掩護脈沖信號抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾性能分析

張昭建,謝軍偉,楊春曉,盛 川

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

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掩護脈沖信號抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾性能分析

張昭建,謝軍偉,楊春曉,盛 川

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

雷達對抗中,轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾能以較小功率實現(xiàn)對回波信號的有效壓制。由于干擾信號從主瓣進入,傳統(tǒng)抗干擾技術(shù)手段很難奏效。為此,文中提出了一種基于掩護信號的欺騙干擾對抗方法。針對轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機干擾通道資源有限的弱點,通過掩護信號的設(shè)計使用,對干擾偵測系統(tǒng)進行有效引導(dǎo),使干擾頻率、波形鎖定掩護信號,有效保護跟蹤信號。仿真結(jié)果表明,該方法能有效降低跟蹤頻率被干擾概率。

欺騙干擾;掩護信號;設(shè)計原則;仿真分析

0 引言

基于信道化接收機和DRFM儲頻應(yīng)答器件的有源欺騙式干擾,通過對跟蹤雷達在頻率、時間乃至空間上的精確瞄準,能夠在短時間內(nèi)利用較少的功率資源,實現(xiàn)對探測回波信號的有效遮蔽或欺騙。由于干擾機發(fā)射信號直接進入天線主瓣,傳統(tǒng)的以抑制干擾、增強回波[1-2]為目的的抗干擾技術(shù)很難奏效。

“掩護信號+跟蹤信號”的復(fù)合探測波形是指雷達在跟蹤目標時,同時發(fā)射兩個信號:一個是具有明顯時/頻譜特征的掩護信號,用于引導(dǎo)干擾機的干擾偵測系統(tǒng),使干擾信號的頻率、波形鎖定到該信號上;另一個是具有低截獲特性的信號,用于對目標進行探測和跟蹤,該信號在頻域或時域上與掩護信號錯開一定距離,使干擾信號進入雷達接收機的有效功率大幅降低,達到抗干擾效果。目前,針對該方法公開發(fā)表的文獻較少,文獻[3]重點分析了射頻掩護信號對轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機各主要環(huán)節(jié)的影響,但僅限于定性描述,沒有給出理論分析及推導(dǎo);文獻[4]重點討論了掩護信號的使用對雷達信號低截獲性能的提升;文獻[5]基于掩護信號與探測信號參數(shù)設(shè)置上的不同,分析了掩護信號與探測信號的時頻特征差異,并將掩護信號應(yīng)用于誘餌干擾信號抑制。文中主要從頻率引導(dǎo)角度,分析掩護信號在對抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾中的應(yīng)用。

1 掩護脈沖抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾原理分析

1.1 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機理及過程[6]

靈巧應(yīng)答式干擾機原理框圖如圖1所示。

圖1 靈巧應(yīng)答式干擾機原理框圖

干擾機對雷達實施干擾的基本過程為:

Step 1 信道化接收機有效接收并分析雷達發(fā)射信號頻譜,進行頻率記憶、處理;

Step 2 根據(jù)記憶的雷達發(fā)射頻率及強度,進行威脅度計算和排序,控制組件將高威脅頻率輸出,控制頻率源和變頻組件,使發(fā)射機中心頻率對準威脅頻率;

Step 3 干擾機采用收-發(fā)交替方式,按時間片接收特定頻率范圍的信號,形成干擾信號并發(fā)射。

此過程中,信道化接收機與頻率記憶和處理系統(tǒng)能否正確鎖定雷達跟蹤頻率,決定了干擾信號在頻率上的正確度,是有效干擾的前提,若在此環(huán)節(jié)進行抗干擾,只需較少的能量資源,即可達到較高的抗干擾效果。

1.2 掩護脈沖信號抗干擾機理及關(guān)鍵參數(shù)

掩護信號的作用機理完全針對干擾機信道化接收機與頻率記憶和處理系統(tǒng),目的是引導(dǎo)干擾機的干擾偵測系統(tǒng),使干擾信號頻率、波形鎖定掩護信號,從而使跟蹤信號免受干擾。

掩護信號實現(xiàn)有效抗干擾需要3個條件:

1)在時、頻域特征上,掩護信號遠強于跟蹤信號,干擾機的信道化接收機首先截獲掩護信號;

2)在干擾機頻率記憶和處理系統(tǒng)中,掩護信號在時、頻域要具有較高幅度,威脅度高于跟蹤信號,從而能夠被優(yōu)先鎖定;

3)掩護信號與跟蹤信號在頻域或時域上有充分間距。

由此可見,決定抗干擾效果的關(guān)鍵特性參數(shù)有以下幾個:

1)掩護信號與跟蹤信號的頻率間隔Δf0,可用頻點數(shù)N0;

2)掩護信號與跟蹤信號的相對幅度A;

3)信道化接收機的通道數(shù)量M及其接收靈敏度Rs;

4)干擾機頻率記憶和處理方式,一般用記憶衰減系數(shù)ρs表示;

5)干擾發(fā)射機通道數(shù)Ns及每個通道的有效帶寬B。

若Ns≥N0,表示干擾通道數(shù)多于雷達可用頻點數(shù),則無論掩護信號是否有效,干擾機可偵測并對準所有雷達發(fā)射信號,此時掩護信號無效;若Ns

頻率記憶衰減系數(shù)ρs指干擾機偵測到一個雷達工作頻點后,在下一個周期,該記憶值的威脅度衰減系數(shù)。ρs=0表示不記憶,即干擾機只對當前周期偵測到的信號頻點實施干擾。由于現(xiàn)代雷達多采用頻率捷變、波形捷變措施,非記憶方式很難保證對雷達工作頻率的有效對準。ρs>0,表示對于以往發(fā)現(xiàn)的頻點,保持一定記憶,對于具有高威脅度的頻率,即使當前周期沒有發(fā)現(xiàn),仍使發(fā)射機瞄準。

2 掩護脈沖信號設(shè)計與使用原則

2.1 掩護信號對雷達自身性能的影響

1)對雷達作用距離的影響

假設(shè)雷達總發(fā)射功率為P,跟蹤信號發(fā)射功率為P1,掩護信號發(fā)射功率為P2,則P1+P2=P,雷達最大作用距離為Rmax。根據(jù)雷達方程,則采用掩護信號+跟蹤信號的復(fù)合波形探測時其理論的最大作用距離為:

(1)

若掩護信號與跟蹤信號發(fā)射功率相同,即P1=P2=0.5P,則雷達作用距離降低約16%,對跟蹤雷達來講,這一代價在允許范圍內(nèi)。

2)掩護信號與探測信號的自擾

現(xiàn)代雷達一般采用數(shù)字化匹配接收機,對LFM及PCM信號的匹配濾波器應(yīng)具有H(ω)=KS*(ω)e-jωt0形式的頻率響應(yīng),或者具有h(t)=Ks(t0-t)形式的時域響應(yīng)。時域輸出流程如圖2所示[8]。

圖2 LFM信號數(shù)字脈壓流程

采用掩護脈沖時,由于掩護信號可能與跟蹤信號同時進入接收機,其自擾問題必須進行分析。設(shè)跟蹤信號為s0(t),掩護信號為s1(t),匹配濾波器時域響應(yīng)為h(t),當跟蹤信號與掩護信號均為單頻正弦信號時,信號的頻域表示為:

S0(ω)=A1π[δ(ω+ω0)+δ(ω-ω0)]

H(ω)=A1π[δ(ω+ω0)+δ(ω-ω0)]

(3)

S1(ω)=A2π[δ(ω+ω1)+δ(ω-ω1)]

因ω0≠ω1,所以S1(ω)H(ω)=0,即掩護信號在接收端響應(yīng)為0。

同理,當發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號,掩護信號為單頻正弦信號時,發(fā)射信號經(jīng)匹配濾波的頻率響應(yīng)近似為辛克函數(shù)[6],當掩護信號頻率位于線性調(diào)頻信號帶寬B以外時,頻域響應(yīng)為0。因此,其自擾對雷達性能基本不會構(gòu)成影響。其它信號形式也可用類似方法分析。

2.2 掩護信號的設(shè)計及使用原則

1)跟蹤及掩護信號形式選擇

跟蹤信號應(yīng)優(yōu)選具有低截獲概率特征(LPI)的發(fā)射信號形式,包括線性/非線性調(diào)頻信號(LFM/NLFM)、相位編碼信號(PCM)、脈沖多普勒(PD)信號。其中,LFM/NLFM具有最佳的帶內(nèi)頻譜展寬和均勻性效果,其時域波形具有較大的寬度和較低的峰值幅度,LPI特征最佳,文中主要采用LFM信號作為雷達跟蹤信號。與跟蹤信號相反,掩護信號要求具有高截獲概率(HPI)特征,尤其是在頻域上,最佳的選擇是采用單脈沖單頻信號。文中主要采用單脈沖單頻的典型正弦信號作為跟蹤掩護信號。

2)發(fā)射樣式選擇

在時域上,“掩護信號+跟蹤信號”的復(fù)合探測波形有兩種基本形式,一是時間順序波形,先發(fā)射掩護信號,再發(fā)射跟蹤信號;二是時間復(fù)合波形,掩護信號與跟蹤信號在發(fā)射時間上重疊。在頻域上,掩護信號與跟蹤信號必須有一定的間隔,理論上,其間隔應(yīng)大于干擾機有效帶寬一半。時間順序波形展寬了雷達發(fā)射信號寬度,使雷達距離截止時間變長,由于近距盲區(qū)R=c·tr/2,因此掩護信號的施加會在一定程度上擴大近距盲區(qū);時間復(fù)合波形需要雷達具備同時多波形發(fā)射能力,一般需要具有頻率合成能力的固態(tài)發(fā)射機,對雷達發(fā)射機的要求較高,但不影響近距盲區(qū)。各種發(fā)射樣式頻譜分析如圖3所示。

3)參數(shù)設(shè)計原則

根據(jù)上一節(jié)的分析,可得出以下原則:

①掩護信號與跟蹤信號在頻率上充分錯開;

②雷達可用頻點數(shù)多于干擾發(fā)射機的通道數(shù),若掩護信號頻點數(shù)多于干擾發(fā)射機通道數(shù),則抗干擾效果更優(yōu);

③掩護信號占總功率比不宜過大,不應(yīng)對雷達作用距離構(gòu)成明顯影響;

④掩護信號與跟蹤信號可以采用1+1配對,在跟蹤狀態(tài),也可以采用N+1配對,進一步增強掩護效果,但不應(yīng)對雷達的盲距區(qū)構(gòu)成影響。

圖3 典型的掩護信號波形及其頻譜

當然,對干擾機的狀態(tài)和參數(shù)設(shè)定,存在不確定性,掩護信號設(shè)計,應(yīng)確保在各種可能的干擾狀態(tài)和參數(shù)下,均可達到有效的抗干擾效果。

3 仿真分析

3.1 仿真條件設(shè)定

1)雷達工作參數(shù)設(shè)定

工作頻率:C波段,可用帶寬200MHz,頻點數(shù)10個,間隔20MHz,前5個頻點(0～100MHz)用于掩護,后5個頻點(100～200MHz)用于跟蹤(仿真時,出于運算時間考慮,以頻率0～200MHz模擬C波段4～4.2GHz);

工作周期:100ms;

探測波形:掩護信號為0.5ms單頻信號,相對跟蹤信號幅度取0.25、0.5、1,跟蹤信號為0.5ms長度LFM信號,調(diào)頻帶寬10MHz;

掩護信號發(fā)射方式:時間順序波形。

2)干擾機工作參數(shù)設(shè)定

信道化接收機帶寬:200MHz,分10個通道,每個通道20MHz;

信道化接收機信號采樣:周期100ms,采樣窗口長度10ms,采樣頻率40MHz;

頻率記憶系數(shù):取0.25、0.5、0.75,分別代表弱記憶、中等記憶、強記憶。

3.2 頻率捷變狀態(tài)下的抗干擾效果仿真

假定雷達跟蹤信號工作于頻點6～10,掩護信號工作于頻點1～5;掩護信號在跟蹤信號之前發(fā)射,跟蹤信號與掩護信號分別采用獨立跳頻圖譜。干擾機有5個干擾發(fā)射機通道。共進行50個雷達工作周期仿真。

1)單個掩護信號

采用幅度為1.0的單個掩護信號,頻率記憶系數(shù)ρs為0.75、0.5、0.25時,干擾機頻率威脅度的動態(tài)變化曲線如圖4。

圖4 單個掩護脈沖干擾機頻率威脅度的動態(tài)變化曲線

干擾機1～5各通道對跟蹤信號頻率的對準概率統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 干擾通道對跟蹤信號頻率的對準概率統(tǒng)計結(jié)果

分析圖表可以看出,在ρs=0.75時,掩護信號頻率的威脅度在絕大部分時間高于跟蹤信號,僅有很少時間出現(xiàn)鎖定,其總對準概率為6%。隨著ρs的降低,掩護效果開始下降,ρs=0.25時,掩護信號頻率的威脅度與跟蹤信號優(yōu)勢不明顯,在5個干擾通道內(nèi)總的對準概率高達38%,能夠有效破壞跟蹤系統(tǒng)。

分析其原因,主要是由于掩護信號與跟蹤信號等長度,信道化接收機采樣到掩護信號和跟蹤信號的概率相等,如果ρs較小,則干擾機主要依據(jù)當前周期偵測到的信號頻點實施干擾,掩護信號和跟蹤信號被干擾的概率趨于一致。由于ρs的大小是一個不可控因素,為了改善在未知條件下的抗干擾效果,一種基本的方法是采用多個掩護脈沖,在總功率不變的情況下,將掩護脈沖的發(fā)射時間拉長。

2)多個掩護信號

采用2個幅度為0.5的掩護信號,其中第2個掩護信號在駐留最末時間位置發(fā)射,頻率記憶系數(shù)ρs為0.75、0.5、0.25時,干擾機頻率威脅度的動態(tài)變化曲線如圖5所示。

圖5 2個掩護脈沖干擾機頻率威脅度的動態(tài)變化曲線

干擾機1～5干擾通道對準跟蹤信號頻率的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 干擾通道對準跟蹤信號頻率的統(tǒng)計結(jié)果

分析圖表可以看出,在不增加總的發(fā)射功率的前提下,分散發(fā)射多個掩護信號,可以明顯改善抗干擾效果。但由于雷達一般不能同時收發(fā),發(fā)射多個掩護信號會造成盲距區(qū)的擴大,其使用存在一定的局限性。

4 結(jié)束語

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾通過對回波信號的精確瞄準,能夠形成對回波信號進行有效壓制和欺騙,對雷達性能產(chǎn)生嚴重影響。文中研究了掩護信號對抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的過程、特性,并重點對其在典型條件下的抗干擾性能進行了仿真,仿真結(jié)果表明,在雷達可用頻點數(shù)多于干擾發(fā)射機通道數(shù)的前提下,掩護信號結(jié)合頻率捷變,可明顯提高雷達的抗干擾能力。掩護信號本質(zhì)上是一種策略性與技術(shù)性兼有的對抗措施,因此其效果不是絕對的,與對抗雙方的裝備性能和規(guī)則設(shè)計高度相關(guān),實際應(yīng)用中,必須結(jié)合戰(zhàn)場環(huán)境及時優(yōu)化掩護脈沖參數(shù),才能確保掩護信號真正發(fā)揮作用。

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Performance Analysis of Screening Pulse Signal Confronts to Deception Jamming

ZHANG Zhaojian,XIE Junwei,YANG Chunxiao,SHENG Chuan

(Air and Missile Defense College, AFEU, Xi’an 710051, China)

In radar countermeasure, deception jamming can suppress target echoes effectively through small power. Since that interference signal enters radar receiver from the main lobe, it is hard to restrain it through the traditional means of anti-jamming. In order to accomplish radar anti deception jamming, in this article, a method was researched to confront deception jamming based on screening signal. The interfering channels in the repeater jammer can be limited, which could be used by the radar to guide jamming surveillance system effectively through the design and use of screening signal. As a result, the interference signal will lock the screening signal in frequency and wave shape, and the tracking signal is protected. Simulation result shows that this method can reduce interference probability of tracking frequency effectively.

deception jamming; screening signal; design principle; simulation analysis

2015-09-11

張昭建(1989-),男,山東鄒城人,博士研究生,研究方向:雷達對抗關(guān)鍵技術(shù)。

TN95

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