一種抗重頻分選的反偵察方法

徐梁昊，姜秋喜，潘繼飛，王　魁

(電子工程學(xué)院　a.電子工程學(xué)院; b.信息處理實驗室，合肥　230037)

一種抗重頻分選的反偵察方法

徐梁昊a，b，姜秋喜a，b，潘繼飛a，b，王魁a，b

(電子工程學(xué)院a.電子工程學(xué)院;b.信息處理實驗室，合肥230037)

摘要:為了有效反電子戰(zhàn)偵察對雷達(dá)信號的分選識別，從主動反偵察角度出發(fā)，分析了CDIF、PRI變換信號分選方法的特點，論證了抗重頻分選的可行性，提出了利用一定規(guī)則設(shè)計的重頻組合干擾脈沖擾亂雷達(dá)脈沖間存在的規(guī)律性，破壞分選算法對雷達(dá)信號的統(tǒng)計屬性；實驗表明：隨機(jī)加入干擾脈沖很難奏效，干擾脈沖需要按照一定規(guī)則設(shè)計，才能有效實現(xiàn)抗重頻分選，達(dá)到反偵察效果。

關(guān)鍵詞：脈沖重復(fù)周期；抗分選；CDIF；PRI變換法

雷達(dá)對抗偵察的具體任務(wù)是實現(xiàn)對雷達(dá)信號的截獲、測量、分選、判明雷達(dá)屬性、工作狀態(tài)等，分析得出與之相關(guān)聯(lián)的武器系統(tǒng)屬性與工作狀態(tài)等情報，從而采取相應(yīng)的對抗措施[1]。為了使雷達(dá)免遭反輻射攻擊和電子干擾，開展雷達(dá)反偵察的研究具有十分重要的軍事意義。雷達(dá)反偵察技術(shù)研究一直是近幾年雷達(dá)對抗領(lǐng)域的熱點問題，目前基于低截獲概率技術(shù)研究[2-4]和基于信號參數(shù)測量的反偵察方法[5-7]研究較多，而基于偵察系統(tǒng)信號分選的反偵察研究相對較少。信號分選是雷達(dá)對抗偵察信號處理中的一個重要環(huán)節(jié)，它是準(zhǔn)確識別雷達(dá)輻射源的前提。由于傳統(tǒng)雷達(dá)信號重頻變化會影響改善因子，一般都采用一個或若干個固定的重頻，這樣很容易被分選出來。本文受“進(jìn)攻性電子反對抗[8]”思想啟發(fā)，研究利用干擾脈沖破壞雷達(dá)對抗偵察系統(tǒng)中重頻分選識別，達(dá)到抗分選反偵察的效果。

1信號分選方法分析

雷達(dá)信號分選的實質(zhì)是從偵察系統(tǒng)截獲和參數(shù)測量得到的雷達(dá)脈沖描述字中分離出屬于各部雷達(dá)的脈沖序列，形成雷達(dá)描述字以便對雷達(dá)進(jìn)行相應(yīng)的戰(zhàn)技術(shù)性能分析[1]。傳統(tǒng)的雷達(dá)脈沖描述字一般由到達(dá)方向(DOA)、載頻(RF)、脈寬(PW)、脈幅(PA)以及到達(dá)時間(TOA)5個參數(shù)組成，典型的信號分選模型如圖1所示。

圖1　典型的信號分選模型

到達(dá)方向反應(yīng)的是雷達(dá)與偵察設(shè)備的空間方位，是一個十分可靠的分選參數(shù)，對于某些參數(shù)變化特別復(fù)雜的脈沖串，利用到達(dá)方向可進(jìn)行有效分選。雷達(dá)為了抗干擾與解模糊，需對信號頻率進(jìn)行某些特定的調(diào)制，但信號頻率在特定的調(diào)制方式下，仍會表現(xiàn)出相應(yīng)的聚斂性，因此載頻可作為信號分選的一個重要參數(shù)。由于元器件、多徑效應(yīng)等因素的影響，使得偵察設(shè)備對脈寬、脈幅的測量存在較大的誤差，通常將這兩個參數(shù)作為輔助分選參數(shù)。脈沖的重復(fù)周期與雷達(dá)工作體制和性能有著密切關(guān)系，基于TOA的重頻分選是分選的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，提出了許多新的信號分選算法，比如平面變換技術(shù)、聚類算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、獨立分量分析(ICA)等，這些算法較為復(fù)雜，多停留在理論研究階段并且不利于實時處理，實現(xiàn)起來也較為困難。直方圖法、PRI變換法處理速度較快，實現(xiàn)較為容易，是目前應(yīng)用較為廣泛的重頻分選方法。

直方圖法和PRI變換法均是對各脈沖到達(dá)時間差出現(xiàn)的頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，只是PRI變換法將差值變換到譜上，統(tǒng)計譜值的大小。當(dāng)某一到達(dá)時間差值的頻數(shù)或譜值超過設(shè)定的門限值，則認(rèn)為對應(yīng)的脈沖序列可能來自同一部雷達(dá)，其實質(zhì)是利用了周期脈沖信號的相關(guān)特性。現(xiàn)對典型的累計差值直方圖法(CDIF)[9]、序列差值直方圖法(SDIF)[10]、PRI變換法[11-12]的相關(guān)特點進(jìn)行分析，如表1所示。

表1　典型重頻分選算法分析

以上分析的重頻分選算法各有優(yōu)缺點，CDIF能夠檢測重頻參差信號，得到骨架周期和子周期大小，但對重頻抖動信號分選能力弱；SDIF是CDIF的改進(jìn)算法，減少了運算量和時間開銷，但是算法的穩(wěn)健性不如CDIF好；PRI變換法進(jìn)行了指數(shù)運算，時間開銷較大，但具有較強(qiáng)的抗重頻抖動能力。

2抗重頻分選可行性分析及方法

干擾脈沖要對重頻分選進(jìn)行破壞的前提是在進(jìn)行到達(dá)方向、載頻等其他參數(shù)分選后，干擾脈沖與雷達(dá)信號脈沖被劃歸在同一類，當(dāng)系統(tǒng)在對同一類脈沖進(jìn)行重頻分選時，干擾脈沖才有可能對重頻分選構(gòu)成影響。如何使得被保護(hù)雷達(dá)不受干擾脈沖干擾，并且又能在預(yù)分選后歸為同一類進(jìn)行重頻分選的問題將另作討論，本文默認(rèn)已得到此類與被保護(hù)雷達(dá)信號滿足正交性能的干擾脈沖。

2.1　抗重頻分選可行性分析

CDIF和PRI變換法本質(zhì)上都是基于統(tǒng)計各階到達(dá)時間差出現(xiàn)的頻度大小來進(jìn)行重頻分析的算法。CDIF是累計各階時間差值的脈沖對數(shù)，將其中一倍、二倍時間差均超過門限的時間差作為可能的脈沖重復(fù)周期進(jìn)行序列搜索。PRI變換法同樣對各階時間差出現(xiàn)的脈沖對數(shù)做相應(yīng)的累計統(tǒng)計，并加入了相位因子的指數(shù)運算用以消除子諧波對脈沖重復(fù)周期檢測的影響。兩種重頻分選算法均能夠?qū)Χ嗖坷走_(dá)形成的脈沖串進(jìn)行分選，具有較好的穩(wěn)健性。

一部雷達(dá)以固定重頻Tr，脈寬τ發(fā)射一列脈沖串，假設(shè)偵察接收機(jī)截獲到第一個脈沖的時刻為t1，觀測時間為T，那么偵察接收機(jī)截獲的脈沖個數(shù)為

(1)

脈沖到達(dá)時間為

(2)

此種情況下，針對脈沖到達(dá)時間作一階、二階到達(dá)時間差統(tǒng)計，相應(yīng)的時間間隔Tr、2Tr出現(xiàn)頻數(shù)為N-1、N-2，十分容易就將重頻Tr的雷達(dá)分選出來。

因此，抗重頻分選的可行性在于通過加入干擾脈沖改變分選算法對原有雷達(dá)信號的統(tǒng)計屬性，破壞分選算法利用雷達(dá)信號的相關(guān)特性規(guī)律。

2.2　重頻組合干擾脈沖時序設(shè)計

對于要保護(hù)的固定重頻信號而言，脈沖重復(fù)周期經(jīng)過前兩階到達(dá)時間差計算就能很容易得到，統(tǒng)計到的相應(yīng)脈沖對出現(xiàn)頻數(shù)也會非常大。為了掩蓋被保護(hù)雷達(dá)信號脈沖重復(fù)周期，就需要在雷達(dá)信號脈沖串中引入一些脈間干擾脈沖，增加脈沖串的復(fù)雜度與需要統(tǒng)計的到達(dá)時間差階數(shù)。此外，為了減小真實脈沖重復(fù)周期出現(xiàn)的頻度，還需要設(shè)計一種拼接干擾脈沖，在被保護(hù)雷達(dá)信號前進(jìn)行拼接，破壞雷達(dá)脈沖到達(dá)時間的序列結(jié)構(gòu)。實際情況中，干擾脈沖與雷達(dá)脈沖拼接很容易造成截獲接收機(jī)的脈沖丟失，這樣被保護(hù)雷達(dá)的脈沖屬性就已被嚴(yán)重破壞，使得分選難度大大增加。本文不考慮此種情況下引起的脈沖丟失，即在雷達(dá)脈沖已全被截獲條件下討論抗重頻分選的本質(zhì)方法。通過以上兩種干擾脈沖的作用，便能夠在一定程度上改變重頻分選算法對被保護(hù)雷達(dá)脈沖序列的屬性統(tǒng)計。重頻組合干擾脈沖時序設(shè)計如圖2所示。

圖2　重頻組合干擾脈沖時序設(shè)計示意圖

由于加入干擾脈沖目的是改變分選算法對原有雷達(dá)信號的統(tǒng)計屬性，這種統(tǒng)計屬性難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式給出具體分析，并且直方圖分析的數(shù)據(jù)并不是連續(xù)的數(shù)據(jù)，對其直接分析的數(shù)學(xué)工具也較少。本文通過定義Tr的平均頻數(shù)與干擾脈沖各階時間差平均頻數(shù)的比值W來定性研究干擾脈沖對重頻分選的影響因素，如式(3)：

(3)

假設(shè)重頻分選中設(shè)定小區(qū)個數(shù)為Κ，每個小區(qū)寬度為b。式(3)中ε為重頻Tr抖動所在小區(qū)寬度，κ為干擾脈沖各階時間差所在的小區(qū)寬度和，W的值越小說明干擾脈沖對重頻分選的影響越大。由表達(dá)式可知：

1) W與抖動寬度ε成反比。增大ε能有效降低重頻Tr處頻度，這就要求拼接干擾脈沖具有較大的脈寬變化；

2) W與κ成正比。這是因為κ越小，說明干擾脈沖在此小區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻度越大，甚至超過重頻Tr處頻度，掩蓋真實的重頻值。

3) 當(dāng)被保護(hù)脈沖個數(shù)一定時，W與脈間干擾脈沖個數(shù)Nj成反比。Nj越大，則所需做的各階時間差越多，對于分選來說干擾噪聲越多。但在實際情況中，并不是Nj越大越好。

3仿真實驗

本文仿真參數(shù)設(shè)置：觀測時間為11ms，重頻分析范圍為[10μs,1 000μs]，分隔成的小區(qū)數(shù)為500，被保護(hù)雷達(dá)固定重頻Tr=220μs，脈寬為10μs。設(shè)計的脈間干擾脈沖脈寬在[8μs,10μs]范圍內(nèi)隨機(jī)取值，在每對保護(hù)脈沖間按某種規(guī)則固定插入3個脈間干擾脈沖，拼接干擾脈沖的脈寬范圍為[0,40μs]，在相鄰兩保護(hù)脈沖上拼接的干擾脈寬差值要盡可能大。利用CDIF、PRI變換法對無干擾脈沖加入、有隨機(jī)加入干擾脈沖時和本文設(shè)計的重頻組合干擾脈沖串進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示，圖3為隨機(jī)加入干擾脈沖情況下PRI變換法的效果圖，圖4為本文設(shè)計的重頻組合干擾脈沖串的重復(fù)周期直方圖，圖5為PRI變換法對重頻組合干擾脈沖串分選效果圖。

表2　三種情況下重頻分選結(jié)果

圖3　 隨機(jī)加入干擾脈沖PRI變換

由圖3可知，隨機(jī)加入一定數(shù)量的干擾脈沖增加了分選的底部噪聲，增加了CDIF算法的運算量，但并不能有效破壞信號的重頻分選，此種情況下必須加入大量的干擾脈沖才可能起作用。從圖4、圖5可看出，本文設(shè)計的重頻組合干擾脈沖能夠有效保護(hù)固定重頻脈沖免遭重頻分選，脈間干擾脈沖增加了分選的底部噪聲干擾，并且使得在40μs處統(tǒng)計值超出門限，造成了錯誤的重頻估計，拼接干擾脈沖增大了在固定重頻Tr處的抖動，將統(tǒng)計的頻數(shù)分散到周圍的小區(qū)中，降低了統(tǒng)計峰值。由于本文只考慮了相鄰兩拼接干擾脈沖脈寬的設(shè)計問題，故在二倍重頻位置，峰值突顯了出來，因此，還可以進(jìn)一步研究降低、隱藏倍頻處頻度的問題。

圖4　加入重頻組合干擾脈沖重復(fù)周期直方圖

圖5　加入重頻組合干擾脈沖串PRI變換圖

4結(jié)束語

本文從主動反偵察角度出發(fā)，分析了直方圖法、PRI變換法的特點，論證了抗重頻分選的可行性并針對固定重頻信號進(jìn)行了干擾脈沖的設(shè)計。實驗表明：隨機(jī)的加入一串干擾脈沖是較難實現(xiàn)抗重頻分選的，引入的干擾脈沖需要按照一定規(guī)則設(shè)計，與雷達(dá)信號具有某種程度的關(guān)聯(lián)性，才能破壞分選算法利用雷達(dá)信號的相關(guān)規(guī)律，實現(xiàn)雷達(dá)信號抗重頻分選。本文的不足是只考慮了降低重頻處的統(tǒng)計頻度，而在倍頻處的峰值沒有得到消隱，這需要在設(shè)計拼接干擾脈沖時著重考慮脈寬范圍和分布的選取與設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1]王星.航空電子對抗原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[2]詹露華.低截獲概率雷達(dá)波形設(shè)計及性能分析[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[3]張文恒.低截獲概率雷達(dá)技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2013.

[4]張錫熊.低截獲概率(LPI)雷達(dá)的發(fā)展[J].現(xiàn)代雷達(dá),2003,25(12):1-4.

[5]沈愛國,姜秋喜.無載頻超寬帶雷達(dá)的梳狀譜干擾技術(shù)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2009,31(1):66-68.

[6]朱大紅.影響IFM接收機(jī)測頻精度因素的分析[J].現(xiàn)代雷達(dá),2008,30(7):91-93.

[7]肖凱，周永輝.不完全信號時內(nèi)部交易[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，31(2)：50-55.

[8]陸必應(yīng),宋千,王建,等.頻率步進(jìn)連續(xù)波前視探地雷達(dá)的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2010,32(11):5-8.

[9]MorrisGV,KastleTA.Trendsinelectroniccounter-countermeasures[EB/OL].[2014-11-15].http://www.jedonline.com.

[10]MardiaHK.NewTechniquesfortheDeinterleavingofRepetitiveSequences[J].IEEProceedings,1989,136(4):149-154.

[11]MilojevicDJ,PopovicBM.ImprovedAlgorithmfortheDeinterleavingofRadarPulses[J].IEEProceedings,1992,139(1):98-104.

[12]NelsonDJ.Specialpurposecorrelationfunctionsforimprovedsignaldetectionandparameterestimation[C]//ICASSP,USA:MD,1993:73-76.

[13]NishiguchiK,KobayashiM.ImprovedAlgorithmforEstimatingPulseRepetitionIntervals[J].IEEETransonAerospaceandElectronicSystem,2000,36(2):407-421.

(責(zé)任編輯楊繼森)

收稿日期：2014-12-23

基金項目：“十二五”預(yù)研項目(41101020207)

作者簡介：徐梁昊(1990—)，男，碩士研究生，主要從事雷達(dá)對抗研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.030

中圖分類號：TN973

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0117-04

本文引用格式：徐梁昊，姜秋喜，潘繼飛，等.一種抗重頻分選的反偵察方法[J].四川兵工學(xué)報，2015(7):117-120.

Citationformat:XULiang-hao，JIANGQiu-xi，PANJi-fei,etal.MethodofCounterReconnaissanceBasedonPRISortingAlgorithm[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(7):117-120.

MethodofCounterReconnaissanceBasedonPRISortingAlgorithm

XULiang-haoa,b，JIANGQiu-xia,b，PANJi-feia,b，WANGKuia,b

(a.ElectronicEngineeringInstitute;b.LaboratoryofInformationProcessing,

ElectronicEngineeringInstitute,Hefei230037,China)

Abstract:In order to protect radar pulse repetition interval from sorting, from the view of offensive counter reconnaissance, the characteristics of CDIF and PRI transform algorithm were analyzed, and the possibility of anti-sorting was discussed. Using combined rule jamming pulses to disrupt the radar pulses’ regularity and destroy the statistical performance of sorting algorithm were also proposed. The simulation indicates that jamming pulses should be designed by rules or they could not work effectively.

Key words:pulse repetition interval; anti-sorting; CDIF; PRI transform algorithm

【信息科學(xué)與控制工程】