一種新的空空雷達主動制導導彈抗速度波門拖引干擾方法

李小龍， 王 星， 李 彬， 程嗣怡

(空軍工程大學工程學院，西安 710038)

0 引言

電子戰是現代空戰不可缺少的作戰樣式。隨著復合制導體制的發展，在未來空戰中，具有全天候、全方位、全高度作戰性能的空空雷達主動制導導彈將扮演越來越重要的角色，而該類型導彈的出現也推動了干擾技術的革新。因此，如何提高空空雷達主動制導導彈的抗干擾能力是有效發揮其作戰性能的前提［1］。

在空空雷達主動制導導彈面臨的干擾環境中，速度欺騙干擾技術比較成熟，是目前需要著力對付的一種干擾樣式。速度欺騙干擾的主要方式有:速度波門拖引干擾，假多普勒頻率干擾、多普勒頻率閃爍干擾和多普勒頻率噪聲干擾。其中，速度波門拖引干擾是最常見的欺騙干擾技術［2］。

在速度波門拖引干擾中，干擾信號的多普勒頻率相對于回波多普勒頻移fd逐漸增大或逐漸減小。由于干擾幅度大于回波信號，導引頭的速度跟蹤電路將隨干擾的多普勒頻率移動而逐漸被脫離目標，最終造成目標丟失。對于頻率隨時間變化的接收信號，傳統的一維濾波算法很難將回波和干擾分離開。

經驗模態分解方法(EMD)是由美籍華人Huang N E等人提出的一種時頻分析方法［3］。該方法將信號分解成不同頻率成分，即固有模式函數(IMF)。高頻的IMF分量一般為隨機噪聲，低頻的IMF分量一般為原始信號。通過選擇部分IMF進行信號重構，可以較好地去除高頻噪聲。

本文根據速度波門拖引干擾回波信號模型，采用EMD方法對回波信號進行分解。然后去掉高頻分量，將余下的低頻分量進行重構。仿真結果表明，該方法具有抑制速度波門拖引干擾的能力。

1 速度波門拖引干擾原理

1.1 導引頭速度跟蹤模型

速度跟蹤的基本原理是跟蹤目標的多普勒頻率［4］。導彈與目標間存在接近速度所引起的多普勒效應，使得導引頭所接收到的目標反射回波信號的頻率與導引頭發射信號的頻率之間，產生一個多普勒頻移，此頻移與接近速度成正比。導引頭速度跟蹤回路就是通過對此多普勒頻移的跟蹤實現對彈－目接近速度的跟蹤與測量。原理如圖1所示。

圖1 速度跟蹤原理Fig.1 Principle of velocity tracking

彈載計算機根據速度估值控制VCO產生的多普勒頻率fd1并通過發射機調制，由天線輻射出去，由于目標存在真實速度，接收信號經混頻處理后形成頻差fd1－fd2，鑒頻器輸出頻差信號到彈載計算機，由計算機調整fd1，如此循環，使頻差fd1－fd2趨于零，從而完成對目標的速度跟蹤。

1.2 速度波門拖引干擾機理

根據導引頭速度跟蹤原理，干擾機實施速度拖引時，首先轉發與目標回波具有相同多普勒頻率fd的干擾信號，且能量大于目標回波能量，使導引頭速度跟蹤電路捕獲干擾信號，然后使干擾信號多普勒頻率增大或減小，逐漸脫離目標回波多普勒頻率，由于干擾能量大于回波，使得速度跟蹤回路跟蹤在干擾信號的多普勒頻率上［5］。一定時間后，關閉干擾機，導引頭跟蹤系統由于信號消失，將被迫重新轉入搜索狀態。

速度波門拖引干擾的典型時序如圖2所示。

圖2 速度波門拖引時序Fig.2 Time series for velocity deception jamming

干擾信號多普勒頻率fdj的變化過程為

整個干擾過程可以分為3個階段:停拖期、拖引期、關閉期。0～t1時間段為停拖期，干擾信號具有與目標回波相同的多普勒頻率fd，且幅度大于目標回波，導引頭末制導雷達AGC電路將根據干擾信號能量控制接收機增益，逐漸轉到鎖定干擾信號。t1～t2時間段為拖引期，干擾信號頻率逐漸增大或減小，其變化速度不大于導引頭最大識別速度。此時，跟蹤電路將隨干擾的多普勒頻率移動，逐漸被拖離目標。t2～Tr時間段為停拖期，停止發射干擾信號，此時速度跟蹤波門內既無干擾又無目標回波，導引頭將重新轉入搜索狀態。當再次捕獲目標時，開始新的拖引過程，周而復始，一次次地將速度跟蹤波門拖離目標信號，使導引頭找不到真信號。

2 經驗模式分解原理(EMD)

Huang N E于1994年提出的EMD方法實質是對一個信號進行平穩化處理，即將信號中不同尺度的信號逐級分解，產生一系列具有不同特征尺度的數據序列［6］。通常，EMD方法分解出來的后幾個IMF分量集中了原信號中主要的信息［7］，因此該部分分量一般為原始信號的趨勢或均值，對混有隨機噪聲的信號，經分解后的高頻IMF分量通常為信號的噪聲。因此，EMD分解方法可以有效地進行濾波，提取原信號的趨勢項。

IMF信號一般需要滿足兩個條件:1)從全局特性上看，極值點數必須和過零點數一致或者至多相差一個;2)在某一個局部點，極大值包絡和極小值包絡的算術平均值是零，即兩條包絡線關于t軸對稱。在實際應用中只需判斷待分析信號是否滿足IMF信號條件即可［8］。設時間序列信號為x(t)，其上、下包絡線分別為υ1(t)和υ2(t)。EMD分解的具體算法如下［9］:

1)找出原始信號x(t)的局部極大值集和局部極小值集，然后用三次樣條線將所有的局部極大值點連接起來形成上包絡線υ1(t)，用三次樣條線將所有的局部極小值點連接起來形成下包絡υ2(t)［7］;

3)判斷h1(t)是否滿足IMF條件，若不滿足，則將h1(t)作為新信號，重復以上兩步，直到h1(t)滿足IMF條件，記作c1(t)=h1(t)，c1(t)即為第一階 IMF，代表原始信號的最高頻分量，把c1(t)分離出來，記r1(t)=x(t)－c1(t);

4)對r1(t)作為原始信號，重復以上3步，直到rn(t)變成單調函數時，EMD分解結束。

應用EMD算法對正弦信號加高斯白噪聲進行處理，其效果如圖3所示。

圖3 加噪信號和EMD處理后的信號波形Fig.3 Waveform of signal with noise and the signal after EMD processing

由圖3可看出，分解過程可理解為對信號自適應濾波過程。

3 抗速度波門拖引干擾方法

在速度波門拖引干擾中，當跟蹤通道捕獲干擾信號后，每接收一個照射脈沖，干擾信號頻率就從目標多普勒頻率值開始變化，從而使速度跟蹤波門隨著干擾信號移動而逐漸遠離真實目標回波，達到干擾的目的［10］。對于夾雜干擾的回波信號，當分析頻譜時，很難識別出真實多普勒頻移，采用本文的EMD分解將初始頻率值和頻率增加量分離，再進行頻譜分析，由多普勒濾波器截獲目標多普勒頻移，進而達到跟蹤的目的。

設導引頭發射信號為

則理想狀態下，回波信號為

式中:fd為多普勒頻移。

干擾信號可表示為

式中:A為干擾信號轉發放大幅度;fdj為上文所述干擾信號多普勒頻率。則，導引頭接收信號為

分析可知，接收信號為線性調頻形式，根據EMD原理，具體處理方法如下:

1)對夾雜波門拖引干擾的多普勒回波信號sr(t)進行EMD分解，得到n個IMF分量;

2)選取后幾個IMF分量進行重構，得到消除干擾后的回波信號;

3)完成重構后，當下個波門拖引干擾信號來臨時，即可達到消除此類欺騙干擾的目的。

4 仿真與分析

選取一個脈沖周期進行考慮，采用典型空戰參數，假設相對運動的兩架戰斗機，飛行速度均為800 m/s，機載雷達工作波長2 cm，則多普勒頻率為1.6×105Hz。采樣點數1024，波門拖引干擾調頻系數10 GHz/s，干信比為20 dB。

采用EMD對回波信號進行分解重構，仿真結果如圖4～圖5所示。

圖4 被干擾的回波信號及其頻譜Fig.4 The jammed echo signal and its spectrum

圖5 消除干擾后的回波信號及其頻譜Fig.5 The denoised echo signal and its spectrum

圖4 為被波門拖引干擾的回波信號，由圖可以看出干擾能量較強，干擾頻譜較寬，目標多普勒頻譜淹沒在干擾中難以檢測跟蹤。

圖5為采用文中方法處理后的信號，由于采用EMD分解將回波信號劃分為低頻分量和高頻分量，重構時，忽略前幾項高頻分量，由圖可以看出干擾基本被抑制掉。當然伴隨著處理過程，回波信號有一定的失真，說明高頻分量中也含有部分信號信息，更好的改進方法是對高頻分量進行閾值濾波處理，但是這并不影響抗干擾的整體效果。

5 結論

未來空戰電磁環境的復雜性要求空空雷達主動制導導彈必須具有較強的抗干擾能力。本文針對常用的速度波門拖引干擾，提出了基于EMD分解的抗干擾方法，通過對回波信號分解、重構，較好地抑制了拖引干擾。仿真結果證明該方法是可行的。

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