雷達導引頭兩種步進頻信號性能比較及抗干擾仿真

伍建輝 魏 政

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

步進頻率(SF)信號是高距離分辨率信號中的一種重要形式，它通過相參脈沖串中各個載頻的跳變獲得大的帶寬，并通過IFFT處理獲得高的距離分辨率[1]。步進頻率的合成帶寬為N·Δf(N為積累脈沖數，Δf為頻率步進量)，提高距離分辨率需要增大N或增大Δf，增大N意味著系統數據率的降低，為了避免高分辨距離像的混疊以及抑制柵瓣出現，單載頻SF信號須滿足緊約束條件[2]τ·Δf≤1 (τ為脈沖寬度)，所以增大Δf必須減小τ，這會使發射信號的平均功率降低，導致雷達作用距離下降。而相位編碼步進頻率(PCSF)信號通過在子脈沖內附加相位調制，比單載頻SF信號更大的Δf，可以用較小的脈沖數N得到較大的合成帶寬，解決了脈沖數N與頻率步進Δf之間的矛盾，從而具有較高的數據率。

1 PCSF信號表達形式

二相編碼步進頻率信號是載頻以固定步長跳變，且在子脈沖內進行相位編碼的脈沖序列，表達式可寫為：

(1)

式(1)中rect(·)為矩形函數，其中N為脈沖個數，Tr為脈沖重復周期，Tc為編碼的子脈沖寬度，P為碼長，編碼信號在一個Tr內的脈寬為τ=P·Tc，Ck∈{1,-1}，為二相編碼序列，Δf為頻率步進的步長。

2 PCSF信號處理流程

PCSF信號的處理主要包括混頻、脈沖壓縮、相參積累等過程，流程如圖1所示。

如圖1所示，處理流程按以下步驟進行：

1)回波信號與頻率綜合器出來的本振信號local(t)=e-j2πfit進行相參混頻，得到回波的基帶信號。

2)由于二相編碼屬于多普勒敏感信號，必須消除多普勒相位帶來的影響——距離多普勒耦合以及副瓣抬高問題，必須乘以頻移因子wb(t)=e-j2πfdt將fd搬移至零頻。

圖1 PCSF信號處理流程

3)對子脈沖依次進行頻域脈壓，其中H(f)是頻域脈壓系數、W(f)是副瓣抑制濾波器的頻域傳遞函數，它的目的是為了壓低脈壓結果的副瓣電平。

5)N個脈沖結果進行重排，做IFFT進行相參積累。

6)采用拼像去偽峰算法得到最終的一維距離像，進入后續的目標檢測環節。

3 PCSF信號與Chirp-SF信號性能比較

現從模糊函數、抗干擾、多普勒效應等方面將PCSF與工程常用的Chirp-SF信號做一比較。

1)模糊函數比較

設計和研究雷達波形的主要數學工具是模糊函數，PCSF信號的模糊函數為圖釘型[3-4]，沒有距離-多普勒耦合，可以精確測定遠距離目標和高速目標。而Chirp-SF信號的模糊函數為傾斜的釘板型，存在距離-多普勒耦合現象，即耦合時移，對于運動目標需做脈內距離走動補償處理。

2)抗干擾方面

PCSF信號脈內采用偽隨機二相編碼信號，外部干擾信號不論是周期性的還是隨機的，與本地二相碼作相關處理后均被隨機化，所以具有更低的波形截獲概率。Chirp-SF信號脈內的Chirp信號由于存在周期性，波形結構過于簡單，因此其波形容易被偵察干擾和截獲。

3)多普勒效應

偽隨機二相編碼信號屬于多普勒敏感信號[5][6]，目標的多普勒會降低脈壓峰值，其多普勒容限fd1≈1/(4PTc)，同時該信號的距離旁瓣較高，其原因是相位編碼所用的偽隨機碼的相關函數不理想和目標存在多普勒頻移所造成的，需要進行特殊的加權濾波來抑制副瓣，同時會造成SNR損失。

Chirp信號屬于多普勒不敏感信號，其多普勒容限fd2=0.294Bn，Bn為脈內Chirp信號帶寬，一般Bn較大，所以Chirp信號有較大的多普勒容限值和較好的多普勒性能。

4)脈壓性能比較

偽隨機二相編碼信號對于中、遠區目標的完全回波接收，脈壓后的遠區副瓣比較平緩，跟第一副瓣電平相當。對于近區目標的部分回波接收(即接收回波的脈沖寬度小于發射脈沖寬度)，回波中的碼元個數減少了，但是碼元寬度Tc并未改變，由于信號帶寬與碼元寬度Tc近似呈倒數關系，所以經過脈壓后主瓣寬度并未展寬，只是抬高了距離副瓣。

Chirp信號對于中、遠區目標的完全回波接收，脈壓后的副瓣衰減速度較快，可以達到-50dB以下，所以從掩蓋遠區目標的角度來說，偽隨機二相編碼信號不如Chirp信號。但是Chirp信號對于近區目標的部分回波接收，經過脈壓后主瓣寬度展寬，嚴重時主瓣會發生畸變。

4 PCSF與Chirp-SF抗干擾能力比較

抗干擾能力是全面衡量雷達導引頭在復雜電磁環境下工作能力和生存能力的重要指標，壓制性干擾與存儲轉發式干擾是雷達導引頭主要的干擾樣式，本節在同等的雷達參數條件下，比較PCSF與Chirp-SF信號的抗干擾性能。

比較條件：設置PCSF與Chirp-SF兩種信號具有同等的脈寬τ=2.54us，同等的脈沖周期Tr=60us，同等的脈沖數N=8，同等的頻率步進量Δf=40MHz；同等的采樣率fs=100MHz， Chirp-SF信號子帶寬Bn=50MHz，PCSF采用碼長為P=127的小m序列，信號子帶寬Bn2=1/Tc=50MHz，即二者有相同的子帶寬與合成帶寬。

4.1 壓制性干擾

壓制性干擾是雷達導引頭面臨的主要的干擾形式，壓制性干擾的定義：在雷達導引頭回波的頻譜范圍之內，干擾機發射功率較強的干擾信號，以壓制敵方導引頭的有用回波信號，阻止敵方設備從電磁回波中獲取目標信息[7]。

壓制性干擾根據頻譜特性分為瞄準式、寬帶阻塞式、掃頻式三大類，本節從點頻干擾、窄帶干擾、寬帶干擾、掃頻干擾4種干擾形式來仿真兩種信號的抗干擾能力。

各種干擾源仿真參數：真實目標距離R=3579m，輸入干噪比JNRi=20dB；輸入信噪比SNRi=15dB；輸入干信比JSRi=JNRi-SNRi=5dB。

4.1.1 點頻干擾

設置點頻干擾的中心載頻fc=30MHz，干擾點頻處于接收機瞬時帶寬之內，兩種信號經過脈間二次脈壓之后的細分辨距離像如圖2和圖3所示。

圖2 點頻干擾下PCSF信號距離像

圖3 點頻干擾下Chirp-SF信號距離像

如上圖所示，PCSF信號輸出的主副瓣比：MSR=-32.3dB, Chirp-SF信號輸出的MSR=-40.7dB。

4.1.2 窄帶干擾

設置窄帶干擾的中心載頻fc=0Hz，干擾帶寬BJn=2MHz，一維距離像如圖4、圖5所示。

圖4 窄帶干擾下PCSF信號距離像

圖5 窄帶干擾下Chirp-SF信號距離像

從圖4、圖5可見，在窄帶干擾環境下，PCSF信號輸出的MSR=-23.0dB, Chirp-SF信號輸出的MSR=-20.1dB。

4.1.3 寬帶干擾

寬帶干擾的中心載頻fc=0Hz，干擾帶寬BJn=40MHz，寬帶干擾帶寬接近50M的子脈沖帶寬，在寬帶干擾下的距離像如下所示。

圖6 寬帶干擾下PCSF信號距離像

圖7 寬帶干擾下Chirp-SF信號距離像

從圖6、圖7可以看出，在寬帶干擾環境下，PCSF信號輸出的MSR=-20.4dB, Chirp-SF信號輸出的MSR=-18.8dB。

4.1.4 掃頻干擾

此處采用的掃頻干擾的形式是余弦二次掃頻，掃頻帶寬Bw=40MHz，具體是[0，Tr/2]從40M掃頻至0，在[Tr/2，Tr]從0掃頻至40M，對應的時頻譜如圖8所示。

圖8 掃頻干擾的時頻譜

圖9為掃頻干擾的頻譜，圖10、圖11分別對應掃頻干擾環境的PCSF、Chirp-SF信號的距離像，在掃頻干擾環境下，PCSF信號輸出的MSR=-21.9dB, Chirp-SF信號輸出的MSR=-20.7dB。

圖9 掃頻干擾的頻譜

圖10 掃頻干擾下PCSF信號距離像

圖11 掃頻干擾下Chirp-SF信號距離像

4.2 存儲轉發式干擾

存儲轉發式干擾是對接收到的雷達信號進行數字射頻存儲，然后經過信號延遲、放大后發射出去的干擾樣式。這種轉發式干擾很容易做到距離欺騙和速度欺騙，同時可以在雷達接收端產生大量虛假目標，降低雷達導引頭對真實目標的檢測性能。

在存儲轉發式干擾樣式仿真中，設置干擾源徑向距離：RJ=R+100m(真實目標距離R=3579m)，即干擾源置于比目標的徑向距離遠100m的地方,存儲轉發式干擾的其余仿真參數如4.1節參數設置。

4.2.1 Chirp-SF干擾

Chirp-SF信號的儲存轉發式干擾的信號形式為Chirp-SF，經過前端混頻與濾波之后，進入接收機的信號為零中頻的Chirp信號。

圖12 存儲轉發式干擾下Chirp-SF信號距離像

由圖12可以看出，Chirp-SF信號對存儲轉發式干擾比較敏感，在目標R=3579m附近出現了8個虛假目標，且最大的虛假目標電平比目標主峰只小7.9dB,在導引頭全程搜索過程中較多的虛假目標會造成虛警過高而漏掉真實目標，造成搜索困難，若跟蹤階段存在Chirp-SF存儲轉發式干擾則可以通過距離門選通等手段剔除虛假目標。

4.2.2 PCSF干擾

PCSF信號的儲存轉發式干擾的信號形式為PCSF，經過前端混頻與濾波之后，濾除跳頻的載頻分量之后進入接收機的信號為零中頻的偽隨機調相干擾信號。

由圖13可見，PCSF信號的儲存轉發式干擾中目標距離R=3579m,全程距離段只有1個干擾目標位于RJ=3680m，且干擾電平比目標主峰強3.5dB,

該干擾亦會對導引頭全程搜索造成影響，但通過剔除強干擾的虛假目標等措施，可以大大降低對目標搜索的影響，若跟蹤階段存在PCSF存儲轉發式干擾也可以通過縮小波門等方法剔除轉發式距離欺騙干擾，但與Chirp-SF的抗干擾相比，PCSF信號的抗截獲能力較強。

圖13 存儲轉發式干擾下PCSF信號距離像

綜上所述，對上面的各種干擾形式從脈壓后的主副瓣比做一總結歸納，如表1所示。

表1 各種干擾下的PCSF、Chirp-SF信號的主副瓣比(MSR/dB)

從表1可以看出，點頻干擾下，Chirp-SF信號優于PCSF信號，其余干擾下均是PCSF信號優于Chirp-SF信號。

5 結束語

二相編碼步進頻率信號是頻率步進信號中的一種重要形式，它可以在較低的瞬時帶寬下獲得高分辨率的效果。本文首次將PCSF信號與Chirp-SF信號優缺點進行了全面對比，并在同等的雷達參數下對PCSF信號與Chirp-SF信號進行了抗干擾比較，并得出結論：在抗干擾效能方面PCSF信號優于Chirp-SF信號，應在工程應用中大力推廣使用。

參考文獻:

[1] 鮑坤超，陶海紅，廖桂生.相位編碼步進頻率信號的模糊函數分析[J].火控雷達技術，2007,36(1):62-65.

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[3] 毛士藝，張瑞生.脈沖多普勒雷達[M].北京：國防工業出版社，1990.59-60.

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