摘 要:由于相位编码雷达采用了相关处理技术,使得传统的干扰样式很难达到理想的干扰效果。为了有效干扰此种雷达,首先分析相位编码雷达信号的特点,然后通过理论分析和仿真验证的方式研究射频噪声干扰、部分复制干扰、移频干扰和基于DDS的相位编码干扰。仿真分析结果表明,射频噪声干扰对相位编码雷达的干扰效果较差,另外三种干扰样式则可在低干信比条件下达到很好的干扰效果。
关键词:相位编码信号;射频噪声干扰;部分复制干扰;移频干扰
中图分类号:TN95 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2009)21-016-03
Study of Phase-coded Radar Jamming Technology
LI Jifeng1,SHENG Jisong2
(1.Jiangsu University of Science & Technology,Zhenjiang,212003,China;2.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou,225001,China)
Abstract:Because of using correlation processing technology,phase-coded radar can not be effectively jammed by traditional jamming styles.In order to effectively jam this radar,characteristics of the phase-coded radar signal is firstly analyzed,then radio frequency jamming,part duplication jamming,shift-frequency jamming and phase-coded jamming based on DDS are studied by theoretical analysis and simulation verification.The results of simulation and analysis prove that radio frequency jamming is not effective and the other three jamming styles are effective in the case of low JSR.
Keywords:phase-coded signal;radio jrequency jamming;part duplication jamming;shift-frequency jamming
相位编码信号是一种脉冲压缩信号,它具有大时宽带宽积,很好地解决了雷达大探测距离和高距离分辨力之间的矛盾,具有优良的抗干扰和低截获概率特性,在现代新体制高性能雷达中得到广泛使用[1-4]。相位编码信号通过非线性调相扩展等效频宽,不仅降低了单位频带内的信号能量,使其不易被敌人察觉,同时也提高了距离分辨力和多普勒分辨力。这种信号的突出优点是采用脉冲压缩技术后,雷达的峰值发射功率得到显著降低,从而实现低截获的目的。
1 相位编码信号及其特征分析
相位编码脉冲信号是常用的雷达脉压信号之一,与线性频率调制(LFM)信号类似,相位编码信号也通过时域非线性调相达到扩展等效频宽的目的[5]。但LFM的调制函数在某一有限域内为连续函数,而相位编码信号的调制函数是离散的有限状态。一般随机相位编码信号的数学表达式为:
S(t)=u(t)ej2πf0t=a(t)ejφ(t)ej2πf0t
(1)
式中:u(t)=a(t)ejφ(t)为其复包络;φ(t)为相位调制函数;f0为载波频率;a(t)为幅度调制函数。对二相编码而言,φ(t)∈{0,π}或者表示为二进制序列ck=ejφ(t)∈{-1,+1}。若假设a(t)为矩形函数,即:
a(t)=1, 0 0, 其他 (2) 式中:τc为子脉冲宽度;N为子脉冲个数或称码长;τ=Nτc为编码信号的持续期。 相位编码雷达信号是用一定的码字序列对载频信号相位进行调制而产生的。调制编码序列一般为伪随机序列,并要求其自相关性好,距离旁瓣低。常见的二相编码序列为13位巴克码序列,其编码规律如图1所示[6]。 图1 13位巴克码序列 13位巴克码调制的相位编码信号时域波形如图2所示。 相位编码信号其特征之一就是信号频谱被展宽,信号功率散布在更宽的频带上,功率谱密度降低;且利用匹配滤波器处理后可以得到信号处理增益,因而辐射信号的功率可以进一步降低。二相编码信号经过压缩处理后,输出信号被压缩为窄脉冲,具有很高的压缩处理增益,且压缩处理增益的大小与编码序列的长度成正比。 图2 13位巴克码调制的二相编码信号时域波形 由匹配滤波器理论知道,信号通过匹配滤波器的输出就是信号的自相关函数[7,8]。对于巴克码而言,其码元序列为{cn},其中cn∈(+1,-1),n=0,1,…,N-1。其非周期自相关函数满足: yBk(m)=∑N-1-|m|k=0ckck+m=N, m≡0 0或±1,m≠0 (3) 巴克码自相关函数的主副瓣比等于压缩比,即为码长N。13位巴克码调制的二相编码信号经过压缩处理后,其输出波形如图3所示。 图3 13位巴克码调制的二相编码信号脉压后的输出波形 相位编码信号的另一个特征是不存在距离-多普勒耦合问题。这对于静止目标信号对消、提高雷达作用距离及速度测量精度、抗距离波门前拖、脉冲前沿跟踪等都具有十分重要的意义。 2 相位编码信号干扰 2.1 射频噪声干扰 噪声干扰作为一种通用性很强的干扰措施一直得到广泛应用,这是因为任何雷达接收机都有内部噪声,任何雷达接收机无论采用什么手段都无法消除内部噪声,所以雷达接收机的内部噪声一直是影响雷达探测能力的主要因素。因此只要能够使外部噪声干扰信号进入雷达接收机,并使该噪声干扰信号具有与内部噪声类似的特性,则雷达无论采用什么样的方式都无法将其去除[9]。同时噪声干扰具有对敌方雷达信息要求较少这一优点。 射频噪声干扰的数学模型为: JSF(t)=Un(t)cos[ωjt+φ(t)] (4) 式中:包络函数Un(t)服从瑞利分布;相位函数φ(t)服从[0,2π]均匀分布,且与Un(t)相互独立;载频ωj为常数,且远大于J(t)的谱宽。 雷达接收机接收到的回波信号中包含有目标回波和干扰信号两部分,则回波信号的数学模型为: Sh(t)=S(t)+JSF(t) (5) 式中:S(t)表示目标回波信号;JSF(t)表示射频噪声干扰信号。 图4为射频噪声干扰效果图。仿真参数为:载波频率f0=1 MHz;采样频率fs=10 MHz;子脉冲宽度τc=5 μs;码长N=13,图4(a)中干信比JSR=5.542 3 dB,图4(b)中干信比JSR=35.525 dB。 图4 射频噪声干扰效果图 从图4可以看出,在干信比较小的情况下,射频噪声干扰不能有效地遮盖目标回波,干扰效果很差;而在干信比较大的情况下,虽然干扰效果有所改善,但仍然不能有效压制目标回波压缩主峰。通过多次仿真证实,射频噪声干扰对相位编码雷达的干扰效果较差。 2.2 部分复制干扰 由于噪声干扰的效果很差,故不得不考虑其他的干扰信号形式。从相位编码信号的处理方法出发,要想对相位编码信号进行有效干扰,干扰信号与相位编码信号必须具有一定的相关性。因此,可以尝试通过部分复制相位编码信号作为干扰信号,然后转发出去。这样的干扰信号既可以满足与雷达信号的匹配性,又具有干扰信号的特性,因而具有较好的干扰效果[10]。 部分复制干扰1的数学模型为: Jp1=S(t), τc≤t≤9τc (6) 图5为部分复制干扰的效果图,其中干信比JSR=3.508 4 dB。由图5可以看出,复制干扰经压缩处理后产生了一个假目标,假目标与真实目标回波信号相似度特别大,具有非常好的欺骗性干扰效果。 图5 部分复制干扰1的效果图 由上文分析可知,复制干扰信号来源于雷达信号的部分复制,由此可以想到通过复制雷达信号的不同部分,可能会产生不同的干扰效果。基于这种想法,本文给出了部分复制干扰2的数学模型为: Jp2=S(t), 5τc≤t≤13τc (7) 图6给出了部分复制干扰2的干扰效果图,其中干信比JSR=3.012 dB。通过对比图5和图6可以看出,通过复制雷达信号的不同部分,确实产生了不同的干扰效果。图5中干扰信号超前于目标信号;图6中干扰信号滞后于目标信号。 图6 部分复制干扰2的效果图 2.3 移频干扰 相位编码信号的缺点是对多普勒频率敏感,不适合探测高速运动的目标。因为高速运动目标回波信号的多普勒频移会降低相位编码信号在雷达接收机中的压缩效果,不仅压缩脉冲旁瓣电平会增大,而且压缩脉冲主瓣也会恶化。基于相位编码的这一缺点,可以考虑用移频方法对相位编码信号进行干扰。移频干扰信号的表达式为: Jd=u(t)ej2π(f0+fd)t=a(t)ejφ(t)ej2π(f0+fd)t (8) 式中:fd为移频值,其余参数的表示意义同上。在移频干扰作用下,雷达回波信号可以表示为: Sh(t)=S(t)+Jd(t) (9) 图7为移频干扰效果图。仿真参数如下:子脉冲宽度τc=5 μs;载波频率f0=1 MHz;码字长度N=13;采样频率fs=10 MHz;移频值fd=15 kHz;干信比JSR=7.958 8 dB。 图7 fd=15 kHz时的移频干扰效果图 由图7可以看出,在移频干扰作用下,旁瓣电平抬升,主瓣严重恶化,可以很好地压制和欺骗雷达对真实目标的检测。通过多次仿真发现,选择不同的移频值会实现不同的干扰效果。图8为fd=60 kHz,干信比JSR=9.542 4 dB时的移频干扰效果图。图中抬升的旁瓣形成了逼真的假目标,从而可以起到欺骗干扰的效果。 图8 fd=60 kHz时的移频干扰效果图 2.4 基于DDS的相位编码干扰 基本原理:利用基于DDS的数字信号发生器产生与雷达发射信号相互独立的相位编码信号,然后通过干扰机把该信号发射出去,用该干扰信号模拟雷达回波信号,通过延时、移频等方式给敌方雷达制造干扰。 基于DDS的相位编码干扰信号的表达式为: SJ(t)=G•u(t)ej2πf0t=G•a(t)ejφ(t)ej2πf0t (10) 式中:G为干扰信号的增益系数,其余各参数的意义同上。干扰信号与真实目标回波信号的差别在于子脉冲的宽度τc不同。雷达收到的回波信号可以表示为: Sh=S(t)+SJ(t) (11) 图9给出了基于DDS的相位编码干扰效果图。仿真参数如下:子脉冲宽度τc=5 μs;载波频率f0=3 MHz;码字长度N=13;采样频率fs=10 MHz;干扰信号子脉冲的宽度τc=10 μs,干信比JSR=5.105 5 dB。 从图9中可以看出,干扰信号的峰值强度明显高于目标回波信号的强度,能够很好地欺骗雷达对真实目标的检测;同时,在干扰信号的作用下脉压后的信号呈现出旁瓣电平抬高,旁瓣宽度恶化现象。通过多次仿真证实,只有在干信比JSR>3.521 8 dB时,干扰信号峰值才能压制住真实目标回波峰值,从而起到干扰作用。 图9 基于DDS的相位编码干扰效果图 在基于DDS的相位编码干扰的基础上,同时实施移频干扰,干扰效果如图10所示。其中图10(a),(b)中的干信比分别为6.848 5 dB,7.958 8 dB。 图10 基于DDS的相位编码移频干扰效果图 从图10中可以看出,在基于DDS的相位编码干扰的基础上,同时实施移频干扰后,主瓣和副瓣的恶化程度更加严重。在干信比为6.848 5 dB,移频值为20 kHz和干信比为7.958 8 dB,移频值为40 kHz的条件下,干扰信号的主峰强度都能够很好地压制住真实目标回波,能够达到预期的干扰效果。 3 结 语 相位编码雷达信号是一种大时宽带宽积信号,具有优良的低截获和抗干扰特性。本文首先介绍了相位编码信号及其特征,接着给出了相位编码信号的压缩处理过程,并对该信号及其脉压后的信号时域波形进行了仿真。重点研究了针对相位编码信号的4种干扰样式,仿真分析结果表明射频噪声干扰对相位编码雷达的干扰效果较差,其余三种干扰样式可以在低干信比条件下起到很好的干扰效果。 参考文献 [1]吕新正,柳桃荣,洪一.低信噪比下基带相位编码信号的脉内特征分析[J].现代雷达,2006(3):31-34. [2]蒋润良.相位编码信号处理及其应用研究[D].南京:南京理工大学,2003. [3]茂庸,柯有安.雷达信号理论[M].北京:国防工业出版社,1981. [4]盛建锋.相位编码雷达信号处理及其性能分析[D].南京:南京理工大学,2004. [5]爱明,胡可欣.相位编码信号在雷达中的应用[J].舰船电子对抗,2007,30(5):66-68. [6]易正红.相位编码雷达信号特征研究[J].电子对抗技术,2002,17(2):7-10. [7]韩俊宁.准数字示样的DRFM技术[D].西安:西安电子科技大学,2006. [8]张玉芳.基于DRFM的雷达干扰技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2005. [9]王燚.脉冲压缩雷达干扰样式分析[D].成都:电子科技大学,2003. [10]史林,彭燕,杨万海.脉冲压缩雷达干扰仿真分析[J].现代雷达,2003,25(8):37-40. 作者简介 李继锋 男,1983年出生,硕士研究生。主要研究方向为电子对抗。 盛骥松 男,1968年出生,研究员。主要研究方向为电子对抗总体。