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(西安電子科技大學(xué)電子信息攻防對(duì)抗與仿真技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西西安 710071)

0 引言

空時(shí)二維自適應(yīng)(STAP)技術(shù)具有優(yōu)秀的抑制雜波和干擾的特性[1-2]，是新一代高性能雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1,3],近年來還應(yīng)用到了導(dǎo)航、通信以及聲吶等領(lǐng)域[3-6]。STAP技術(shù)的發(fā)展給雷達(dá)對(duì)抗一方也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但目前國(guó)內(nèi)外公開的文獻(xiàn)資料對(duì)STAP干擾方法的研究卻十分有限。文獻(xiàn)[7]提出了一種針對(duì)STAP技術(shù)的密集干擾的方法，用多部干擾機(jī)占用系統(tǒng)自由度，使STAP系統(tǒng)因缺乏足夠的系統(tǒng)自由度而性能下降,但當(dāng)陣元和脈沖個(gè)數(shù)較大時(shí)，所需干擾機(jī)的數(shù)量也比較龐大。文獻(xiàn)[8]提出了一種自衛(wèi)式相干散射欺騙干擾方法，雖然能有效掩護(hù)受保護(hù)目標(biāo)，但未考慮到收發(fā)分時(shí)體制下干擾機(jī)如何快速響應(yīng)的問題。文獻(xiàn)[9]提出了一種利用階梯波移頻法構(gòu)造距離假目標(biāo)的干擾方法，雖然能形成非均勻環(huán)境，使STAP系統(tǒng)性能下降，但其形成的假目標(biāo)數(shù)量較少，并且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

針對(duì)現(xiàn)有干擾方法在收發(fā)分時(shí)體制下無法快速響應(yīng)和假目標(biāo)數(shù)量較少且呈現(xiàn)一定規(guī)律性等問題，本文研究了機(jī)載雷達(dá)STAP系統(tǒng)的信號(hào)模型，提出了一種基于間歇采樣的卷積調(diào)制疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法。這種干擾方法將間歇采樣、卷積調(diào)制和延時(shí)疊加三種方法相結(jié)合，提高了收發(fā)分時(shí)體制下干擾機(jī)的響應(yīng)速率，產(chǎn)生了大量的幅度隨機(jī)起伏、間隔隨機(jī)分布的假目標(biāo)信號(hào)。

1 機(jī)載雷達(dá)STAP系統(tǒng)的信號(hào)模型

圖1為機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的幾何模型圖。假設(shè)雷達(dá)載機(jī)的飛行高度為H，以恒定的速度v作勻速直線飛行，雷達(dá)天線采用均勻線陣，各陣元的間距d=λ/2，λ為雷達(dá)發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，θ和φ分別為天線波束指向的方位角和俯仰角，ψ為雜波散射體相對(duì)陣列天線的入射錐角，并滿足cosψ=cosθcosφ的數(shù)量關(guān)系，α為陣列天線的載機(jī)航行方向的夾角。

圖1 機(jī)載雷達(dá)陣列天線幾何模型

(1)

式中，xn,k,n=1,2,…,N,k=1,2,…,K表示第n個(gè)天線陣元接收到的第k個(gè)時(shí)刻的空時(shí)二維的采樣數(shù)據(jù)。在后續(xù)處理中，為了方便理解與表示，將每個(gè)距離單元的數(shù)據(jù)寫成(NK×1)維的向量形式。

雷達(dá)回波數(shù)據(jù)為X，其通常由目標(biāo)信號(hào)回波St、雜波信號(hào)C、噪聲n和干擾信號(hào)J組成，即

X=St+C+n+J

(2)

設(shè)STAP系統(tǒng)的自適應(yīng)權(quán)矢量為W，即

W=[w11,…,w1K,w21,…,w2K,…,

wN1,…,wNK]T

(3)

濾波處理后輸出為Y，則STAP系統(tǒng)的輸出為

Y=WHX

(4)

自適應(yīng)最優(yōu)權(quán)矢量Wopt為

(5)

圖2 輸入數(shù)據(jù)模型

2 基于間歇采樣的噪聲卷積疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)模型

受機(jī)載平臺(tái)應(yīng)用的限制，干擾機(jī)收發(fā)隔離度難以保證，機(jī)載平臺(tái)干擾機(jī)通常采用收發(fā)分時(shí)體制。為了使干擾機(jī)快速響應(yīng)，通常對(duì)截獲到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行間歇采樣。如圖3所示，在偵收窗內(nèi)(WR為高電平期間，其中Δt為系統(tǒng)延時(shí))，干擾機(jī)對(duì)截獲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)DET為高電平，啟動(dòng)DRFM對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)信號(hào)脈沖寬度大于系統(tǒng)設(shè)定的間歇時(shí)間τ，即信號(hào)存儲(chǔ)τ長(zhǎng)度后，干擾發(fā)射選通信號(hào)JT變?yōu)楦唠娖?，并同時(shí)將存儲(chǔ)的信號(hào)讀出；數(shù)據(jù)讀出完畢后，JT再次降為低電平，存儲(chǔ)τ時(shí)間長(zhǎng)度信號(hào)數(shù)據(jù)后，JT再次變?yōu)楦唠娖?，將新存?chǔ)的數(shù)據(jù)讀出；該過程持續(xù)直至DET轉(zhuǎn)低，即雷達(dá)脈沖結(jié)束。圖中Tj為干擾窗長(zhǎng)度。

圖3 間歇采樣原理

(6)

(7)

雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)為x(t)，時(shí)寬為T，帶寬為B。使用間歇采樣脈沖串信號(hào)對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采樣，即可得到間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)xs(t)，其頻譜為Xs(f):

xs(t)=c(t)x(t)

(8)

Xs(f)=C(f)*X(f)=

(9)

由式(9)可得，當(dāng)n對(duì)應(yīng)取不同值時(shí)，干擾信號(hào)頻譜與雷達(dá)頻譜形狀相似，只是在中心頻率處發(fā)生了±nfs的頻移，并在幅度上有一定衰減。設(shè)匹配濾波器為h(t)，則目標(biāo)回波和干擾信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器的響應(yīng)分別為y(t)，ys(t):

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

(10)

分析式(10)可得，經(jīng)匹配濾波后干擾信號(hào)會(huì)形成一組由主假目標(biāo)和分布在其兩側(cè)的次假目標(biāo)群。雷達(dá)回波信號(hào)的匹配濾波輸出和間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)的匹配濾波輸出的仿真結(jié)果分別如圖4(a)和圖4(b)所示(T=10 μs，B=2.5 MHz,τ=1 μs,Ts=2 μs)。假目標(biāo)的幅度由間歇采樣脈沖信號(hào)的脈寬和重復(fù)周期決定，并且任意相鄰兩個(gè)假目標(biāo)的間隔為

(11)

為了保證假目標(biāo)群的產(chǎn)生且任意兩相鄰假目標(biāo)不發(fā)生混疊，間歇采樣周期Ts必須滿足：

(12)

(a) 雷達(dá)信號(hào)匹配濾波輸出

(b) 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)匹配濾波輸出圖4 間歇采樣干擾轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)

圖5 基于間歇采樣的噪聲卷積延遲疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理

(13)

Xf-mfs·e-j2πfτi·Ni(f)

(14)

由式(14)可知，由于有Ni(f)的存在，使得干擾信號(hào)的頻譜在幅度上產(chǎn)生隨機(jī)起伏的現(xiàn)象。干擾信號(hào)j(t)經(jīng)過匹配濾波器h(t)的輸出為jpc(t)，則

jpc(t)=j(t)*h(t)=

(15)

(a) 直接延時(shí)疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)

(b) 本文方法產(chǎn)生的干擾信號(hào)

(c) 直接延時(shí)疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)匹配濾波輸出

(d) 本文干擾信號(hào)匹配濾波輸出圖6 干擾信號(hào)對(duì)比

3 仿真分析

仿真參數(shù)：機(jī)載雷達(dá)工作頻率f0=450 MHz，脈沖重復(fù)頻率PRF=300 Hz，天線采用均勻線陣，陣列天線與載機(jī)航向的夾角α=0°，陣元個(gè)數(shù)N=16，脈沖積累數(shù)M=16,雜噪比CNR=40 dB，信噪比SNR=0 dB，干噪比JNR=28 dB，用30 dB切比雪夫加權(quán)。 載機(jī)速度vp=150 m/s，載機(jī)高度H=9 000 m，目標(biāo)的方位角ψt=0°，速度vt=75 m/s，干擾機(jī)的方位角ψj=30°，速度vj=30 m/s，采用512個(gè)訓(xùn)練樣本。仿真結(jié)果如圖7～圖11所示。

圖7 無干擾環(huán)境下雜波空時(shí)功率譜

圖8 雜波+干擾空時(shí)功率譜

圖9 雜波環(huán)境下STAP對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)

圖10 雜波+干擾環(huán)境下STAP對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)

圖11 改善因子對(duì)比

4 結(jié)束語

本文研究并分析了機(jī)載雷達(dá)STAP系統(tǒng)的信號(hào)模型，將間歇采樣、卷積調(diào)制、延時(shí)疊加轉(zhuǎn)發(fā)等方法相結(jié)合，提高了收發(fā)分時(shí)體制下干擾機(jī)的響應(yīng)速率，并且針對(duì)STAP系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的不滿足獨(dú)立同分布的干擾訓(xùn)練樣本，造成STAP系統(tǒng)無法準(zhǔn)確估計(jì)用于抑制雜波和干擾的協(xié)方差矩陣，大大降低了STAP系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該干擾方法降低了STAP系統(tǒng)的輸出信雜噪比并展寬了濾波器凹口，造成STAP系統(tǒng)的性能下降。