掩护信号抗转发干扰技术研究

胡祺勇, 谢军伟, 张浩为, 张昭建, 盛 川

(空军工程大学防空反导学院, 西安 710051)

0 引言

基于数字射频存储器(DRFM)的转发式干扰是一种被广泛使用的干扰方式[1-3],由于与雷达接收机特性相干,干扰信号可以获得大的匹配压缩增益,产生逼真的假目标欺骗干扰[4-5],造成雷达错误跟踪假目标,跟踪断续甚至无法发现真实目标。

目前,针对此类干扰的对抗方法多从发射端和接收端对信号进行处理,如频率分集(FDA)[6-7]、波形设计[8-10]、高阶谱分析[11-12]等,取得了一定效果,但都存在技术复杂的缺陷。

针对以上问题,文中以弹载干扰机为研究对象,提出了基于掩护雷达抗有源转发干扰的方法。利用高功率掩护信号对低功率探测信号的增益压制作用,减弱进入探测雷达接收机干扰功率。在此基础上,结合信号模型和功率模型,对该方法的抗转发式干扰效果进行了分析。通过电路实验,验证了增益压制效应;通过仿真分析,证明了该方法可有效抑制有源转发式干扰,显著提高雷达作用距离。

1 干扰对抗原理

1.1 干扰机功放特性

考虑到弹载干扰机的重量、体积由于受到严格限制,作出如下假设:

1)为获得最大的干扰输出功率,干扰机工作在饱和发射状态[13];

2)干扰机不对信号进行复杂的分选识别,而是依据功率原则对信号进行放大转发。

设有恒功率放大器:饱和输入信号电压为VT,饱和输出功率为PO;信号s0(t):频率为f0,幅度为A0;信号sc(t):频率为fc,幅度Ac,两信号频率均在放大器工作带宽内,且VT

若只有s0(t)输入,则对信号s0(t)的输出功率为PO;若sc(t)和s0(t)同时输入,对s0(t)的输出功率将小于PO,输出功率值与k有关。这是因为在饱和状态下,sc(t)的高功率使得自动增益控制(AGC)电路压低了对信号的增益,因而s0(t)的输出功率有所降低,称之为增益压制效应。

因此,可以利用掩护信号sc(t)对探测信号s0(t)进行掩护,减小干扰机对探测雷达的干扰效果。

1.2 干扰功率模型

为使回波功率最大,探测雷达天线会始终对准导弹方向,而在在掩护雷达作用下,干扰机波束中心对准掩护雷达天线。

探测雷达接收到的导弹回波功率为:

(1)

式中:P1为雷达发射机峰值功率;Gt1、Gr1为雷达发射、接收天线最大增益;λ1为工作波长;σ1为导弹的RCS;D1为雷达抗干扰改善因子;Ft1、Fr1为雷达天线方向图发射、接收传输因子;R1为导弹与雷达距离;Lrj1为雷达波到目标的单程传输损耗;Lt1、Lr1为雷达发射、接收综合损耗。

设掩护雷达作用下的功率压制系数为ε,则探测雷达收到的转发干扰功率为:

(2)

由于掩护功率较大,因此有必要考虑掩护信号回波进入到探测雷达的情况。探测雷达对散射的掩护信号的接收功率为:

(3)

式中:P2为雷达发射机峰值功率;Gt2为雷达发射天线最大增益;λ2为工作波长;R2为导弹与雷达的距离;γj2为极化失配损失。

干扰机对探测雷达转发的掩护信号功率为:

(4)

设天线方向图为高斯型,则发射传输因子为:

(5)

式中θ0为波束宽度。

没有掩护雷达作用时,弹载干扰机天线主瓣对准探测雷达波束主瓣,此时干扰机对探测雷达的转发功率达到饱和输出功率Pj。

探测雷达接收导弹回波功率为:

(6)

式中σ1为导弹雷达反射截面积。

接收机接收的转发干扰功率为:

(7)

1.3 转发干扰原理

ISDR干扰是指干扰机采样到一段信号经过放大后,马上进行转发,再采样、放大、转发,采样和转发交替分时工作,直至雷达信号结束。

根据文献[14]的分析,选择LFM信号作为探测信号,单载频连续波信号作为掩护信号。设探测雷达发射信号起始频率为f1,脉宽为T,调频带宽为B,则调频斜率为μ=B/T,信号可表示为:

(8)

接收机的脉冲响应函数为h(t),根据匹配滤波理论,h(t)为发射信号的复共轭。

(9)

式中:k为滤波器的增益常数,取为1;t0为物理可实现延迟时间,基于观测时间最小准则,t0取为脉宽T。

目标的回波信号通过脉冲压缩的输出信号为:

ys(t)=s1(t)⊗h(t)=

(10)

式中:t′=t-T,γ=πBt′(1-|t′|/T)。

即匹配滤波后的输出信号是固定单载频信号,载频是原LFM信号的中心频率。

设间歇采样函数是一个矩形包络脉冲串,记为p(t),脉宽为τ,重复周期为Ts,则:

(11)

采样过程可表示为:

xs(t)=p(t)·s1(t)

(12)

干扰机收发分时工作,转发信号会延迟回波信号至少一个采样脉宽,因此转发干扰信号形式为:

(13)

式中：N为采样段数,为简化分析,假设N=T/Ts。

回波信号和干扰信号的脉压输出为:

y1(t)=(s1(t)+xs(t))⊗h(t)

(14)

整理得到:

(15)

由式(10)、式(15)可知,回波信号和干扰信号经过匹配滤波后的输出信号为中心频率在f1+B/2上的单频振荡,输出中包含真实目标和多个假目标,主假目标的幅度为真实目标的τ/Ts,且比真实目标滞后一个采样脉宽τ。

设掩护雷达信号频率为f2,则掩护信号为:

s2(t)=cos2πf2t

(16)

掩护信号通过探测雷达的接收机后,输出为:

yc(t)=s2(t)⊗h(t)

(17)

干扰机对掩护雷达信号的转发干扰形式为:

(18)

该干扰通过探测雷达的脉冲压缩后输出为:

yjc(t)=sjc(t)⊗h(t)

(19)

2 抗干扰性能分析

不考虑噪声影响,在没有掩护雷达作用时,通过匹配接收机的信号主要有目标回波信号和转发干扰信号,接收机输出为:

(20)

有掩护雷达作用时,接收机输出为:

yO2(t)=

(A2s1(t)+B2xs(t)+Csjc(t)+Ds2(t))⊗h(t)=

A2ys(t)+B2yj(t)+Cyjc(t)+Dyc(t)

(21)

分析式(20)、式(21)可知,接收机输出与导弹和探测雷达之间的距离密切相关。干扰机对探测信号的转发功率和探测信号的回波功率随着距离的增大而减小。此外,掩护信号与接收机特性不相干而输出功率很低,因此不影响对真实目标的判断。

3 仿真分析

设探测雷达为某X波段的LFM脉冲压缩雷达,相关参数设定为:P1=100 kw,Gt1=Gr1=40 dB,λ1=0.037 5 m,f1=8 GHz,B=10 MHz,T=200 μs,σ1=0.05 m2,σ2=0.01 m2。掩护雷达为连续波雷达,参数设为:P2=500 kw,Gt2=40 dB,λ2=0.038 5 m,f2=7.8 GHz。弹载干扰机为恒功率转发,参数为:Pj=0.5 w,Gj=13 dB,θ0=20°,fs=100 MHz,采样周期Tr=10 μs。其他参数:ε=100,γj1=0.9,γj2=0.8,D1=1,不计雷达和干扰机的收发综合损耗、信号的传输损耗。

图1给出了进入接收机信号的功率与距离的关系。可以看出,随着距离的增大,进入接收机的探测信号回波功率和探测信号转发功率都呈现下降趋势,在相同距离处,无掩护时的探测信号回波功率略小于有掩护时的探测信号回波功率,干扰机的探测信号转发功率则与此相反。增设掩护雷达前后,干扰信号与目标回波信号等功率点分别在0.29 km和37.28 km,说明该方法有效扩展了雷达的探测距离。

图1 功率随距离的变化

图2给出了无掩护雷达时,在不同距离及采样时宽下接收机输出结果。可以看出,真实目标出现在200 μs处,主假目标相对真目标延迟一个采样时宽,后者几乎淹没在假目标中。这说明在无掩护雷达作用情况下,干扰机只需要较低的发射能量,就能对探测雷达取得较好的干扰效果。

图3给出了有掩护雷达作用的情况下接收机的输出结果。对比图3(a)和图3(b)、图3(c)和图3(d)发现,在采样占空比不变情况下,随着距离增大,真目标幅值与假目标幅值比将减小;在距离一定时,占空比增大会使得假目标幅值变大,原因在于通过匹配滤波的干扰能量增多。对比图2发现,掩护雷达可有效提高探测雷达的作用距离。仿真结果与理论分析吻合。

4 实验验证

为验证恒功率放大电路中大功率信号对小功率信号的增益压制效应,分别进行单输入功放实验和两个信号同时输入功放实验,测得实验数据如表1所示,某次实验结果如图4。

表1 输出功率

注:两个信号同时输入时,s2(t)=-10 dBm。

图2 不同占空比及距离下的接收机输出

图3 不同占空比及距离下的接收机输出

图4 某次实验结果

从表1可以看出,当只有s1(t)单独输入时,达到饱和点后,输出功率随输入功率呈现极小幅度的增加;当s1(t)和s2(t)同时输入时,s1(t)的输出功率随输入功率增加,但其值远小于单独输入时的值,说明s2(t)会压制对s1(t)的输出功率,实验结果与理论分析基本吻合。

5 结语

针对弹载干扰机转发干扰导致的假目标问题,提出一种基于掩护雷达的抗干扰方法。利用干扰机的恒功率放大特性,在理论上对掩护雷达的抗干扰效果进行了分析,得到了干扰机采样脉宽、距离与掩护效果的关系。通过电路板实验,验证了干扰机功率压制效应;通过仿真分析,验证了该方法可有效提高雷达作用距离。

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