间歇采样转发干扰对线性调频雷达的干扰性能分析

杨祎綪，王 波，曾瑞琪

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101；2.解放军95478部队，重庆 401329)

0 引 言

现代战争，核武器是战略级威慑力量，电子对抗则是战术级威慑力量，呈攻击态势的电子对抗是积极防御国防战略的重要组成部分。对于现代有核国家之间进行的高科技局部战争而言，电子干扰无疑是军事力量威慑的关键。电子干扰是我方在电磁域进攻的利剑，其有效杀伤敌人的充分条件是干扰信号在时、频、空三维方向域均对准敌方雷达信号且在能量域取得优势，而这其中的关键在于时频域矛盾的解决与转化。转发干扰是电子干扰的一种重要实现方式，通过接收、存储、调制、转发敌方雷达信号完成对敌方雷达的压制性干扰或欺骗性干扰[1]。然而转发干扰收发一体的技术体制决定了其在侦收时间窗口内无法发射干扰信号，导致转发的干扰信号在时间上总是滞后于目标回波，因此具有先天的缺陷。现代雷达为了提高雷达的抗干扰能力，通常采用跳频方式以增加电子干扰系统时频矛盾的复杂性，对转发干扰的有效性提出了极大的挑战。对压制性干扰而言，雷达跳频带来的时频复杂性使得转发干扰侦收到的前一雷达脉冲的频率可能已不能对准后一脉冲的频率，无法对后一脉冲产生有效干扰；对欺骗性干扰而言，转发干扰无法预测敌雷达信号的频率跳变，产生的假目标总体上滞后于目标回波。本文通过间歇采样的方式对雷达的每个脉冲进行干扰，保证每个干扰脉冲的频率与雷达脉冲的频率一致，分析并仿真了不同的间歇采样转发方式对线性调频雷达的干扰性能。

1 线性调频雷达信号处理流程分析

线性调频雷达的信号处理流程如图1所示[2]。雷达信号发射时，在时间波门的控制下将雷达波形库中的雷达数字波形通过数模转换器(DAC)变为模拟信号，经过一次滤波得到基带模拟信号，再与两级本振混频得到射频模拟信号，最后经功率放大再通过天线向空间辐射。接收雷达回波时，接收天线在时间波门的控制下接收射频回波信号，经滤波、放大、混频、再滤波后得到中频模拟信号，中频模拟信号经过模/数(A/D)采样后得到中频数字信号，再经过数字下变频得到雷达基带数字信号，由雷达波形库提供数字波形副本，经过脉冲压缩和相参处理得到目标的位置信息和速度信息。

图1 线性调频雷达信号处理流程

1.1 线性调频信号波形调制过程分析

随着雷达技术的发展，线性调频信号作为现代雷达最常采用的一种波形，具有时宽脉宽积大、脉冲压缩副瓣小、峰均比小的优良特性，有效解决了探测距离与距离分辨率之间的矛盾。

图1中线性调频信号的数字波形可表示为：

(1)

式中：fs为发射采样率；Np为线性调频信号的数字波形长度。

以fs为发射采样率的DAC对数字波形完成数模转换得到基带模拟波形，表示为：

sL(t)=exp(j2πk(t-t0)2)，t0≤t≤t0+Tp

(2)

线性调频信号的波形时频域如图2所示。

图2 线性调频信号的时频域

图1中基带线性调频信号经过本振1频率为f1、本振2频率为f2、两次混频得到射频模拟信号：

st(t)=exp[j2π(fc(t-t0)+k(t-t0)2)]，

t0≤t≤t0+Tp

(3)

式中：fc=f1+f2，为雷达发射波形的载频。

射频信号经过功率放大后得到功率为Pt的发射信号，通过天线辐射探测目标。

1.2 线性调频回波信号处理过程分析

假设距离R处有一径向速度为v的运动目标，c为电磁波在空气介质中的传播速度，目标散射强度为A，则雷达接收端接收到的回波信号可表示为：

(4)

式中：n(t)为噪声或干扰信号。

将st(t)代入式(4)，可得：

(5)

如图1雷达回波信号处理流程所示，回波信号经过滤波后滤掉带外杂波信号，经过低噪声高频放大器放大后送到混频器进行下变频，得到的回波中频模拟信号可表示为：

(6)

式中：A′为中频模拟信号的幅度，经过低噪声高频放大器放大后A′>APt；n′(t)为噪声或干扰信号n(t)经过滤波器过滤后仍留在带内的噪声信号。

回波中频模拟信号经A/D以fs的采样率进行采样后，又经数字下变频得到回波基带数字信号：

(7)

以发射数字波形作为匹配副本，对回波基带数字信号进行脉冲压缩，线性调频信号脉冲压缩处理结果仿真如图3所示。

图3 线性调频信号的脉冲压缩结果

2 间歇采样转发干扰过程分析

图4 转发干扰信号流程图

间歇采样转发干扰是干扰机在较短的延迟时间内为了解决收发隔离问题而采取的技术方案。在雷达信号的1个脉冲周期内，间歇采样转发式干扰通过交替的接收和发送来完成对雷达的干扰。设敌方雷达脉冲的脉宽为Tp，间歇采样[3]转发旨在只截取小部分的转发脉冲，经调制后迅速转发，以达到时间上对准该脉冲、进而形成有效干扰的目的。设干扰系统的接收延迟为td1，截取宽度为tg，收发切换时间为td3，则第1个干扰脉冲转发延迟为td1+tg+td3=td1+td2，时序图如图5所示。

图5 间歇采样转发干扰时序图

间歇采样转发干扰按照时序控制方式的不同，分为[4]间歇采样直接转发干扰、间歇采样重复转发干扰、间歇采样循环转发干扰。

2.1 间歇采样直接转发干扰

间歇采样直接转发干扰是干扰系统在侦获到敌雷达信号后，对雷达信号进行采样并截取宽度为tg的片段进行存储，存储完毕后经过收发切换的延时再立刻将该片段由ADC转换为干扰模拟信号发出。经过一定的工作延迟tc后，继续对雷达信号进行采样并截取第2个宽度为tg的片段进行存储转发，如此交替进行直至雷达脉冲信号结束。其工作示意如图6所示。

图6 间歇采样直接转发干扰工作示意图

从图6中可以看出，间歇采样直接转发干扰为了满足收发隔离的时序要求，转发脉冲之间至少要满足时长为tg+tc+td2的间隔要求，即当前干扰脉冲发射后必须间隔tc时间才能进行下一次采样，对于时频矛盾极其紧张的转发式干扰而言，这削弱了其工作效能。

2.2 间歇采样重复转发干扰

间歇采样重复转发干扰由干扰系统在侦获到敌雷达信号后，对雷达信号进行采样并截取宽度为tg的片段进行存储，存储完毕后立刻将该片段重复转发作为干扰信号，转发完毕并经过一定的工作延迟tc后继续对雷达信号进行片段存储和重复转发，如此重复直至雷达脉冲信号结束。间歇采样重复转发干扰的工作示意如图7所示。

图7 间歇采样重复转发干扰工作示意图

与直接转发式干扰相比，重复转发干扰通过减少接收频率、重复转发干扰样本的方法提高了转发干扰的时间效率。

2.3 间歇采样循环转发干扰

间歇采样循环转发干扰旨在保持转发干扰时间效率的同时增加干扰样本的更新效率。间歇采样循环转发干扰的第1次转发与直接转发干扰方式一样，干扰系统在侦获到敌雷达信号后，对雷达信号进行采样并截取宽度为tg的片段进行存储，存储完毕后立刻将该片段由数模转换器再转换为干扰模拟信号发出。而第2次转发则是将第2个片段存储在另一个存储区间中完成干扰样本积累，在转发时按照顺序依次转发2个片段。以后的存储和转发过程依照此种模式进行样本积累和转发循环。间歇采样循环转发干扰的工作示意如图8所示。

图8 间歇采样循环转发干扰工作示意图

间歇采样循环转发干扰采用样本积累和转发循环进行的方式，在提高转发时间效率的同时也保持了样本的更新。

Key words: new engineering construction; basis of computer engineering; course system

3 仿真与分析

设目标距离R=12 km，雷达发射功率Pt=400 W，雷达信号脉宽为Tp=25 μs，雷达天线增益Gt=Gr=30 dB，目标的雷达反射截面积σ=10 000 m2，雷达信号载频为fc=9 GHz；转发式干扰机发射功率Pj=550 W，干扰天线增益Gj=0 dB，干扰信号从雷达的主瓣天线进入，干扰信号对雷达天线的极化系数为γj=0.1。根据雷达方程，雷达接收到的目标回波功率可表示为：

(8)

回波经过脉冲压缩处理后的结果如图9所示。

图9 目标回波脉冲压缩结果

雷达接收到的干扰信号功率可表示为：

(9)

由式(8)和式(9)可得，雷达接收到的干扰信号和雷达回波信号的干信功率比可表示为：

(10)

根据以上背景设置可得在目标距离12 km处雷达接收机接收到的信号干信功率比PJ/S=25，干信比=10lgPJ/S=14。在此情况下对3种间歇采样转发式干扰对线性调频雷达的干扰性能进行仿真。

设干扰机的采样延迟为td1=0.5 μs，采样片段tg分别为0.2 μs和1 μs，干扰设备收发切换时间为td3=0.5 μs，匿影时间为5 μs，对以线性调频信号为探测波形的雷达进行间歇采样直接转发干扰性能仿真。

采样片段为0.2 μs时，间歇采样直接转发干扰波形和雷达回波经过脉冲压缩后获得峰值位置为R=12 km的脉冲压缩处理结果如图10(a)所示；采样片段为2 μs时，间歇采样直接转发干扰波形和雷达回波经过脉冲压缩后获得峰值位置为R=12 km的脉冲压缩处理结果，如图10(b)所示。

图10 间歇采样直接转发干扰对线性调频雷达的干扰性能仿真

以干扰信号和回波信号同时存在的情况下脉压后回波信号的幅度为基准进行归一化处理后，分析图9可得出：采样片段小时，干扰信号经过脉冲压缩后的幅度小，形成的密集假目标幅度起伏小并且分布于目标回波前后；采样片段大时，整个脉冲内的干扰时间增加，干扰信号经过脉冲压缩后幅度增大，但是形成的假目标幅度起伏大且滞后于目标回波。

其他条件不变的情况下，间歇采样重复转发干扰和间歇采样循环转发干扰的转发片段长度均设为5 μs，则2种干扰样式对线性调频雷达波形的干扰性能仿真如图11、12所示。图11(a)和(c)分别为转发延迟0.2 μs和2 μs情况下，在干扰信号和回波信号同时存在的情况下，以脉压后回波信号的幅度为基准进行归一化处理，对间歇采样重复转发干扰对线性调频雷达的干扰性能进行仿真。图11(b)和(d)分别为转发延迟0.2 μs和2 μs情况下，在只有回波信号时，以脉压后回波信号的幅度为基准进行归一化处理，对间歇采样重复转发干扰对线性调频雷达的干扰性能进行仿真，图12(a)和(b)分别为转发延迟0.2 μs和2 μs情况下脉压后回波信号的幅度为基准进行归一化处理后间歇采样循环转发干扰对线性调频雷达的干扰性能仿真。

图11 2种转发时延条件下的间歇采样重复转发干扰对线性调频雷达的干扰性能仿真

图12 2种转发时延条件下的间歇采样循环转发干扰对线性调频雷达的干扰性能仿真

分析图11、12可得出：间歇采样重复转发干扰、间歇采样循环转发干扰和间歇采样直接转发干扰一样，采样片段越大，干扰信号经过脉冲压缩后的幅度越大，形成的假目标幅度起伏越大；采样片段越小，干扰信号经过脉冲压缩后的幅度越小，形成的假目标幅度起伏越小。与直接转发干扰不同的是，采样片段越小，这2种干扰信号对雷达的干扰效果越接近噪声压制的干扰效果。同时还能发现，间歇采样循环转发干扰在延时很小的情况下脉压后得到的假目标大部分仍滞后于目标回波。

4 结束语

本文对线性调频雷达的工作原理和间歇采样转发干扰的工作原理进行了剖析，在此基础上着重对间歇采样直接转发干扰、间歇采样重复转发干扰、间歇采样循环转发干扰的干扰性能进行了研究。通过信号级的仿真发现，对以线性调频信号作为探测波形的雷达而言，采样片段越小，间歇采样转发干扰形成的假目标越密集且幅度起伏越小，当干信比足够大时，都可以对雷达实现压制干扰，其中间歇采样直接转发干扰所需的干信比最大。对于间歇采样直接转发干扰和间歇采样重复转发干扰，当采样片段足够小时，干扰信号经过脉压后得到的密集假目标可以部分超前于目标回波，从而使目标回波淹没在干扰信号中，破坏雷达对目标的跟踪，实现自卫干扰。