正交梳狀譜型探測干擾一體化信號波形

譚　龍，姜秋喜，劉方正

(解放軍電子工程學院信息處理實驗室，安徽 合肥 230037)

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正交梳狀譜型探測干擾一體化信號波形

譚龍，姜秋喜，劉方正

(解放軍電子工程學院信息處理實驗室，安徽 合肥 230037)

摘要:針對現代武器平臺上同構電子系統所用一體化信號在實際應用中不能靈活控制信號形式的問題，提出了正交梳狀譜型探測干擾一體化信號波形。該波形是在基于所提梳狀譜信號的正交性特點上，用其分別對探測信號和干擾信號進行調制，得到一種能靈活控制信號形式的雷達探測干擾一體化波形，實現干擾探測兩類功能一體化。仿真結果表明，通過該方法設計的信號波形具有較好的測距與測速能力，且能夠在完成隱蔽探測的同時進行有效干擾，為同構電子系統的設計提供了參考。

關鍵詞:信號波形；梳狀譜；正交性；一體化

0引言

隨著戰場環境日益復雜，遂行作戰任務的電子設備將越來越多。然而，眾多相對獨立的電子設備不僅在空間、頻譜及功能上交叉重疊、相互制約、相互影響，而且在資源、功耗上各需保障，消耗極大，給作戰平臺增加難以承載的負擔，增大了作戰平臺空間體積與重量，增添了相互間的電磁干擾，削弱了作戰平臺的機動性與靈活性，最終導致作戰平臺作戰能力降低[1]。因此，發展綜合集成，工作靈活的偵、干、探、通同構系統已顯得至關重要，也必成為各國競相爭奪的信息化制高點。而實現同構電子系統信號一體、信道一體、系統一體、應用一體的關鍵是一體化信號波形設計及其接收處理方法研究。

目前，常用的一體化信號有：基于混沌理論的二相編碼[2]、噪聲復合調制、偽隨機二相編碼[3]等。這幾類信號雖都能達到理想效果，但在實際應用中對信號形式的選擇不能做到靈活控制，本文針對此問題，提出了一種基于正交梳狀譜的雷達一體化信號。

1基于幾何梳狀譜的正交梳狀譜信號

1.1常規梳狀譜(SFM)信號和幾何梳狀譜(GC)信號

SFM信號的數學模型為：

(1)

式(1)中，fm為調制頻率，信號的頻譜為等間隔分布，β為調制指數。

SFM信號模糊函數類似釘板形，但其測距、測速能力較差，因為其距離模糊度函數類似周期正弦信號(CW)，且較高的多普勒旁瓣也將使信號產生測速模糊，為提高信號性能，采用增大頻率間隔fm的方法，使相鄰頻點間不產生混疊，但增大頻率間隔導致頻帶利用率較低。

HenryCox提出了一種新的GC信號，該信號具有類似板釘形狀的模糊度函數，相比等間隔的梳狀譜信號，它不僅能夠消除距離模糊，還能提高發射效率。

GC信號的數學模型為：

(2)

fi=fi-1+sri-2

(3)

式(2)中，s為最低頻率和次最低頻率的間隔，r為一個稍大于1的系數，從上式可以看出，信號中相鄰頻點的差值組成一個等比序列[4]。

1.2正交梳狀譜(Orthogonal Comb, OC)信號

從SFM信號和GC信號的設計可以看出，信號的頻譜間距大小的設計是梳狀譜信號設計的關鍵，間距太小會產生相鄰譜峰間的多普勒重疊，而間距過大則通帶內的譜線數目較少，難以發揮梳狀譜信號的優勢。因此想要取得良好的探測效果，就要保證不產生相鄰頻點混疊的條件下獲得最多的譜線數目。當發射機和目標相對速度為v時，根據窄帶回波信號的模糊度函數計算出某一頻率信號的多普勒頻移ξi。

(4)

式(4)中，ξ=2f0v/c為信號的多普勒頻移，f0為信號的中心頻率，c為光速。

為滿足相鄰頻點不產生混疊，則有：

(5)

進一步可得：

(6)

如果信號脈寬為τ，則每個單頻信號的帶寬均為B=1/τ，為保證相鄰頻點之間不重疊，在相鄰頻點之間設置保護頻率間隔B/2。為避免下一步所設計的干擾信號與探測信號產生頻點重疊，本文在GC信號的基礎上對相鄰頻點條件進行改進。從而得到一類正交梳狀譜信號，下面簡稱OC信號。

干擾信號頻率公式：

(7)

探測信號頻率公式：

(8)

進而可以推得信號頻率點計算公式。根據頻率點計算公式可計算出一系列對確定目標速度不產生多普勒頻譜混疊的梳狀譜信號，并對于頻帶的利用率最高。

假設信號分為L幀，某一幀信號所設的速度容限為vL，計算相應的頻率公式：

(9)

干擾信號頻率公式：

(10)

探測信號頻率公式：

(11)

該幀信號的數學模型均統一寫為：

(12)

則正交梳狀譜信號數學表達式為：

(13)

2干擾探測一體化信號

文獻[5]介紹了一種先從頻域角度構造信號，然后經傅里葉逆變換得到信號時域表達式的信號構造方法。基于這個原理及梳狀譜信號的正交性特點，對雷達探測信號與噪聲干擾信號分別進行梳狀譜調制，使兩個信號相互正交后疊加，從而得到想要的一體化信號。

2.1探測信號

線性調頻信號(LFM)是應用最為廣泛的探測信號波形。一方面是因為線性調頻信號較好地解決了雷達作用距離與距離分辨力的矛盾，而且使與雷達發射波形不匹配的干擾信號不能得到相應的處理增益；另一方面線性調頻信號具有良好的兼容性，可與其他體制的探測方式兼容使用[6]。因此本文選擇線性調頻信號作為探測信號樣板，在此基礎上，利用正交梳狀譜信號對線性調頻信號進行頻域上的梳狀濾波，得到梳狀譜型線性調頻信號。

LFM信號的數學模型為：

(14)

(15)

則該幀信號對線性調頻信號進行調制后的頻譜可以表示為：

(16)

因此，正交梳狀譜信號對線性調頻信號進行調制后的信號頻譜為：

(17)

(18)

2.2干擾信號

本文擬采用噪聲調相干擾技術設計干擾信號波形，該波形可使進入雷達接收機的干擾信號獲得與真實目標回波相同的相干處理增益，從而達到精確模仿雷達發射信號波形的目的，實現對對方雷達的有效干擾[7]。

(19)

如果信號樣本為線性調頻信號，形如式(14)，代入噪聲調相相干干擾信號表達式可得：

(20)

(21)

fs1≤fl,i≤fs2

(22)

(23)

2.3一體化信號

在上述波形設計的基礎上，分別得到探測、干擾波形信號形式如下：

(24)

將兩個不同功能的信號在時域上進行疊加，即得到期望的探測干擾一體化信號：

smix(t)=stc(t)+jPM(t)

(25)

這樣的構造形式保證了該一體化波形能按上述的要求一樣，干擾信號與真實目標回波信號在進入接收機時得到相同的相干處理增益，得以實現有效干擾的同時對目標進行隱蔽探測。

3仿真分析

為了驗證按照這種方法設計得到的探測干擾一體化信號的性能，分別從所構造的OC信號和一體化信號進行仿真分析。

3.1OC信號分析

因為OC信號是在GC信號的基礎上改進得到的，為比較說明OC信號的性能，將其與SFM信號放在一起進行分析：設SFM信號的載頻為2 MHz，頻率間隔為0.01 MHz；設OC信號的載頻也為2 MHz，頻率間隔s為0.01 MHz，系數r為1.01。二者的模糊函數圖如圖1所示。

圖1　SFM信號和OC信號的模糊函數Fig.1　Amibiguity function of SFM and OC signals

由圖1可知OC信號的模糊函數相對SFM信號具有較好的時延、多普勒分辨力，即具有較精確地測距、測速性能，證明了設計的正交梳狀譜信號具有良好的探測能力。

3.2一體化信號性能分析

一體化信號中的探測信號采用LFM信號，設其起始頻率為2 MHz，調制帶寬為3 MHz；干擾信號采用載頻為2.005 MHz，帶寬也為3 MHz的噪聲調相信號。OC信號的參數設置同上，頻率間隔s為0.01 MHz，系數r為1.01，調制后得到的一體化信號速度和距離模糊函數圖分別如圖2所示。

由圖2可知構造的一體化信號出現了預期的圖釘型模糊函數，說明該信號具有良好的探測能力， 有非常理想的測速精度和測距精度。同時，為說明信號的干擾能力，進一步觀察信號的時域和頻域波形如圖3。

圖2　一體化信號模糊函數Fig.2　Amibiguity Function of Integration Signal

圖3　一體化信號時域和頻域形式Fig.3　Time and Frequency domain of Integration Signal

由圖3中一體化信號的時域波形可知，探測信號很好地隱藏在噪聲當中，從頻譜上也很難分析信號的頻率規律，因此，達到了期望的隱蔽探測和有效干擾的目的，進一步驗證了該信號的優異性。

4結論

本文提出了一類可靈活設置信號形式的探測干擾一體化信號波形，該方法主要基于設計的一種具有正交性的OC信號，在頻域分別對探測、干擾信號進行調制，然后通過傅里葉逆變換在時域對兩個信號進行疊加得到。仿真分析了OC信號和一體化信號在時域、頻域及模糊函數和自相關函數上所表現出來的特性，結果表明這種信號能同時達到期望的精確探測和有效干擾的目的。根據這種信號的設計思路進行拓展，還可以對通信信號和干擾信號進行統一、跟蹤信號和干擾信號統一等，更多功能的統一可進一步豐富和完善一體化信號的功能維度，提高信號的實用性能，為同構電子系統的設計提供參考。

參考文獻:

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[3]熊剛，楊小牛，趙惠昌.脈間偽隨機二相碼與線性跳頻復合調制探測系統[J].兵工學報，2007，28(4)：425-430.

[4]梁國龍，張瑤，付進，等.新型主動聲納梳狀譜信號設計[J].哈爾濱工程大學學報，2012，33(3)：302-307.

[5]石榮，胡來招.一類離散H信號的時域構造方法及其特性分析[J].電訊技術，2001，51(6)：34-37.

[6]潘繼飛，沈愛國.一種基于Wigner-Ville分布的LFM信號瞬時頻率提取技術研究[J].中國電子科學研究院學報，2014(5)：480-485.

[7]Jingbo He, Fuyuan Peng, Zhong Liu. The Analysis of Noise Frequency Modulation Jamming Signal Based on Stochastic Differential[C]//The 2nd International Conference on Computer Application and System Modeling.Taiyuan:TOST,2012.

Detection and Jamming Integration Signal of Orthogonal Comb Waveform

TAN Long, JIANG Qiuxi, LIU Fangzheng

(Information Processing Laboratory of the Electronic Engineering Institute, Hefei 230037,China)

Abstract:Aiming at the issue that the integration signal in isomorphism electronic systems on the modern weapons can’t be flexible controlled. A kind of comb signal was put forward in the passage, which was based on its orthogonality characteristics, and was used to modulate the detection signal and interference signal, thus could get a new kind of radar signal, not only chose the style flexibly, but also could complete the detection and interference tasks at the same time. Simulation results showed that this new kind signal owns good speed and distance measurement capability, and it could interfere effectively while detecting the target in a covert way. This method provided reference for the design of the isomorphism electronic systems.

Key words:signal waveform; comb; orthogonality; integration

中圖分類號:TN911

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)02-0078-04

作者簡介:譚龍(1990—)，男，重慶萬州人，碩士研究生，研究方向：雷達對抗及雷達信號處理。E-mail：707395208@qq.com。

*收稿日期:2015-10-25