李其虎，王 穎，商開(kāi)拴

(中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平越來(lái)越先進(jìn)，作戰(zhàn)平臺(tái)工作的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，面臨的戰(zhàn)場(chǎng)威脅日益增多。為了乙方生存和摧毀敵方威脅目標(biāo)的需要，未來(lái)體系化作戰(zhàn)對(duì)武器裝備的發(fā)展越來(lái)越呈現(xiàn)出一機(jī)多能趨勢(shì)。目前單一功能、相互獨(dú)立的機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)已越來(lái)越難以滿足信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化戰(zhàn)爭(zhēng)需要。當(dāng)前集偵察、干擾、識(shí)別、探測(cè)于一身，同時(shí)結(jié)合導(dǎo)航、雷達(dá)、通信、對(duì)抗于一體的綜合任務(wù)電子系統(tǒng)備受關(guān)注，其中集干擾和探測(cè)于一體的共享信號(hào)波形可以做到利用強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)行隱蔽探測(cè)，讓敵方平臺(tái)誤認(rèn)為只是在發(fā)射單純的雷達(dá)干擾信號(hào)而受到廣泛研究。文獻(xiàn)[1]提出利用單向耦合映象格子構(gòu)造時(shí)空混沌二相序列調(diào)制一體化時(shí)空混沌二相編碼信號(hào)波形作為一體化信號(hào)。文獻(xiàn)[2]基于偽隨機(jī)信號(hào)特點(diǎn)，采用時(shí)空混沌系統(tǒng)構(gòu)造偽隨機(jī)二相序列實(shí)現(xiàn)一體化波形設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)梳狀譜信號(hào)的正交特性，分別對(duì)探測(cè)信號(hào)和干擾信息進(jìn)行調(diào)制，得到雷達(dá)干擾探測(cè)一體化信號(hào)波形。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于混沌理論的二相編碼共享信號(hào)，并給出了共享信號(hào)的設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化原則。文獻(xiàn)[5]開(kāi)展了利用噪聲跳頻、調(diào)相信號(hào)作為雷達(dá)信號(hào)的理論推導(dǎo)與仿真。上述信號(hào)波形作為雷達(dá)信號(hào)雖然具有良好的探測(cè)性能，但是由于受到發(fā)射機(jī)的發(fā)射脈沖帶寬限制，作為干擾信號(hào)時(shí)，干擾頻譜帶寬有限，干擾性能較差。因此具有較好探測(cè)性能又具備較寬的頻譜的共享信號(hào)波形是干擾探測(cè)一體化信號(hào)波形的關(guān)鍵[6-10]。

多載頻偽隨機(jī)相位編碼信號(hào)波形，因其具有良好的探測(cè)性能，而受到廣泛研究。但多載頻偽隨機(jī)相位編碼信號(hào)由于實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度較高，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。本文通過(guò)綜合考慮工程實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和干擾與探測(cè)性能的優(yōu)良性，采用雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)作為探測(cè)干擾一體化共享信號(hào)。由于信號(hào)采用相位編碼可以使其頻譜拓展，使其具備噪聲信號(hào)特點(diǎn)，而采用兩個(gè)單一的載頻信號(hào)，更有利于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理分析。同時(shí)，兩個(gè)經(jīng)過(guò)偽隨機(jī)編碼調(diào)制的雙載頻信號(hào)，可以通過(guò)調(diào)整載頻之間頻率間隔實(shí)現(xiàn)頻帶拼接，從而覆蓋更寬的頻譜范圍，噪聲信號(hào)特性更加明顯,且不易被截獲。

1 信號(hào)特征分析

1.1 探測(cè)信號(hào)特征

探測(cè)信號(hào)波形重點(diǎn)關(guān)注能否從回波信號(hào)通過(guò)處理分析獲取準(zhǔn)確的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息，包括目標(biāo)的測(cè)量精度和測(cè)量分辨力。探測(cè)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)決定了該信號(hào)測(cè)距精度和測(cè)距分辨力，因此，為提高對(duì)目標(biāo)作用距離和距離分辨力的探測(cè)精度，探測(cè)信號(hào)應(yīng)具備較大的頻率帶寬。探測(cè)信號(hào)的時(shí)域結(jié)構(gòu)決定該信號(hào)的測(cè)速精度和速度分辨力。因此，為獲取較高的測(cè)速精度和速度分辨力，要求探測(cè)信號(hào)具備大的時(shí)域?qū)挾取＞C上可得大的時(shí)寬、帶寬積是探測(cè)信號(hào)波形獲得高精度測(cè)量精度和測(cè)量分辨力的前提。因此，為了保證探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)距精度和距離分辨力以及測(cè)速精度和速度分辨力，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)選擇探測(cè)信號(hào)的時(shí)寬和頻寬等波形參數(shù)。

1.2 干擾信號(hào)特征

干擾信號(hào)根據(jù)其使用的方式不同可以分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩大類(lèi)。壓制式干擾主要通過(guò)發(fā)射大功率寬頻的干擾信號(hào)，使得對(duì)方雷達(dá)接收機(jī)信干比降低，無(wú)法從回波信號(hào)中解調(diào)檢測(cè)出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。欺騙式干擾是在已知對(duì)方雷達(dá)的工作頻段和具體方位前提下，通過(guò)采用模擬發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)虛假目標(biāo)信號(hào)方式，包括速度欺騙、距離欺騙、角度欺騙等，增大對(duì)方雷達(dá)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的虛警率。壓制式干擾相對(duì)于欺騙式干擾最大的優(yōu)點(diǎn)是可以不需要知道對(duì)方雷達(dá)的具體工作頻率和位置，通過(guò)選用寬頻帶的干擾信號(hào)，采用大功率發(fā)射，對(duì)目標(biāo)實(shí)施壓制式干擾。

1.3 偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)特征

偽隨機(jī)相位編碼是采用相位調(diào)制編碼方式作為探測(cè)信號(hào)，解決雷達(dá)探測(cè)能力和距離分辨力之間矛盾，獲取較大的時(shí)寬、帶寬積。偽隨機(jī)相位編碼信號(hào)按相位取值數(shù)目分類(lèi)，如果相位只取0和π兩個(gè)數(shù)值，即為二相編碼信號(hào)。偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)特征表明該信號(hào)呈現(xiàn)出良好的距離分辨力和速度分辨力特性，不存在距離和多普勒耦合問(wèn)題。此外，相對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)，由于相位編碼的隨機(jī)性，該信號(hào)具有良好的抗干擾性和低截獲性。同時(shí)，由于偽隨機(jī)二相編碼的特征主要取決于所采用的二元偽隨機(jī)序列，因此采用合適二元偽隨機(jī)編碼信號(hào)，如巴克序列碼、M序列碼、L序列碼是影響偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)性能的重要因素。

2 干擾探測(cè)一體化波形設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)模型

雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)區(qū)別于偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)的特點(diǎn)是該信號(hào)具有兩個(gè)載頻信號(hào)。在信號(hào)調(diào)制過(guò)程時(shí)，對(duì)每個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行偽隨機(jī)編碼調(diào)制，不同載頻所采用的偽隨機(jī)序列可以相同，也可以不同。根據(jù)雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)的數(shù)學(xué)定義，其函數(shù)表達(dá)式可描述為：

s(t)=c1(t)ejα1(t)ej2πf1t+c2(t)ejα2(t)ej2πf2t=
r1(t)ej2πf1t+r2(t)ej2πf2t

(1)

式(9)中，f1和f2為調(diào)制載波頻率，α1(t)和α2(t)為相位調(diào)制信號(hào)，c1(t)和c2(t)為實(shí)信號(hào)調(diào)制包絡(luò)，r1(t)=c1(t)ejφ(t)為復(fù)調(diào)制包絡(luò)。為便于數(shù)理計(jì)算推導(dǎo)，且不失一般性，本文中雙載頻采用相同的信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制，即c1(t)=c2(t)。此時(shí)復(fù)調(diào)制包絡(luò)r(t)取值可表述為：

(2)

(3)

式中，εik為產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列，取值為-1或+1，v(t)為子脈沖信號(hào)復(fù)包絡(luò)，T為碼元寬度,P為雙載頻的碼元數(shù)目，則雙載頻二相編碼信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為T(mén)P。

2.2 模糊函數(shù)

模糊函數(shù)是對(duì)雷達(dá)信號(hào)特性分析的重要手段，當(dāng)干擾目標(biāo)和觀測(cè)目標(biāo)之間存在距離和速度的差別時(shí)，模糊函數(shù)可以定量地表示出干擾目標(biāo)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的干擾能力。由于一種信號(hào)波形對(duì)探測(cè)目標(biāo)的距離分辨力和速度模糊度可以通過(guò)該信號(hào)的模糊函數(shù)表示，因此可以通過(guò)模糊函數(shù)描述某一信號(hào)的探測(cè)性能[11]。

基于在上一章節(jié)中構(gòu)建的雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)模型，信號(hào)s(t)的模糊函數(shù)χ(τ,ξ)可推導(dǎo)如下：

(4)

式(4)中，χao(τ,ξ)和χcs(τ,ξ)表達(dá)式分別如式(5)和式(6)所示。

χao(τ,ξ)=[exp(-j2πf1τ)+exp(-j2πf2τ)]·
χ1(τ,ξ)

(5)

χcs(τ,ξ)=exp(-j2πf1τ)χ1(τ,f2-f1+ξ)+
exp(-j2πf2τ)χ1(τ,f1-f2+ξ)

(6)

其中：

(7)

由二相編碼信號(hào)模糊函數(shù)性質(zhì)可知：

(8)

式(8)中，χp(τ,ξ)表達(dá)式如下：

(9)

聯(lián)合式(4)—式(9)，不難求得雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)模糊函數(shù)χ(τ,ξ)。

2.3 頻域特性

當(dāng)前新體制的抗干擾能力裝備都是基于先進(jìn)的抗干擾算法實(shí)現(xiàn)[12-14]。噪聲壓制干擾是應(yīng)對(duì)先進(jìn)抗干擾算法的最有效措施，然而完全與噪聲特性相符的干擾信號(hào)并不存在。干擾信號(hào)要有足夠的干擾帶寬，才能使得更多的干擾信號(hào)進(jìn)入干擾目標(biāo)的接收機(jī)，達(dá)到干擾壓制效果，因此信號(hào)的頻譜特征是衡量某一信號(hào)的干擾性能的重要指標(biāo)。根據(jù)δ函數(shù)的性質(zhì)，將式(1)改寫(xiě)為：

(10)

根據(jù)傅里葉變換性質(zhì)可得式(11)和式(12)。

根據(jù)傅里葉變換性質(zhì)對(duì)式(3)進(jìn)行頻域變換可得：

(11)

同理：

(12)

根據(jù)卷積定理，可將式(10)改寫(xiě)為：

(13)

為便于計(jì)算推導(dǎo)，由式(12)可得：

(14)

(15)

將式(14)、式(15)帶入式(13)可得雙載頻偽隨機(jī)相位編碼信號(hào)頻域表達(dá)式：

(16)

3 性能仿真與分析

為對(duì)基于雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)波形的探測(cè)性能進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)其模糊函數(shù)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真分析，利用31位M序列偽隨機(jī)碼對(duì)兩個(gè)載頻進(jìn)行相位編碼，兩個(gè)載頻之間的頻率間隔取10 MHz，碼元寬度設(shè)為0.05 μs進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，模糊函數(shù)在時(shí)延軸上主峰呈現(xiàn)出良好的尖銳性，主峰附近旁瓣都較低，模糊函數(shù)距離分辨力仿真結(jié)果表明該信號(hào)具有良好的測(cè)距能力。模糊函數(shù)在多普勒頻率軸上的主峰兩邊出現(xiàn)有兩個(gè)較高的旁峰，兩個(gè)旁峰的頻率間距為兩個(gè)載頻之間的間隔，幅度為主峰的一半。模糊函數(shù)速度分辨力理論仿真結(jié)果表明該信號(hào)對(duì)單目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)速度模糊；在多目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，可以通過(guò)選擇合適的兩個(gè)載頻之間的頻率間隔范圍，對(duì)速度模糊問(wèn)題進(jìn)行規(guī)避。

為對(duì)基于雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)的干擾性能進(jìn)行仿真分析。實(shí)驗(yàn)分別取碼元寬度T在0.4 μs，0.2 μs和0.1 μs時(shí)，對(duì)信號(hào)頻譜特性進(jìn)行仿真。圖3為在不同碼元寬度下信號(hào)的頻譜特性圖。

圖2 雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)模糊函數(shù)Fig.2 Ambiguity function of dual carrier frequency pseudo-random two-phase coding signal

圖3 不同碼片寬度的信號(hào)頻譜圖Fig.3 Signal spectrum to different chip interval

根據(jù)對(duì)雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)頻率特性仿真所得的結(jié)果，在兩個(gè)載頻頻率間隔寬度一定情況下，通過(guò)改變碼元寬度大小，雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)呈現(xiàn)出不同的頻譜寬度和頻譜特性。當(dāng)碼元寬度逐漸減少時(shí)，頻譜寬度逐漸拓展；當(dāng)碼元寬度減少到0.05 μs時(shí)，雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的頻率頻譜范圍將會(huì)全部連接上，此時(shí)該信號(hào)頻譜特性與噪聲特性趨于一致。上述仿真結(jié)果表明雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)作為干擾信號(hào)具有良好的似噪聲特性和低截獲性能。

4 結(jié)論

本文以信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)電子戰(zhàn)裝備發(fā)展趨勢(shì)為牽引，在綜合考慮理論工程實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和干擾探測(cè)性能的優(yōu)良性基礎(chǔ)上，提出了一種干擾探測(cè)一體化信號(hào)波形。該波形通過(guò)構(gòu)建基于雙載頻偽隨機(jī)二相編碼型號(hào)模型，理論推導(dǎo)了信號(hào)的模糊函數(shù)和頻譜函數(shù)，并對(duì)波形特性進(jìn)行了仿真與分析。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，本文所提出的基于雙載頻偽隨機(jī)二相編碼方式的干擾探測(cè)一體化信號(hào)波形，不僅在頻域上呈現(xiàn)明顯的噪聲特性，而且在時(shí)延軸和多普勒頻率軸上還具有較好的距離和速度分辨能力。此外，由于本文所構(gòu)建的雙載頻偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)波形是通過(guò)采用兩個(gè)單獨(dú)的載頻進(jìn)行調(diào)制，因此更便于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析處理。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整信號(hào)碼元寬度，可使得信號(hào)頻譜覆蓋更寬的頻帶范圍，使得信號(hào)噪聲特性更加明顯。因此，本文所提的干擾探測(cè)一體化信號(hào)波形理論和仿真分析結(jié)果可為干擾探測(cè)一體化信號(hào)波形的工程化應(yīng)用提供理論參考。