箔条干扰回波信号频域特性研究

李尚生，付哲泉，李炜杰，邹瀚锋

(海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台　264001)



箔条干扰回波信号频域特性研究

李尚生，付哲泉，李炜杰，邹瀚锋

(海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台264001)

针对雷达内场测试中由于模拟箔条云回波信号信息不完整造成的测试结果不能反映雷达实战性能的问题，提出了考虑箔条锥动的回波信号构建方法。该方法综合考虑箔条丝平动与锥动对频谱的作用，得到单根箔条以及箔条云在不同波段、不同运动情况下的回波信号频谱，总结了不同运动情况下的频谱变化规律，研究结论对于建立更真实的模拟战场环境、提高雷达目标探测以及抗箔条干扰能力具有重要意义。

雷达；箔条干扰；回波信号；频域特性；锥动；平动

0　引言

箔条干扰由于使用方便、造价低廉，经过大半个世纪的发展，已经成为使用最广泛的雷达无源干扰之一。箔条可以掩护飞机编队突防，也可以保护舰艇免受导弹打击。近代战争中的多次成功使用，证明箔条干扰在欺骗雷达、降低雷达目标识别能力方面取得了很显著的效果，围绕箔条干扰展开的干扰与抗干扰研究显得格外重要。同时，在雷达的研制与改进过程中，对目标的探测能力是雷达重要的战技术指标之一。由于雷达的外场测试周期长、花费高，往往通过信号模拟器来产生目标回波信号和各种干扰信号以满足测试雷达抗干扰能力的要求。雷达一般可以通过对回波信号时域、频域、极化域3方面特征的提取来区分箔条干扰与真实目标[1-4]。因此，研究箔条云回波信号特征将对雷达识别目标能力的提高提供有力的理论支持。现有文献已经对箔条干扰回波信号的频域特性有了广泛研究，但一般只考虑箔条丝水平运动造成的多普勒频移和频谱展宽，而忽略了箔条丝锥动对频谱的影响[5-8]。为了更全面地分析箔条干扰回波信号频域特性的影响因素，本文提出了考虑锥动的箔条干扰回波信号模型，并对不同情况下箔条干扰回波信号频谱特征进行了仿真分析。

1　箔条云回波信号模型的建立

一般认为相对径向速度的变化会引起频移[9-13]。如果雷达与目标相对速度服从一定的分布，回波信号的频谱也会有一定的分布，所以箔条云团的运动会造成回波信号频谱的变化。箔条弹在空中散开时，箔条丝在风力和重力的作用下，水平和竖直方向速度随时间变化，直到箔条丝达到受力平衡，变为匀速运动，简称“平动”，此时箔条云为相对稳定状态。同时箔条丝还绕某一固定轴作旋转运动，简称“锥动”，由于存在平动和锥动，导致回波信号频谱存在频谱搬移与频谱展宽现象。雷达可以根据回波信号的频移和频谱展宽来识别目标和箔条干扰，因此研究箔条云雷达回波的频移和频谱展宽特性具有重要意义。下面分析箔条丝绕某一固定轴旋转运动时的回波信号频域特性。

图1　箔条丝锥动示意图Fig.1　Sketch map of chaff cone rotary motion

ay,az)通过初始旋转矩阵RInit得到，坐标变换的对应关系为

(1)

(2)

锥旋矩阵RC[9-10]表示为

(3)

(4)

将式(4)带入式(3)，可以得到

(5)

则经过时间t旋转后的散射点在参考坐标系中的坐标为rt=RCRInitr0，雷达与散射点的距离为

(6)

(7)

式中：v为箔条丝与雷达间的径向运动速度。相向运动时，v为正值；反向运动时，v为负值。

(8)

(9)

假设箔条云中箔条间距大于2倍发射信号波长，可以忽略箔条之间的互耦效应[2]，则箔条云回波信号认为是箔条丝各自回波的矢量叠加。

2　单根箔条回波信号频域特征分析

2.1单根箔条在不同运动状态下的回波信号频谱

图2给出了单根箔条在以上3种情况下的频谱仿真结果，可以看出，箔条丝的锥动使得回波频谱展宽，平动则导致回波信号频谱的搬移，搬移大小与理论计算结果fd=2f|v|/c相对应；第3张图与第1张相比，频谱中心由0 Hz搬移到1 000 Hz，搬移的产生是因为平动的影响，搬移大小与平动速度对应，两张图片谱线分布特征完全相同，说明单一平动速度时，平动只造成频谱搬移，不影响频谱宽度，与回波信号模型的理论结果一致。因此对单根箔条丝而言，平动和锥动产生的综合效果为2种运动方式产生效果的叠加。

图2　单根箔条在不同运动状态下的回波信号频谱Fig.2　Echo signal spectrum of single chaff in different motion states

2.2单根箔条在不同加速度平动下的回波信号频谱

假设箔条丝位于雷达坐标系中(5 000,0,0)处，发射信号频率f=15 GHz，箔条丝长度为半波长l=λ/2=0.01 m，长细比为100。箔条初始位置由中心在原点，垂直于Oxy平面，然后分别绕x，y，z轴旋转30°，45°，60°得到。分析单根箔条在以下3种平动情况下的回波信号频谱特征：①vx=10+0.1t；②vx=10+0.5t；③vx=10+t(单位为m/s)。

图3给出了单根箔条在不同加速度平动下的频谱仿真结果，对比3张图片可以发现，随着加速度的不断增大，回波信号频谱越来越宽，幅度越来越小。

图3　单根箔条在不同加速度平动下的回波信号频谱Fig.3　Echo signal spectrum of single chaff under different translational accelerations

3　箔条云回波信号频域特征分析

3.1箔条云在不同锥动角速度下的回波信号频谱

图4为2种锥旋角速度下的箔条云回波信号频谱仿真结果，由图4可以看出，对同一箔条云而言，发射信号频率固定，随着箔条丝锥旋角速度的增大，箔条云回波信号频谱展宽越宽。

图4　f=15 GHz时箔条云在不同锥旋角速度下的回波信号频谱Fig.4　Echo signal spectrum of chaff cloud at different cone rotary motion angular speeds when f=15 GHz

图5为发射信号频率为20 GHz、锥旋角速度为9π时的箔条云回波信号频谱仿真结果。与图4对比可以看出，相同锥旋角速度下，随着发射信号频率变大，回波信号频谱更宽。与图3结果对比可以发现，锥动造成的频谱展宽与风速变化造成的频谱展宽相比要小得多。

图5　f=20 GHz时箔条云回波信号频谱Fig.5　Echo signal spectrum of chaff cloud when f=20 GHz

3.2箔条云在不同风速情况下的回波信号频谱

仿真结果如图6所示。从图6中可以看出，vx=10时，回波信号中心频率为1 000 Hz，与速度对应，此时频谱展宽由均匀分布的锥旋角速度造成；当风速变为均匀分布时，频谱宽度依然与速度大小对应，频谱展宽主要由均匀分布的风速产生，并且随着速度分布范围的增大，回波信号频谱展宽，幅度变小，此时锥动造成的频谱展宽仍远小于风速均匀分布造成的频谱展宽。

图6　半波长箔条云在不同风速情况下的回波信号频谱Fig.6　Echo signal spectrum of half wavelength chaff cloud in different wind conditions

下面以L波段的雷达为例，分析其对应的半波长箔条云回波信号频谱特性。假设雷达发射信号频率为f=1 GHz，箔条云由发射信号频率f=0.8，1，1.2 GHz对应的半波长箔条各1/3构成，其他条件不变，得到的仿真结果如图7所示。

图7　L波段半波长箔条云在不同风速情况下的回波信号频谱Fig.7　Echo signal spectrum of L-band half wavelength chaff cloud in different wind conditions

由图7可以看出，回波信号频谱中心频率仍然与风速的大小对应，但此时锥动造成的频谱展宽幅度相比于Ku波段雷达信号变得更大。得到结论为：波长越长，回波信号频谱中锥动造成的频谱展宽越明显。

4　结束语

对不同波段的相参体制雷达，本文建立考虑箔条锥动的回波信号模型，分析单根箔条以及箔条云的回波信号频谱特征，得到不同环境下频谱变化规律。结果表明，对单根箔条而言，锥动造成回波信号频谱展宽，平动使得频谱搬移，当平动对应风速服从均匀分布时，频谱也对应一定的宽度。对空间均匀分布箔条云而言，随着箔条锥旋角速度的增大，回波信号频谱变宽；随着平动风速的逐渐变大，频谱搬移值也随之变大；风速均匀分布的范围增大，频谱也相应展宽。风速造成的频谱展宽与锥动造成的频谱展宽相比要大，随着发射信号频率的降低，差距变小，对L波段雷达而言，两者造成的频谱展宽可以相互比拟。以上结论对雷达有效识别箔条假目标，提高雷达识别目标能力有一定的借鉴意义。同时，利用上述结论可以得出不同频率、不同风速条件下的箔条云雷达回波频谱特征，为在内场建立不同自然条件下对不同频率雷达的模拟箔条干扰环境，进而测试雷达在各种条件下的抗干扰性能奠定基础。

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Frequency Characteristics of Chaff Echo Signal

LI Shang-sheng，FU Zhe-quan，LI Wei-jie，ZOU Han-feng

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Electronics and Information Engineering Department,Shandong Yantai 264001, China)

In the infield test of radar, according to the problem that the incomplete information of the simulation of chaff cloud echo signal caused by test results cannot reflect the performance of radar practical problems, a new echo signal construction method is put forward. By considering the effect the chaff translation and cone rotary motion upon spectrum, this method gets echo signal chaff and chaff cloud in different bands and different motion. Then, the spectral variation rules of different motion are summed up. The conclusion of the study is of great significance for the establishment of a more realistic simulation of battlefield environment and improving radar target detection and anti chaff jamming ability.

radar；chaff jamming；echo signal；frequency characteristics；cone rotary motion；translation

2015-06-25；

2015-09-20

李尚生(1965-)，男，山东平阴人。教授，硕士，主要从事雷达探测技术研究。

通信地址：264001山东省烟台市芝罘区二马路188号海军航空工程学院401教研室E-mail：liss1965@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.04.007

TN972+.41

A

1009-086X(2016)-04-0037-06