对机载雷达STAP系统的调频干扰研究*
2016-07-21刘春生张正言唐孝国
刘春生，张正言，唐孝国
(1.电子工程学院,安徽 合肥 230037； 2.中国人民解放军75406部队，广州 珠海 519000)
探测跟踪技术
对机载雷达STAP系统的调频干扰研究*
刘春生1，张正言1，唐孝国2
(1.电子工程学院,安徽 合肥230037； 2.中国人民解放军75406部队，广州 珠海519000)
摘要：空时自适应处理(STAP)是一种有效地抗干扰技术，但在非均匀环境下其性能将大大降低。首先介绍了机载相控阵雷达STAP技术的基本原理，然后研究了间歇采样转发干扰和正弦加权调频干扰的原理和特点，提出了一种新的产生非均匀环境的干扰方法—间歇采样正弦加权调频干扰。即干扰机对接收到的雷达照射信号先进行间歇采样处理，再附加正弦频率调制，然后将调频结果放大转发出去，根据调制参数不同可以产生假目标欺骗干扰和覆盖干扰，构造非均匀环境降低STAP处理性能。仿真结果证明了理论的正确性和干扰的有效性。
关键词：空时自适应处理; 间歇采样; 正弦加权调频; 非均匀环境; 干扰目标; 孤立干扰
0引言
空时自适应处理的概念最初是由LEBrennan，JDMallett和ISReed于1973年针对相控阵体制机载预警雷达的杂波抑制而提出的[1]。由于机载雷达地杂波的空时耦合特性[2-4]，杂波在空时二维平面内呈刀背式分布，空时自适应处理(STAP)技术通过与相控阵体制的机载雷达有机的结合，形成与杂波匹配的斜凹口，同时又可在一定程度上补偿系统误差的影响，有效地抑制地杂波，大大改善了系统的检测性能[5]。
STAP技术已受到各国的高度重视，成为雷达界研究的热点，主要围绕降维算法、稳健性算法和非均匀环境下训练样本数不足等问题进行研究，但对其干扰的研究还未曾见。由于STAP技术具有优越的杂波抑制性能，广泛应用于机载和天基雷达，目前还被推广到通信、导航与声呐等领域，因此，作为雷达对抗方，开展对STAP技术的干扰研究是十分必要的。
基于常规STAP的自适应目标检测的关键是需要充足的与待检测样本数据独立同分布(IID)的训练样本来正确估计干扰的统计特性[6-8]。Reed，Mallett和Brennan提出的样本矩阵求逆STAP目标检测器，就是根据自适应滤波器自由度和训练样本数的要求从待检测距离单元的相邻距离单元中选取若干单元作为训练样本，来估计待检测单元中干扰的协方差矩阵，再用估计得到的协方差矩阵形成自适应权矢量处理待检测单元的数据，最后由所得结果与自适应门限比较得到检测结果。在均匀环境下，传统的STAP算法可以得到很好的效果；实际环境中存在着大量非均匀元素[9]，系统性能将大大降低[10-11]，因为此时的训练样本和待检测样本中的杂波和噪声不再满足独立同分布(IID)。
文献[12]通过移频干扰形成距离假目标，形成干扰目标或孤立干扰制造非均匀环境，从而减弱STAP的目标检测性能，但其产生的假目标数有限。文献[13]研究了一种正弦加权调频干扰技术，即干扰机对接收到的雷达照射信号附加正弦频率调制，然后将调频结果放大之后转发出去。本文针对文献[12]产生假目标较少的确定，根据间歇采样转发干扰和正弦加权调频干扰的原理和特点，提出间歇采样正弦加权调频干扰方法产生时域灵巧假目标制造非均匀环境，即干扰机对接收到的雷达照射信号用DRFM存储后，先进行间歇采样处理，再附加正弦频率调制，然后将调频结果放大转发出去。理论分析表明，该方法能产生大量的时域灵巧假目标制造非均匀环境，使STAP技术的杂波抑制性能下降。
1STAP基本原理
1.1杂波几何模型
不失一般性，假设雷达天线采用M×N的矩形平面阵。对天线阵实行可分离加权，每一列微波合成为一路，则形成由N个等效阵元组成的等间距线阵。
假设载机水平飞行，竖直放置的平面阵天线与地面散射体的几何关系如图1所示。其中ψ为主波束高低角，θ为主波束水平指向，ψ为观察方向，θp为阵列和航向的夹角，v为载机速度，λ为波长，则散射体P的回波的多普勒频率为
fd=(2v/λ)cos(θ+θp)cosφ.
(1)
图1 机载雷达阵列天线和散射体几何图Fig.1 Airborne radar antenna array and scatterer geometrical figure
对于空时二维处理，对时域权的控制相当于改变其多普勒(fd)响应特性，而控制空域等效线阵的权相当于改变其锥角余弦(cosψ)波束响应。因此，要从空时二维滤波的角度入手研究二维杂波的抑制，取2fd/fr和cosψ作坐标是合适的，其中fr表示脉冲重复频率，且cosψ=cosθcosφ。则式(1)可改写为
cos2φsin2θp,
(2)
式中：fdm=2v/λ，表示地杂波散射体的最大多普勒频率。对于不同的偏航角θp可以得到不同的情况，其中θp=0°称为正侧视阵，此时杂波轨迹在2fd/fr-cosψ平面上呈现为一根直线，本文只考虑该情况。
1.2STAP算法原理
Brennan首先提出了空时二维处理思想，并用于机载预警雷达，根据似然比理论导出了一种空时二维自适应处理结构，即“最优处理器”。
对于XM×N的阵面，经微波列合成后等效为XN元线阵，该线阵实现空域采样。设时域采样数为K，则第l个非模糊距离环的雷达空时快拍采样信号可表示为
(3)
(4)
W=(w11， w12，…，w1K，w21，w22,…，w2K，…，wN1，wN2，…，wNK)T。
该处理器可以描述为如下优化问题
(5)
式中：R为NK×NK接收数据的协方差矩阵；S为空时导向矢量。
(6)
S=Ss⊗St，
(7)
由式(5)可得空时二维最优化处理器的权矢量Wopt为
Wopt=μR-1S，
(8)
式中：μ=1/(SHR-1S)。则最优二维响应输出为
y=WH-X.
(9)
(10)
该方法被称为样本矩阵求逆，在高斯杂波加噪声背景下，由最大似然估计可得
(11)
利用采样协方差矩阵代替真实协方差矩阵会造成系统输出信杂噪比下降。要使信杂噪比的下降在3dB，则要同时满足2个条件。一是参与估计协方差矩阵的训练数据必须独立同分布，二是训练数据总数L≥2NK。为了避免目标自行白化，处理器将剔除训练数据中的检测单元和几个相邻单元，性能损失较大程度是实际协方差矩阵与估计协方差矩阵的偏差造成的[14-15]。
2间歇采样正弦调频干扰
2.1间歇采样信号
(12)
(13)
式中：an=τfssa(πnfsτ)，特别地，当Ts=2τ时，p(t)变为方波脉冲串，则式(13)变为
(14)
由此可见，p(t)的偶数次谐波分量为0，奇数次谐波分量的幅度随着n的增大而递减。
2.2正弦加权调频干扰信号
(15)
式中：n(t)=asin2πfsint，fsin表示正弦信号的频率，则干扰信号可以看作接收信号x(t)与一调频信号g(t)的乘积。
(16)
2.3间歇采样正弦调频干扰信号
由第2.1节的分析可知，间歇采样直接转发干扰经过匹配滤波处理后会在径向距离上产生对称分布于真实目标的假目标串效果，但由于辛格包络的作用一般只有3～5个目标有效。由第2.2节分析可知，正弦加权调频干扰能在目标两边产生对称分布的假目标串，结合两种方法的原理和特点，本文提出一种新的干扰方法—间歇采样正弦加权调频干扰，即将接收到的雷达照射信号先经间歇采样处理，再对得到相干脉冲串信号进行正弦加权频率调制，最后将得到的调制干扰信号放大转发出去。
Xj(f)=Xs(f)G(f)=
(17)
由式(17)可知，该方法的干扰效果为在间歇采样转发干扰产生的每个假目标的2边又由于正弦调制而对称分布了多个假目标，其数目近似等于2mf个。间歇采样转发干扰产生的假目标间距为τ = ±fs/kf，而正弦加权调频干扰产生的假目标间距为τ=±fsin/kf，所以通过调整fs和fsin的值可以实现欺骗或覆盖的干扰效果。
3非均匀干扰对STAP的影响
当待检测距离单元的杂波协方差矩阵已知时，自适应处理的权矢量为
(18)
式中：R为已知的杂波协方差矩阵；S为待检测距离-多普勒通道的空时二维导向矢量，则输出信杂噪比为
(19)
当杂波协方差矩阵未知时，自适应处理的权矢量为
(20)
(21)
所以由于估计而造成的输出信杂噪比相对确知协方差矩阵下的最优信杂噪比损失为
(22)
3.1干扰目标
干扰目标指的是存在于训练样本中的运动目标，简单地说，干扰目标会造成信号对消，导致自适应方向图主瓣畸变，降低目标检测概率。当存在干扰目标时，待检测样本中的干扰由杂波和噪声组成，而由于干扰目标的存在，训练样本反映出的干扰由干扰目标、杂波和噪声组成，从而导致训练样本和待检测样本中的干扰不满足IID条件。训练样本中的强干扰目标会使自适应滤波器在此干扰所在的方位-多普勒频率处形成零点。当强干扰目标的方位与待检测方位相差较大时，这个多余的零点不会对检测带来多大影响；反之，如果强干扰目标的方位与待检测方位接近，所在多普勒通道也与待检测多普勒通道接近，这个本不应有的零点就使得自适应方向图主瓣畸变，造成信号对消，降低目标检测概率，由于干扰目标造成的信杂噪比损失为
(23)
3.2孤立干扰
孤立干扰指的是位于待检测距离单元，但不在主瓣方向或不在待检测多普勒单元上的运动目标。当存在孤立干扰时，训练样本反映出的干扰由杂波和噪声组成，而由于孤立干扰的存在，待检测样本中的干扰由孤立干扰、杂波和噪声组成，从而导致训练样本和待检测样本中的干扰不满足IID条件。由训练样本估计得到的自适应权值不可能抑制孤立干扰，造成干扰剩余功率增大，导致虚警率增加，目标检测性能下降，由于孤立干扰造成的信杂噪比损失LossDI为
(24)
4仿真分析
仿真1：间歇采样正弦加权调频干扰产生大量时域灵巧假目标验证
仿真实验中的雷达参数：发射信号载频为300MBZ，谱宽为500kBZ，脉冲宽度为5ms，间歇采样周期为0.1ms，采样占空比为0.5，干信比都为CSR=1，仿真结果如图2～6所示。其中图2表示真实目标回波经脉压输出的位置；图3为间接采样转发干扰效果图；图4为正弦加权调频转发干扰效果图，调制参数为mf=3，Tsin=0.1ms；图5,6为间歇采样正弦加权调频干扰效果图，图5的调频参数为mf=3，Tsin=0.5ms，记为间歇采样正弦加权调频干扰1，图6的调频参数为mf=50，Tsin=5.5ms，记为间歇采样正弦加权调频干扰2，幅度都用间歇采样转发干扰输出最大值做归一化处理。
从图3可以看出，直接间歇采样转发干扰能在真实目标两边对称产生假目标， 其主假目标幅度为真实目标的一半，从图4可以看出，正弦加权调频干扰也能在真实目标2边对称产生假目标，但单纯的这两种方法产生的假目标数都很少；从图5、图6可以看出，采用本文干扰方法能在间歇采样转发干扰产生的每个假目标两边再按正弦加权调频干扰对称产生假目标，因而大大增加了假目标的数量，当Tsin
图2 真实目标Fig.2 Real goal
图3 间歇采样转发干扰Fig.3 Intermittent sampling interference
图4 正弦加权调频转发干扰Fig.4 Weighted sinusoidal frequency modulation interference
图5 间歇采样正弦加权调频干扰1Fig.5 Intermittent sampling sinusoidal weightedfrequency modulation jamming 1
图6 间歇采样正弦加权调频干扰2Fig.6 Intermittent sampling sinusoidal weighted frequency modulation jamming 2
仿真2：干扰目标和孤立干扰对STAP改善因子的影响
仿真参数：雷达天线为M×N=5×10的面阵，每一列微波合成为一路形成由N个等效阵元组成的等间距线阵，阵元间距d=λ/2，波长λ=0.3m，脉冲重复频率fr=3 200BZ，载机速度v=240m/s，载机高度H=6 000m，杂噪比CNR=20dB，信噪比SNR=5dB，干噪比JNR=20dB，用20dB切比雪夫加权，目标空频wt=0.05，归一化多普勒频率为fdt=0.4；干扰目标1的空频为wj=0.05，归一化多普勒频率为fdj=0.2，干扰目标2的空频为wj=0.07，归一化多普勒频率为fdj=-0.5；孤立干扰1的空频为wj=-0.1，归一化多普勒频率为fdj=0.2，孤立干扰2的空频为wj=-0.15，归一化多普勒频率为fdj=-0.4，仿真结果如图7和图8所示。
图7 无干扰和有干扰时改善因子比较Fig.7 Comparison of improvement factorwith or without interference
图8 无干扰和有孤立干扰时改善因子比较Fig.8 Comparison of improvement factor withinterference or without isolated interference
从图7可知，当存在干扰目标时，干扰目标会造成信号对消，导致自适应方向图主瓣畸变，在干扰目标所在的归一化多普勒位置(0.2和-0.5)处理性能变差。从图8可知，当存在孤立干扰时，由于其只包含在待检测样本中，因而由训练样本估计得到的自适应权值不可能完全抑制孤立干扰，造成干扰剩余功率增大，所以处理器的性能将急剧下降，且随着干扰数目的增多，STAP处理性能下降越明显。因此本文提出的新的干扰方式能产生更多的干扰数目，对STAP性能影响越明显，即干扰效果越好。
从仿真1可知，间歇采样正弦加权调频干扰产生了大量的时域灵巧假目标，本文算法能形成大量干扰目标和孤立干扰，从仿真2可知存在干扰目标和孤立干扰时STAP处理性能急剧下降，因为制造的非均匀环境使训练样本和待检测样本不满足IID条件，且干扰目标越多时，STAP性能下降越明显。因此本文通过间歇采样正弦加权调频干扰产生了大量的时域灵巧假目标，制造非均匀环境，对STAP达到很好的干扰效果。
5结束语
本文干扰只针对正侧视阵情况，干扰的前提是敌方机载相控阵预警雷达主动来探测我方目标，即主要研究针对重要目标保护的防御性干扰。在重要保护目标周围布置干扰单元，通过ES(电子战支援)系统的帮助，开机工作，为重要目标提供可靠地保护。本文根据间歇采样转发干扰和正弦加权调频干扰的原理和特点，将这两种方法结合，提出了间歇采样正弦加权调频干扰方法，能够产生更多的干扰目标，其干扰效果明显加强。然后在研究STAP技术原理的基础上，利用间歇采样正弦加权调频干扰产生大量的时域灵巧假目标，调整正弦信号的频率可以形成干扰目标或孤立干扰，由此可以对机载相控阵雷达的STAP技术进行非均匀干扰，仿真结果与理论相符，验证了干扰的有效性。
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Modulation Jamming Research on Airborne Radar STAP Technology
LIU Chun-sheng1, ZHANG Zheng-yan1, TANG Xiao-guo2
(1.Electronic Engineering Institute, Anhui Hefei 230037,China; 2.PLA，No.75406 Troop,Guangzhou Zhuhai 519000,China)
Abstract:Space time adaptive processing (STAP) is a kind of effective antijamming technology, but its performance will reduce greatly under the inhomogeneous environment. The fundamental principle of STAP is introduced firstly, then the principle and features of interrupted-sampling repeating jamming and sinusoidal weighted frequency modulation jamming are analyzed. A new method of generating heterogeneous environmental interference named interrupted-sampling and sinusoidal weighted frequency modulation jamming is proposed. The jammer receives the radar signal, then interrupted-samples and modulates it in frequency domain, and then the modulated signal is retransmitted. It can produce false targets deceptive jamming or cover jamming according to the modulating parameters and can produce heterogeneous environment and reduce STAP processing performance. The simulation shows the correctness of the theory and efficiency of jamming.
Key words:space time adaptive processing; interrupted-sampling; sinusoidal weighting frequency modulation; inhomogeneous environment; interference target; isolated interference
*收稿日期：2015-07-19；修回日期：2015-10-09
作者简介：刘春生(1966-)，男，江西遂川人。副教授，本科，主要研究方向为雷达对抗技术。
通信地址：230037安徽省合肥市蜀山区黄山路460号电子工程学院博士生队张正言E-mail：981890451@qq.com
doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.023
中图分类号：TN959.73；TN958.92；TN972.31
文献标志码：A
文章编号：1009-086X(2016)-03-0141-07
