低頻機載雷達受無意干擾分析及抑制研究

霍恩來

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

顧名思義,雷達干擾是對雷達系統工作進行干擾的一種技術措施,其根據干擾來源可分為有意干擾和無意干擾,一般把敵方作戰序列對我方雷達主動實施的干擾認為是有意干擾,而大自然中存在電磁信號或者民用通信等設備產生的電磁信號被認為是無意干擾[1]。而隨著軍事科技的發展,F22、F35戰機具備很強的隱身能力,在未來的作戰中,我方預警系統需要具備對這類目標的反隱身探測能力,通過大量研究表明隱身飛機在P波段電磁波下,雷達RCS更加可觀,攜帶P頻段雷達的預警機在反隱身性能上更具優勢。然而,P波段范圍內存在十分可觀的民用信號,包括廣播、電視、通信等多種復雜信號,在雷達工作帶寬較窄的情況下,很難避開無意信號的頻段,從而使干擾信號很容易從雷達主瓣進入,對雷達系統造成嚴重影響。所以,如何在不影響雷達檢測性能的前提下對無意干擾進行識別和剔除,成為機載預警雷達信號處理中迫切需要解決的問題。無意干擾主要包括異步短脈沖式干擾和窄帶連續波干擾,下面主要針對雷達受窄帶連續波干擾下雷達監測特性的變化進行分析,并給出針對性的抗干擾措施[2]。

1 窄帶連續波干擾建模

窄帶連續波干擾是雷達面臨的無意干擾中最常見的一種干擾形式,具有下面兩大特征:一是信號功率高,無意干擾輻射源主要為地面廣播、通訊系統,這些系統大多為連續工作態,且功率較大,往往超高目標回波和噪聲;二是頻率較為固定,民用射頻信號大都工作在固定的頻帶范圍,不具備快速跳頻的能力[3]。

窄帶連續波干擾信號可以通過一個載頻疊加調試信號表示,即

I(t)=A(t)e-j2πfct

(1)

其中,A(t)為干擾信號的調試函數,fc為干擾信號的載頻。而干擾信號會落在雷達接收機帶寬內,如雷達信號中心頻率為500MHz,帶寬為5MHz,干擾信號的頻率只有在497.5MHz～502.5MHz范圍內,才能進入雷達接收機。此時雷達的回波信號為

(2)

其中:s(t)為雷達目標信號;L表示干擾個數;Il(t)ejφl表示第l個干擾信號;n(t)表示噪聲信號[4-5]。

假設一個脈組內有M個脈沖,脈沖重復間隔內進行了R次距離采樣,則第r個距離采樣接收到的回波信號為

xr=[xr,1…xr,m…xr,M]

(3)

其中,xr,m為第r距離門第m個脈沖的回波數據。

2 雷達受干擾分析

仿真中,雷達的信號帶寬為2.5MHz,脈沖重復頻率為1000Hz,目標的多普勒帶寬為1300Hz,脈沖個數為128,脈寬為100μs,采樣頻率為3MHz。

首先,在不加入干擾的情況下,仿真雷達信號的時域信號,時域頻譜,脈壓結果以及距離頻率二維頻譜,圖1(a)為未受干擾情況下雷達信號時域圖,噪聲水平為-40dB;圖1(b)為時域信號的頻譜圖,可以看出其在2.5MHz頻帶內較為光滑,且重合度較高;圖1(c)為目標的脈壓結果;圖1(d)為距離-多普勒二維頻譜圖,在頻譜圖中可以輕松地檢測出目標的距離和速度信息。

圖1 未受到干擾情況下雷達目標信號仿真圖

保持上述仿真參數不變,加入3個窄帶連續波干擾信號,其與雷達信號中心頻率的頻偏分別為0.2MHz、0.5MHz、-0.5MHz,疊加的固定多普勒偏移分別為1010Hz、1260Hz、1300Hz,對受干擾情況下的時域信號,時域頻譜,脈壓結果以及距離頻率二維頻譜進行了仿真分析,圖2(a)為受干擾情況下雷達信號時域圖,噪聲水平為0dB,相比未受干擾的-40dB抬高40dB;圖2(b)為受干擾下時域信號的頻譜圖,可以看出其在2.5MHz頻帶內有三個較為明顯的干擾尖峰,且整個噪低抬高;圖2(c)目標的脈壓結果二維圖,顯然,已經很難從脈壓結果中檢測到目標;圖2(d)為受干擾條件下的距離-多普勒二維頻譜圖,在頻譜圖中可以看到,目標被干擾引起的條帶狀覆蓋,目標也無法得到檢測。

圖2 受到干擾情況下雷達目標信號仿真圖

綜上所述,雷達在受到窄帶連續波干擾下,雷達噪底會明顯抬高,嚴重影響雷達威力。另外其橫跨所有距離單元的條帶狀信號會把目標信號淹沒,使得落在其附近的目標無法得到檢測,雷達性能大打折扣。

3 干擾抑制方法

窄帶干擾抑制技術,需要綜合考慮算法的復雜度、實時性、干擾抑制能力以及對信號的損失等因素,本文考慮實際工程應用的可行性,采用頻域零限法對干擾進行剔除。

本方法無需獲取干擾的精確模型,直接對回波數據進行處理就可以檢測出干擾頻譜分量,針對較強窄帶干擾信號可準確的識別并通過檢測門限對其置零,然后作平滑處理,進而達到抑制干擾的目的,且降低信號損失。具體操作步驟如下:

1)步驟1:針對雷達回波數據,首先判斷是否存在干擾,將雷達數據快時間維做傅里葉變換,轉換到距離頻率-脈沖維,然后對一定脈沖數量的數據進行脈沖維求和,得到距離頻率-脈沖維的多通道積累結果,從結果可以看出是否有突起明顯的尖峰,如果有,說明存在窄帶連續波干擾。

2)步驟2:設置一定的門限,對其干擾頻率進行檢測,基于檢測結果設計如下零限濾波器。

(4)

其中:J為檢測出的干擾個數;fj為第j個干擾對應的頻率;Bj為第j個干擾的帶寬。

3)步驟3:對步驟1)生成的距離頻率-脈沖維數據進行零限濾波處理,然后用零限附近數據對置零數據進行平滑處理。

4)步驟4:對零限濾波處理后的數據在快時間維做逆傅里葉變換轉換到距離-脈沖維度。

5)步驟5:按照傳統PD雷達處理步驟進行脈壓、頻域濾波處理,實現目標檢測。

4 仿真

仿真中,雷達信號帶寬為2.5MHz,重復頻率為1000Hz,目標多普勒帶寬為1300Hz,脈沖個數為128,脈寬為100μs,采樣頻率為3MHz,加入3個窄帶連續波干擾信號,其與雷達信號中心頻率的頻偏分別為0.2MHz、0.5MHz、-0.5MHz。

圖3為雷達回波信號轉到距離頻率-脈沖維;然后選取60～80脈沖門的數據求和,得到圖4所示的距離頻率-脈沖積累幅度圖;通過脈沖維積累圖可以產生一個干擾零限濾波器,如圖5所示;圖3的距離頻率-脈沖維數據通過干擾零限濾波器處理后得到圖6所示的距離頻率-脈沖圖;圖7為平滑處理后的距離頻率-脈沖圖;圖8為濾波后信號的時間維頻譜,可以看出干擾信號已經被濾除;然后對其轉到時域,并按照PD雷達傳統處理步驟進行脈壓和頻域濾波處理,圖9為一維和二維脈壓結果,顯然,目標可從脈壓結果中得出;對其進行頻域濾波處理,得到圖10所示的距離-多普勒二維圖,從中可較為容易地檢測到目標信息。

圖3 距離頻率-脈沖圖

圖4 脈沖維多通道積累

圖5 濾波窗

圖6 通過濾波窗零限處理后的距離頻率-脈沖圖

圖7 均值平滑后的距離頻率-脈沖圖

圖8 濾波后信號的時間維頻譜

圖10 濾波后的距離-多普勒及幅度圖

5 結束語

無意的窄帶連續波干擾對雷達系統性能影響較為嚴重,通過距離頻譜維抗干擾零限濾波處理后,雖然信噪比較無干擾情況下有所損失,但是大大提高了目標檢測性能,可有效實現對窄帶連續波干擾的抑制,且方法簡單。在實際工程中,當跳頻無法避開窄帶連續波時,通過應用此方法可提高信噪比,雖然相比無干擾情況下雷達威力有所降低,但是可有效提高信干噪比,且易于工程實現。