李辰梓 余建宇 徐 偉 郝萬兵

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達(dá)干擾是指通過將干擾信號隨同敵方期望收到的信號一起送入敵方接收機(jī)中，當(dāng)干擾信號強(qiáng)到足以使敵方無法從中提取到所需信息時，干擾就是有效的[1]。傳統(tǒng)的雷達(dá)干擾按照原理分為壓制性干擾和欺騙性干擾，壓制性干擾是指用噪聲信號或噪聲調(diào)制的強(qiáng)干擾信號遮蓋或淹沒目標(biāo)回報信號，使雷達(dá)無法從中檢測目標(biāo)的信息。欺騙性干擾即產(chǎn)生假的目標(biāo)和信息，使雷達(dá)無法正確地檢測真實(shí)的目標(biāo)，從而達(dá)到迷惑和擾亂雷達(dá)對真正目標(biāo)檢測和跟蹤的目的[2]。

現(xiàn)代新體制雷達(dá)為了對抗干擾，雷達(dá)信號一般都采用了脈內(nèi)或脈間相干的信號波形，最常見的信號形式為線性調(diào)頻信號。傳統(tǒng)噪聲干擾采用非相參噪聲調(diào)制產(chǎn)生的干擾信號，經(jīng)雷達(dá)端接收進(jìn)行脈沖壓縮后，噪聲信號能量大部分被濾除，使干擾效果大大減弱。并且當(dāng)前雷達(dá)大都采用旁瓣消隱(SLB)和旁瓣相消(SLC)等抗干擾措施，使得傳統(tǒng)的干擾樣式不能夠產(chǎn)生干擾壓制或者假目標(biāo)欺騙的效果。因此為了應(yīng)對這些新的抗干擾措施而提出了靈巧干擾這一概念，它同時具有欺騙干擾和壓制性干擾的特點(diǎn)。由干擾機(jī)將截獲的雷達(dá)信號進(jìn)行存儲并調(diào)制產(chǎn)生靈巧干擾信號，因此干擾信號可根據(jù)被干擾對象靈活變化與雷達(dá)發(fā)射信號相匹配，使干擾能夠獲得理想的相參積累增益，增強(qiáng)了可利用的干擾能量。

本文以LFM雷達(dá)信號為研究對象，對卷積調(diào)制靈巧噪聲干擾以及間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行了研究仿真分析，并對不同形式干擾信號的時頻和域特征進(jìn)行研究，為后續(xù)干擾及抗干擾提供先驗(yàn)信息。

1 靈巧干擾

靈巧干擾的提出是為了應(yīng)對如何有效干擾采用脈內(nèi)或脈間相干波形的新體制相參雷達(dá)。首先對偵收的目標(biāo)雷達(dá)信號利用數(shù)字射頻存儲技術(shù)(DRFM)進(jìn)行完整無失真的保存，然后對存儲的雷達(dá)信號進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生期望得到的靈巧干擾信號[3]。干擾信號本質(zhì)上是雷達(dá)自身信號進(jìn)行調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)，因此產(chǎn)生的干擾波形與雷達(dá)具有較好的相干性，信號大部分能量能通過相參雷達(dá)的檢測脈壓系統(tǒng)，對相參雷達(dá)產(chǎn)生有效的干擾[4]。

1.1 卷積調(diào)制靈巧干擾樣式

卷積噪聲干擾是將干擾機(jī)通過偵收天線將接收到的雷達(dá)信號經(jīng)過濾波、放大后進(jìn)行存儲，然后經(jīng)過調(diào)制器將視頻噪聲信號與存儲的雷達(dá)信號作卷積，經(jīng)功率放大器放大后將信號進(jìn)行發(fā)射的干擾方法[5]，圖1為基于DRFM的卷積調(diào)制靈巧干擾方法原理框圖。

圖1 靈巧噪聲卷積調(diào)制方法原理框圖

干擾機(jī)偵察接收到的雷達(dá)信號為s(t)，干擾機(jī)選取的視頻噪聲信號為n(t)，干擾系統(tǒng)調(diào)制產(chǎn)生的卷積干擾信號為y(t)=s(t)*n(t)。噪聲卷積干擾使用視頻噪聲與雷達(dá)本身信號的卷積結(jié)果作為干擾信號，只要雷達(dá)信號在干擾機(jī)的瞬時帶寬內(nèi)變化，干擾信號頻率也會隨之變化。也就是說干擾機(jī)不需要測頻和頻率引導(dǎo)，就能自動瞄準(zhǔn)信號頻率從而具有很好的相參性，因此這種干擾方法也能對頻率捷變雷達(dá)進(jìn)行干擾。干擾信號發(fā)射進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行脈壓處理為：

Y(t)=y(t)*s*(t)=s(t)*n(t)*s*(t)

(1)

設(shè)s(t)，n(t)，Y(t)的頻譜分別為S(f)，N(f)，Y(f)，可得：

Y(f)=N(f)·|S(f)|2

(2)

進(jìn)行變化可得到：

Y(t)=n(t)*F-1[|S(f)|2]

(3)

式(3)中,F-1表示逆傅里葉變換，F(xiàn)-1[ |S(f)|2]稱作點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)[6]。任何函數(shù)與點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)卷積都可以獲得脈壓處理的增益，進(jìn)一步印證了靈巧干擾對相參雷達(dá)干擾的有效性。

1.2 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)靈巧干擾樣式

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾目前國內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究與應(yīng)用，按照不同的脈沖間歇采樣參數(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)方式，可以在真實(shí)目標(biāo)附近產(chǎn)生假目標(biāo)群，能有效地掩蓋真實(shí)目標(biāo)，在工程上對現(xiàn)有收發(fā)隔離式干擾機(jī)較易實(shí)現(xiàn)。本文研究中采用間歇采樣循環(huán)疊加轉(zhuǎn)發(fā)干擾的方式，其原理框圖如圖2所示。

圖2 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理圖

可以看出間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)靈巧干擾樣式產(chǎn)生的干擾信號完全是對雷達(dá)信號進(jìn)行復(fù)制和循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，與卷積調(diào)制樣式最大的區(qū)別在于不需要額外的選用視頻噪聲來對雷達(dá)信號處理。所以本文選取卷積調(diào)制干擾和間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾這兩種典型的靈巧干擾樣式進(jìn)行仿真建模，對兩類靈巧干擾信號的時頻特性以及干擾效果進(jìn)行研究分析，有利于從中研究對抗靈巧干擾的方法以及如何提高靈巧干擾的效果。

2 時頻分析

時間t和頻率f是信號分析和處理中兩個很重要的變量，但時間域分析信號無法看出特定時刻信號的頻率值，通過傅里葉變換在頻率域也無法得到特定頻率分量在時間上的準(zhǔn)確分布。這時便要使用時間和頻率的聯(lián)合函數(shù)變換來分析信號，即時頻域分析。時頻變換主要分為兩類，即線性時頻變換和非線性時頻變換。典型的線性時頻變換有短時傅里葉變換，典型的非線性時頻變換有Wigner-Ville分布。

Wigner-Ville時頻分布是首先由Wigner提出用于量子力學(xué)領(lǐng)域，后由Ville引入信號分析而稱之為WVD。該分布為其他時頻分布的研究提供思路，信號分析和處理中，已成為了非常有用的工具，Wigner-Ville分布的表達(dá)式如公式(4)：

(4)

Wigner-Ville分布可以看作是一種用信號自身作為窗函數(shù)的特殊的STFT形式，這種窗函數(shù)實(shí)際上對信號具有某種程度的自適應(yīng)性使得它的信號能量聚集性很好，但是在同時多信號的情況下Wigner-Ville分布會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的交叉干擾項(xiàng)，使正確截獲、分析信號變得非常困難。因此論文采用 WVD 的平滑形式，即Choi-Williams 分布(CWD)作為離線的信號的描述方法。CWD屬于Cohen類分布，它是由Wigner-Ville分布通過與不同的核函數(shù)卷積產(chǎn)生[7]，其表達(dá)式如公式(5)所示：

(5)

Choi-Williams分布使用的核函數(shù)偏重于抑制遠(yuǎn)離原點(diǎn)的交叉項(xiàng)，這種特征對于大多數(shù)脈內(nèi)調(diào)制信號來說是適用的，因此選來對于由雷達(dá)脈內(nèi)調(diào)制的干擾信號進(jìn)行時頻域分析。

3 靈巧類干擾樣式的仿真及時頻分析

本次仿真條件設(shè)置如下，雷達(dá)信號S(t)選用線性調(diào)頻信號，數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(6)所示：

(6)

其中信號時寬T為60μs，帶寬B設(shè)置為20MHz，中心頻率f0為50MHz，對雷達(dá)信號的采樣率設(shè)置為100MHz。仿真得到雷達(dá)信號S(t)的時域圖像、頻域圖像、經(jīng)過雷達(dá)匹配濾波后產(chǎn)產(chǎn)生的脈壓圖像和時頻域分析圖像如圖3、圖4所示。

圖3 LFM信號時域圖

圖4 LFM信號頻域圖

圖5 LFM信號脈壓圖

圖6 LFM信號CWD圖

由圖6中CWD圖可以清楚地看到LFM信號時間-頻率的對應(yīng)關(guān)系，頻率在50MHz～70MHz隨時間線性變化，能準(zhǔn)確的捕捉信號的時頻特征。

3.1 卷積噪聲靈巧干擾仿真

3.1.1 視頻噪聲為高斯白噪聲

選用均值為0，方差為1，時寬為10μs的高斯白噪聲信號作為視頻噪聲信號。

圖7 靈巧噪聲時域圖

圖8 靈巧噪聲頻域圖

由圖8可以清楚地看出靈巧噪聲信號的的中心頻率、帶寬很好地對準(zhǔn)了線性調(diào)頻信號的中心頻率和帶寬(50MHz～70MHz)，能夠造成良好的干擾效果。圖9可以看到靈巧噪聲信號通過雷達(dá)接收機(jī)的匹配濾波后出現(xiàn)了遮蓋波形，能夠遮蓋住本身的雷達(dá)信號，產(chǎn)生了壓制干擾的效果。并且經(jīng)過多次仿真可以得出，選用的高斯白噪聲時寬越寬，匹配濾波后壓制干擾效果也會更好。

圖9 靈巧噪聲脈壓圖

圖10 靈巧噪聲CWD圖

通過Choi-Williams分布對干擾信號視頻分析得到圖10，高斯白噪聲產(chǎn)生具有高斯分布特性，但通過卷積干擾能夠自動瞄準(zhǔn)LFM信號頻率，所以產(chǎn)生的靈巧干擾信號在時頻域準(zhǔn)確地遮住了LFM信號，能夠很好地產(chǎn)生壓制干擾效果。

3.1.2 視頻噪聲為矩形連續(xù)脈沖

n(t)選用為周期方波信號，參數(shù)設(shè)置為脈寬2μs，周期4μs，持續(xù)時間為40μs，幅度為1。

矩形脈沖與LFM信號卷積，等價于將LFM信號分別移位至每個矩形脈沖的位置，因此，卷積結(jié)果相當(dāng)于不同延時的線性調(diào)頻信號的疊加。并且由圖13可以看出干擾結(jié)果產(chǎn)生了多個壓縮峰，其間隔均小于線性調(diào)頻信號的脈寬，達(dá)到了要求產(chǎn)生脈內(nèi)高密度假目標(biāo)的目的。由圖14時頻分析圖可以看出矩形方波卷積靈巧干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)在時間上分布均勻，頻率域完整地保留了LFM信號的全部信息，且產(chǎn)生的假目標(biāo)幅度大致相同。

圖11 靈巧噪聲時域圖

圖12 靈巧噪聲頻域圖

圖13 靈巧噪聲脈壓圖

圖14 靈巧噪聲CWD圖

這些密集的假目標(biāo)將會淹沒真實(shí)目標(biāo)或使被干擾雷達(dá)的處理能力飽和,從而使雷達(dá)不能準(zhǔn)確地捕捉目標(biāo)。根據(jù)多次仿真發(fā)現(xiàn)，改變矩形脈沖串中脈沖的個數(shù)，會影響假目標(biāo)的數(shù)量，脈沖數(shù)目越多，產(chǎn)生的假目標(biāo)就越多，密度就越大，干擾效果越好。但此種干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)間隔均勻，幅度基本一致，也可以用此特性來進(jìn)行抗干擾處理。

3.2 間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾

仿真中對LFM雷達(dá)信號S(t)進(jìn)行間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，一個采樣轉(zhuǎn)發(fā)周期為5μs，每次采樣雷達(dá)信號之后，在一個周期剩下的時間內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)的信號為之前存儲的信號與當(dāng)前采樣信號的疊加，仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾時域圖

圖16 循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾頻域圖

圖17 循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾脈壓圖

圖18 循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾CWD圖

從干擾信號頻域圖16和脈壓圖17可以看出，干擾信號本身是雷達(dá)自身信號的轉(zhuǎn)發(fā)，干擾信號頻率對準(zhǔn)LFM信號，因此干擾具有較高的相參性，能夠產(chǎn)生較好的干擾效果。從圖18時頻分析CWD圖可以看清楚地看出，隨著采樣時間的推移，當(dāng)前的干擾信號是由當(dāng)前采樣的LFM信號與之前所有采樣LFM信號的疊加，包含之前采樣得到所有信號的全部信息。并且通過多次仿真發(fā)現(xiàn)通過改變一個采樣轉(zhuǎn)發(fā)周期的速率，可以改變產(chǎn)生假目標(biāo)的密集度，采樣轉(zhuǎn)發(fā)速率越高，形成的假目標(biāo)數(shù)目就越密集。但是通過時頻分析圖也可以看出間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號在整個脈沖持續(xù)時間內(nèi)是非連續(xù)的，因此該特性可以被用來實(shí)現(xiàn)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的識別和抑制。

4 結(jié)束語

靈巧干擾兼有欺騙干擾和壓制性干擾的特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)具有很大的靈活性，在未來電子對抗中會發(fā)揮出越來越重要的作用。本文對卷積類靈巧干擾和間歇采樣循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)干擾建模，仿真研究改變干擾參數(shù)設(shè)置對干擾效果的影響，并且采用時頻分析Choi-Williams分布來提取出干擾信號的時頻域特征，有利于進(jìn)一步優(yōu)化靈巧干擾的干擾效果，使其在電子對抗中有更廣闊的運(yùn)用。