移頻導(dǎo)前假目標(biāo)的特性分析及其鑒別方法

馮德軍王俊杰王俊卿

①(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410073)

②(北京電子工程總體研究所 北京 100076)

移頻導(dǎo)前假目標(biāo)的特性分析及其鑒別方法

馮德軍*①王俊杰①王俊卿②

①(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410073)

②(北京電子工程總體研究所 北京 100076)

由于距離-多普勒耦合效應(yīng)的存在，線性調(diào)頻信號易受到轉(zhuǎn)發(fā)移頻干擾，利用該原理產(chǎn)生的導(dǎo)前假目標(biāo)具有諸多與真實(shí)目標(biāo)相似的特性，傳統(tǒng)的前沿跟蹤等手段難以剔除，對雷達(dá)威脅很大。該文在剖析移頻導(dǎo)前假目標(biāo)產(chǎn)生的基本原理基礎(chǔ)上，分析了假目標(biāo)的特性，指出了導(dǎo)致真假目標(biāo)難以分辨的內(nèi)在原理及現(xiàn)有方法的不足。同時針對干擾信號難以鑒別的難點(diǎn)，利用干擾信號不可避免的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，分析經(jīng)過匹配濾波處理后估計獲得的到達(dá)時間與其實(shí)際到達(dá)時間之間的差異，進(jìn)而提出了一種對移頻轉(zhuǎn)發(fā)形成的導(dǎo)前假目標(biāo)鑒別方法并分析了這種方法的性能。最后通過相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

有源干擾；移頻導(dǎo)前假目標(biāo)；轉(zhuǎn)發(fā)延遲；干擾鑒別

1 引言

線性調(diào)頻信號(Linear Frequency Modulated,LFM)具有良好的距離和速度分辨率，即使回波具有較大的多普勒頻移，匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的作用，信號處理系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)，因而成為應(yīng)用最廣的雷達(dá)信號形式之一[1]。但距離-多普勒耦合效應(yīng)的存在也使它容易受到攻擊，轉(zhuǎn)發(fā)移頻干擾是對抗線性調(diào)頻信號最為有效的手段。通過數(shù)字射頻存貯器(Digital Radio Frequency Memory,DRFM)的存貯及頻率調(diào)制，可以產(chǎn)生位置靈活的假目標(biāo)，導(dǎo)前假目標(biāo)干擾就是其中最為重要的干擾方式之一。所謂導(dǎo)前假目標(biāo)干擾，是指通過巧妙利用雷達(dá)信號或數(shù)據(jù)處理的缺點(diǎn)，使得虛假目標(biāo)位置前移，使得雷達(dá)“看到”位于真實(shí)目標(biāo)前方的虛假目標(biāo)，從而誘使其做出錯誤判斷[2,3]。在物理上，真正的導(dǎo)前假目標(biāo)(或稱前置假目標(biāo))是不可實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴蓸?、轉(zhuǎn)發(fā)干擾帶來的時間延遲無法避免，這必然導(dǎo)致干擾信號總是滯后于目標(biāo)回波。在實(shí)現(xiàn)時，干擾機(jī)通過估計自身的物理延遲時間，采用精確的頻率調(diào)制，利用距離-多普勒耦合效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)有源假目標(biāo)相對真實(shí)目標(biāo)的導(dǎo)前。當(dāng)前，移頻導(dǎo)前假目標(biāo)干擾已經(jīng)成為雷達(dá)對抗領(lǐng)域十分關(guān)注的一種新型干擾方式，在導(dǎo)彈突防等領(lǐng)域中具有十分重要的軍事應(yīng)用價值[4]。

移頻導(dǎo)前假目標(biāo)產(chǎn)生的原理并不復(fù)雜，但其鑒別卻十分困難，根本原因在于其時頻特性與目標(biāo)回波十分相似?，F(xiàn)有的抗干擾方法主要有兩類，一類是脈間抗干擾，通過脈間的調(diào)頻斜率的變化來實(shí)現(xiàn)抗干擾[5]，這種方法需要多個脈沖，采用多種不同斜率的調(diào)頻信號，當(dāng)干擾方采用脈間頻率調(diào)制變化時，該方法失效；另一類是脈內(nèi)抗干擾，通過調(diào)頻斜率的擾動，降低干擾信號獲取的脈壓增益，但這種方法增加了信號處理系統(tǒng)的復(fù)雜性[6]。但對于同一個發(fā)射信號脈沖，和實(shí)體目標(biāo)回波相比，干擾信號不可避免地存在著轉(zhuǎn)發(fā)延遲，因此其到接收機(jī)前端的時間必然要晚于實(shí)際的目標(biāo)回波，更重要的是，經(jīng)過匹配濾波處理后估計獲得的到達(dá)時間必然和其實(shí)際到達(dá)時間是不一致的。利用這一特點(diǎn)，本文提出了一種對移頻轉(zhuǎn)發(fā)形成的導(dǎo)前假目標(biāo)鑒別方法，該方法利用干擾機(jī)不可避免的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，可以實(shí)現(xiàn)移頻產(chǎn)生的導(dǎo)前假目標(biāo)有效鑒別。

2 移頻導(dǎo)前假目標(biāo)的生成原理

LFM信號波形匹配濾波器具有群延遲特性，用它來理解移頻導(dǎo)前假目標(biāo)產(chǎn)生最為簡便[7]，文獻(xiàn)[4]也對導(dǎo)前假目標(biāo)的產(chǎn)生有詳細(xì)論述。下面簡單敘述。本文以線性調(diào)頻信號為例，雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號，其中心頻率為f0，脈寬為Tp，調(diào)頻斜率為，帶寬為B，t0為匹配濾波器輸出達(dá)到峰值點(diǎn)時刻，那么發(fā)射信號為：

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，LFM信號波形匹配濾波器的群延遲為：

而LFM信號的群延遲為：

從式(3)、式(4)可看出，LFM信號匹配濾波器群延遲是頻率的函數(shù)，且隨頻率的增加而減小。LFM波形匹配濾波器群延遲正好和信號群延遲相反，因此LFM信號通過匹配濾波器后相位特性得到補(bǔ)償而使輸出信號相位均勻，保證信號出現(xiàn)峰值。若改變輸入信號群延遲特性，而濾波器不變，則可使峰值點(diǎn)前移或滯后，因此可利用該性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對LFM雷達(dá)的導(dǎo)前假目標(biāo)干擾。在整個脈寬范圍內(nèi)，若干擾機(jī)在接收的LFM信號基礎(chǔ)上再調(diào)制一個固定的正頻率，則經(jīng)匹配濾波器后形成導(dǎo)前假目標(biāo)干擾。如果在整個脈寬范圍內(nèi)，干擾機(jī)調(diào)制的頻率是時變的，則經(jīng)匹配濾波器形成覆蓋干擾。根據(jù)干擾機(jī)調(diào)制頻率，并由式(3)可確定形成的假目標(biāo)相對目標(biāo)位置的導(dǎo)前量。若干擾機(jī)調(diào)制頻率為fJ>0，導(dǎo)前的距離為：

式中c為光速，fJ為干擾機(jī)調(diào)制頻率，可以是固定的，或時變的。通常干擾機(jī)要接收到信號后才能轉(zhuǎn)發(fā)，本身還需要一定的反應(yīng)時間，不妨設(shè)其總的延遲時間為，由此帶來的距離延遲為，要實(shí)現(xiàn)假目標(biāo)導(dǎo)前，通常要求

在寬帶雷達(dá)照射下，目標(biāo)表現(xiàn)為分布式的多散射中心。進(jìn)一步推導(dǎo)，當(dāng)fJ

其中，K為常數(shù)。當(dāng)fJ=0時上式即為匹配目標(biāo)回波的輸出，且在t=t0時刻輸出達(dá)到最大。當(dāng)fJ≠0時為失配干擾的輸出，且在時刻輸出功率達(dá)到最大。而fJ

上式和式(6)、式(7)一起約束了導(dǎo)前假目標(biāo)形成時的前移距離、增益損失等條件。

3 移頻導(dǎo)前假目標(biāo)的特性分析

從上一節(jié)可以看出，移頻導(dǎo)前假目標(biāo)的形成原理并不復(fù)雜，但對于雷達(dá)來說，對它的檢測和鑒別卻甚為困難，原因在于所產(chǎn)生的假目標(biāo)具有和真實(shí)目標(biāo)十分類似的時頻特性。下面進(jìn)行具體的分析?？紤]自衛(wèi)干擾的情形，設(shè)目標(biāo)與雷達(dá)的距離為RT，干擾機(jī)延時為、移頻fJ，在DRFM完全復(fù)制信號的情況下，目標(biāo)回波ST與干擾機(jī)回波SJ分別為：

圖1 真假目標(biāo)信號的頻譜、多普勒普及其匹配輸出Fig.1 Spectrum,Doppler spectrum,and matched filtering of true and false targets

從圖1可以看出，要實(shí)現(xiàn)真假目標(biāo)信號的鑒別是十分困難的。在匹配濾波前，由于移頻量相對信號帶寬很小，兩者之間頻帶高度重疊，頻域?yàn)V波方法無法分辯，而在多普勒域兩者波形高度相似，無法分辨；在匹配濾波后，由于距離-多普勒耦合效應(yīng)，原本滯后的干擾信號經(jīng)匹配輸出可能出現(xiàn)在目標(biāo)回波的前方，導(dǎo)前的距離可由式(5)、式(6)算出。因此，無論是匹配濾波前的頻域分析還是濾波后的前沿跟蹤判別，均難以判別真假目標(biāo)。

4 移頻導(dǎo)前假目標(biāo)的鑒別方法

盡管干擾信號和目標(biāo)回波具有十分相似的時頻特性，但對于脈內(nèi)自衛(wèi)干擾而言，在時域上干擾信號存在一個顯著特點(diǎn)：在匹配濾波前，由于其不可避免的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，干擾信號到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)前端的時間必然滯后于真實(shí)目標(biāo)回波；在匹配濾波后，由于移頻的影響，干擾信號領(lǐng)先于真實(shí)目標(biāo)回波。因此，干擾信號實(shí)際到達(dá)接收機(jī)前端與經(jīng)過匹配濾波后估計到達(dá)的時間存在著差異，而真實(shí)目標(biāo)回波卻不存在這種差異。這種差異為真假目標(biāo)的鑒別提供了物理基礎(chǔ)。

根據(jù)以上原理，本文提出了移頻導(dǎo)前假目標(biāo)的鑒別方法：在接收機(jī)前端信號分成兩路，一路進(jìn)行匹配濾波和參數(shù)估計[8]，另一路進(jìn)行延遲存貯，用于后續(xù)的相關(guān)處理。再進(jìn)行匹配濾波并估計出回波信號參數(shù)后，構(gòu)造相應(yīng)的參考信號，在估計出的回波到達(dá)時間窗口內(nèi)，將參考信號與延遲的回波進(jìn)行相關(guān)處理，如果是實(shí)體目標(biāo)回波，由于實(shí)際到達(dá)時間與參考信號的時間是一致的，則兩個信號的相關(guān)峰值在時間零值附近；反之，如果是有源轉(zhuǎn)發(fā)的信號，由于其實(shí)際到達(dá)時間晚于信號估計的到達(dá)時間，相關(guān)處理后其峰值必然偏離時間零點(diǎn)，偏移量與其延遲到達(dá)時間、移頻量相關(guān)，根據(jù)相關(guān)峰偏移的方向和大小可以判定干擾的類型。該方法的基本原理如圖2所示。

圖2 移頻導(dǎo)前假目標(biāo)鑒別方法流程框圖Fig.2 Diagram of preceded frequency-shift false target’s identification method

下面對以上方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

步驟1 將雷達(dá)接收到的信號進(jìn)行預(yù)處理，在匹配濾波前將其分成兩路。首先，對雷達(dá)接收機(jī)收到的信號進(jìn)行濾波和低噪放大等預(yù)先處理，然后將收到的雷達(dá)信號分成兩路。第1路進(jìn)行匹配濾波、參數(shù)估計和信號生成，參數(shù)估計方法可參考文獻(xiàn)[8]。第2路信號進(jìn)行延遲，用以和以后估計出的信號進(jìn)行相關(guān)處理。延遲的時間D取決于以下3個時間的總和：匹配濾波時間、參數(shù)估計時間、參考信號生成時間，若設(shè)這3個時間和為，則設(shè)定第2路的延遲時間為。由于這些時間是雷達(dá)自身處理花費(fèi)的時間，因此，通過計時器可以精確地獲知這個時間。

步驟2 將第1路信號進(jìn)行匹配濾波。將第1路信號進(jìn)行匹配濾波，匹配濾波處理是線性調(diào)頻信號最常見的處理方法，這里采用的方法與通常的匹配濾波相同。

步驟3 匹配濾波后選擇一個信號，進(jìn)行回波參數(shù)估計時，依據(jù)所提取出的回波參數(shù)，構(gòu)造相應(yīng)的參考信號。具體包括以下步驟：依據(jù)信號參數(shù)估計提供的到達(dá)時間、初始頻率、調(diào)頻率和信號幅度，從本振信號中經(jīng)衰減、延遲，得到用于干擾檢測的參考信號。

步驟4 將參考信號和步驟一得到的第2路信號進(jìn)行時間對齊，然后進(jìn)行相關(guān)處理。

步驟5 根據(jù)相關(guān)峰值偏移的位置量，判別是否為有源轉(zhuǎn)發(fā)信號或?qū)嶓w目標(biāo)回波：如果選擇的匹配濾波輸出信號進(jìn)行參數(shù)估計生成的參考信號與第2路信號相關(guān)處理后的相關(guān)峰值有一個出現(xiàn)在零點(diǎn)位置，不發(fā)生偏移，則可判別生成參考信號的匹配濾波輸出信號為目標(biāo)實(shí)體目標(biāo)回波，否則判決為有源轉(zhuǎn)發(fā)形成的假目標(biāo)。

為進(jìn)一步直觀顯示真實(shí)目標(biāo)和干擾信號在進(jìn)行相關(guān)處理前與參考信號的時域關(guān)系，圖3分別畫出了兩者的關(guān)系圖。

圖3 回波與參考信號的時域關(guān)系圖Fig.3 Diagram of time-domain relationship between echo and reference signal

從圖中可以看出，當(dāng)回波為真實(shí)目標(biāo)時，目標(biāo)的估計到達(dá)時間與其實(shí)際到達(dá)時間是一致的，因此，時間窗口對齊后兩者不存在時間差；當(dāng)回波為干擾信號時，參考信號與延遲信號之間存在一個顯著的時間差fJ/k，這是由于移頻干擾所表現(xiàn)出的到達(dá)時間與其實(shí)際到達(dá)時間之間的差異導(dǎo)致的，進(jìn)行相關(guān)處理后，這種差異將表現(xiàn)為相關(guān)峰在時間軸上的偏移。

5 仿真試驗(yàn)與分析

為檢驗(yàn)本文所提方法的有效性，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)定仿真參數(shù)如下：雷達(dá)的帶寬B=5 MHz，發(fā)射信號脈寬T=20 μs，干擾機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間，信噪比為0 dB。目標(biāo)和干擾在距離維的相對位置如圖4(a)所示，此時可以看出，由于轉(zhuǎn)發(fā)延遲的影響，干擾信號必然滯后于目標(biāo)回波，滯后的距離與其轉(zhuǎn)發(fā)延遲相應(yīng)。干擾機(jī)進(jìn)行移頻后可以改變假目標(biāo)在距離向的位置，通常要求，這里k=B/T為調(diào)頻斜率。在進(jìn)行移頻fJ=1 MHz以后，干擾和目標(biāo)的相對位置如圖4(b)所示，此時可以看出，由于時頻耦合的影響，此時干擾信號的位置分生了變化，已移至目標(biāo)回波之前，通過仿真參數(shù)可以算出，此時的前移量為μs，干擾信號從滯后μs變成了導(dǎo)前μs。

采用本文所提出的方法進(jìn)行干擾檢測，檢測結(jié)果如圖4(c)–圖4(h)所示。從圖4(c)可以看出，對于真實(shí)目標(biāo)，一個相關(guān)峰處于零點(diǎn)，一個相關(guān)峰右偏，因此判別生成參考信號的匹配濾波輸出信號為非導(dǎo)前有源干擾，判別結(jié)果與實(shí)際相符；圖4(d)是對有源導(dǎo)前干擾的檢測仿真圖，從圖中可以看出，對于有源干擾，兩個相關(guān)峰值均出現(xiàn)了往左偏移的現(xiàn)象，偏移的大小與移頻量和時延有關(guān)。從圖4(c)–圖4(h)的仿真結(jié)果可以看出，信噪比的增大只是使噪聲值減小，但對于相關(guān)處理后相關(guān)峰在時間軸的偏移并不產(chǎn)生本質(zhì)的影響。根據(jù)峰值偏移零點(diǎn)這一現(xiàn)象，可以判別其為有源導(dǎo)前假目標(biāo)干擾，判別結(jié)果與實(shí)際相符。因此，采用本文提出的方法，可以實(shí)現(xiàn)對移頻轉(zhuǎn)發(fā)形成的前移干擾實(shí)現(xiàn)有效檢測。

6 小結(jié)

欺騙干擾信號的檢測一直是雷達(dá)抗干擾的難點(diǎn)，特別是對于具有距離-多普勒耦合效應(yīng)的線性調(diào)頻信號，轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號在時頻域均難以分辨。本文提出了一種新的檢測方法，該方法具有如下幾個基本特點(diǎn)：首先，在基本原理上，該方法巧妙利用轉(zhuǎn)發(fā)類移頻干擾所具有的不可避免的時間延遲特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了移頻轉(zhuǎn)發(fā)形成的欺騙類干擾檢測，只要干擾機(jī)具有轉(zhuǎn)發(fā)延遲，該方法就能實(shí)現(xiàn)有效檢測，與干擾機(jī)復(fù)制信號的精度無關(guān)；其次，在應(yīng)用范圍上，該方法適用面廣，不僅適用于采用窄帶信號的雷達(dá)，也適用于采用中帶和寬帶信號的雷達(dá)，不僅適應(yīng)于導(dǎo)前假目標(biāo)干擾，而且可以推廣至對其它的移頻類干擾方法檢測；第三，該方法在較強(qiáng)的抗干擾能力，該方法無需利用多個脈沖信息，僅需利用單個脈沖即可實(shí)現(xiàn)檢測，即使干擾機(jī)所采用的移頻量在脈間捷變，本方法依然能實(shí)現(xiàn)干擾檢測，因此，相比于前沿跟蹤等抗干擾方法，該方法的適應(yīng)性更強(qiáng)，具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值。

圖4 干擾和目標(biāo)的相對位置及其檢測結(jié)果Fig.4 Test results of preceded false target and true target

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馮德軍(1972–)，男，湖南人，博士，國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授，研究領(lǐng)域?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)識別、雷達(dá)電子戰(zhàn)建模評估與仿真。

E-mail: fdj117@163.com

王俊杰(1991–)，男，湖南人，國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，研究方向?yàn)殡娮有畔⑾到y(tǒng)仿真評估。

E-mail: 352446163@qq.com

王俊卿(1974–)，男，吉林人，博士，北京電子工程總體研究所高工，研究領(lǐng)域?yàn)橹鲃永走_(dá)尋的制導(dǎo)技術(shù)、雷達(dá)抗干擾技術(shù)。

E-mail: wjqx16@163.com

Signature Analysis and Discrimination Method of Preceded Frequency-shift False Target

Feng Dejun①Wang Junjie①Wang Junqing②

①(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics &Information System,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

②(Beijing Institute of Electronic Enginnering,Beijing 100076,China)

Due to the effect of range-Doppler coupling between the time delay and shifted frequency of an LFM waveform,LFM radar is particularly susceptible to shift frequency jamming.A new deceptive jamming method,the Preceded Frequency-shift False Target (PFFT),has a similar signature to real radar targets,which indicates that conventional ECCM,such as leading-edge tracking,could be invalid when countering it.In this paper,the basic principle of PFFT is introduced and its signatures analyzed.Then,a new method for discrimination between a preceded false target generated by Digital Radio Frequency Memory (DRFM) and a radar target is proposed.By comparing the echo arrival time at the radar receiver front end with that estimated after a matched filter,the new method can extract the frequency modulation jamming signature and make a correct judgment.Simulation results are presented to verify the validity of the proposed method.

Active jamming; Preceded Frequency-shift False Target (PFFT); Repeat delay; Jamming discrimination

The National Natural Science Foundation of China (61372170)

TN971

A

2095-283X(2017)04-0325-07

10.12000/JR17026

馮德軍,王俊杰,王俊卿.移頻導(dǎo)前假目標(biāo)的特性分析及其鑒別方法[J].雷達(dá)學(xué)報,2017,6(4): 325–331.

10.12000/JR17026.

Reference format:Feng Dejun,Wang Junjie,and Wang Junqing.Signature analysis and discrimination method of preceded frequency-shift false target[J].Journal of Radars,2017,6(4): 325–331.DOI: 10.12000/JR17026.

2017-03-14；改回日期：2017-06-12；網(wǎng)絡(luò)出版：2017-07-10

*通信作者： 馮德軍 fdj117@163.com

國家自然科學(xué)基金(61372170)