一种宽带多维雷达信号设计*

王　魁，姜秋喜，刘方正，潘继飞

（1.解放军91604部队，山东　龙口　265700；2.电子工程学院信息处理重点实验室，合肥　230037）

一种宽带多维雷达信号设计*

王魁1,2，姜秋喜2，刘方正2，潘继飞2

（1.解放军91604部队，山东龙口265700；2.电子工程学院信息处理重点实验室，合肥230037）

设计了一种宽带多维雷达信号，在宽带噪声调频信号中通过频率捷变的方式融合非线性调频信号，将探测信号隐匿于宽带噪声调频信号中，对敌方雷达进行干扰的同时实现对目标的探测。仿真表明该信号具有较好的隐蔽性，且兼具探测与干扰的双重功能。

宽带捷变频，探测，干扰，一体化，非线性调频

0　引言

随着各种电子装备使用数量的增加，己方雷达装备与雷达干扰装备之间存在着串扰的问题，设计探测干扰一体化的信号成为解决该问题的一种方法。目前，学者们对探测干扰一体化信号已经作了初步的研究，其中随机二相编码信号应用最为广泛［1-5］，研究发现该信号作为探测与干扰一体化信号时存在自相关旁瓣过高、随机性程度不高、干扰效果不明显等弱点。随机二相编码一体化信号的设计问题属于多项式复杂度非确定性问题，很难获得真正意义上的全局最优解，只能通过局部最优解得到其全局次优解。本文提出一种宽带多维雷达信号设计方法，在宽带噪声调频信号中通过频率捷变的方式融合非线性调频（NLFM）信号，得到一种具有探测与干扰双重特性的一体化信号，克服了传统随机二相编码信号存在的缺点，并易于工程实现。

1　探测与干扰一体化信号的设计方法

现阶段，国内外对探测与干扰一体化的设计主要有分时体制、分波束体制和同时体制。

图1　探测干扰分时体制的产生框图

分时体制是指探测信号与干扰信号共用天馈系统，当需要探测时，选通开关选通探测系统进行探测；当需要干扰时，选通开关选通干扰系统进行干扰，如图1所示。其优点是实现简单，且不用设计新的雷达波形；缺点在于探测与干扰无法同时进行，容易产生雷达探测的“盲区”，干扰的回波信号容易对自身接收机造成干扰，影响探测功能的发挥。

分波束体制主要利用在相控阵雷达中，是指将相控阵雷达的阵面划分为不同的区域，分别运用于雷达探测、干扰、通信等功能。分波束体制实现一体化的优势在于一体化系统进行干扰的同时，雷达仍然能够同时进行探测；分波束体制也存在一些缺点，由于将相控阵雷达的阵面划分为不同的工作区域，在总能量一定的情况下，用于探测和干扰的能量会相对下降，对雷达测距、干扰效能会有所影响。

同时体制，是指探测和干扰使用同一波形。同时体制的优点是能够在干扰的同时对目标进行探测，且可以完全使用系统的能量。目前研究较为广泛的同时体制波形是随机二相编码信号，研究发现该信号作为探测与干扰一体化信号时存在自相关旁瓣过高、随机性程度不高、干扰效果不明显等弱点。随机二相编码一体化信号的设计问题属于多项式复杂度非确定性问题，很难获得真正意义上的全局最优解，只能通过局部最优解得到其全局次优解。

2　宽带多维雷达信号设计

为克服传统随机二相编码信号存在的以上缺点，本文考虑设计一种宽带多维信号，其中多维就是指多功能，将NLFM信号与噪声调频信号相融合，使该信号在时域和频域上隐匿于噪声调频信号中，从而增强信号的反侦察、反识别的能力，且同时具有探测和干扰的双重性能，以提高现代雷达的“四抗”能力。

2.1NLFM信号的设计

虽然线性调频（LFM）信号通过脉压在一定程度上解决了现代雷达对大时宽带宽积的要求，但是它仍然存在主副瓣比较低的问题。通过加权滤波器可以降低副瓣，但加权又带来了信噪比降低和主瓣展宽的问题［6］。许多学者采用NLFM信号来解决上述问题。

NLFM信号是指在脉内频率的调制斜率为非常数的一类信号，它是LFM信号的一种改进。NLFM信号的设计方法有多种类型，常见的有V型调频信号、步进调频信号以及运用逗留相位原理［7］设计的NLFM信号等。本文主要利用逗留相位原理进行近似求解，得到NLFM信号。

以采样频率fs=400 MHz，中频fc=0 MHz，带宽B=4 MHz，脉宽T=20 μs的NLFM信号为例，选用余弦四次方窗，可得NLFM信号的群延迟曲线如图2所示，调频曲线如图3所示。

图2　NLFM信号的群延迟曲线

图3　NLFM信号的调频曲线

图4　NLFM信号波形及频谱仿真

2.2带宽噪声调频信号的设计

设计噪声宽带有色高斯噪声，产生Nz个服从［0,1］间均匀分布的随机变量X1，X2，…，XNz。

图5　NLFM信号经脉冲压缩后的波形

令

假设高斯噪声的均值和方差分别为mean和var，则根据式（1）即可产生高斯白噪声。

式（2）中，sum （X）表示对集合X=｛X1，X2，…，XNz｝所有的元素进行求和。

采用巴特沃斯滤波器为带通滤波器，其阶数为6，截止频率系数为（f2-f1）/fs，f1为起始频率，f2为终止频率，fs为采样频率，将高斯白噪声Gauss通过该巴特沃斯滤波器，则得到有色高斯噪声Gauss_color。

采用宽带有色高斯噪声序列Gauss_color（t），t=0，，…，对正弦波信号的频率进行调制，生成宽带噪声调频信号波形：

式（3）中，Aj为噪声调频波形的幅度，fj为噪声调频波形的起始频率，kj为调频斜率，。

2.3宽带多维雷达信号实例

根据2.2中的噪声调频信号的设计，设置噪声调频信号的采样频率为 fs=400 MHz，带宽 B0= 200 MHz，起始频率f1=0 Mz，终止频率f2=200 MHz，脉宽T=20 μs，产生噪声调频信号的时域波形，并通过傅里叶变换得到信号的频谱，如图6所示。

图6　噪声调频信号波形及频谱仿真

使用余弦四次方窗为NLFM的窗函数，采样频率fs=400 MHz，中频fc=4 MHz，带宽B=4 MHz，脉宽T=20 μs的NLFM信号S （t）。

窄带NLFM信号波形S （t）和宽带噪声调频波形Sj（t）进行时域合成，即可生成宽带多维信号Sc （t），其时域波形和频谱图如图7所示。

图7　宽带多维信号的时域波形及频谱图

3　宽带多维雷达信号性能分析

3.1宽带多维雷达探测性能分析

根据NLFM信号与宽带多维雷达信号的生成原理，作出相应的模糊函数图、模糊度图及距离模糊函数、速度模糊函数。

图8为NLFM信号的模糊函数图，下页图9为NLFM信号的模糊度图及距离模糊函数、速度模糊函数。下页图10为宽带多维信号的模糊函数图，下页图11为宽带多维信号的模糊度图及距离模糊函数、速度模糊函数。

图8　NLFM信号的模糊函数图

图9　NLFM信号的模糊度图及距离模糊函数、速度模糊函数

通过对NLFM信号的时频域和模糊函数进行分析，可得到特点如下：

①模糊函数图的体积大部分集中在 ξ平面原点的主峰内，但由于存在剪切效应，主峰呈斜刀刃型；

②具有良好的距离分辨力和速度分辨力，但在目标距离、速度均未知的情况下，只能测得目标的距离与速度的组合值；

图10　宽带多维信号的模糊函数图

图11　宽带多维信号的模糊度图及距离模糊函数、速度模糊函数

通过对宽带多维信号的时频域和模糊函数进行分析，可得到特点如下：

①信号的模糊函数图呈“图钉型”，不存在距离-速度之间的耦合问题；

②距离分辨力与速度分辨力较单纯NLFM信号有所提高；

③由时域图和频谱图可知，宽带多维信号具有更好的随机性、隐蔽性，符合低截获概率雷达的需求。

3.2宽带多维雷达干扰性能分析

进行干扰性能仿真时，选用常见的LFM信号作为被干扰信号。假定目标出现在12 km处，被干扰的LFM信号脉宽T=20 μs，中心频率fc=20 MHz，带宽B=4 MHz，采样频率fs=400 MHz，当选用2.1中所述的NLFM信号作为干扰信号时，LFM经匹配滤波、脉冲压缩后，得到的回波信号如图12所示。

图12　经NLFM信号干扰后的LFM信号脉冲压缩处理结果

由图12可以看出，虽然在信干比达到-20 dB时，回波有较大的旁瓣，但仍然可以找到目标的位置在t=80 μs处。当选用宽带多维信号作为干扰信号时，LFM经匹配滤波、脉冲压缩后，得到的回波信号如图13所示。

图13　经宽带多维信号干扰后的LFM信号脉冲压缩处理结果

由图13可以看出，当信干比大于-15 dB时，干扰效果不佳，仍然可以看出目标位置。当信干比小于-15 dB时，干扰效果明显，已无法找到目标的具体位置，主瓣难以辨别，达到干扰效果。

宽带多维信号是一种较好的低截获概率雷达信号。模糊函数近似为“图钉型”，具有较好的距离-速度二维分辨力和测量精度，能够获得较大的脉冲压缩比，又因调制方式的复杂性，进一步增强了探测信号的隐蔽性，且兼具干扰性，有效地提升了雷达的“四抗”能力。

4　结论

宽带多维信号具有很好的隐蔽性，兼具探测和干扰功能，该信号设计方法具备开放性、可兼容特性，并具有优良的探测信号或干扰信号，且所设计的信号具备良好的“四抗”能力，为雷达与雷达对抗多维设计提供了一种信号设计方案，具有较强的实用价值。

［1］杨丹丹，刘以安，唐霜天，等.噪声-相位编码复合调制一体化信号设计方法［J］.计算机工程与设计，2011，32（1）：354-357.

［2］杨丹丹.雷达干扰一体化设计的共享信号研究［D］.无锡：江南大学，2011.

［3］钟璠.雷达探测与干扰一体化信号的研究［D］.成都：电子科技大学，2007.

［4］邵春平，唐霜天.雷达干扰机一体化共享信号的优化设计研究［J］.微计算机信息，2010，26（10）：208-210，238.

［5］MARIA G，FULVIC G.Radar detection and classification of jamming signals belonging to a cone class［J］.IEEE Trans-Actions on Signal Processing，2008，56（5）：1984-1993.

［6］陈伯孝.现代雷达系统分析与仿真［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2012.

［7］帕波利斯·A.信号分析［M］.北京：海洋出版社，1981.

［8］ZHIQIANG G，PEIKANG H，WEINING L.Matched NLFM pulse compression method with ultra-low sidelobes［C］//ProceedingsofThe5thEuropeanRadarConference，2008：92-95.

A Design of Broad Band Multidimensional Radar Signal

WANG Kui1,2，JIANG Qiu-xi2，LIU Fang-zheng2，PAN Ji-fei2
（1.Unit 91604 of PLA，Longkou 265700,China；2.Electronic Engineering Institute Laboratory of Information Processing，Hefei 230037，China）

A kind of broad band multidimensional radar signal is designed.A part of the broad band noise FM signal is selected to carry the NLFM signal by broad band frequency agileness as the detection signal.The detection signal hide in the jamming signal to jam the radar and detect the target is put at the same time.The simulation results show that the signal is hard to find and has the function of detection and jamming.

broad band frequency agile，detection，jamming，integration，NLFM

TN958

A

1002-0640（2016）07-0005-05

2015-06-05

2015-07-07
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国家“863”计划重点基金资助项目

王魁（1990-），男，湖南怀化人，硕士研究生。研究方向：雷达对抗系统与运用工程。