干擾探測一體化信號波形設(shè)計與性能仿真

李其虎，王 穎，商開拴

(中國電子科學研究院，北京 100041)

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平越來越先進，作戰(zhàn)平臺工作的電磁環(huán)境日益復雜，面臨的戰(zhàn)場威脅日益增多。為了乙方生存和摧毀敵方威脅目標的需要，未來體系化作戰(zhàn)對武器裝備的發(fā)展越來越呈現(xiàn)出一機多能趨勢。目前單一功能、相互獨立的機載任務電子系統(tǒng)已越來越難以滿足信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化戰(zhàn)爭需要。當前集偵察、干擾、識別、探測于一身，同時結(jié)合導航、雷達、通信、對抗于一體的綜合任務電子系統(tǒng)備受關(guān)注，其中集干擾和探測于一體的共享信號波形可以做到利用強干擾信號進行隱蔽探測，讓敵方平臺誤認為只是在發(fā)射單純的雷達干擾信號而受到廣泛研究。文獻[1]提出利用單向耦合映象格子構(gòu)造時空混沌二相序列調(diào)制一體化時空混沌二相編碼信號波形作為一體化信號。文獻[2]基于偽隨機信號特點，采用時空混沌系統(tǒng)構(gòu)造偽隨機二相序列實現(xiàn)一體化波形設(shè)計。文獻[3]針對梳狀譜信號的正交特性，分別對探測信號和干擾信息進行調(diào)制，得到雷達干擾探測一體化信號波形。文獻[4]設(shè)計了基于混沌理論的二相編碼共享信號，并給出了共享信號的設(shè)計思路和優(yōu)化原則。文獻[5]開展了利用噪聲跳頻、調(diào)相信號作為雷達信號的理論推導與仿真。上述信號波形作為雷達信號雖然具有良好的探測性能，但是由于受到發(fā)射機的發(fā)射脈沖帶寬限制，作為干擾信號時，干擾頻譜帶寬有限，干擾性能較差。因此具有較好探測性能又具備較寬的頻譜的共享信號波形是干擾探測一體化信號波形的關(guān)鍵[6-10]。

多載頻偽隨機相位編碼信號波形，因其具有良好的探測性能，而受到廣泛研究。但多載頻偽隨機相位編碼信號由于實現(xiàn)的復雜度較高，限制了其在實際工程中的應用。本文通過綜合考慮工程實現(xiàn)的復雜性和干擾與探測性能的優(yōu)良性，采用雙載頻偽隨機二相編碼信號作為探測干擾一體化共享信號。由于信號采用相位編碼可以使其頻譜拓展，使其具備噪聲信號特點，而采用兩個單一的載頻信號，更有利于對回波信號進行處理分析。同時，兩個經(jīng)過偽隨機編碼調(diào)制的雙載頻信號，可以通過調(diào)整載頻之間頻率間隔實現(xiàn)頻帶拼接，從而覆蓋更寬的頻譜范圍，噪聲信號特性更加明顯,且不易被截獲。

1 信號特征分析

1.1 探測信號特征

探測信號波形重點關(guān)注能否從回波信號通過處理分析獲取準確的目標運動信息，包括目標的測量精度和測量分辨力。探測信號的頻譜結(jié)構(gòu)決定了該信號測距精度和測距分辨力，因此，為提高對目標作用距離和距離分辨力的探測精度，探測信號應具備較大的頻率帶寬。探測信號的時域結(jié)構(gòu)決定該信號的測速精度和速度分辨力。因此，為獲取較高的測速精度和速度分辨力，要求探測信號具備大的時域?qū)挾取＞C上可得大的時寬、帶寬積是探測信號波形獲得高精度測量精度和測量分辨力的前提。因此，為了保證探測系統(tǒng)的測距精度和距離分辨力以及測速精度和速度分辨力，可以獨立設(shè)計選擇探測信號的時寬和頻寬等波形參數(shù)。

1.2 干擾信號特征

干擾信號根據(jù)其使用的方式不同可以分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩大類。壓制式干擾主要通過發(fā)射大功率寬頻的干擾信號，使得對方雷達接收機信干比降低，無法從回波信號中解調(diào)檢測出目標運動參數(shù)。欺騙式干擾是在已知對方雷達的工作頻段和具體方位前提下，通過采用模擬發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)虛假目標信號方式，包括速度欺騙、距離欺騙、角度欺騙等，增大對方雷達對目標檢測的虛警率。壓制式干擾相對于欺騙式干擾最大的優(yōu)點是可以不需要知道對方雷達的具體工作頻率和位置，通過選用寬頻帶的干擾信號，采用大功率發(fā)射，對目標實施壓制式干擾。

1.3 偽隨機二相編碼信號特征

偽隨機相位編碼是采用相位調(diào)制編碼方式作為探測信號，解決雷達探測能力和距離分辨力之間矛盾，獲取較大的時寬、帶寬積。偽隨機相位編碼信號按相位取值數(shù)目分類，如果相位只取0和π兩個數(shù)值，即為二相編碼信號。偽隨機二相編碼信號特征表明該信號呈現(xiàn)出良好的距離分辨力和速度分辨力特性，不存在距離和多普勒耦合問題。此外，相對于線性調(diào)頻信號，由于相位編碼的隨機性，該信號具有良好的抗干擾性和低截獲性。同時，由于偽隨機二相編碼的特征主要取決于所采用的二元偽隨機序列，因此采用合適二元偽隨機編碼信號，如巴克序列碼、M序列碼、L序列碼是影響偽隨機二相編碼信號性能的重要因素。

2 干擾探測一體化波形設(shè)計

2.1 信號模型

雙載頻偽隨機二相編碼信號區(qū)別于偽隨機二相編碼信號的特點是該信號具有兩個載頻信號。在信號調(diào)制過程時，對每個信號分別進行偽隨機編碼調(diào)制，不同載頻所采用的偽隨機序列可以相同，也可以不同。根據(jù)雙載頻偽隨機二相編碼信號的數(shù)學定義，其函數(shù)表達式可描述為：

s(t)=c1(t)ejα1(t)ej2πf1t+c2(t)ejα2(t)ej2πf2t=
r1(t)ej2πf1t+r2(t)ej2πf2t

(1)

式(9)中，f1和f2為調(diào)制載波頻率，α1(t)和α2(t)為相位調(diào)制信號，c1(t)和c2(t)為實信號調(diào)制包絡(luò)，r1(t)=c1(t)ejφ(t)為復調(diào)制包絡(luò)。為便于數(shù)理計算推導，且不失一般性，本文中雙載頻采用相同的信號包絡(luò)進行調(diào)制，即c1(t)=c2(t)。此時復調(diào)制包絡(luò)r(t)取值可表述為：

(2)

(3)

式中，εik為產(chǎn)生的偽隨機序列，取值為-1或+1，v(t)為子脈沖信號復包絡(luò)，T為碼元寬度,P為雙載頻的碼元數(shù)目，則雙載頻二相編碼信號的持續(xù)時間為TP。

2.2 模糊函數(shù)

模糊函數(shù)是對雷達信號特性分析的重要手段，當干擾目標和觀測目標之間存在距離和速度的差別時，模糊函數(shù)可以定量地表示出干擾目標對觀測目標的干擾能力。由于一種信號波形對探測目標的距離分辨力和速度模糊度可以通過該信號的模糊函數(shù)表示，因此可以通過模糊函數(shù)描述某一信號的探測性能[11]。

基于在上一章節(jié)中構(gòu)建的雙載頻偽隨機二相編碼信號模型，信號s(t)的模糊函數(shù)χ(τ,ξ)可推導如下：

(4)

式(4)中，χao(τ,ξ)和χcs(τ,ξ)表達式分別如式(5)和式(6)所示。

χao(τ,ξ)=[exp(-j2πf1τ)+exp(-j2πf2τ)]·
χ1(τ,ξ)

(5)

χcs(τ,ξ)=exp(-j2πf1τ)χ1(τ,f2-f1+ξ)+
exp(-j2πf2τ)χ1(τ,f1-f2+ξ)

(6)

其中：

(7)

由二相編碼信號模糊函數(shù)性質(zhì)可知：

(8)

式(8)中，χp(τ,ξ)表達式如下：

(9)

聯(lián)合式(4)—式(9)，不難求得雙載頻偽隨機二相編碼信號模糊函數(shù)χ(τ,ξ)。

2.3 頻域特性

當前新體制的抗干擾能力裝備都是基于先進的抗干擾算法實現(xiàn)[12-14]。噪聲壓制干擾是應對先進抗干擾算法的最有效措施，然而完全與噪聲特性相符的干擾信號并不存在。干擾信號要有足夠的干擾帶寬，才能使得更多的干擾信號進入干擾目標的接收機，達到干擾壓制效果，因此信號的頻譜特征是衡量某一信號的干擾性能的重要指標。根據(jù)δ函數(shù)的性質(zhì)，將式(1)改寫為：

(10)

根據(jù)傅里葉變換性質(zhì)可得式(11)和式(12)。

根據(jù)傅里葉變換性質(zhì)對式(3)進行頻域變換可得：

(11)

同理：

(12)

根據(jù)卷積定理，可將式(10)改寫為：

(13)

為便于計算推導，由式(12)可得：

(14)

(15)

將式(14)、式(15)帶入式(13)可得雙載頻偽隨機相位編碼信號頻域表達式：

(16)

3 性能仿真與分析

為對基于雙載頻偽隨機二相編碼信號波形的探測性能進行驗證，對其模糊函數(shù)特性進行實驗仿真分析，利用31位M序列偽隨機碼對兩個載頻進行相位編碼，兩個載頻之間的頻率間隔取10 MHz，碼元寬度設(shè)為0.05 μs進行仿真，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，模糊函數(shù)在時延軸上主峰呈現(xiàn)出良好的尖銳性，主峰附近旁瓣都較低，模糊函數(shù)距離分辨力仿真結(jié)果表明該信號具有良好的測距能力。模糊函數(shù)在多普勒頻率軸上的主峰兩邊出現(xiàn)有兩個較高的旁峰，兩個旁峰的頻率間距為兩個載頻之間的間隔，幅度為主峰的一半。模糊函數(shù)速度分辨力理論仿真結(jié)果表明該信號對單目標進行探測時，不會出現(xiàn)速度模糊；在多目標進行探測時，可以通過選擇合適的兩個載頻之間的頻率間隔范圍，對速度模糊問題進行規(guī)避。

為對基于雙載頻偽隨機二相編碼信號的干擾性能進行仿真分析。實驗分別取碼元寬度T在0.4 μs，0.2 μs和0.1 μs時，對信號頻譜特性進行仿真。圖3為在不同碼元寬度下信號的頻譜特性圖。

圖2 雙載頻偽隨機二相編碼信號模糊函數(shù)Fig.2 Ambiguity function of dual carrier frequency pseudo-random two-phase coding signal

圖3 不同碼片寬度的信號頻譜圖Fig.3 Signal spectrum to different chip interval

根據(jù)對雙載頻偽隨機二相編碼信號頻率特性仿真所得的結(jié)果，在兩個載頻頻率間隔寬度一定情況下，通過改變碼元寬度大小，雙載頻偽隨機二相編碼信號呈現(xiàn)出不同的頻譜寬度和頻譜特性。當碼元寬度逐漸減少時，頻譜寬度逐漸拓展；當碼元寬度減少到0.05 μs時，雙載頻偽隨機二相編碼信號覆蓋范圍內(nèi)的頻率頻譜范圍將會全部連接上，此時該信號頻譜特性與噪聲特性趨于一致。上述仿真結(jié)果表明雙載頻偽隨機二相編碼信號作為干擾信號具有良好的似噪聲特性和低截獲性能。

4 結(jié)論

本文以信息化戰(zhàn)爭對電子戰(zhàn)裝備發(fā)展趨勢為牽引，在綜合考慮理論工程實現(xiàn)的復雜性和干擾探測性能的優(yōu)良性基礎(chǔ)上，提出了一種干擾探測一體化信號波形。該波形通過構(gòu)建基于雙載頻偽隨機二相編碼型號模型，理論推導了信號的模糊函數(shù)和頻譜函數(shù)，并對波形特性進行了仿真與分析。實驗仿真結(jié)果表明，本文所提出的基于雙載頻偽隨機二相編碼方式的干擾探測一體化信號波形，不僅在頻域上呈現(xiàn)明顯的噪聲特性，而且在時延軸和多普勒頻率軸上還具有較好的距離和速度分辨能力。此外，由于本文所構(gòu)建的雙載頻偽隨機二相編碼信號波形是通過采用兩個單獨的載頻進行調(diào)制，因此更便于對回波信號進行分析處理。同時，通過調(diào)整信號碼元寬度，可使得信號頻譜覆蓋更寬的頻帶范圍，使得信號噪聲特性更加明顯。因此，本文所提的干擾探測一體化信號波形理論和仿真分析結(jié)果可為干擾探測一體化信號波形的工程化應用提供理論參考。