對脈沖壓縮雷達的偵收、識別與干擾

吳 揚，司 毅，馬 力

（1.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州225001；2.海軍駐揚州723所軍事代表室，揚州225001）

0 引 言

在現代電子戰中，電磁信號環境變得越來越復雜，新體制雷達不斷涌現，其抗干擾能力不斷完善，這對當代雷達對抗系統內雷達偵察設備的信號接收、分選、識別及有源干擾設備對其實施有效干擾提出了新的挑戰。脈沖壓縮雷達就是在21世紀初發展起來的一種新型雷達設備。其具有多個優點：脈沖壓縮雷達采用寬脈沖發射以提高發射機的平均功率，保證足夠大的作用距離；而接收時采用相應的脈沖壓縮算法，獲得窄脈沖，以提高距離分辨率，較好地解決了雷達作用距離和距離分辨率之間的矛盾；同時寬脈沖的應用可使雷達帶寬擴展，使脈內載波信號的頻率、相位調制變得十分容易，而且使雷達多普勒系統的分辨率得到提高；由于脈沖壓縮是雷達內部對已知的發射信號回波做相關處理，故具有較強的抗干擾性［1］；尤其是大時寬帶寬積的脈沖壓縮雷達信號使得在搜索與引導雷達的發射機設計中應用固態功率器件成為可能。

對當今雷達對抗系統內的雷達偵察設備而言，其信號處理分機僅僅依據偵收到的雷達脈沖的載頻、到達時間、到達角度和脈寬等雷達信號的外部特征已無法快速、準確地完成對包括脈沖壓縮雷達在內的低截獲概率雷達信號的分選和識別。基于雷達信號脈內細微特征的提取、分析、識別技術已成為當代雷達偵察設備必不可少的重要組成部分。而采用脈沖壓縮體制的雷達利用其收、發雷達波形的相干性來實現相干積累，顯著降低了傳統雷達對抗系統有源干擾設備對其所采用的壓制或欺騙干擾效果，因此采用相干干擾技術也已成為現代有源干擾設備設計的必然方向。

圖1 脈沖壓縮雷達系統組成方框圖

1 脈沖壓縮雷達技術概述

1.1 脈沖壓縮雷達的組成

脈沖壓縮雷達系統組成見圖1。

由圖1可見脈沖壓縮雷達系統與其它體制雷達的最大區別，是在主振放大鏈發射機中多了一個脈沖壓縮波形產生器，在雷達接收機中多了一個脈沖壓縮處理器，其它部分則與一般雷達相同。

1.2 脈沖壓縮雷達信號波形調制形式及其優缺點

脈沖壓縮雷達的設計包括脈沖壓縮信號的設計、信號的產生和處理這3個方面的內容。目前常用的脈壓信號有線性調制信號和非線性調制信號。典型的線性調制脈壓信號是線性調頻信號，而典型的非線性調制信號有非線性調頻信號和相位編碼信號2類。不同脈沖壓縮信號的系統性能各不相同，而與之相應的處理設備和技術復雜程度也不一樣。

線性調頻信號最容易產生，壓縮脈沖的形狀和信噪比對多普勒頻移不敏感，因而很受歡迎。但它也存在缺點：一是目標測量與其回波信號的多普勒頻移相關；二是為降低脈沖壓縮后回波的時間副瓣電平，需在時間域和頻率域上進行加權處理，從而會引起1～2dB的信噪比損失，同時會導致其距離分辨率也有所下降。非線性調頻信號通過信號設計可以達到特定的距離副瓣電平，無需做加權處理，故無信噪比損失，但當回波信號受到多普勒頻率調制時，信噪比會迅速下降，同時因其系統設計較為復雜，現在其實際應用還較少。

相位編碼信號將寬脈沖分為許多短的子脈沖。這些子脈沖寬度相等，但各以特殊的相位發射，以實現極低的距離副瓣。由于這類信號的相位是離散狀態，它的產生和處理與調頻信號相比要簡單得多，也更適合用數字方式處理［2］。常用的有二相編碼信號和四相編碼信號這2種。二相編碼信號的相位編碼多采用長度為7位或13位的Barker碼；四相編碼信號的相位編碼多采用長度為13位的Frank碼。雖然相位編碼信號有以上優點，但其在受多普勒頻率調制時，時間副瓣會增加，信噪比會迅速下降。

2 對脈沖壓縮雷達信號的偵收、分選與識別

脈沖壓縮雷達具有大時寬帶寬的特點，且隨著計算機軟硬件技術的飛速發展，對其脈內載頻參數、相位參數進行調制已經不再是難題，而且調制形式不斷變化，愈加復雜。近年來在雷達對抗系統內雷達偵察設備信號處理領域圍繞對脈沖壓縮雷達等低截獲概率雷達信號的分選識別提出了不少雷達信號脈內細微特征分析、提取、識別的方法，同時高保真地接收處理雷達信號的數字化接收機也應運而生。

2.1 雷達信號脈內細微特征分析、提取、識別技術概述

脈內細微特征分析、提取、識別技術的重點在于從已偵收到的雷達信號中提取包含脈沖包絡在內的脈內頻率調制和相位調制等信息。目前脈內細微特征提取方法有很多，主要有時域自相關法、時域倒頻譜法、時序倒頻譜法、譜相關法、調制域分析法、數字中頻處理法、時頻分析法和新近正在研究的神經網絡分析法與小波－神經網絡分析法等。

時域自相關法是利用求取信號的自相關函數Rs（t，t1）提取信號的細微特征的。對于脈內不同調制信號，其自相關函數也不同，據此可達到識別信號的目的。這種方法具有實時性強、頻帶寬、原理簡單和易于工程實現等優點，但其只能提取少數脈內調制特征，如線性調頻和二相編碼等，而對多相編碼以及脈內附帶調制等復雜信號特征的提取相當困難。

時域倒頻譜法是針對時域卷積型信號的一種處理方法，倒頻譜法首先將時域卷積信號做快速傅里葉變換（FFT），求出頻譜（功率譜），將時域卷積轉化為頻域相乘，然后取對數，變成相加，最后取逆FFT，再變換到時域。

時序倒頻譜法引入了時間序列自回歸（AR）模型，以避免傳統倒頻譜的模糊現象。這種方法運算量大，難以做到實時處理。

譜相關法是利用信號頻域的二階統計特性，分析信號頻率和相位調制特征，可使功率譜相近的信號區別開來，同時由于平穩噪聲和干擾在非零周期頻率處的譜相關函數恒等于零，使得分析可以擺脫噪聲和干擾的影響。

調制域分析法以相位進程計數為基礎，通過精確識別和記錄輸入信號每個零點的發生時間來分析信號相位隨時間變化的規律，直觀反映信號的調制信息，可提取各種復雜的脈內細微特征，且具有分析脈內附帶調制特征能力，是信號分析的重要方法，但易受噪聲影響，工程實現難度大。

數字中頻處理法是將射頻信號下變頻至中頻，用高速模／數（A／D）變換器對保持全部相位和幅度信息的中頻信號進行高保真采樣，采樣后采用多種數字信號處理方法，如頻域分析、幅度和相位提取以及時頻分析相結合的綜合方法，從時域、頻域、時頻域進行綜合提取分析，以充分利用脈壓雷達信號全部信息，其中時頻分析是研究重點。目前該方法已廣泛應用。

時頻分析法是近年來提出的一種新的信號分析法，克服了傳統的短時傅里葉分析的不足，在分析非平穩信號時可同時獲得良好的時、頻分辨率，而且信號的時頻分布直觀地反映出信號功率（幅度）、頻率（相位變化）與時間三者之間的分布關系。基于該方法的參數提取技術，在雷達信號細微特征分析中有很好的應用前景。

神經網絡分析法是新近提出的一種新的雷達信號分析法，典型的有基于徑向基概率神經網絡的雷達信號識別法，它綜合了徑向基函數神經網絡（RBFNN）具有的結構簡單、學習速度快的優點和概率神經網絡（PNN）在樣本數據足夠多時可逼近貝葉斯分類器而獲得最佳分類器分類性能等優點，可以靈活、快速和高效地識別各種復雜體制雷達，尤其對參數不全、參數畸變的雷達信號，其識別率和識別置信度也都是很高的。

小波－神經網絡分析法也是新近提出的一種新的雷達信號分析法。它利用小波包可對信號進行多維多分辨率分析的特點，對雷達信號進行信號特征提取，然后將各種雷達的信號特征作為ART2神經網絡的訓練樣本，對其進行雷達信號類型的識別。小波－神經網絡分析法雷達信號識別流程如圖2所示。

圖2 小波－神經網絡分析法雷達信號識別流程

小波包與神經網絡相結合，可實現雷達指紋識別的人工智能化。這不僅可靈活、快速和高效地識別各種復雜體制雷達，識別率高，而且對未知的雷達信號具有學習功能。

時頻分析法、神經網絡分析法以及小波－神經網絡分析法都立足于數字化接收機，已都在當代雷達偵察設備中實現應用。

2.2 數字化接收機的設計應用

隨著脈沖壓縮雷達脈內頻率、相位調制日益復雜，若雷達偵察設備采用模擬接收機，將會造成偵收信號脈內信息的丟失，致使后面的信號處理部分不能對其完成準確的測量、分選和識別。而數字化接收機在采樣過程中能保留下信號的全部信息，使其對脈壓雷達進行有效偵收。

據外媒報道，英國泰利斯公司已研制出從接收前端到后端均全數字化、全頻譜，不需濾波器，直接在天線處將射頻信號數字化，然后利用軟件和固件算法完成對所接收雷達信號的分選、識別、告警、顯示處理。以色列艾利斯萊電子戰公司已研制出第3代數字接收機，采用全數字結構，在盡可能靠近天線的地方進行模數轉換，其采樣速率高達1.5GHz。該接收機的頻率分辨率為2MHz，靈敏度為－65dBm，動態范圍大于60dB，能提供百分之百的探測概率和極高的精度，并能在100ns時間內非模糊地識別威脅，具有很高的效費比。而美國海軍水面艦艇電子戰改進項目SENIP BLOCK2也為廣泛列裝在美海軍艦艇上的SLQ－32系列引入了新型數字接收機技術，并由洛克希德馬丁公司于2009年開始經過方案設計、評審、生產、鑒定各階段，近兩年來已陸續進入安裝、調試、檢測、使用階段。

在數字化接收機內，其關鍵器件模數轉換器（ADC）的采樣速率決定了接收機的輸入帶寬和動態范圍。其面臨的工作頻率范圍一般都要求在0.5～40GHz范圍內，而直接要作出反應的威脅頻率也寬達2～18GHz。若以ADC器件采樣速率（fs）為1GHz，根據奈奎斯特采樣定理，則接收機最大瞬時帶寬就限在500MHz（fs／2）左右。因此在數字接收機的實際設計中，對于其前端可以采取與傳統接收機相結合的方法，其中瞬時測頻、超外差及信道化體制都可應用。

3 對脈沖壓縮雷達的有源干擾

脈沖壓縮雷達利用雷達波形的相干性來實現相干積累。相干波形可以顯著降低電子干擾的壓制或者欺騙效果，因而現代雷達對抗系統的電子干擾設備必須采用相干干擾技術來抵消雷達的相干處理得益。隨著高速數字電路與信號處理技術在電子戰領域的廣泛應用，數字射頻存儲器（DRFM）、直接數字合成器（DDS）等技術成為對抗包括脈沖壓縮雷達在內的相干雷達的重要手段。究其原理，基于DRFM或DDS的相干轉發干擾在數學上其實就是對雷達信號進行不失真數字采樣、經過一定處理后再恢復為模擬信號的過程［3］。為了保持信號的相干性，要求干擾機對雷達信號的采樣頻率必須滿足奈奎斯特采樣定律。另一方面，在工程實現上，一般需要干擾機采用收發隔離的2個天線同時工作，以期盡快地把轉發干擾信號輻射出去［4］。

3.1 數字射頻存儲器

數字射頻存儲器（DRFM）是用于支持電子對抗措施的一項重要研發成果，它能對接收到的復雜波形進行快速分析并生成對抗波形。DRFM能將干擾系統對抗復雜波形的有效性提升多個dB。其原理框圖如圖3所示，DRFM將接收到的信號下變頻成合適的中頻（IF），進行數字化轉換，隨后將IF信號的帶寬數字化；數字化后的信號存儲在一個存儲器中以待發送至計算機；計算機對信號進行必要的分析和調整，以支持所采用的干擾技術；接著調整后的數字信號轉換回模擬射頻（RF）。變頻器接收到的頻率所采用的本振（LO）與最初變頻所采用的相同。只采用一個LO是為了保持下變頻和上變頻過程中信號相位相關。DRFM將接收到的信號數字化，發送至計算機進行調整，重新生成相關的調整信號，再重新發送。

圖3 數字射頻存儲器原理圖

DRFM的關鍵單元是模數轉換器（ADC），對其數字化的頻段，ADC必須支持2.5個采樣／Hz的數字化采樣率，且必須輸出同向正交（I＆Q）數字信號。如圖3所示，I＆Q數字化對已數字化的RF信號進行2次／Hz采樣，相位差為90°，這樣就捕獲了數字信號的相位。值得注意的是2.5個采樣／Hz大于數字接收機所需的2個采樣／Hz的奈奎斯特采樣定律，需要這種過采樣是因為要重建信號。

DRFM有寬帶和窄帶之分，寬帶DRFM對一個可能包含多個信號的寬帶IF頻段進行數字化，干擾機系統在其必須干擾的威脅信號的頻率范圍內進行調諧，并輸出帶寬能被DRFM處理的IF信號；窄帶DRFM的帶寬只要能捕獲干擾機必須處理的最寬信號就足夠了，這意味著窄帶DRFM使用一個現代化ADC就能工作了。

DRFM在對抗脈沖壓縮雷達方面特別有價值。線性FM技術在每個發射脈沖上附加了線性頻率調制（FM）處理。在雷達接收機端，壓縮濾波器降低了有效脈寬，壓縮率等同于FM掃描范圍與雷達相干帶寬之比。如果干擾機生成的信號不具備這種FM，有效干信比會以壓縮因子的倍數而減小。DRFM通過生成線性FM干擾脈沖來保持充分的干信比。巴克碼脈壓技術對每個編碼的脈沖進行二進制相移鍵控FM。DRFM能生成具有正確巴克碼的干擾脈沖，保持充分的干信比。

3.2 對脈沖壓縮雷達的幾種常見干擾方式

脈沖壓縮雷達利用雷達波形的相干性來實現相干積累。相干波形可以顯著降低電子干擾的壓制或者欺騙效果，從而迫使現代的電子干擾設備必須采用相干干擾技術來抵消雷達的相干處理得益。據國內外資料報導介紹，針對脈沖壓縮雷達信號波形的不同調制形式常有下列干擾方式：

（1）對線性調頻脈沖壓縮雷達有鋸齒波調頻干擾［5］、間歇采樣轉發干擾、正弦加權調頻干擾［6］、間歇采樣正弦調頻干擾、移頻干擾、卷積干擾、移頻＋卷積相結合的干擾［7］，規則方波和隨機方波調制干擾、前沿循環復制干擾、前沿循環復制后再進行隨機方波調制干擾等。

（2）對相位編碼脈沖壓縮雷達有間歇采樣轉發干擾，而其中又有直接轉發和重復轉發之分。對間歇采樣重復轉發干擾在實際干擾效果上，它能形成類似群目標干擾，盡管這樣會帶來更高的功率要求，但在很多場合，這種干擾方式仍然有一定的應用價值。目前對此方式進一步的研究方向就是利用脈壓雷達相位編碼的特點，通過間歇采樣、預測編碼然后轉發以達到更佳的匹配效果。

4 結束語

以上結合工作和日常學習，綜述了脈沖壓縮雷達及其現代電子對抗裝備對其偵收、分選、識別、干擾的有關技術，以與同行們進一步交流與探討，推動現代電子對抗裝備總體設計的發展。

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