連續波掩護信號技術研究*

丁爽，尚朝軒，韓壯志，解輝

(軍械工程學院 電子與光學工程系，河北 石家莊 050003)

0 引言

隨著電子技術的飛速發展，越來越多的電子偵察/干擾設備被應用于現代戰場，給雷達的生存帶來了巨大的威脅。其中瞬時測頻(instantaneous frequency measurement，IFM)接收機采用比相法瞬時測頻技術，具有截獲概率高、瞬時帶寬大、實時性好等特點，被廣泛應用于雷達告警、電子偵察等電子對抗設備[1-3]。因此，如何有效地干擾IFM接收機的工作，對雷達在戰場上的生存至關重要。

射頻掩護信號是為了保護雷達真實工作頻率而設計的具有欺騙性的信號[4]。現代雷達為了提高其抗干擾/抗偵察能力，往往設計了較為復雜的工作波形，而對射頻掩護信號的研究比較少[5]。IFM在一次采樣時間內只能給出一個測頻結果，因此在一次采樣時間內如果有多個信號頻率，則IFM不能準確測得信號頻率[6-8]。針對IFM接收機的這一特性，本文提出使用連續波掩護信號干擾IFM接收機的測頻，以達到保護雷達的目的。

1 IFM接收機原理

IFM接收機是一種非搜索式的寬帶測頻接收機，利用延時線或其他手段將頻率信息轉換為相位信息，通過對相位信息的測量得到信號的瞬時頻率[9-11]。

IFM接收機的一種典型類型就是使用延時-鑒相組合得到相位信息。延時-鑒相組合的原理如圖1所示。

圖1 延時-鑒相組合原理圖
Fig.1 Diagram of combination of time delay and phase demodulation

將截獲信號通過功分器分成2路信號，其中一路信號經過一定的射頻延遲T后與另一路信號產生一定的相位差φ。相位差φ與信號頻率fRF的關系式為

φ=2πfRFT.

(1)

由于延遲時間T已知，所以只需測出相位差φ就可求得信號頻率fRF。圖1中的鑒相模塊就是用于測量2個輸入信號的相位差。因為相位無模糊測量范圍是[0,2π),所以由式(1)得，頻率fRF的無模糊測量范圍為

(2)

由式(2)可知，為了得到大的測頻范圍，需要使用較短延遲時間。但是為了提高測頻精度又需要較長的延遲時間。因此實際中IFM接收機采用多路延時-鑒相組合，用短延遲-鑒相組合的相位輸出求解長延遲-鑒相組合的相位輸出的模糊，用長延遲-鑒相組合解模糊后的相位輸出校準短延遲-鑒相組合的相位測量值。對于多路延時-鑒相組合的并行運用，頻率分辨率的一般表達式為

(3)

式中：Tm為最短延遲時間；m為低位延時-鑒相組合的量化比特數；n為相鄰延時-鑒相組合的延時線比；k為延時-鑒相組合路數。在實際工作中，延時-鑒相組合路數不宜過多，否則體積過大，一般k=3或4。

IFM接收機組成如圖2所示，除了多路延時-鑒相組合，它還包括限幅放大器，同時到達信號檢測電路和門限檢測/定時控制電路。其中同時到達信號檢測電路用于檢測采樣時間內是否有同時到達信號，去除同時到達信號的測頻結果對IFM接收機測頻的影響；門限控制/定時控制電路用于啟動對τpw,tTOA等其他脈沖描述字的測量。

圖2 IFM接收機的組成Fig.2 Composition of a IFM receiver

2 連續波掩護信號工作原理

IFM接收機利用延時線將相位信息轉換成頻率信息，實現對信號頻率的實時測量。如果在采樣時間以內截獲信號的瞬時頻率近似保持不變，且無相位跳變，則IFM接收機的測頻結果正確。這就意味著一個采樣時間內IFM接收機只能對一個信號的頻率做出準確測量。因此當截獲信號存在同時到達信號時，IFM接收機則不能準確測出信號頻率。

對同時到達的2個信號的延時-鑒相結果進行分析。設同時到達的2個信號分別為

s1=A1ej2πf1T=A1ejφ1=A1cosφ1+A1jsinφ1,

(4)

s2=xA1ej2πf2T=xA1ejφ2=xA1cosφ2+xA1jsinφ2,

(5)

而二者合成矢量為

s=Aej2πfT=Aejφ=Acosφ+Ajsinφ,

(6)

式中：A1，xA1和A分別為信號s1，s2和s的幅度；f1，f2和f則分別為信號s1，s2和s的頻率；φ1，φ2和φ分別為信號s1，s2和s的相位。

假定信號s1是大信號，s2是同時到達的小信號，即x>1。求同時到達的小信號對測頻的影響，即求合成信號s和信號s1的頻率差，可等價為求二者的相位差Δφ=φ-φ1。

由矢量合成原則，得

A1sinφ1+xA1sinφ2=Asinφ,

(7)

A1cosφ1+xA1cosφ2=Acosφ.

(8)

設信號s2和信號s1的相位差Δφ1=|φ1-φ2|，則

(9)

由式(9)得，Δφ1一定時(2個同時到達信號頻率一定時)，x的值越大(2同時到達信號幅度值差越大)，Δφ的值越小(信號s和信號s1的頻率差越小)，即合成信號測量頻率越靠近大信號。

而當x的值一定時(2個同時到達信號的幅度一定時)，Δφ1的值越大(信號s2和信號s1的頻率差越大) ，Δφ的值越大(信號s和信號s1的頻率差越大)。

經過上面的分析可知，同時到達的信號會影響IFM接收機的測頻結果。利用IFM接收機的這種性質，在雷達發射雷達脈沖信號的同時發射一定功率的連續波掩護信號。如果連續波掩護信號在IFM接收機動態范圍內，則對于IFM接收機，每個雷達脈沖處都存在同時到達信號。因此，IFM接收機的工作效果將會受到干擾：

(1) IFM接收機將大量脈沖信號標記為同時到達信號，則大量脈沖被舍去，IFM接收機只能輸出少量脈沖參數。

(2) IFM接收機沒有將脈沖信號標記為同時到達信號，則測頻誤差很大，IFM接收機輸出大誤差的脈沖參數。

(3) IFM接收機將連續波信號標記為了脈沖信號，則測得大量的連續波頻率，IFM接收機輸出大量的錯誤脈沖參數。

3 仿真校驗

對IFM接收機的仿真使用SyetemVue平臺，SyetemVue是由安捷倫公司開發的仿真平臺，在最新的版本中，加強了對雷達、電子戰仿真模塊的開發，有利于實現對雷達偵察系統的仿真[12-13]。

本文中IFM接收機采用4路延時-鑒相組合，最短延時線長度為0.05 ns，延時線比例為1∶4∶16∶64，瞬時測頻范圍20 GHz，測頻精度為10 MHz。

根據本文提出的IFM接收機模型在SyetemVue平臺搭建的仿真模型如圖3所示。

圖3中“huanjing”模塊為自定義的雷達混合截獲信號模塊；“DelayEnv”模塊為射頻延時模塊，將輸入信號延時一定時間輸出；“PhaseComparator”模塊為相位比較器，輸出2輸入信號的相位差；“DownSampleEnv”模塊為降采樣模塊，降低輸入信號采樣率，在保證不影響測頻結果的前提下降低數據量，提高仿真速率；“MATLAB”模塊為Matlab腳本，用于仿真數字信號處理部分，實現相位信息到頻率信息的轉換和和4路鑒相結果的解模糊[14-15]；“Sink”模塊用于接收和存儲測頻結果。

設定雷達混合截獲信號存在1部雷達和1部連續波掩護信號發射機，雷達使用線性調頻信號，脈寬為1 μs，脈沖重復周期為40 μs，載頻為2 GHz。連續波信號使用步進頻率連續波。設雷達脈沖信號

圖3 雷達偵察接收機仿真Fig.3 Simulation of radar reconnaissance receiver

與掩護信號之間的功率比為k，即

(10)

式中：Ps為雷達脈沖的功率；Pcw為連續波掩護信號的功率；k的單位為dB。

定義測頻誤差為

(11)

當k一定時，改變連續波信號的頻率，由式(9)可知，連續波信號頻率的改變會影響IFM接收機的測頻結果。設定k=10,0和-10 dB 3種情況，仿真結果如圖4所示。

當連續波信號頻率一定時，改變連續波信號的功率，即改變k的值，同樣由式(9)可知，雷達脈沖信號與掩護信號之間的功率比k的的改變會影響IFM接收機的測頻結果。設定連續波頻率fcw=1.5,2和3 GHz 3種情況，仿真結果如圖5所示。

由仿真結果圖4和圖5可以看出來，當連續波頻率與雷達脈沖頻率偏差越大時，IFM接收機測頻誤差越大；當雷達脈沖信號與掩護信號之間的功率比k越大時，IFM接收機測頻誤差越小。仿真結果與理論相符，用連續波掩護信號干擾IFM接收機工作是可行的。

圖4 連續波信號頻率改變仿真結果Fig.4 Simulation results of continuous wave signal frequency change

圖5 改變k值仿真結果Fig.5 Simulation results of changing k values

4 結束語

本文分析了IFM接收機的測頻構成和原理，闡述了同時到達信號對IFM接收機測頻的影響。通過分析，提出了一種干擾IFM接收機測頻工作的方法，即使用一定范圍內功率和頻率的連續波掩護信號使IFM接收機收到的雷達脈沖信號都為同時到達信號，以此干擾IFM接收機的測頻工作，最后仿真驗證了方法的有效性，并分析了不同功率比和頻率差情況下連續波掩護信號對IFM接收機的干擾效果。

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