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  • 雷达干扰技术(三)DJS干扰波形的产生
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    2021-01-09 16:50:36

    1 DJS压制干扰波形的产生

    1.1 压制式干扰

    在有源干扰中,我们一般将干扰分为压制和欺骗两种,压制干扰原理是生成噪声或者与噪声相似的信号,混入到雷达回波信号中,最终使雷达接收机后端无法从中检测出真实回波的干扰方法。

    在真实的作战环境中,想要在混杂的内外部噪声中百分百检测出雷达信号是不可能的。所以,在雷达将噪声误认为雷达信号这一事件发生的概率(即虚警概率 P f a P_fa Pfa)一定的情况下,如果回波信号与噪声功率之比S/N超过检测门限D且检测概率大于或者等于 P d P_d Pd,就认定发现了目标,否则没有发现目标。

    1.2 DJS压制干扰波形的合成

    这种干扰类型合成的主要过程是:分别产生每一部雷达的最佳干扰波形,然后将其按功率、威胁等级等因素在时域或者是频域进行合成。下面我们分开介绍两种合成方法。

    1.2.1 时域合成

    首先需要根据威胁雷达信号参数,产生对其干扰效果最佳的正交基带干扰信号:

    { I i ( k ) = A s ( k T ) cos ⁡ [ ω i k T + φ i ( k T ) ] Q i ( k ) = A s ( k T ) sin ⁡ [ ω i k T + φ i ( k T ) ] } k = 0 , i = 0 N − 1 , n − 1 \left\{\begin{array}{l} I_{i}(k)=A_{s}(k T) \cos \left[\omega_{i} k T+\varphi_{i}(k T)\right] \\ Q_{i}(k)=A_{s}(k T) \sin \left[\omega_{i} k T+\varphi_{i}(k T)\right] \end{array}\right\}_{k=0, i=0}^{N-1, n-1} {Ii(k)=As(kT)cos[ωikT+φi(kT)]Qi(k)=As(kT)sin[ωikT+φi(kT)]}k=0,i=0N1,n1

    其中, ω i \omega_i ωi表示每个信号在基带带宽范围内的频率。将其保存在存储器中,若需要干扰时,我们将其分别在 I,Q 两路进行时域合成:

    { I ( k ) = ∑ i = 0 n − 1 a i I i ( k ) , Q ( k ) = ∑ i = 0 n − 1 a i Q i ( k ) , } k = 0 N − 1 \left\{I(k)=\sum_{i=0}^{n-1} a_{i} I_{i}(k), \quad Q(k)=\sum_{i=0}^{n-1} a_{i} Q_{i}(k),\right\}_{k=0}^{N-1} {I(k)=i=0n1aiIi(k),Q(k)=i=0n1aiQi(k),}k=0N1

    其中, a i a_i ai表示每个信号的相对幅度。

    在需要干扰时,我们还需将其上变频到 ω 0 \omega_0 ω0的射频上。由此,我们可以得到合成的最佳压制性干扰信号为:

    s ( t ) = ∑ i = 0 n − 1 a i A s ( t ) e j φ s i ( t ) e j ω 0 t , φ s i ( t ) = ω i t + φ i ( t ) s(t)=\sum_{i=0}^{n-1}a_i A_s(t)e^{j \varphi_{si}(t)}e^{j\omega_0t},\varphi_{si}(t)=\omega_it+\varphi_i(t) s(t)=i=0n1aiAs(t)ejφsi(t)ejω0t,φsi(t)=ωit+φi(t)

    1.2.2 频域合成

    首先我们必须得到每一部雷达的最佳干扰波形的 I,Q 正交两路信号:
    { I i ( k ) = A s ( k T ) cos ⁡ [ ω i k T + φ i ( k T ) ] Q i ( k ) = A s ( k T ) sin ⁡ [ ω i k T + φ i ( k T ) ] } k = 0 , i = 0 N − 1 , n − 1 \left\{\begin{array}{l} I_{i}(k)=A_{s}(k T) \cos \left[\omega_{i} k T+\varphi_{i}(k T)\right] \\ Q_{i}(k)=A_{s}(k T) \sin \left[\omega_{i} k T+\varphi_{i}(k T)\right] \end{array}\right\}_{k=0, i=0}^{N-1, n-1} {Ii(k)=As(kT)cos[ωikT+φi(kT)]Qi(k)=As(kT)sin[ωikT+φi(kT)]}k=0,i=0N1,n1

    然后将两路合成时域的复序列 { s i ( k ) } k = 0 , i = 0 N − 1 , n − 1 \left \{ s_i(k) \right \}_{k=0,i=0}^{N-1,n-1} {si(k)}k=0,i=0N1,n1,并将其进行傅里叶变换得到:
    { S i ( k ) } k = 0 , i = 0 N F F T − 1 , n − 1 \left \{ S_i(k) \right \}_{k=0,i=0}^{NFFT-1,n-1} {Si(k)}k=0,i=0NFFT1,n1

    然后在频域进行合成得到: S ( ω ) = ∑ i = 0 n − 1 a i S i ( k ) S(\omega)=\sum_{i=0}^{n-1}a_iS_i(k) S(ω)=i=0n1aiSi(k),再将其逆傅里叶变换就可以得到频域合成的干扰信号。

    2 DJS欺骗干扰波形产生

    2.1 引言

    2.1.1 LFM信号波形

    LFM信号可以表示为下面的表达式:
    s ( t ) = r e c t ( t T ) e j 2 π ( f c t + μ t 2 2 ) s(t)=rect(\frac{t}{T})e^{j2\pi{(f_ct+\frac{\mu t^2}{2})}} s(t)=rect(Tt)ej2π(fct+2μt2)
    其中
    r e c t ( t T ) = { 1 , ∣ t T ∣ ≤ 1 0 , e l s e w i s e rect(\frac{t}{T}) = \begin{cases} 1,\left | \frac{t}{T} \right | \le 1 \\ 0,elsewise \end{cases} rect(Tt)={1Tt10elsewise

    对于线性调频信号来讲,依照压制干扰中我们所讲的最佳干扰波形产生干扰,通常不能达到我们想要的结果。主要在于,当产生的高斯噪声与雷达信号不具有相关性或者相关性很小的时候,接收机的匹配滤波几乎会滤掉所有不相关信号的能量而达不到干扰的效果。

    所以,压制干扰的话噪声功率就要非常大,才可以有效干扰。

    这不但会浪费干扰能量,而且硬件也很难实现。所以实际干扰中,我们尽可能想办法用最小的干扰功率达到最有效的干扰效果

    因此,对于线性调频这样大时宽带宽积信号我们需要根据其具体参数,使得设计的最佳干扰信号和威胁信号有一定相关性。

    2.1.2 LFM信号特点

    • 测距精度和测速精度这一对耦合量,可以在对方已知的情况下达到很高的程度
    • 速度相同的多个目标可以有很高的距离分辨力;距离相同的的多个目标可以有很高的速度分辨力
    • 对压缩系数相同的脉冲压缩信号来说,比较容易产生线性调频信号及其匹配滤波器
    • 在最大功率受限的情况下,想要增大雷达作用距离,实际通常增大雷达信号脉宽提高发射的峰值功率。在这种情况下,线性调频信号就可以发挥其优势:未知目标多普勒的情况下,线性调频信号的带宽远大于最大多普勒频移,所以在只有一个滤波器的情况下,即使滤波器和输入的移频后的线性调频信号不匹配,其信噪比的损失也很小。因此,想要使雷达作用距离较远时,大多数使用 LFM 信号做脉冲压缩。

    2.1.3 LFM的匹配滤波

    对于现在普遍在用的脉冲雷达,为了能够探测到更远的目标,在必须考虑雷达距离分辨力的基础上,需要设计更宽脉冲的雷达信号。所以就必须使用脉冲压缩(PC)技术。

    在这种限制条件下,为了解决雷达探测能力与分辨能力之间的冲突,我们在发射端发射时宽带宽都很大的雷达信号,在接收端通过匹配滤波压缩出窄脉冲。

    通过上述分析,线性调频信号就成了脉冲压缩雷达的不二选择,同时在接收端运用匹配滤波实现脉冲压缩。

    由匹配滤波器理论我们可以知道,如果已知的输入信号为 s ( t ) s(t) s(t),其频谱为 S ( ω ) S(\omega) S(ω),那么可以得到频域的匹配滤波器为:
    H ( ω ) = k S ∗ ( ω ) e x p ( − j ω t 0 ) H(\omega)=kS^\ast(\omega)exp(-j\omega t_0) H(ω)=kS(ω)exp(jωt0)

    线性调频信号在经过了其相应的匹配滤波器之后,脉冲宽度被压窄,使得距离分辨力有了保证。而且滤波前后波形很相似,说明这样的滤波器对功率的损失影响较小。这样就可以得出结论:为了覆盖较多体制的雷达,用LFM信号就可以作为验证干扰效果的雷达信号波形。

    2.2 欺骗性干扰

    🌟 重点

    射频噪声干扰、噪声调频干扰等压制干扰方式因为与雷达信号波形的相关性较低,所以,随着雷达匹配滤波技术和相参积累等新体制雷达技术的发展,在很多情况下,这些干扰方式已经不能满足我们的干扰要求了。

    如果还想继续使用噪声压制的话,干扰功率就必须很大。

    射频存储转发技术是一个很好的产生欺骗干扰信号的技术。只要它的参数在雷达接收机能处理的信号参数区间内,都可以和回波信号进入接收机,从而产生干扰。这样的话,为了达到干扰的目的,干扰所需要的干扰信号功率就会很小。

    对于雷达方同样,与雷达信号相干的干扰信号通过接收机后的增益太大,真实回波信号就不能被准确检测了;其次,为了达到保护真实目标不被检测,还会采用这样的方法:就是调整存储的信号的时延、多普勒频移和幅度,多产生一些假目标,消耗掉雷达系统的接收和处理信号的资源。

    这样,欺骗干扰的效果就会特别好,敌方雷达也会感觉到形势严峻性。因此,射频存储转发在欺骗干扰中还是有很大的发展空间的。

    2.2.1 欺骗性干扰原理和分类

    有源干扰中除了压制干扰的另外一种干扰方式就是欺骗干扰,它是产生与雷达信号回波相近的假目标,让雷达不能从中准确检测出真实信号,也就不能进行接下来的跟踪工作。

    通常利用雷达来检测目标的这些参数:速度、距离和方位等,每个参数都会有一个检测范围,由此张成一个检测空间。理想的点目标信号只是上述空间中其中一个点。一般情况下,欺骗干扰产生的假目标应该是这个空间中不同于真实目标的一个点或者是一个集合。所以它也能够以假乱真被雷达当作真实目标去检测。

    雷达的发射信号和回波通常具有相干性,这个相干性就可以用来检测目标距离、角度和速度等信息。

    为了实现对雷达的欺骗,就需要在欺骗之前测得上面描述的相关信息,还有雷达发射信号相关的主要参数,这样,根据调制样式和调制参数这些脉内、脉间及其他信息,才能合理地设计干扰信号波形,达到想要的干扰效果。

    分类:
    根据真假目标在检测空间中参数信息的不同分为:距离、角度、速度、AGC(自动增益)及多参数欺骗干扰等;
    根据产生欺骗干扰的方法,分为两种:应答式和转发式。

    • 速度欺骗
      我们知道雷达发射的信号和回波信号之间会存在一个多普勒频差 f d f_d fd ,常常用这个参数来测量目标的相对速度。所以,为了对雷达进行速度欺骗,一般产生与雷达信号具有适当频移的干扰信号,而实际中常常通过改变相位来产生移频量。
      雷达接收的目标回波信号与雷达发射信号相比具有的多普勒频移为
      f d = 2 v r λ = 2 v r c f c f_d=\frac{2v_r}{\lambda}=\frac{2v_r}{c}f_c fd=λ2vr=c2vrfc
      上面计算多普勒频移是由 v r v_r vr和光速及信号载频来计算的, v r v_r vr就是雷达与目标的相对径向速度。故在速度欺骗的时候,需要提前测量上式中所需参数,来引导欺骗干扰的产生。

    • 距离欺骗
      目标的距离表现为发射信号与接收信号之间的时延 t r t_r tr t r = 2 R c t_r=\frac{2R}{c} tr=c2R,c为电波传播速度。因为LFM信号的距离-多普勒频移存在耦合性,所以产生多普勒频移的同时也会产生距离方面的干扰。

    2.2.2 移频干扰信号

    移频干扰信号的产生是将接收到的雷达信号做一个较小的移频处理,转发出去以影响雷达对真实回波的接收。那么,此时接收机脉冲压缩后的干扰波形必定会在真实信号前后有时间差,这样就可以通过移频来达到距离干扰的目的了。

    频移干扰信号:
    J ( t ) = A exp ⁡ ( ( ω 0 + ω d ) t + 1 2 μ t 2 ) J(t)=A \exp \left(\left(\omega_{0}+\omega_{d}\right) t+\frac{1}{2} \mu t^{2}\right) J(t)=Aexp((ω0+ωd)t+21μt2)

    脉冲压缩后的移频干扰信号为:
    J = 2 μ π sin ⁡ ω d + μ t 2 ( T − ∣ t ∣ ) ω d + μ t exp ⁡ ( ω 0 + ω d 2 ) t J=\sqrt{\frac{2 \mu}{\pi}} \frac{\sin \frac{\omega_{d}+\mu t}{2}(T-|t|)}{\omega_{d}+\mu t} \exp \left(\omega_{0}+\frac{\omega_{d}}{2}\right) t J=π2μ ωd+μtsin2ωd+μt(Tt)exp(ω0+2ωd)t

    分析上面的表达式,表达式的最大值就是脉冲压缩后脉冲会出现的地方。当 t = τ − ω d / μ t=\tau-\omega_d/\mu t=τωd/μ时,最大峰出现。 ω d \omega_d ωd与零比较的大小决定了峰值出现在真实峰值的前或者后。

    ω d / μ \omega_d/\mu ωd/μ在距离分辨力内,雷达是不会将其当成另外一个目标的,就不能产生假目标的效果,只有真假目标的距离大于分辨率的时候,雷达才会把它当做是另外一个目标,进而产生假目标的效果。

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干扰功率