基于两种噪声调制模型的雷达干扰信号仿真研究*

张润哲 察 豪 温东阳 孟路稳

(海军工程大学海洋电磁环境研究所 武汉 430033)

基于两种噪声调制模型的雷达干扰信号仿真研究*

张润哲 察 豪 温东阳 孟路稳

(海军工程大学海洋电磁环境研究所 武汉 430033)

从信号处理的角度,建立了噪声调幅干扰和噪声调频干扰这两种噪声瞄频干扰的数学模型,通过计算机仿真,对它们的特点进行对比,并结合脉冲压缩雷达的工作方式,采用这两种干扰信号对巴克码脉冲压缩雷达进行干扰,由仿真结果得出雷达信号与干扰信号参数对干扰效果的影响。

雷达; 干扰; 噪声调制; 仿真

Class Number TN955

1 引言

在电子对抗中,若要使干扰机对雷达实施的干扰效果比较好,就要满足两点要求：一是干扰机的干扰功率足够强,足以把被掩护目标的回波信号淹没于干扰信号中;二是干扰机的干扰频带能够有效地覆盖被干扰雷达的工作频段[1]。本文着重讨论第二点,即如何使干扰达到比较好的效果。我们可以通过产生一个宽带高斯噪声,再使它通过低通滤波器来生成一个零频附近的窄带白噪声,再将该窄带噪声调制到雷达工作频带附近,使调制过的噪声信号能够有效地覆盖住雷达频带,从而实现对雷达的干扰,这就是窄带噪声瞄频干扰[2]。

现代雷达常采用的信号有线性调频(LFM)信号和二相编码(BPSK)信号,而巴克(Barker)码信号又是很常见的二相编码信号。本文针对巴克码雷达信号施加不同类型的噪声瞄频干扰,对其干扰性能进行仿真比较。

2 巴克码雷达信号的特点

二相编码(BPSK)信号是一种主要的雷达信号。一个二相编码波形具有恒定的RF频率,但在脉冲持续时间内绝对相位以固定的间隔在N个确定值之间转换。这种脉冲可以作为N个脉宽为τc的连续子脉冲xn(t)的集合,每个子脉冲具有相同频率,但可能具有不同相位。二相编码波形的表达式可以写为

(1)

雷达系统中最重要的二相编码是巴克码,N位巴克码是一组特定的二元序列,它们使匹配滤波器的输出峰值与最高旁瓣之比为N∶1。由于仅存在两个相位状态,可以用以下序列来表示一个13位巴克码的码字序列:

c={1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1}

(2)

本文就采用该巴克码信号进行二相编码信号的仿真。

13位巴克码波形的频谱主瓣宽度是具有相同脉宽简单脉冲频谱主瓣的13倍。另外,与简单脉冲相比,巴克码波形频谱旁瓣的衰减速度慢了许多;但是巴克码有两个主要的缺点。首先,比N=13长的巴克码全部未知,这就限制了可能的旁瓣抑制程度。其次,它们的多普勒容许度很差[4]。

图1 13位巴克码信号时域波形与频谱图

图1为13位巴克码信号的时域波形与频谱图,这里设定信号的码片宽度τc=0.2μs,载波频率fc为20MHz。

3 两种噪声瞄频干扰信号的建模

文献[1]已对下面将要采用的两种干扰信号的数学模型进行了相应的理论分析,为仿真提供了依据。

3.1 噪声调幅干扰

噪声调幅干扰可以用如下广义平稳随机过程建模：

J(t)=A[z+n(t)]cos(2πf1t+φ)

(3)

其中调制噪声n(t)为零均值的广义平稳随机过程,相位φ服从[0,2π]的均匀分布,且与n(t)独立,A为噪声调幅信号的幅度,f1为中心频率,z为常数。

图2为一个幅度A=1,调制信号中心频率f1=60MHz,z=1的噪声调幅信号时域波形和功率谱,其中被调制的噪声是均值为零,方差为1的低通高斯噪声,其频率分布为-20MHz～20MHz。

图2 噪声调幅干扰时域波形和功率谱

3.2 噪声调频干扰

噪声调频信号可以使用如下的广义平稳随机过程建模：

(4)

其中调制噪声u(t)为零均值、广义平稳的随机过程,相位φ服从[0,2π]的均匀分布,且与u(t)相互独立,A为噪声调频信号的幅度,f1为中心频率,KFM为调频斜率。

图3为一个幅度A=1,调制信号中心频率f1=60MHz,调频斜率KFM=5MHz/s的噪声调频信号时域波形和功率谱,其中被调制的噪声是均值为零,方差为1的低通高斯噪声,其频率分布为-20MHz～20MHz。

图3 噪声调频干扰时域波形和功率谱

3.3 两种噪声干扰的对比

根据两种瞄频干扰的数学特征,分别对它们进行建模仿真。由它们的波形可以看出,噪声调幅信号由于对窄带噪声的幅度进行了调制,提高了噪声电平,所以幅度要比其他两种干扰信号大。通过两种干扰的功率谱可以发现,在以上的仿真中,分布在-20MHz～20MHz的窄带高斯噪声经过调制,频率范围变为40MHz～80MHz,并且两种干扰都是在调制信号中心频率处达到最大。噪声调幅信号在噪声频带范围内变化很平缓,但在噪声频带范围外衰减很快;噪声调频信号在调制信号中心频率两边衰减较快,并且在40MHz和80MHz处下降得非常明显。

4 对脉冲压缩雷达的干扰仿真

4.1 脉冲压缩雷达的特点

脉冲压缩是指发射宽编码脉冲并对回波进行处理后获得窄脉冲,因此脉冲压缩雷达既保持了窄脉冲的高距离分辨率,又具有宽脉冲的强检测能力。

脉压雷达受到噪声干扰时,由于雷达匹配滤波器的脉冲响应函数与信号匹配,而与噪声干扰信号失配,导致滤波器输出的信干比增大,甚至可以达到几十到几千。为使噪声干扰有效,干扰机在雷达接收机输入端干扰功率需比回波信号功率大2～3个数量级,就目前的干扰机功率水平而言,脉压雷达可以轻而易举地对抗噪声干扰[5～7]。

4.2 二相编码脉压雷达的干扰仿真

文献[8～10]为雷达信号与系统的建模仿真提供了一些理论与方法。

首先产生一个13位巴克码信号,码字序列为式(2)。设定幅度A=1,信号的码片宽度τc=0.2μs,载波频率fc=20MHz。在给定两个理想点目标的情况下,图4为无干扰时经过雷达解调后的波形与经过雷达脉冲压缩后的波形。

图4 无干扰时经过雷达解调与脉冲压缩的波形

现在将调制信号中心频率f1设定为20MHz,其他参数不变。图5和图6分别是此时存在噪声调幅干扰和噪声调频干扰时经过雷达解调和脉冲压缩的波形。此时干扰的调制信号中心频率与雷达载频相同。

现在将调制信号中心频率f1设定为30MHz,其他参数不变。图7和图8分别是此时存在噪声调幅干扰和噪声调频干扰时经过雷达解调和脉冲压缩的波形。

图5 f1=20MHz的噪声调幅干扰时经过雷达解调与脉冲压缩的波形

图6 f1=20MHz的噪声调频干扰时经过雷达解调与脉冲压缩的波形

图7 f1=30MHz的噪声调幅干扰时经过雷达解调与脉冲压缩的波形

图8 f1=30MHz的噪声调频干扰时经过雷达解调与脉冲压缩的波形

通过对以上的仿真进行分析,不难发现脉冲压缩雷达可以很有效地将宽脉冲压缩为一个很窄的脉冲,兼顾了雷达检测能力和距离分辨率,并且在完全被噪声干扰淹没的目标回波中分离出目标信息。

观察仿真结果,当调制信号中心频率f1=20MHz时,两种瞄频干扰均能得到非常好的效果,雷达已经很难正确分辨出有效的目标信息,但当调制信号中心频率偏离了雷达信号载频fc,即设定f1=30MHz时,它们的干扰效果已经大打折扣。

同样的干扰信号在调制信号中心频率f1与雷达载频fc相同时和f1偏离fc时,干扰效果存在一定的差别。这是因为巴克码信号的频谱有一个非常高的主瓣和许多较低的副瓣,信号的能量主要集中在主瓣附近,而瞄频干扰信号的功率在调制信号中心频率f1处最高,也就是说在f1附近才能有最好的干扰效果。当调制信号中心频率f1偏离雷达载频fc时,噪声调幅干扰的效果要好于噪声调频干扰。这是因为噪声调幅干扰的功率在较小的频率范围内平稳,而噪声调频干扰的功率随频率衰减非常快。

5 结语

本文已对巴克码雷达信号的噪声瞄频干扰进行了仿真,得到了相应的结论。但计算机仿真毕竟存在一定的局限性,在实际的装备使用、调试时还应该在仿真的基础上结合装备的具体参数多进行实践。另外,从本文的仿真结果也可以看出,干扰信号调制频率的变化对干扰效果的影响是很大的,在实际的战场环境中,如果不能准确地知道敌方雷达工作的参数,或者对参数估计不准确,特别是雷达采取捷变频工作时,都将给我方带来巨大的影响[11]。所以雷达的参数估计问题是一个非常重要的方向,也是今后需要投入精力研究的方面。

[1] 张毅.雷达干扰建模与仿真[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[2] 曾茂生,彭欣,修继信.快速窄带瞄频干扰技术分析[J].舰船电子对抗,2011,34(2):17-18.

[3] 丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002:59-70.

[4] 邢孟道,王彤,李真芳,等.雷达信号处理基础[M].北京:电子工业出版社,2012:43-54.

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[6] 任培宏.脉冲压缩信号的特点、产生及压缩方法[J].电讯技术,1999,39(1):95-100.

[7] 史林,彭燕,杨万海.脉冲压缩雷达干扰仿真分析[J].现代雷达,2003,25(8):38-40.

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Radar Jamming Signal Simulation and Research Based on Two Noise Modulation Models

ZHANG Runzhe CHA Hao WEN Dongyang MENG Luwen

(Institute of Ocean Electromagnetic Environment, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

This paper established the models of noise AM signal and noise FM signal from the perspective of signal processing and compared their characteristics through simulation, studied the pulse compression system and generated jamming to Barker code pulse compression radar using the two jamming signals. The simulation results showed the influence of both radar signal and jamming signal on parameters.

radar, jamming, noise modulation, simulation

2014年6月10日,

2014年7月24日

张润哲,男,硕士研究生,研究方向:信号与信息处理。察豪,男,教授,博士生导师,研究方向:雷达信号处理。温东阳,男,硕士研究生,研究方向:信号与信息处理。孟路稳,男,硕士研究生,研究方向:信号与信息处理。

TN955

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.026