对脉冲压缩雷达的侦收、识别与干扰

2015-10-13吴扬，司毅，马力

舰船电子对抗 2015年6期

吴扬，司毅，马力

（1.中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州225001；2.海军驻扬州723所军事代表室，扬州225001）

0 引言

在现代电子战中，电磁信号环境变得越来越复杂，新体制雷达不断涌现，其抗干扰能力不断完善，这对当代雷达对抗系统内雷达侦察设备的信号接收、分选、识别及有源干扰设备对其实施有效干扰提出了新的挑战。脉冲压缩雷达就是在21世纪初发展起来的一种新型雷达设备。其具有多个优点：脉冲压缩雷达采用宽脉冲发射以提高发射机的平均功率，保证足够大的作用距离；而接收时采用相应的脉冲压缩算法，获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好地解决了雷达作用距离和距离分辨率之间的矛盾；同时宽脉冲的应用可使雷达带宽扩展，使脉内载波信号的频率、相位调制变得十分容易，而且使雷达多普勒系统的分辨率得到提高；由于脉冲压缩是雷达内部对已知的发射信号回波做相关处理，故具有较强的抗干扰性［1］；尤其是大时宽带宽积的脉冲压缩雷达信号使得在搜索与引导雷达的发射机设计中应用固态功率器件成为可能。

对当今雷达对抗系统内的雷达侦察设备而言，其信号处理分机仅仅依据侦收到的雷达脉冲的载频、到达时间、到达角度和脉宽等雷达信号的外部特征已无法快速、准确地完成对包括脉冲压缩雷达在内的低截获概率雷达信号的分选和识别。基于雷达信号脉内细微特征的提取、分析、识别技术已成为当代雷达侦察设备必不可少的重要组成部分。而采用脉冲压缩体制的雷达利用其收、发雷达波形的相干性来实现相干积累，显著降低了传统雷达对抗系统有源干扰设备对其所采用的压制或欺骗干扰效果，因此采用相干干扰技术也已成为现代有源干扰设备设计的必然方向。

图1 脉冲压缩雷达系统组成方框图

1 脉冲压缩雷达技术概述

1.1 脉冲压缩雷达的组成

脉冲压缩雷达系统组成见图1。

由图1可见脉冲压缩雷达系统与其它体制雷达的最大区别，是在主振放大链发射机中多了一个脉冲压缩波形产生器，在雷达接收机中多了一个脉冲压缩处理器，其它部分则与一般雷达相同。

1.2 脉冲压缩雷达信号波形调制形式及其优缺点

脉冲压缩雷达的设计包括脉冲压缩信号的设计、信号的产生和处理这3个方面的内容。目前常用的脉压信号有线性调制信号和非线性调制信号。典型的线性调制脉压信号是线性调频信号，而典型的非线性调制信号有非线性调频信号和相位编码信号2类。不同脉冲压缩信号的系统性能各不相同，而与之相应的处理设备和技术复杂程度也不一样。

线性调频信号最容易产生，压缩脉冲的形状和信噪比对多普勒频移不敏感，因而很受欢迎。但它也存在缺点：一是目标测量与其回波信号的多普勒频移相关；二是为降低脉冲压缩后回波的时间副瓣电平，需在时间域和频率域上进行加权处理，从而会引起1～2dB的信噪比损失，同时会导致其距离分辨率也有所下降。非线性调频信号通过信号设计可以达到特定的距离副瓣电平，无需做加权处理，故无信噪比损失，但当回波信号受到多普勒频率调制时，信噪比会迅速下降，同时因其系统设计较为复杂，现在其实际应用还较少。

相位编码信号将宽脉冲分为许多短的子脉冲。这些子脉冲宽度相等，但各以特殊的相位发射，以实现极低的距离副瓣。由于这类信号的相位是离散状态，它的产生和处理与调频信号相比要简单得多，也更适合用数字方式处理［2］。常用的有二相编码信号和四相编码信号这2种。二相编码信号的相位编码多采用长度为7位或13位的Barker码；四相编码信号的相位编码多采用长度为13位的Frank码。虽然相位编码信号有以上优点，但其在受多普勒频率调制时，时间副瓣会增加，信噪比会迅速下降。

2 对脉冲压缩雷达信号的侦收、分选与识别

脉冲压缩雷达具有大时宽带宽的特点，且随着计算机软硬件技术的飞速发展，对其脉内载频参数、相位参数进行调制已经不再是难题，而且调制形式不断变化，愈加复杂。近年来在雷达对抗系统内雷达侦察设备信号处理领域围绕对脉冲压缩雷达等低截获概率雷达信号的分选识别提出了不少雷达信号脉内细微特征分析、提取、识别的方法，同时高保真地接收处理雷达信号的数字化接收机也应运而生。

2.1 雷达信号脉内细微特征分析、提取、识别技术概述

脉内细微特征分析、提取、识别技术的重点在于从已侦收到的雷达信号中提取包含脉冲包络在内的脉内频率调制和相位调制等信息。目前脉内细微特征提取方法有很多，主要有时域自相关法、时域倒频谱法、时序倒频谱法、谱相关法、调制域分析法、数字中频处理法、时频分析法和新近正在研究的神经网络分析法与小波－神经网络分析法等。

时域自相关法是利用求取信号的自相关函数Rs（t，t1）提取信号的细微特征的。对于脉内不同调制信号，其自相关函数也不同，据此可达到识别信号的目的。这种方法具有实时性强、频带宽、原理简单和易于工程实现等优点，但其只能提取少数脉内调制特征，如线性调频和二相编码等，而对多相编码以及脉内附带调制等复杂信号特征的提取相当困难。

时域倒频谱法是针对时域卷积型信号的一种处理方法，倒频谱法首先将时域卷积信号做快速傅里叶变换（FFT），求出频谱（功率谱），将时域卷积转化为频域相乘，然后取对数，变成相加，最后取逆FFT，再变换到时域。

时序倒频谱法引入了时间序列自回归（AR）模型，以避免传统倒频谱的模糊现象。这种方法运算量大，难以做到实时处理。

谱相关法是利用信号频域的二阶统计特性，分析信号频率和相位调制特征，可使功率谱相近的信号区别开来，同时由于平稳噪声和干扰在非零周期频率处的谱相关函数恒等于零，使得分析可以摆脱噪声和干扰的影响。

调制域分析法以相位进程计数为基础，通过精确识别和记录输入信号每个零点的发生时间来分析信号相位随时间变化的规律，直观反映信号的调制信息，可提取各种复杂的脉内细微特征，且具有分析脉内附带调制特征能力，是信号分析的重要方法，但易受噪声影响，工程实现难度大。

数字中频处理法是将射频信号下变频至中频，用高速模／数（A／D）变换器对保持全部相位和幅度信息的中频信号进行高保真采样，采样后采用多种数字信号处理方法，如频域分析、幅度和相位提取以及时频分析相结合的综合方法，从时域、频域、时频域进行综合提取分析，以充分利用脉压雷达信号全部信息，其中时频分析是研究重点。目前该方法已广泛应用。

时频分析法是近年来提出的一种新的信号分析法，克服了传统的短时傅里叶分析的不足，在分析非平稳信号时可同时获得良好的时、频分辨率，而且信号的时频分布直观地反映出信号功率（幅度）、频率（相位变化）与时间三者之间的分布关系。基于该方法的参数提取技术，在雷达信号细微特征分析中有很好的应用前景。

神经网络分析法是新近提出的一种新的雷达信号分析法，典型的有基于径向基概率神经网络的雷达信号识别法，它综合了径向基函数神经网络（RBFNN）具有的结构简单、学习速度快的优点和概率神经网络（PNN）在样本数据足够多时可逼近贝叶斯分类器而获得最佳分类器分类性能等优点，可以灵活、快速和高效地识别各种复杂体制雷达，尤其对参数不全、参数畸变的雷达信号，其识别率和识别置信度也都是很高的。

小波－神经网络分析法也是新近提出的一种新的雷达信号分析法。它利用小波包可对信号进行多维多分辨率分析的特点，对雷达信号进行信号特征提取，然后将各种雷达的信号特征作为ART2神经网络的训练样本，对其进行雷达信号类型的识别。小波－神经网络分析法雷达信号识别流程如图2所示。

图2 小波－神经网络分析法雷达信号识别流程

小波包与神经网络相结合，可实现雷达指纹识别的人工智能化。这不仅可灵活、快速和高效地识别各种复杂体制雷达，识别率高，而且对未知的雷达信号具有学习功能。

时频分析法、神经网络分析法以及小波－神经网络分析法都立足于数字化接收机，已都在当代雷达侦察设备中实现应用。

2.2 数字化接收机的设计应用

随着脉冲压缩雷达脉内频率、相位调制日益复杂，若雷达侦察设备采用模拟接收机，将会造成侦收信号脉内信息的丢失，致使后面的信号处理部分不能对其完成准确的测量、分选和识别。而数字化接收机在采样过程中能保留下信号的全部信息，使其对脉压雷达进行有效侦收。

据外媒报道，英国泰利斯公司已研制出从接收前端到后端均全数字化、全频谱，不需滤波器，直接在天线处将射频信号数字化，然后利用软件和固件算法完成对所接收雷达信号的分选、识别、告警、显示处理。以色列艾利斯莱电子战公司已研制出第3代数字接收机，采用全数字结构，在尽可能靠近天线的地方进行模数转换，其采样速率高达1.5GHz。该接收机的频率分辨率为2MHz，灵敏度为－65dBm，动态范围大于60dB，能提供百分之百的探测概率和极高的精度，并能在100ns时间内非模糊地识别威胁，具有很高的效费比。而美国海军水面舰艇电子战改进项目SENIP BLOCK2也为广泛列装在美海军舰艇上的SLQ－32系列引入了新型数字接收机技术，并由洛克希德马丁公司于2009年开始经过方案设计、评审、生产、鉴定各阶段，近两年来已陆续进入安装、调试、检测、使用阶段。

在数字化接收机内，其关键器件模数转换器（ADC）的采样速率决定了接收机的输入带宽和动态范围。其面临的工作频率范围一般都要求在0.5～40GHz范围内，而直接要作出反应的威胁频率也宽达2～18GHz。若以ADC器件采样速率（fs）为1GHz，根据奈奎斯特采样定理，则接收机最大瞬时带宽就限在500MHz（fs／2）左右。因此在数字接收机的实际设计中，对于其前端可以采取与传统接收机相结合的方法，其中瞬时测频、超外差及信道化体制都可应用。

3 对脉冲压缩雷达的有源干扰

脉冲压缩雷达利用雷达波形的相干性来实现相干积累。相干波形可以显著降低电子干扰的压制或者欺骗效果，因而现代雷达对抗系统的电子干扰设备必须采用相干干扰技术来抵消雷达的相干处理得益。随着高速数字电路与信号处理技术在电子战领域的广泛应用，数字射频存储器（DRFM）、直接数字合成器（DDS）等技术成为对抗包括脉冲压缩雷达在内的相干雷达的重要手段。究其原理，基于DRFM或DDS的相干转发干扰在数学上其实就是对雷达信号进行不失真数字采样、经过一定处理后再恢复为模拟信号的过程［3］。为了保持信号的相干性，要求干扰机对雷达信号的采样频率必须满足奈奎斯特采样定律。另一方面，在工程实现上，一般需要干扰机采用收发隔离的2个天线同时工作，以期尽快地把转发干扰信号辐射出去［4］。

3.1 数字射频存储器

数字射频存储器（DRFM）是用于支持电子对抗措施的一项重要研发成果，它能对接收到的复杂波形进行快速分析并生成对抗波形。DRFM能将干扰系统对抗复杂波形的有效性提升多个dB。其原理框图如图3所示，DRFM将接收到的信号下变频成合适的中频（IF），进行数字化转换，随后将IF信号的带宽数字化；数字化后的信号存储在一个存储器中以待发送至计算机；计算机对信号进行必要的分析和调整，以支持所采用的干扰技术；接着调整后的数字信号转换回模拟射频（RF）。变频器接收到的频率所采用的本振（LO）与最初变频所采用的相同。只采用一个LO是为了保持下变频和上变频过程中信号相位相关。DRFM将接收到的信号数字化，发送至计算机进行调整，重新生成相关的调整信号，再重新发送。

图3 数字射频存储器原理图

DRFM的关键单元是模数转换器（ADC），对其数字化的频段，ADC必须支持2.5个采样／Hz的数字化采样率，且必须输出同向正交（I＆Q）数字信号。如图3所示，I＆Q数字化对已数字化的RF信号进行2次／Hz采样，相位差为90°，这样就捕获了数字信号的相位。值得注意的是2.5个采样／Hz大于数字接收机所需的2个采样／Hz的奈奎斯特采样定律，需要这种过采样是因为要重建信号。

DRFM有宽带和窄带之分，宽带DRFM对一个可能包含多个信号的宽带IF频段进行数字化，干扰机系统在其必须干扰的威胁信号的频率范围内进行调谐，并输出带宽能被DRFM处理的IF信号；窄带DRFM的带宽只要能捕获干扰机必须处理的最宽信号就足够了，这意味着窄带DRFM使用一个现代化ADC就能工作了。

DRFM在对抗脉冲压缩雷达方面特别有价值。线性FM技术在每个发射脉冲上附加了线性频率调制（FM）处理。在雷达接收机端，压缩滤波器降低了有效脉宽，压缩率等同于FM扫描范围与雷达相干带宽之比。如果干扰机生成的信号不具备这种FM，有效干信比会以压缩因子的倍数而减小。DRFM通过生成线性FM干扰脉冲来保持充分的干信比。巴克码脉压技术对每个编码的脉冲进行二进制相移键控FM。DRFM能生成具有正确巴克码的干扰脉冲，保持充分的干信比。

3.2 对脉冲压缩雷达的几种常见干扰方式

脉冲压缩雷达利用雷达波形的相干性来实现相干积累。相干波形可以显著降低电子干扰的压制或者欺骗效果，从而迫使现代的电子干扰设备必须采用相干干扰技术来抵消雷达的相干处理得益。据国内外资料报导介绍，针对脉冲压缩雷达信号波形的不同调制形式常有下列干扰方式：

（1）对线性调频脉冲压缩雷达有锯齿波调频干扰［5］、间歇采样转发干扰、正弦加权调频干扰［6］、间歇采样正弦调频干扰、移频干扰、卷积干扰、移频＋卷积相结合的干扰［7］，规则方波和随机方波调制干扰、前沿循环复制干扰、前沿循环复制后再进行随机方波调制干扰等。

（2）对相位编码脉冲压缩雷达有间歇采样转发干扰，而其中又有直接转发和重复转发之分。对间歇采样重复转发干扰在实际干扰效果上，它能形成类似群目标干扰，尽管这样会带来更高的功率要求，但在很多场合，这种干扰方式仍然有一定的应用价值。目前对此方式进一步的研究方向就是利用脉压雷达相位编码的特点，通过间歇采样、预测编码然后转发以达到更佳的匹配效果。