低频机载雷达受无意干扰分析及抑制研究

霍恩来

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

顾名思义,雷达干扰是对雷达系统工作进行干扰的一种技术措施,其根据干扰来源可分为有意干扰和无意干扰,一般把敌方作战序列对我方雷达主动实施的干扰认为是有意干扰,而大自然中存在电磁信号或者民用通信等设备产生的电磁信号被认为是无意干扰[1]。而随着军事科技的发展,F22、F35战机具备很强的隐身能力,在未来的作战中,我方预警系统需要具备对这类目标的反隐身探测能力,通过大量研究表明隐身飞机在P波段电磁波下,雷达RCS更加可观,携带P频段雷达的预警机在反隐身性能上更具优势。然而,P波段范围内存在十分可观的民用信号,包括广播、电视、通信等多种复杂信号,在雷达工作带宽较窄的情况下,很难避开无意信号的频段,从而使干扰信号很容易从雷达主瓣进入,对雷达系统造成严重影响。所以,如何在不影响雷达检测性能的前提下对无意干扰进行识别和剔除,成为机载预警雷达信号处理中迫切需要解决的问题。无意干扰主要包括异步短脉冲式干扰和窄带连续波干扰,下面主要针对雷达受窄带连续波干扰下雷达监测特性的变化进行分析,并给出针对性的抗干扰措施[2]。

1 窄带连续波干扰建模

窄带连续波干扰是雷达面临的无意干扰中最常见的一种干扰形式,具有下面两大特征:一是信号功率高,无意干扰辐射源主要为地面广播、通讯系统,这些系统大多为连续工作态,且功率较大,往往超高目标回波和噪声;二是频率较为固定,民用射频信号大都工作在固定的频带范围,不具备快速跳频的能力[3]。

窄带连续波干扰信号可以通过一个载频叠加调试信号表示,即

I(t)=A(t)e-j2πfct

(1)

其中,A(t)为干扰信号的调试函数,fc为干扰信号的载频。而干扰信号会落在雷达接收机带宽内,如雷达信号中心频率为500MHz,带宽为5MHz,干扰信号的频率只有在497.5MHz～502.5MHz范围内,才能进入雷达接收机。此时雷达的回波信号为

(2)

其中:s(t)为雷达目标信号;L表示干扰个数;Il(t)ejφl表示第l个干扰信号;n(t)表示噪声信号[4-5]。

假设一个脉组内有M个脉冲,脉冲重复间隔内进行了R次距离采样,则第r个距离采样接收到的回波信号为

xr=[xr,1…xr,m…xr,M]

(3)

其中,xr,m为第r距离门第m个脉冲的回波数据。

2 雷达受干扰分析

仿真中,雷达的信号带宽为2.5MHz,脉冲重复频率为1000Hz,目标的多普勒带宽为1300Hz,脉冲个数为128,脉宽为100μs,采样频率为3MHz。

首先,在不加入干扰的情况下,仿真雷达信号的时域信号,时域频谱,脉压结果以及距离频率二维频谱,图1(a)为未受干扰情况下雷达信号时域图,噪声水平为-40dB;图1(b)为时域信号的频谱图,可以看出其在2.5MHz频带内较为光滑,且重合度较高;图1(c)为目标的脉压结果;图1(d)为距离-多普勒二维频谱图,在频谱图中可以轻松地检测出目标的距离和速度信息。

图1 未受到干扰情况下雷达目标信号仿真图

保持上述仿真参数不变,加入3个窄带连续波干扰信号,其与雷达信号中心频率的频偏分别为0.2MHz、0.5MHz、-0.5MHz,叠加的固定多普勒偏移分别为1010Hz、1260Hz、1300Hz,对受干扰情况下的时域信号,时域频谱,脉压结果以及距离频率二维频谱进行了仿真分析,图2(a)为受干扰情况下雷达信号时域图,噪声水平为0dB,相比未受干扰的-40dB抬高40dB;图2(b)为受干扰下时域信号的频谱图,可以看出其在2.5MHz频带内有三个较为明显的干扰尖峰,且整个噪低抬高;图2(c)目标的脉压结果二维图,显然,已经很难从脉压结果中检测到目标;图2(d)为受干扰条件下的距离-多普勒二维频谱图,在频谱图中可以看到,目标被干扰引起的条带状覆盖,目标也无法得到检测。

图2 受到干扰情况下雷达目标信号仿真图

综上所述,雷达在受到窄带连续波干扰下,雷达噪底会明显抬高,严重影响雷达威力。另外其横跨所有距离单元的条带状信号会把目标信号淹没,使得落在其附近的目标无法得到检测,雷达性能大打折扣。

3 干扰抑制方法

窄带干扰抑制技术,需要综合考虑算法的复杂度、实时性、干扰抑制能力以及对信号的损失等因素,本文考虑实际工程应用的可行性,采用频域零限法对干扰进行剔除。

本方法无需获取干扰的精确模型,直接对回波数据进行处理就可以检测出干扰频谱分量,针对较强窄带干扰信号可准确的识别并通过检测门限对其置零,然后作平滑处理,进而达到抑制干扰的目的,且降低信号损失。具体操作步骤如下:

1)步骤1:针对雷达回波数据,首先判断是否存在干扰,将雷达数据快时间维做傅里叶变换,转换到距离频率-脉冲维,然后对一定脉冲数量的数据进行脉冲维求和,得到距离频率-脉冲维的多通道积累结果,从结果可以看出是否有突起明显的尖峰,如果有,说明存在窄带连续波干扰。

2)步骤2:设置一定的门限,对其干扰频率进行检测,基于检测结果设计如下零限滤波器。

(4)

其中:J为检测出的干扰个数;fj为第j个干扰对应的频率;Bj为第j个干扰的带宽。

3)步骤3:对步骤1)生成的距离频率-脉冲维数据进行零限滤波处理,然后用零限附近数据对置零数据进行平滑处理。

4)步骤4:对零限滤波处理后的数据在快时间维做逆傅里叶变换转换到距离-脉冲维度。

5)步骤5:按照传统PD雷达处理步骤进行脉压、频域滤波处理,实现目标检测。

4 仿真

仿真中,雷达信号带宽为2.5MHz,重复频率为1000Hz,目标多普勒带宽为1300Hz,脉冲个数为128,脉宽为100μs,采样频率为3MHz,加入3个窄带连续波干扰信号,其与雷达信号中心频率的频偏分别为0.2MHz、0.5MHz、-0.5MHz。

图3为雷达回波信号转到距离频率-脉冲维;然后选取60～80脉冲门的数据求和,得到图4所示的距离频率-脉冲积累幅度图;通过脉冲维积累图可以产生一个干扰零限滤波器,如图5所示;图3的距离频率-脉冲维数据通过干扰零限滤波器处理后得到图6所示的距离频率-脉冲图;图7为平滑处理后的距离频率-脉冲图;图8为滤波后信号的时间维频谱,可以看出干扰信号已经被滤除;然后对其转到时域,并按照PD雷达传统处理步骤进行脉压和频域滤波处理,图9为一维和二维脉压结果,显然,目标可从脉压结果中得出;对其进行频域滤波处理,得到图10所示的距离-多普勒二维图,从中可较为容易地检测到目标信息。

图3 距离频率-脉冲图

图4 脉冲维多通道积累

图5 滤波窗

图6 通过滤波窗零限处理后的距离频率-脉冲图

图7 均值平滑后的距离频率-脉冲图

图8 滤波后信号的时间维频谱

图10 滤波后的距离-多普勒及幅度图

5 结束语

无意的窄带连续波干扰对雷达系统性能影响较为严重,通过距离频谱维抗干扰零限滤波处理后,虽然信噪比较无干扰情况下有所损失,但是大大提高了目标检测性能,可有效实现对窄带连续波干扰的抑制,且方法简单。在实际工程中,当跳频无法避开窄带连续波时,通过应用此方法可提高信噪比,虽然相比无干扰情况下雷达威力有所降低,但是可有效提高信干噪比,且易于工程实现。