对频率步进毫米波导引头干扰技术研究

项正山

(桂林长海发展有限责任公司，广西 桂林 541001)

0 引言

毫米波器件技术突破和毫米波器件成本逐渐降低，使得毫米波技术得到快速发展与广泛应用，其中，毫米波精确制导是毫米波技术应用的一个重要方向，相对于红外和光学波段，毫米波适应复杂战场环境和恶劣气象条件能力更强；相对于微波波段，毫米波结构尺寸小，易实现超大带宽、系统复杂性低、易于工程实现[1-2]，具有分辨率高和抗有源、无源干扰能力强等优点，安装有毫米波制导的精确制导武器具有全天候的作战能力[3-4]。

现代电子战中，毫米波电子对抗技术已引起世界各国的重视[5]，毫米波制导对抗包括有源对抗和无源对抗两种手段，无源对抗技术研究相对较多，产品应用也较为成熟[6]。在频率步进导引头(或雷达)一维成像干扰研究方面，2010 年，张宏伟等人[7]给出了频率步进毫米波导引头的一维成像定性干扰技术研究，2016 年，谭铭等人[1]开展了频率步进雷达一维成像的干扰技术研究，并给出了干扰效能分析。在频率步进毫米波导引头二维成像干扰方面研究较少，因此，研究对毫米波导引头二维成像干扰技术是十分必要的。

本文系统分析了频率步进毫米波导引头二维成像的工作原理，在构建毫米波导引头对地探测几何模型和二维成像处理模型基础上，基于瞄频非相参干扰和数字射频存储器(Digital Radio Frequency Memory，DRFM)技术相参干扰技术，对频率步进毫米波导引头成像性能进行了仿真，对干扰效果进行了系统全面分析，并提出逆增益和有源干扰的复合干扰策略，此方法可有效规避导引头跟踪干扰强点，实现干扰源自身防护，是对抗步进频毫米波导引头的一个有效干扰方法。利用DRFM 技术产生的相参干扰能通过雷达的相关处理，获得更高的增益，提高了干扰利用效率[8-12]。

1 频率步进雷达信号二维成像工作原理

毫米波精确制导武器在对地目标实施精确打击主要包括目标搜索、目标检测(或截获)、目标跟踪和寻的三个步骤。毫米波精确制导武器对地实施精确打击过程示意图如图1 所示[13-14]。

图1 毫米波精确制导武器对地实施精确打击过程示意图

毫米波导引头在建立目标跟踪和寻的之前，导引头通常对给定空域(方位、俯仰、距离等)范围内进行目标搜索。当毫米波导引头检测分辨单元(天线波束、距离波门、速度门等)搜索到目标并且目标回波能量超过导引头设定的检测门限时，称目标被“截获”。

获取一维或二维地面目标成像是毫米波导引头对地目标实施精确打击的前提，利用Chirp-z 处理步进频率信号可以改善距离分辨性能[15]，因此，在体积、重量等受限条件下，毫米波导引头为实现对地目标的成像，通常采用步进频信号工作方式，步进频发射信号示意图如图2 所示。

图2 步进频发射信号示意图

导引头一个积累周期内的频率步进信号可表示为：

其中，τ 是脉冲宽度，T 是脉冲重复周期，Tp是相同频率脉冲重复周期，f0是基频，Δf 是频率步进间隔，n 是频率步进数，m 是积累周期内相同频率重复次数，θi是相对相位，ci是常数。脉冲宽度τ 与频率步进间隔Δf 满足τ≤1/Δf[16]。

导引头信号处理系统框图如图3 所示。

图3 导引头信号处理系统框图

假设地面静止目标距离导引头起始距离为R0(时间t=0 对应的距离)，径向速度为v，光速为c，目标的回波信号可表示为：

其中，目标回波延迟时间为：

回波信号经过下变频后得基带正交信号：

其中，Ai为常数，tr为一维距离像起始距离对应的时间延迟。

同频脉冲回波采样进行处理可得到目标的速度信息，不同频率连续脉冲回波采样可得到目标的距离信息。其中导引头运动引起相目标回波相位变化。

对目标回波信号进行相位补偿：

补偿后的回波信号为：

由于脉冲载频不同，n 个频率对应不同的目标多普勒频率，采用NDFT，将n 个载频的速度门都对应到基频上。

2 毫米波导引头对地探测建模

毫米波导引头为实现对地探测，其在搜索与截获阶段通常采用下斜视方式进行目标区域探测，毫米波导引头对地探测几何关系如图4 所示。

图4 毫米波导引头对地探测几何关系

导弹飞行方向为方位的0°角，v 为导弹飞行速度，H为导弹高度，Ψ 为天线轴线与导弹飞行速度方向之间夹角，θ 为天线波束法线方位角，ε 为天线波束俯仰角，R为目标斜距，θ3dB为天线主波束宽度。

3 非相参干扰仿真

3.1 仿真条件

毫米波导引头平台仿真条件如下：导弹飞行速度v=200 m/s，导弹飞行高度H=200 m，天线波束方位角θ=20°，天线波束俯仰角ε=8°，导引头距离干扰源距离R=2.91 km，天线波束宽度θ3dB=3.2°。

毫米波导引头工作起始频率f0=35.5 GHz，频率步进间隔Δf=5 MHz，频率步进数n=128，脉冲宽度τ=200 ns，脉冲重复频率PRF=31 kHz，相同频率脉冲重复周期Tp=3 200 μs，积累周期内相同频率重复次数m=32。

假设地面存在三个强散射点目标，目标l 距离导引头初始距离R0=3 002，相对导引头飞行方向夹角19.05°；目标2 距离导引头初始距离R1=3 028，相对导引头飞行方向方位夹角21.35°；目标3 距离导引头初始距离R2=3 052，相对导引头飞行方向方位夹角20.15°。

3.2 无干扰导引头二维成像

假设点目标回波强度为1，背景噪声点频为-20 dB，毫米波引信导引头对地二维成像如图5 所示。

图5 毫米波导引头对地二维成像

3.3 点频瞄准干扰

干扰源根据测频接收机测频结果自产生连续波干扰信号，干信比J/S 分别取10 dB 和20 dB，测频最大误差Δfmax为2 MHz 和1 MHz 时，且最大测频误差小于导引头的接收机带宽一半，即干扰信号能够全部进入导引头接收机，点频瞄准干扰对导引头干扰效果(Δfmax=2 MHz)和点频瞄准干扰对导引头干扰效果(Δfmax=1 MHz)分别如图6 和图7 所示。

图6 点频瞄准干扰对导引头干扰效果(Δfmax =2 MHz)

假设测频接收机测频结果不存在误差，依此产生点频连续波干扰信号，干信比J/S 分别10 dB 和20 dB，点频瞄准干扰对导引头干扰效果(精准瞄频)如图8所示。

干信比J/S 分别取10 dB、20 dB 和26 dB，测频最大误差为1 MHz 时，且最大测频误差小于导引头的接收机带宽一半，即干扰信号能够全部进入导引头接收机，导引头对地二维成像效果(Δfmax=1 MHz)如图9 所示。

图7 点频瞄准干扰对导引头干扰效果(Δfmax =1 MHz)

图8 点频瞄准干扰对导引头干扰效果(精准瞄频)

仿真结果表明，点频瞄准干扰时，干扰信号频率精度能够保证全部进入导引头接收机情况下，干扰信号频率精度与干扰效果关系不大，波束内干扰时，干信比J/S为20 dB 左右，点频瞄准干扰产生的随机假目标与导引头波束覆盖范围内的目标回波信号强度相当，干信比J/S为26 dB 左右，点频瞄准干扰产生的随机假目标覆盖导引头波束覆盖范围内的目标回波信号，波束外干扰时，在目标回波功率一定的情况下，干扰源增加功率倍数与毫米波导引头天线主副瓣增益相同时，波束内干扰与波束外干扰效果相当。

图9 导引头对地二维成像效果(Δfmax =1 MHz)

3.4 调频噪声干扰

干扰源根据测频接收机测频结果自产生窄带调频干扰信号，测频最大误差Δfmax=2 MHz，基带调频噪声信号带宽ΔBW=4 MHz，且噪声调频信号能够全部进入导引头接收机，干信比J/S 为10 dB，窄带噪声干扰对导引头干扰效果(ΔBW=4 MHz)如图10 所示。

图10 窄带噪声干扰对导引头干扰效果(ΔBW=4 MHz)

干扰源根据测频接收机测频结果自产生窄带调频干扰信号，测频最大误差Δfmax=1 MHz，基带调频噪声信号带宽ΔBW=2 MHz，且噪声调频信号能够全部进入导引头接收机，干信比J/S 为10 dB，窄带噪声干扰对导引头干扰效果(ΔBW=2 MHz)如图11 所示。

图11 窄带噪声干扰对导引头干扰效果(ΔBW=2 MHz)

仿真结果表明，噪声调频干扰时，噪声调频信号能够全部进入导引头接收机情况下，干扰信号带宽与干扰效果关系不大，且噪声调频干扰对导引头干扰效果与点频瞄准干扰对导引头干扰效果相当。

4 相参干扰仿真

4.1 仿真条件

仿真条件同3.1。

4.2 延迟多抽头转发干扰

4.2.1 波束内干扰

假设干扰源相对导引头飞行方向方位夹角19.05°，延迟抽头数4，假设导引头接收机接收的单个假目标回波功率与真实目标回波功率相同，且假目标均分干扰源输出功率，则干信比J/S 为6 dB。延迟多抽头干扰对导引头干扰效果(波束内干信)如图12 所示。

图12 延迟多抽头干扰对导引头干扰效果(波束内干扰)

4.2.2 波束外干扰

假设干扰源相对导引头飞行方向方位夹角分别为16°和25°，延迟抽头数4，假设导引头接收机接收的单个假目标回波功率与真实目标回波功率相同，且假目标均分干扰源输出功率，干信比J/S 为6 dB。延迟多抽头干扰对导引头干扰效果(波束外16°干信)如图13 所示，延迟多抽头干扰对导引头干扰效果(波束外25°干信)如图14 所示，导引头对地二维成像效果(波束外25°干信)如图15 所示。

图13 延迟多抽头干扰对导引头干扰效果(波束外16°干信)

仿真结果表明，延迟多抽头转发干扰，不论干扰源是否位于导引头天线波束照射的范围内，干扰信号都能够产生较强的距离假目标，导引头波束扫描成像过程中，干扰源能够在导引头波束扫描的覆盖范围内连续产生方位假目标，从而对导引头产生距离+方位假目标的效果。

4.3 延迟多抽头+相位调制转发干扰

根据4.2 仿真结果可以，波束内干扰与波束外干扰产生的干扰效果类似，因此，延迟多抽头+相位调制转发干扰只仿真波束内干扰。

图14 延迟多抽头干扰对导引头干扰效果(波束外25°干信)

图15 导引头对地二维成像效果(波束外25°干信)

假设干扰源相对导引头飞行方向方位夹角20.5°，延迟抽头数4，假设导引头接收机接收的单个假目标回波功率与真实目标回波功率相同，且假目标均分干扰源输出功率，则干信比J/S 为6 dB，同时进行不同距离维度的相位调制，形成不同距离段的掩盖区域。

小距离段相位调制，延迟多抽头+相位调制转发干扰对导引头干扰效果(小距离段掩盖)如图16 所示，导引头对地二维成像效果(小距离段掩盖)如图17 所示。

图16 延迟多抽头+相位调制转发干扰对导引头干扰效果(小距离段掩盖)

图17 导引头对地二维成像效果(小距离段掩盖)

长小距离段相位调制，延迟多抽头+相位调制转发干扰对导引头干扰效果(长距离段掩盖)如图18 所示，导引头对地二维成像效果(长距离段掩盖)如图19 所示。

图18 延迟多抽头十相位调制转发干扰对引导头干扰效果(长距离段掩盖)

图19 导引头对地二维成像(长距离段掩盖)

假设干扰源相对导引头飞行方向方位夹角20.5°，延迟抽头数4，假设导引头接收机接收的单个假目标回波功率是真实目标回波功率2 倍，且假目标均分干扰源输出功率，则干信比J/S 为12 dB，同时进行不同距离维度的相位调制，形成不同距离段的掩盖区域。

小距离段相位调制，延迟多抽头+相位调制转发干扰对导引头干扰效果(小距离段掩盖)如图20 所示，导引头对地二维成像效果(小距离段掩盖)如图21 所示。

图20 延迟多抽头+相位调制转发干扰对导引头干扰效果(小距离段掩盖)

图21 导引头对地二维成像效果(小距离段掩盖)

长小距离段相位调制，延迟多抽头+相位调制转发干扰对导引头干扰效果(长距离段掩盖)如图22 所示，导引头对地二维成像效果(长距离段掩盖)如图23所示。

图22 延迟多抽头十相位调制转发干扰对引导头干扰效果(长距离段掩盖)

图23 导引头对地二维成像(长距离段掩盖)

仿真结果表明，延迟多抽头转发+相位调制转发干扰，干扰信号都能够产生较强的距离假目标，单个假目标掩盖距离越长，则假目标信号峰值能量越弱，在干扰调制参数不变情况下，假目标功率峰值与干信比成正比，且导引头波束扫描成像过程中，干扰源能够在导引头波束扫描的覆盖范围内连续产生方位假目标，从而对导引头产生距离+方位假目标的效果。

5 干扰分析

通过以上干扰仿真，可以得出以下结论：

(1)不论干扰源是否位于导引头波束覆盖范围，非相参干扰和相参干扰都能够对导引头实现干扰，且目标回波功率一定的情况下，分别位于副瓣区、主瓣区的干扰源干扰功率比与导引头天线主副瓣比相当时，同一种干扰样式的干扰效果相同。

(2)点频瞄准和窄带噪声调频干扰获取的干扰效果相当，对导引头形成一种干扰压制的效果，当干信比达到23 dB 左右时，干扰源可以对导引头波束覆盖范围内的目标实现有效遮盖干扰。

(3)延迟转发干扰和延迟转发+相位调制干扰可获取峰值功率较强的假目标，单个假目标功率峰值随掩护距离增加而减弱，通常干信比J/S 为10 dB 左右，假目标峰值功率与目标回波功率相当。

(4)不论是相参干扰还是非相参干扰，需采用逆增益进行干扰，可实现导引头波束扫描过程中不产生强功率假目标，从而保障干扰源的安全。

6 结论

通过理论分析与建模仿真，针对频率步进毫米波导引头，非相参干扰时，可实现导引头波束覆盖范围内成像干扰，干扰能量分散；相参干扰时，合理延迟多抽头及相位调制，产生的假目标功率强度更为集中，与非相参干扰相比，获取同样的假目标功率峰值，其干信比较低，同时逆增益干扰可实现导引头波束扫描过程中，不产生强功率假目标，从而保障干扰源的安全，因此，逆增益和有源干扰的复合干扰策略是对抗频率步进毫米波导引头的一种有效方法。