針對密集假目標的干擾效果分析與優化

黃 奕 余建宇 蘇若龍 李辰梓

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

對雷達的干擾方法主要可以分為壓制干擾及欺騙干擾兩種[1],假目標樣式通過其分布特性可以產生欺騙或者壓制效果,其作用原理主要是生成大量與雷達信號相參的假目標,針對雷達目標檢測中的恒虛警檢測進行干擾,假目標的分布特性主要來源于其調制方法,如分段重構法中的采樣間隔。普遍認為干信比達到10dB時可以實現較好的壓制干擾效果[2],然而在實際應用中尤其是當干擾機搭載在無人機等小型平臺時,受限于重量和體積導致干擾機功率有限,難以達到所要求的干信比,另一方面過大的干信比也易觸發雷達抗干擾措施[3]。因此需要對密集假目標的干擾效果進行分析,尋求當假目標與真實目標尖峰幅度相近時也能實現良好干擾效果的方法。本文將針對多假目標干擾對恒虛警檢測的干擾原理,定量分析其壓制效果,給出一種可以有效提升其壓制干擾效果的協同方法。

1 恒虛警檢測原理

對干擾有效性的評估可以通過使用雷達信號處理中特定的目標檢測方法實現。雷達在存在噪聲和干擾的背景中進行目標檢測時,常采用恒虛警檢測(CFAR)的處理方法,通過生成檢測門限,與被檢測單元內信號的幅值進行比較,判斷是否存在目標信號來評估干擾效果。

單元平均恒虛警檢測(CA-CFAR)的原理如圖1所示,在距離門上以檢測單元為中心在其兩側分別選取長度分別為M的保護單元和長度為L的參考單元,之后對兩側參考單元內所存在噪聲和干擾幅值求均值后與乘性因子K0相乘得到檢測門限S。乘性因子K0由所設計雷達的虛警概率Pfa決定,不同用途的雷達虛警概率不同,虛警概率越小,則乘性因子的值越大,所生成的門限值也越高,以CA-CFAR為例,乘性因子的計算方法為

(1)

之后將所求得的門限與被檢測單元內信號的幅值進行比較,若大于門限,則認為該檢測單元中存在目標。評估干擾效果最直接的方法是當恒虛警處理方法無法檢測到目標信號時則認為壓制干擾有效,反之則認為無效。

圖1 CA-CFAR原理圖

常用的CFAR方法除單元平均CFAR外還有單元平均取小(SO-CFAR)、單元平均取大(GO-CFAR)等處理方法,這兩種方法求取門限的計算公式為

(2)

2 干擾原理與效果分析

2.1 密集假目標生成原理

密集假目標干擾可以通過分段重構法實現,原理如圖2所示。將長度為N的雷達信號x(t)以間隔L分為k段,對信號數據依次進行L點延時,依照所需假目標個數做M次延時,將這M次延時的數據依時間順序排列并累加得到干擾信號xjam(t),這表明xjam(t)由(M+N-1)段信號組成,其中第一段就是對雷達信號x(t)的第一段采樣,第二段為前兩段采樣之和,第三段為前三段采樣之和,依此類推,直至最后一段采樣為雷達信號x(t)的最后一段。間隔L對應假目標之間的時間間隔,M對應假目標數目,這兩個參數用于控制所生成假目標的密度。

圖2 分段重構法原理示意圖

假設雷達發射的信號為

(3)

將x(t)延時疊加后得到干擾信號為

(4)

密集假目標干擾經過128個脈沖信號進行相參積累和脈壓后的干擾效果如圖3(a)所示,在距離維上生成等間隔均勻分布的假目標尖峰,經過MTI、MTD處理后的結果如圖3(b)、圖3(c)所示,在距離維和多普勒維上形成與目標信號一致的密集假目標。

圖3 干擾效果及處理結果圖

2.2 密集假目標干擾效果分析

密集假目標根據其假目標的密度可以產生壓制干擾和欺騙干擾兩種效果,主要取決于雷達所接收到信號的干信比或落入雷達CFAR參考單元內的假目標個數。根據恒虛警檢測處理方法的原理,當落入參考單元內假目標個數足夠多時,其檢測門限將會被抬高,從而導致對目標信號的漏警甚至實現對假目標自身的遮蔽從而起到壓制效果[4]。而當落入參考單元內的假目標個數較少時,會造成假目標和真實目標同時被雷達所檢測到從而形成欺騙干擾的效果。

CFAR滑窗長度Lall可以表示為:Lall=2(L+M)+1,均勻分布的假目標之間的間距為D,當滑窗長度與假目標間隔滿足一定關系時,密集假目標干擾對于檢測門限的干擾效果是不同的。

1)當CFAR滑窗長度Lall小于假目標間距D時,即無論何時最多有一個假目標處于真目標兩側的任一參考單元內,則使用CA-CFAR處理方法檢測門限抬高幅度有限,使用SO-CFAR處理方法時,門限僅由噪聲決定,無法抬高檢測門限。這種情況下也存在沒有假目標落入真目標兩側參考單元的情況,如圖4所示,無論使用何種處理方法檢測門限僅由參考單元中的噪聲決定,干擾無法抬高檢測門限。

圖4 Lall

2)當CFAR滑窗長度Lall大于假目標間隔D但小于兩倍的假目標間隔,則無論何時都可以保證至少有一個假目標位于一側參考單元內,如圖5所示。在這種情況下,假如僅有一個假目標落入參考單元,采用SO-CFAR處理方法時,干擾無法抬高檢測門限,采用其他方法時均可實現對檢測門限的抬高,使真實目標無法被檢測到。

圖5 D≤Lall<2D示意圖

3)當滑窗長度Lall大于兩倍的假目標間隔D時,則無論何時真目標兩側的參考單元內都會有假目標分布,如圖6所示。在這種情況下,無論采用哪一種處理方法,干擾都可以起到抬高檢測門限的作用,使真實目標無法被檢測到。

圖6 2D

2.3 仿真分析

假設真實目標位于距離門3000處,干擾信號樣式為密集假目標干擾,所生成的假目標之間的間距為30個距離單元,對三種長度不同滑窗經CA-CFAR、SO-CFAR和GA-CFAR三種方法的處理結果進行仿真。

1)仿真1:假設CFAR滑窗中單側參考單元數量為8,保護單元數量為2,則滑窗長度Lall=21,虛警概率Pfa=1×10-4,三種處理方法的仿真結果如圖7所示,其中實線為信號,虛線為所生成的恒虛警門限。

圖7 三種處理方法仿真結果圖

由這三種方法的處理結果圖可以看到距離門3000處的真實目標尖峰與檢測門限的關系,當滑窗長度小于假目標間隔時,會出現無法有效抬高檢測門限,從而導致真實目標尖峰依然可以被雷達所檢測到,與理論分析一致,密集假目標干擾無法實現壓制效果。

2)仿真2:假設CFAR滑窗中單側參考單元數量為16,保護單元數量為2,則滑窗長度為37,Pfa=1×10-4,三種處理方法的仿真結果如圖8所示。

圖8 三種處理方法仿真結果圖

由三種方法的處理結果圖可以看出,當滑窗長度大于一倍假目標間隔,小于兩倍假目標間隔時,采用CA-CFAR、GO-CFAR處理均無法有效檢測目標信號,但當采用SO-CFAR時可以有效檢測到目標信號,與理論分析一致。

3)仿真3:假設CFAR滑窗中單側參考單元數量為32,保護單元數量為2,則滑窗長度為69,Pfa=1×10-4,三種處理方法的仿真結果如圖9所示。

圖9 三種處理方法仿真結果圖

由三種方法的處理結果圖可以看出,當滑窗長度大于兩倍的假目標間隔時,與理論分析相符,真實目標將無法被檢測到,甚至出現密集假目標的自遮蔽效果,但CA-CFAR及SO-CFAR方法對干擾生成的第一個及最后一個假目標能夠有效檢測到,原因是邊緣假目標的兩側檢測單元中有一側為噪聲而非假目標,對檢測門限的抬升有限,因此邊緣假目標會被檢測到。

3 優化分析與仿真

3.1 優化方向分析

通過對密集假目標干擾效果的分析可知,當滑窗長度大于兩倍的假目標間隔時,壓制效果穩定良好。但在實際作戰中,敵方雷達的恒虛警門限不可知,無法確定合適的假目標間隔。因此需要從其他角度出發,提升密集假目標干擾的壓制效果。決定恒虛警門限的因素是檢測單元兩側參考單元的平均幅值,當參考單元內不存在假目標時,其平均幅值實際上僅取決于環境和系統噪聲,因此可以考慮通過提升密集假目標干擾信號時寬內的噪聲功率水平來提升其壓制干擾效果。通過多機協同的方式可以實現,如兩架干擾機同時工作,一架向雷達轉發密集假目標樣式干擾信號,另一架發射類噪聲信號。由于現代雷達存在相干積累、脈沖壓縮等一系列抑制雜波的信號處理方法,若類噪聲信號采取傳統噪聲調頻調幅等樣式干擾效率較低,且面對雷達相參處理時無法享受其增益,因此考慮類噪聲信號采用與雷達信號相干的干擾樣式,如卷積靈巧噪聲[5],時寬上略大于密集假目標干擾信號的時寬,幅度低于密集假目標信號,干擾機1,2與雷達的位置關系如圖10所示,干擾機1采用卷積靈巧噪聲干擾樣式,干擾機2采用密集假目標干擾樣式,兩干擾機信號時域上的協同關系如圖11所示。

圖10 干擾機位置關系圖

圖11 信號時域協同示意圖

(5)

由公式(5)可知S0主要與滑窗長度和假目標個數有關,以極限情況推算,當滑窗內不存在假目標時,即N=0,則門限全由卷積靈巧噪聲功率決定,則其所生成門限可以表示為

S0=(Anoise+A0)·KCA

(6)

當卷積靈巧噪聲功率較大時,則該式中的A0可忽略不計,當門限值S0大于真實目標信號幅度Atarget時則可實現對目標信號的壓制效果,即卷積靈巧噪聲在參考單元內的幅值與乘性因子的乘積大于真實目標信號幅值即可。隨著落入參考單元假目標數量增多,對卷積靈巧噪聲干擾的功率要求進一步降低。

3.2 仿真分析

假設真實目標信號位于距離門3000處,CFAR滑窗中單側參考單元數量為8,保護單元數量為2,則滑窗長度Lall=21,Pfa=1×10-4。對脈沖信號進行相干積累、脈沖壓縮后幅值為67.5dB,假目標幅值與真實目標信號幅值相近,卷積靈巧噪聲的幅值為55.1dB,在乘性因子與前文一致的情況下,可求得CA-CFAR門限為77.02dB。仿真結果如圖12所示,其中仿真所得CA-CFAR門限為77.45dB,與理論分析接近,能夠壓制目標信號。

圖12 三種處理方法仿真結果圖

由三種方法的處理結果圖可以看出,當采用兩機協同的方式,另一干擾機采用卷積靈巧噪聲信號時,可以有效提高所生成的檢測門限,從而達到干擾雷達使其無法有效檢測真實目標的目的。當在滑窗長度小于假目標間隔的情況下,所生成門限已高于目標信號,根據理論分析和前文的仿真結果可知,隨著CFAR滑窗長度的增加,落入參考單元內的假目標數目也會增多,從而進一步提升所生成的檢測門限,則可判斷當滑窗長度增加時也可實現壓制干擾,且效果更佳。仿真的虛警概率Pfa=1×10-4,在實際雷達設計中屬于較高的虛警概率,當虛警概率設計較低時,相應的乘性因子增大,則實現壓制干擾所需求的卷積靈巧噪聲功率可以進一步降低。

4 結束語

本文介紹了密集假目標干擾的生成原理和雷達恒虛警檢測處理方法,對密集假目標樣式的干擾效果進行了定量分析,通過仿真研究在不同長度參考單元和使用不同恒虛警處理方法情況下密集假目標干擾的效果。針對干信比較低時其在壓制真實目標上的不足,提出一種兩機協同的方法,通過采用卷積靈巧噪聲與之時域疊加提升假目標間隔中的噪聲功率水平,實現在面對不同長度參考單元的三種CFAR處理方法時都能較好的壓制真實目標,為工程實踐提供一定借鑒和參考意義。