(biāo)外干擾最大幅度;Aj0表示干擾抑制前干擾信號(hào)最大幅度。
分別測(cè)試上述文獻(xiàn)[12]方法和文獻(xiàn)[13]方法對(duì)ISRJ和NUISRJ的SJRIF,目標(biāo)回波信號(hào)JSR在[10,30]dB區(qū)間內(nèi)步進(jìn),進(jìn)行500次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn),得到的曲線如圖12所示??梢钥闯鰞煞N方法對(duì)ISRJ的抑制效果較好,隨著JSR的增大,干擾抑制前后信干比改善能達(dá)到30 dB,而對(duì)NUISRJ的抑制效果較差。并且對(duì)于文獻(xiàn)[12]方法,經(jīng)過干擾抑制后SJRIF反而小于零,這是由于在對(duì)干擾濾除時(shí),更大程度地濾除目標(biāo),保留干擾。
下面測(cè)試NUISRJ不同參數(shù)下的干擾性能,對(duì)比干擾參數(shù)滿足和不滿足式(23)條件下的干擾效果。測(cè)試時(shí),對(duì)于截獲到的相同的脈內(nèi)頻率捷變信號(hào),分別采用4組不同的NUISRJ參數(shù)對(duì)文獻(xiàn)[13]方法進(jìn)行干擾效果測(cè)試,4組干擾參數(shù)如表3所示。
4組干擾的回波信號(hào)時(shí)頻分布如圖13所示。時(shí)頻分布圖中可以看出,其中干擾1和干擾3滿足式(23),干擾2和干擾4不滿足式(23)。
測(cè)試4組不同干擾參數(shù)下的SJRIF,目標(biāo)回波信號(hào)JSR在[10,30]dB區(qū)間內(nèi)步進(jìn),進(jìn)行500次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn),得到的曲線如圖14所示。從圖中可以看出干擾1和干擾3的NUISRJ經(jīng)過干擾抑制后的SJRIF明顯小于干擾2和干擾4,說(shuō)明抗干擾算法對(duì)滿足式(23)的NUISRJ抑制效果較差。
4 結(jié) 論
現(xiàn)有抗ISRJ方法,通過感知干擾采樣寬度,生成脈內(nèi)頻率捷變波形,其 “主動(dòng)”抗干擾特性,提升了目標(biāo)回波信號(hào)與干擾信號(hào)的特征差異,同時(shí)結(jié)合多種干擾濾除方法,可以有效抑制ISRJ,使得干擾效能大幅下降。針對(duì)現(xiàn)有脈內(nèi)頻率捷變抗干擾方法,本文分析了NUISRJ的特點(diǎn),在現(xiàn)有NUISRJ的基礎(chǔ)上,對(duì)截獲到的脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì),獲取子脈沖寬度,根據(jù)子脈沖寬度約束NUISRJ干擾參數(shù),產(chǎn)生隨機(jī)復(fù)雜多變的NUISRJ樣式,使干擾在時(shí)頻域等多域難以感知與剔除,可有效干擾脈內(nèi)頻率捷變雷達(dá)。仿真結(jié)果表明,多種脈內(nèi)頻率捷變抗干擾方法均無(wú)法很好地抑制參數(shù)約束下的NUISRJ。
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作者簡(jiǎn)介
孫宗正(1998—),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)偵察與干擾。
劉智星(1993—),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)榻葑兝走_(dá)信號(hào)處理及抗干擾。
肖國(guó)堯(1986—),男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)槎喙δ芤惑w化微系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)字陣列信號(hào)處理技術(shù)。
齊晗廷(1987—),男,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)總體、電子對(duì)抗。
全英匯(1981—),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)殡姶挪┺膶?duì)抗、敏捷雷達(dá)、遙感雷達(dá)。