捷变波形结合限幅法对抗距离假目标干扰研究
时间：2023-06-05 14:35:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李韧
深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司，广东 深圳 518000
在电子战中数字射频存储（digital radio frequency memory,DRFM）技术不断发展成熟，促使有源欺骗式干扰更具多样性和破坏性的特点。在雷达对抗中，此种相干干扰技术使得固定参数的雷达系统在复杂电磁环境下的生存能力正在急剧下降[1-3]。而距离假目标干扰是通过具有DRFM 技术的干扰机对雷达发射信号施加一定延时处理，转发出一种与目标回波信号具有极强相关性的干扰信号，并且具有能够有效破坏雷达系统对真实目标距离信息捕捉和跟踪目标的能力。因此，通过研究欺骗式干扰信号与雷达发射信号的差异性，从中检测出干扰信号的存在以及降低干扰对雷达系统的影响显得尤为重要[4-5]。
近些年，国内外学者们利用捷变雷达系统的低雷达信号截获概率和良好的抗干扰性能将其用于对抗有源欺骗干扰，尤其是在雷达波形捷变、载频频率捷变、极化捷变以及重频捷变等雷达抗干扰技术上开展了众多研究[6-8]。张劲东等[9]利用空时分组码设计了一种与干扰信号在频域上具有正交性的捷变波形，用于对抗距离波门拖引式干扰。文献[10]利用遗传算法（genetic algorithm，GA）优化得出最佳相位编码波形集，再从中选取正交性良好的信号作为雷达的发射波形。文献[11]通过在多普勒频谱中构造阻带来检测目标信号的方式，设计了一种自适应初始相位的雷达捷变波形，能够实现对大功率速度欺骗干扰的抑制。而针对间歇采样式干扰，设计一种基于相位编码信号的自适应发射体系，或是增加雷达脉冲信号的伪随机性，来降低雷达回波信号与此种干扰信号之间的相关性，从而实现抑制干扰的目的[12-13]。文献[14]针对抗频谱弥散（smeared spectrum，SMSP）干扰提出了一种空时域联合抑制方法，利用盲源分离方法将目标与干扰信号分离开来，从而实现抑制干扰的目的。对于波形分集技术抑制有源欺骗干扰的相关研究还有随机信号波形[15]和基于混沌序列的雷达正交波形[16]等。
本文首先采用一种随机脉冲初始相位的雷达信号作为捷变雷达系统的发射波形。根据在不同发射周期的目标回波信号与距离假目标干扰信号经过脉冲压缩处理后形成的相位残差，可以发现其中的差异性。其次，利用小波变换对匹配滤波后信号的增益尖峰片段进行相位差估计，由此可检测出雷达回波信号当中是否存在假目标干扰信号；
以及在一个相干处理间隔内对捷变信号中的初相按照一定发射规律进行规划设计，从而获取到干扰滞后周期个数这一必要的先验信息。然后，捷变雷达系统改变发射一种斜变-随机脉冲初始相位波形，利用其自身信号的正交特性抑制距离假目标干扰。最后结合限幅法可使得干扰信号得到匹配而形成较大的增益峰值，从而通过限幅来削弱干扰信号的幅度，进一步减弱距离旁瓣干扰对雷达目标检测的影响。
脉冲体制雷达发射一种广泛使用的线性调频脉冲信号，此信号具有大时宽带宽积，以及对多普勒频移不敏感等特点，此信号的表达式为
式中：u(t)为 矩形窗函数，0 ≤t≤T；
µ为调频斜率，µ=B/T，B为信号带宽，T为信号时宽。
而针对波形捷变体制雷达，可利用LFM 信号中的初始相位、载频以及调频率等参数实现捷变处理，在不同的发射周期内实现参数的随机化。所以，本文采用一种随机脉冲初始相位（random pulse initial phase，RPIP）信号作为捷变雷达的发射波形，其中在第m个脉冲重复间隔（pulse repetition interval，PRI）内发射的RPIP 信号表达式为
式中 φm是捷变雷达发射第m个RPIP 信号中的随机初始相位，φm∈[0,2π]。
雷达发射波形照射到物体后反射，再由雷达接收机获取的信号称之为目标回波，其表达式可写为
式中：σT为目标回波的幅度，τT为目标的时延信息。
假定DRFM 干扰机需要经过一定发射周期后才能将欺骗干扰信号转发到雷达发射机当中。本文利用此种特点，捷变雷达发射的RPIP 信号可使得目标回波信号与干扰信号在初始相位方面具有差异性，也就是说干扰信号的初相总是滞后目标回波的初相。那么第m个PRI 的干扰信号表达式为
首先，由式（1）可以看出经过匹配滤波处理后的假目标干扰信号受到初相随机变化的影响，由此使得在2 个不同发射周期的相位差不一定为0，目标回波信号（目标位置与雷达相对静止）的相位差为0。因此，可利用目标回波信号与假目标干扰信号存在的差异性，对此混合信号进行脉冲压缩处理，得到多个较大的增益尖峰（干扰强度越强，脉压后形成增益尖峰的幅值越大）。对各个增益尖峰附近的区域进行片段截取，采用小波变换算法分别估计2 个不同周期内的干扰信号和目标回波的增益尖峰片段的相位差。通过估计出的相位差值是否为零的条件，就可以确定哪一个增益尖峰片段为假目标干扰信号（相位差值的绝对值大于零），哪一个是目标回波信号（相位差值近似为零）。以上方法被称之为尖峰检测法，可实现检测雷达回波中干扰信号的有无。
其次，捷变雷达系统按照图1 的方式发射RPIP 信号，此时在当前发射周期内的目标回波信号进入到雷达系统后的初始相位数值的分布情况如图1 中雷达发射信号相位 φm所示，在当前发射周期内转发到雷达接收机中的干扰信号的初相分布如图1 中干扰信号相位 φm-i所示，经过脉冲压缩后得到的相位残差分布如图1 中相位残差θm=φm-φm-i所示。采用尖峰检测法对2 个不同发射周期内的脉冲压缩信号进行相位差值估计（第一个发射周期的相位残差 θm分别与之后的每一周期的相位残差进行相减），从而得出在某一周期内相位差值是其他周期内的2 倍左右，最终确定了干扰信号滞后雷达发射信号的周期个数i值，为后文的抗干扰方法提供所必要的先验信息。
图1 估计干扰滞后周期个数示意
再次，捷变雷达系统对RPIP 信号的调频斜率进行抖动处理，从而设计出一种斜变-随机脉冲初始相位（slope-varying random pulse initial phase，SV-RPIP）信号，其表达式可写成
式中 ξm为第m个发射周期内SV-RPIP 信号的调频斜率抖动参数，ξm=kµ，其中k为一随机数，称之为抖动率。
由特定初始相位的RPIP 信号结合尖峰检测法可估计出干扰滞后周期个数为i值，从而可以得出假目标干扰信号的初始相位和抖动参数分别为 φm-i和ξm-i。雷达接收端将第m个发射周期的SV-RPIP 发射波形作为匹配系数，则假目标干扰信号经过脉冲压缩处理后的信号表达式为
由式（2）可以发现，匹配滤波后的假目标干扰信号的幅度会受到调频率差值的影响。
最后，采用SV-RPIP 雷达发射信号结合限幅法（如图2 所示）可进一步削弱距离假目标干扰信号的幅度，其中具体实施步骤如下。
图2 限幅法的工作流程
1）捷变雷达在不同发射周期内采用一组准随机脉冲初始相位信号作为雷达发射波形，再结合尖峰检测法获取到干扰滞后周期个数i值这一先验知识。
2）获取先验信息的i值后，捷变雷达系统的发射部分再对RPIP 信号中调频斜率参数进行扰动处理，形成一种具有一定正交特性的SV-RPIP雷达发射信号。
3）雷达系统接收部分i值，制定了一个前i个周期的雷达发射信号作为匹配系数的滤波器。将雷达混合回波信号rm(t)经过此种匹配滤波器进行脉冲压缩处理，从而输出结果为信号x1(t)。
4）由于干扰信号与此时的匹配滤波器具有很强的相干性，所以干扰信号经过滤波后会形成很强幅度的尖峰。所以信号x1(t)中的距离假目标干扰信号的强度经过限幅的方式被进一步削弱，而并不会影响到目标回波信号的强度。限幅后得到信号的表达式为
5）经过限幅处理后的信号x2(t)进入逆匹配滤波器进行处理得到信号x3(t)，从而使得信号x3(t)中的目标信号还原成原始信号，其中信号x3(t)为
6）当前周期匹配系数的匹配滤波。经过逆匹配滤波恢复后的信号x3(t)与当前雷达发射周期的匹配系数(-t)的匹配滤波器进行滤波处理，从而达到对抗距离欺骗干扰的目的，即
本文通过仿真的方式来验证利用捷变波形对抗距离假目标干扰的有效性和可行性。首先设置SV-RPIP 发射波形的基本参数，信号带宽B=10 MHz，信号时宽T=10 μs，PRI 值为100 μs，随机初始相位 φm取值范围为[0,π]，抖动率为0.9。设置干信比(jamming to signal ratio,JSR)为10 dB，信噪比(signal to noise ratio,SNR)为5 dB。假定真实目标信号回波时延为60 μs，假目标干扰信号的时延分别为62.5 μs 和65 μs。
在含有距离假目标干扰的电磁环境下，图3给出了固定LFM 波形与捷变SV-RPIP 信号经过滤波处理后的结果，从图3（a）中可以看出，形成的2 个较大干扰信号的增益尖峰，使得雷达系统无法正确地甄别出真实目标；
而图3（b）利用了捷变SV-RPIP 信号所具有的正交性实现干扰信号与雷达发射信号的互相关特性，能够有效削减干扰信号的强度。
图3 匹配滤波后的输出结果
但是形成的旁瓣干扰依然会使雷达系统检测不到真实的目标信号，因此本文的捷变波形再结合限幅法实现距假目标干扰信号的强度进一步削减。根据获取到干扰滞后周期个数i值这一先验信息，确定出当前滤波器的匹配系数为前i个发射周期的SV-RPIP 信号。混合的雷达回波信号经过匹配滤波处理后，假目标干扰信号得到了匹配，目标回波得到失配。信号x1(t)如图4（a）所示，可以发现只有干扰信号才会形成较高的增益尖峰；
之后采用恒虚警检测（constant false alarm rate,CFAR）方法可以判决出时延为62.5 μs 和65 μs 所对应的压缩尖峰就是干扰信号脉冲压缩后的结果，从而得出距离假目标干扰信号中所携带假的距离维信息，以及匹配后的干扰信号相较于最大旁瓣的归一化幅度相差20 dB 以上。为了不影响目标回波信号的能量损失，从中确定了门限值大小等于-20 dB。再经过限幅处理，削弱干扰信号幅度后得到的信号x2(t)如图4（b）所示；
最后依次通过逆匹配滤波处理和当前周期匹配系数的滤波处理，输出结果为y(t)，如图4（c）所示。最终信干比相较于抑制干扰前的情形改善了20 dB 以上，而且旁瓣干扰也得到了进一步的抑制，这使得雷达系统可对真实目标的距离信息进行检测判决。
图4 结合限幅法抗干扰的仿真结果
为解决DRFM 转发技术的有源欺骗式干扰破坏脉冲雷达探测目标距离的能力的问题，本文从雷达发射端和信号处理的角度出发来实现此种干扰的抑制。
1）利用波形分集技术，设计了2 种随机捷变的雷达发射波形（RPIP 和SV-RPIP）。
2）利用捷变RPIP 信号初始相位的随机性，根据距离假目标干扰信号与目标回波信号之间在相位上存在的差异性，实现有源欺骗干扰的检测。
3）通过干扰信号与SV-RPIP 信号之间的相互正交性，实现有源欺骗干扰的抑制，再结合限幅法进一步削弱干扰信号的幅度。
从仿真结果可以看出，本文方法可以有效抑制较大功率的距离假目标干扰，体现出本文在理论和实际应用上的意义与价值。
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