张昭建,谢军伟,杨春晓,盛 川

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)



掩护脉冲信号抗转发式欺骗干扰性能分析

张昭建,谢军伟,杨春晓,盛 川

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

雷达对抗中,转发式欺骗干扰能以较小功率实现对回波信号的有效压制。由于干扰信号从主瓣进入,传统抗干扰技术手段很难奏效。为此,文中提出了一种基于掩护信号的欺骗干扰对抗方法。针对转发式干扰机干扰通道资源有限的弱点,通过掩护信号的设计使用,对干扰侦测系统进行有效引导,使干扰频率、波形锁定掩护信号,有效保护跟踪信号。仿真结果表明,该方法能有效降低跟踪频率被干扰概率。

欺骗干扰;掩护信号;设计原则;仿真分析

0 引言

基于信道化接收机和DRFM储频应答器件的有源欺骗式干扰,通过对跟踪雷达在频率、时间乃至空间上的精确瞄准,能够在短时间内利用较少的功率资源,实现对探测回波信号的有效遮蔽或欺骗。由于干扰机发射信号直接进入天线主瓣,传统的以抑制干扰、增强回波[1-2]为目的的抗干扰技术很难奏效。

“掩护信号+跟踪信号”的复合探测波形是指雷达在跟踪目标时,同时发射两个信号:一个是具有明显时/频谱特征的掩护信号,用于引导干扰机的干扰侦测系统,使干扰信号的频率、波形锁定到该信号上;另一个是具有低截获特性的信号,用于对目标进行探测和跟踪,该信号在频域或时域上与掩护信号错开一定距离,使干扰信号进入雷达接收机的有效功率大幅降低,达到抗干扰效果。目前,针对该方法公开发表的文献较少,文献[3]重点分析了射频掩护信号对转发式干扰机各主要环节的影响,但仅限于定性描述,没有给出理论分析及推导;文献[4]重点讨论了掩护信号的使用对雷达信号低截获性能的提升;文献[5]基于掩护信号与探测信号参数设置上的不同,分析了掩护信号与探测信号的时频特征差异,并将掩护信号应用于诱饵干扰信号抑制。文中主要从频率引导角度,分析掩护信号在对抗转发式欺骗干扰中的应用。

1 掩护脉冲抗转发式干扰原理分析

1.1 转发式干扰机理及过程[6]

灵巧应答式干扰机原理框图如图1所示。

图1 灵巧应答式干扰机原理框图

干扰机对雷达实施干扰的基本过程为:

Step 1 信道化接收机有效接收并分析雷达发射信号频谱,进行频率记忆、处理;

Step 2 根据记忆的雷达发射频率及强度,进行威胁度计算和排序,控制组件将高威胁频率输出,控制频率源和变频组件,使发射机中心频率对准威胁频率;

Step 3 干扰机采用收-发交替方式,按时间片接收特定频率范围的信号,形成干扰信号并发射。

此过程中,信道化接收机与频率记忆和处理系统能否正确锁定雷达跟踪频率,决定了干扰信号在频率上的正确度,是有效干扰的前提,若在此环节进行抗干扰,只需较少的能量资源,即可达到较高的抗干扰效果。

1.2 掩护脉冲信号抗干扰机理及关键参数

掩护信号的作用机理完全针对干扰机信道化接收机与频率记忆和处理系统,目的是引导干扰机的干扰侦测系统,使干扰信号频率、波形锁定掩护信号,从而使跟踪信号免受干扰。

掩护信号实现有效抗干扰需要3个条件:

1)在时、频域特征上,掩护信号远强于跟踪信号,干扰机的信道化接收机首先截获掩护信号;

2)在干扰机频率记忆和处理系统中,掩护信号在时、频域要具有较高幅度,威胁度高于跟踪信号,从而能够被优先锁定;

3)掩护信号与跟踪信号在频域或时域上有充分间距。

由此可见,决定抗干扰效果的关键特性参数有以下几个:

1)掩护信号与跟踪信号的频率间隔Δf0,可用频点数N0;

2)掩护信号与跟踪信号的相对幅度A;

3)信道化接收机的通道数量M及其接收灵敏度Rs;

4)干扰机频率记忆和处理方式,一般用记忆衰减系数ρs表示;

5)干扰发射机通道数Ns及每个通道的有效带宽B。

若Ns≥N0,表示干扰通道数多于雷达可用频点数,则无论掩护信号是否有效,干扰机可侦测并对准所有雷达发射信号,此时掩护信号无效;若Ns

频率记忆衰减系数ρs指干扰机侦测到一个雷达工作频点后,在下一个周期,该记忆值的威胁度衰减系数。ρs=0表示不记忆,即干扰机只对当前周期侦测到的信号频点实施干扰。由于现代雷达多采用频率捷变、波形捷变措施,非记忆方式很难保证对雷达工作频率的有效对准。ρs>0,表示对于以往发现的频点,保持一定记忆,对于具有高威胁度的频率,即使当前周期没有发现,仍使发射机瞄准。

2 掩护脉冲信号设计与使用原则

2.1 掩护信号对雷达自身性能的影响

1)对雷达作用距离的影响

假设雷达总发射功率为P,跟踪信号发射功率为P1,掩护信号发射功率为P2,则P1+P2=P,雷达最大作用距离为Rmax。根据雷达方程,则采用掩护信号+跟踪信号的复合波形探测时其理论的最大作用距离为:

(1)

若掩护信号与跟踪信号发射功率相同,即P1=P2=0.5P,则雷达作用距离降低约16%,对跟踪雷达来讲,这一代价在允许范围内。

2)掩护信号与探测信号的自扰

现代雷达一般采用数字化匹配接收机,对LFM及PCM信号的匹配滤波器应具有H(ω)=KS*(ω)e-jωt0形式的频率响应,或者具有h(t)=Ks(t0-t)形式的时域响应。时域输出流程如图2所示[8]。

图2 LFM信号数字脉压流程

采用掩护脉冲时,由于掩护信号可能与跟踪信号同时进入接收机,其自扰问题必须进行分析。设跟踪信号为s0(t),掩护信号为s1(t),匹配滤波器时域响应为h(t),当跟踪信号与掩护信号均为单频正弦信号时,信号的频域表示为:

S0(ω)=A1π[δ(ω+ω0)+δ(ω-ω0)]

H(ω)=A1π[δ(ω+ω0)+δ(ω-ω0)]

(3)

S1(ω)=A2π[δ(ω+ω1)+δ(ω-ω1)]

因ω0≠ω1,所以S1(ω)H(ω)=0,即掩护信号在接收端响应为0。

同理,当发射信号为线性调频信号,掩护信号为单频正弦信号时,发射信号经匹配滤波的频率响应近似为辛克函数[6],当掩护信号频率位于线性调频信号带宽B以外时,频域响应为0。因此,其自扰对雷达性能基本不会构成影响。其它信号形式也可用类似方法分析。

2.2 掩护信号的设计及使用原则

1)跟踪及掩护信号形式选择

跟踪信号应优选具有低截获概率特征(LPI)的发射信号形式,包括线性/非线性调频信号(LFM/NLFM)、相位编码信号(PCM)、脉冲多普勒(PD)信号。其中,LFM/NLFM具有最佳的带内频谱展宽和均匀性效果,其时域波形具有较大的宽度和较低的峰值幅度,LPI特征最佳,文中主要采用LFM信号作为雷达跟踪信号。与跟踪信号相反,掩护信号要求具有高截获概率(HPI)特征,尤其是在频域上,最佳的选择是采用单脉冲单频信号。文中主要采用单脉冲单频的典型正弦信号作为跟踪掩护信号。

2)发射样式选择

在时域上,“掩护信号+跟踪信号”的复合探测波形有两种基本形式,一是时间顺序波形,先发射掩护信号,再发射跟踪信号;二是时间复合波形,掩护信号与跟踪信号在发射时间上重叠。在频域上,掩护信号与跟踪信号必须有一定的间隔,理论上,其间隔应大于干扰机有效带宽一半。时间顺序波形展宽了雷达发射信号宽度,使雷达距离截止时间变长,由于近距盲区R=c·tr/2,因此掩护信号的施加会在一定程度上扩大近距盲区;时间复合波形需要雷达具备同时多波形发射能力,一般需要具有频率合成能力的固态发射机,对雷达发射机的要求较高,但不影响近距盲区。各种发射样式频谱分析如图3所示。

3)参数设计原则

根据上一节的分析,可得出以下原则:

①掩护信号与跟踪信号在频率上充分错开;

②雷达可用频点数多于干扰发射机的通道数,若掩护信号频点数多于干扰发射机通道数,则抗干扰效果更优;

③掩护信号占总功率比不宜过大,不应对雷达作用距离构成明显影响;

④掩护信号与跟踪信号可以采用1+1配对,在跟踪状态,也可以采用N+1配对,进一步增强掩护效果,但不应对雷达的盲距区构成影响。

图3 典型的掩护信号波形及其频谱

当然,对干扰机的状态和参数设定,存在不确定性,掩护信号设计,应确保在各种可能的干扰状态和参数下,均可达到有效的抗干扰效果。

3 仿真分析

3.1 仿真条件设定

1)雷达工作参数设定

工作频率:C波段,可用带宽200MHz,频点数10个,间隔20MHz,前5个频点(0～100MHz)用于掩护,后5个频点(100～200MHz)用于跟踪(仿真时,出于运算时间考虑,以频率0～200MHz模拟C波段4～4.2GHz);

工作周期:100ms;

探测波形:掩护信号为0.5ms单频信号,相对跟踪信号幅度取0.25、0.5、1,跟踪信号为0.5ms长度LFM信号,调频带宽10MHz;

掩护信号发射方式:时间顺序波形。

2)干扰机工作参数设定

信道化接收机带宽:200MHz,分10个通道,每个通道20MHz;

信道化接收机信号采样:周期100ms,采样窗口长度10ms,采样频率40MHz;

频率记忆系数:取0.25、0.5、0.75,分别代表弱记忆、中等记忆、强记忆。

3.2 频率捷变状态下的抗干扰效果仿真

假定雷达跟踪信号工作于频点6～10,掩护信号工作于频点1～5;掩护信号在跟踪信号之前发射,跟踪信号与掩护信号分别采用独立跳频图谱。干扰机有5个干扰发射机通道。共进行50个雷达工作周期仿真。

1)单个掩护信号

采用幅度为1.0的单个掩护信号,频率记忆系数ρs为0.75、0.5、0.25时,干扰机频率威胁度的动态变化曲线如图4。

图4 单个掩护脉冲干扰机频率威胁度的动态变化曲线

干扰机1～5各通道对跟踪信号频率的对准概率统计结果如表1所示。

表1 干扰通道对跟踪信号频率的对准概率统计结果

分析图表可以看出,在ρs=0.75时,掩护信号频率的威胁度在绝大部分时间高于跟踪信号,仅有很少时间出现锁定,其总对准概率为6%。随着ρs的降低,掩护效果开始下降,ρs=0.25时,掩护信号频率的威胁度与跟踪信号优势不明显,在5个干扰通道内总的对准概率高达38%,能够有效破坏跟踪系统。

分析其原因,主要是由于掩护信号与跟踪信号等长度,信道化接收机采样到掩护信号和跟踪信号的概率相等,如果ρs较小,则干扰机主要依据当前周期侦测到的信号频点实施干扰,掩护信号和跟踪信号被干扰的概率趋于一致。由于ρs的大小是一个不可控因素,为了改善在未知条件下的抗干扰效果,一种基本的方法是采用多个掩护脉冲,在总功率不变的情况下,将掩护脉冲的发射时间拉长。

2)多个掩护信号

采用2个幅度为0.5的掩护信号,其中第2个掩护信号在驻留最末时间位置发射,频率记忆系数ρs为0.75、0.5、0.25时,干扰机频率威胁度的动态变化曲线如图5所示。

图5 2个掩护脉冲干扰机频率威胁度的动态变化曲线

干扰机1～5干扰通道对准跟踪信号频率的统计结果如表2所示。

表2 干扰通道对准跟踪信号频率的统计结果

分析图表可以看出,在不增加总的发射功率的前提下,分散发射多个掩护信号,可以明显改善抗干扰效果。但由于雷达一般不能同时收发,发射多个掩护信号会造成盲距区的扩大,其使用存在一定的局限性。

4 结束语

转发式欺骗干扰通过对回波信号的精确瞄准,能够形成对回波信号进行有效压制和欺骗,对雷达性能产生严重影响。文中研究了掩护信号对抗转发式欺骗干扰的过程、特性,并重点对其在典型条件下的抗干扰性能进行了仿真,仿真结果表明,在雷达可用频点数多于干扰发射机通道数的前提下,掩护信号结合频率捷变,可明显提高雷达的抗干扰能力。掩护信号本质上是一种策略性与技术性兼有的对抗措施,因此其效果不是绝对的,与对抗双方的装备性能和规则设计高度相关,实际应用中,必须结合战场环境及时优化掩护脉冲参数,才能确保掩护信号真正发挥作用。

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Performance Analysis of Screening Pulse Signal Confronts to Deception Jamming

ZHANG Zhaojian,XIE Junwei,YANG Chunxiao,SHENG Chuan

(Air and Missile Defense College, AFEU, Xi’an 710051, China)

In radar countermeasure, deception jamming can suppress target echoes effectively through small power. Since that interference signal enters radar receiver from the main lobe, it is hard to restrain it through the traditional means of anti-jamming. In order to accomplish radar anti deception jamming, in this article, a method was researched to confront deception jamming based on screening signal. The interfering channels in the repeater jammer can be limited, which could be used by the radar to guide jamming surveillance system effectively through the design and use of screening signal. As a result, the interference signal will lock the screening signal in frequency and wave shape, and the tracking signal is protected. Simulation result shows that this method can reduce interference probability of tracking frequency effectively.

deception jamming; screening signal; design principle; simulation analysis

2015-09-11

张昭建(1989-),男,山东邹城人,博士研究生,研究方向:雷达对抗关键技术。

TN95

A