对STAP处理器的投散射式伪杂波干扰技术

谌诗娃，周青松，张剑云，魏 民

(电子工程学院 502教研室,合肥 230037)



对STAP处理器的投散射式伪杂波干扰技术

谌诗娃，周青松，张剑云，魏 民

(电子工程学院 502教研室,合肥 230037)

具有空时自适应处理技术(STAP)的机载雷达从空时二维联合域处理信号，而传统干扰方法因信号维度单一性很难产生有效干扰效果。文中针对STAP处理器抗干扰特性，提出一种具有空时二维特性的投散射式伪杂波干扰新技术，根据多普勒频率对方位的依从关系，向地面投射干扰信号，利用地面散射特性产生与地杂波特性相似的伪杂波干扰信号。分析了该干扰信号的空时矢量模型，研究了干扰信号二维功率谱的轨迹可控性问题。该干扰信号在空时二维空间上呈现不与杂波轨迹重合的刀背式分布，多普勒轨迹可控，能控制干扰信号的二维功率谱始终覆盖在被保护目标上。仿真实验结果显示：处理器改善因子降低，杂波谱畸变，证明了该干扰方法的有效性。

投散射；杂波；空时矢量；多普勒

0 引 言

空时自适应处理技术(STAP)具有卓越的杂波抑制能力和抗干扰能力[1-3]，近年来逐渐被广泛地应用于各类民/军用机载和星载雷达中。随着STAP技术日益成熟，传统的干扰方法很难对STAP起到较为明显的干扰作用[4-6]，而专门针对STAP处理器的有效干扰方法还未在国内外公开文献中提出，所以对STAP的干扰技术研究显得尤为重要。

STAP处理器是通过空-时二维滤波器抑制杂波和干扰信号，杂波在多普勒域和方位域上都是连续分布的[7-8]，传统的干扰方法因为空间上的离散性使干扰信号很容易与杂波区分开来，通过空间零陷技术就能有效抑制干扰信号[1-2]。通过研究分析STAP处理器中的杂波空时矢量特性，依托地(海)杂波为原型[9]，本文提出了一种不同于传统干扰技术的针对STAP处理器的投散射式伪杂波新型干扰技术。通过干扰机向地面(海面)投射干扰信号，散射的干扰信号具有类似于杂波的特性，多普勒频率服从方位依从性，在空-时二维空间上会形成不与杂波(MV)谱重合的背脊线，这样的干扰信号不仅不会被雷达通过空间零陷技术进行抑制，还能有效地隐藏干扰机的方位信息。通过控制数字射频存储器(DRFM)调制的多普勒频率，能够使干扰信号的MV谱有效覆盖被保护目标。仿真实验结果与数学推导结果相一致，证明该干扰方法是有效可行的。

1 STAP处理器杂波抑制原理

图1为均匀侧视阵雷达空时二维滤波抑制杂波原理示意图[10]。从图中可以看到，将杂波投影到多普勒轴上并取逆获得的滤波器为最优时间杂波滤波器；将杂波投影到方位轴上并取逆获得的滤波器为最优空间滤波器。这两类滤波器均为一维滤波，滤波器的阻带由发射波束宽度决定，具有很宽的阻带，探测慢速目标难度较大。图1左下角图示了空-时二维最优滤波器发射特征的横切部分，它工作在整个fD-φ平面上。平台的运动引起杂波多普勒频率对方位的依从性，使杂波谱沿着整个方位-多普勒平面扩展。空-时杂波滤波器工作在fD-φ平面上，雷达平台运动产生的多普勒效应对于接收机抑制杂波没有带来影响。且滤波器沿杂波轨迹形成非常窄的凹槽，即使是慢速目标也能落入通带被探测到。

图1 空-时杂波滤波原理图侧视阵

空-时最优杂波滤波器本质上其实就是空-时杂波谱的逆[7]，即

ωopt=γR-1s

(1)

其中，

R=Rc+Rj+Rn=E{(c+j+n)(c+j+n)H}

是协方差矩阵。

式中：Rc,Rj,Rn分别为杂波、干扰和噪声协方差矩阵。Rc的元素为

L(φ)Φ(fd,m)Ψ(fs,n)dφ×

L(φ)Φ(fd,q)Ψ(fs,pdφ)]H}

(2)

其中，下标l,k与阵元数目和回波脉冲数的关系为

(3)

一般通过改善因子判断处理器的效率，改善因子由下式给出

(4)

式中：φt是雷达观测方向；fd是目标径向运动引起的多普勒频率。

2 STAP处理器的投散射式伪杂波干扰原理

STAP处理器的投散射伪杂波干扰方法是将经过DRFM调制转发的具有多普勒信息的雷达信号向地面(或海面)投射，利用其产生的散射波对具有STAP技术的雷达进行干扰。经过地面散射后的干扰信号的多普勒频率服从方位依从性，这种特性与地(海)杂波特性一致，因此，该干扰信号会产生类似杂波的谱轨迹，产生的杂波轨迹更接近于双基地STAP雷达[11-12]。由于干扰机相对运动的多普勒信息及DRFM调制使干扰信号多普勒轨迹可控，所以干扰信号的多普勒轨迹虽类似于杂波，却不会与雷达本身的杂波轨迹相重合。

STAP处理器抑制杂波的本质是杂波谱的逆，而干扰信号具有类似杂波的性质，所以STAP处理器不仅会在杂波多普勒-方位轨迹线上出现凹口，也会在干扰信号多普勒-方位轨迹上出现凹口。干扰信号的多普勒频率可以通过DRFM调制改变，通过控制多普勒频率使干扰信号多普勒轨迹覆盖被保护目标时，则很有可能被STAP处理器滤除，这样就达到了干扰雷达探测目标的目的，以上就是对STAP投散射式伪杂波干扰的机理。下面具体推导该干扰信号的数学模型。

2.1 投散射式伪杂波干扰信号模型

雷达和干扰机的几何配置如图2所示。雷达R在距离地面高度HR的上空以速度vR沿着x轴方向飞行，干扰机J在距离地面高度HJ的上空以速度vJ飞行，飞行方向与x轴的夹角为δJ，干扰机到雷达的俯仰角为θJR。地面(海面)的P点到雷达的水平投影距离为RRP，到干扰机的水平投影距离为RJP，干扰机与雷达的水平投影距离为RJR。

图2 雷达和干扰机的几何配置图

设雷达的发射信号为

s(t)=Re[Aexp(jωct)]

(5)

考虑到雷达平台与干扰机的相对运动，干扰机接收到的雷达信号为

srj(t)=GR(θJRexp[jωc(t-τ0)]×

(6)

经过DRFM技术处理，干扰机将调制过的雷达信号向地面投射，利用地面散射波对雷达进行干扰。对于单一距离单元，下面分析干扰信号模型。

考虑雷达和干扰机的相对运动，干扰机到地面P点以及地面P点到雷达的距离是随时间变化的

R2w[t-τ(t)]=R2w-[vRcosφRcosθR+

vJcos(φJ-δJ)cosθJ+2vJJ]·[t-τ(t)]

(7)

式中：2vJJ是干扰机自身调制产生的虚假多普勒速率。可以推出，干扰单一杂波模块的多普勒频率为

vRcosαJR-vJcosθJR+2vJJ)]

(8)

式中：cosαJR=cosδJcosθJR。干扰机产生的单一杂波模块的时间相位项和空间相位项分别为

vJcos(φJ-δJ)cosθJ+vRcosαJR-

vJcosθJR+2vJJ)mT]

m=1,2,…,M

zisinθR]

k=1,2,…,N

(9)

加上传感器方向图D(φR)，阵列方向图G(φR,m)，地面反射率L(φR)，那么在第m个时刻第k个传感器对于一个距离单元，可以得到总的干扰杂波模块

Φjm(vR,vJ,φR)Ψjk(φR)dφR

(10)

第m个时刻的方向图定义为

G(φ)=b(φ)*b(φt)

(11)

式中：φt是雷达观测方向；b(φ)是波束形成器矢量。

k=1,2,…,N

(12)

2.2 投散射式干扰杂波轨迹可控性分析

投散射式干扰方法的一大优点是不仅仅能产生具有地(海)杂波性质的干扰杂波，在fd-cosφ平面上产生类似于地(海)杂波的背脊线，而且能通过控制DRFM调制多普勒频率，改变干扰信号的背脊线的分布，使干扰信号有效地覆盖被保护目标。当STAP处理器通过二维自适应滤波器将干扰信号连同杂波一并滤除时，被保护目标也会因为被淹没在干扰信号中而被STAP处理器滤除。这样，就达到了掩护目标，破坏STAP处理器性能的作用。下面具体分析干扰杂波轨迹的可控性。

为了保证干扰机调制转发的雷达信号足够纯净，需将干扰机布置在雷达的主瓣波束下方接收雷达信号，被保护目标在干扰机主瓣下方，简单的几何布局结构如图3所示。

图3 雷达、干扰无人机与被保护目标的几何配置

式(8)表明，投散射式伪杂波干扰方式产生的干扰信号的多普勒轨迹与杂波多普勒轨迹类似，即干扰信号的多普勒频率与方位成准线性依从的关系。若希望干扰信号在STAP处理器空域-多普勒域二维联合域上的背脊线能够覆盖被保护目标，首先，方位上要满足覆盖关系，即如图3中所示，干扰机的主瓣照射在被保护目标上，这作为方位条件；其次，干扰信号多普勒频率与被保护目标对应的多普勒频率都要满足覆盖关系，这作为多普勒条件。当这两个条件同时满足时，干扰信号在STAP处理器上能有效覆盖被保护目标。

设被保护目标的方位角与俯仰角以及干扰机主瓣中心照射方向都一致，即φT=φJ,θT=θJ。设目标的运动速度为vT,与水平方向的夹角为δT；干扰机的飞行速度为vJ，与水平方向的夹角为δT，则目标对应的多普勒频率为

(13)

那么在目标位置(φT,θT)对应的干扰信号多普勒为

vRcosαJR-vJcosθJR+2vJJ]

(14)

以式(14)可以看出，投散射式干扰杂波信号对应的多普勒频率实际上由两部分构成：一是由雷达和干扰机的飞行速度和相对位置决定的多普勒频率，这部分频率是不可控的，即

vRcosαJR-vJcosθJR)

(15)

fdj2≈fd(φT,θT)-fdj1(φT,θT)=

vJcos(φT-δJ)cos(θT-vRcosαJR+vJ)

(16)

从式(16)可以看出，对fdj2的估计需要知道雷达、干扰机和被保护目标的方位和速度。干扰机和目标的方位和速度均属于我方情报资源，所以能够得到实时数据，而雷达平台的飞行速度可以通过对机型的估计来预测大致飞行速度。

3 仿真实验

3.1 实验设置

3.2 仿真结果及分析

通过仿真实验发现，机载雷达在收到投散射式干扰的情况下呈现的杂波谱发生了很大的变化，STAP处理器的性能明显降低，与上文的推导分析结果一致。

图4是仿真机载雷达在无干扰条件下和受到本文提出的投散射式干扰条件下的杂波二维MV谱比较。从图4显示的仿真结果中可以看到STAP受到单架投干扰机干扰的情况下，其杂波MV谱比无干扰环境下的杂波MV谱多了一条不与地(海)杂波相重合的背脊线，当被保护目标落在这条背脊线中时，就能有效掩护目标，这与上述的数学理论推导结果相符合，说明了针对STAP的投散射式干扰的有效性。

图4 STAP最优处理器杂波MV谱

图5比较了三种典型STAP处理器改善因子的变化情况。图5a)是OAP在无干扰环境下的改善因子曲线，图5b)～图5d)是具有相同阵元数和脉冲数的OAP、SAS和AEP处理器在受到投散射式干扰的情况下的改善因子曲线。可以看到，在干扰环境下，以上三种典型STAP处理的改善因子不仅在杂波多普勒频率附近有凹口，而且在干扰多普勒频率处也会出现凹口，改善因子曲线发生了变形，从干扰的角度看，这是一种我们期望看到的现象，因为改善因子的凹口越多，说明STAP处理器的性能越差，且落入凹口的信号会被STAP处理器滤除，那么机载雷达就无法探测到我们的目标。

图5 三种典型STAP处理器的IF曲线

4 结束语

本文通过研究分析空时地(海)杂波矢量模型特征，提出了一种针对STAP处理器的投散射式伪杂波干扰方法，分析了干扰信号的空时矢量数学模型，讨论了干扰信号MV谱如何有效覆盖被保护目标的可控性问题，通过比较三种典型STAP处理器在无干扰环境和受到投散射式干扰环境下改善因子的变化情况，来验证这种干扰方法的有效性。投散射式干扰方法的提出，为后续针对STAP处理器多元信号形式下投散射式干扰方法的研究开辟了新的路径，提供了理论分析基础。

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谌诗娃 女，1990年生，硕士研究生。研究方向为阵列信号处理，STAP雷达信号处理。

周青松 男，1982年出生，博士，研究方向为高速数字信号处理和凸优化理论。

张剑云 男，1963年出生，博士生导师，中国电子学会高级会员，雷达分委会委员，IEEE会员，研究方向为雷达及目标环境模拟，雷达信号处理，高速信号处理。

魏 民 男，1993年出生，硕士研究生。研究方向为雷达信号处理，空时信号处理。

A Study on the Scattered Wave Fake Clutter Jamming Method for Space-time Adaptive Processing

CHEN Shiwa，ZHOU Qingsong，ZHANG Jianyun，WEI Ming

(502 Laboratory,Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China)

The airborne radar equipted with space-time adaptive processing technology processing signals in two dimensional space-time domain,it is difficult to be disturbed by traditional jamming method with single dimension signal.Contraposing the anti-jamming feature of STAP,a kind of noval scattered wave jamming method for airborne radar within space-time adaptive processing technology is proposed in this paper.According to the compliance relationship between Doppler frequency and azimuth,the fake clutter jamming signal is generated by utilizing the scattered character of the ground.The jamming signal space-time vector model is analyzed and the minimum variance power spectrum controllability of jamming signal is discussed.The scattered wave jamming signal presents blade distribution and doesen't coincide with clutter in two dimensional space.The Doppler trace can be modified by computer to cover the target.Thus,radar would be interfered as well as the target and jammer would be protected.The simulation results show that the improvement factor is decreased and the clutter spectrum is distorted,which proves that the jamming method is valid.

scatter; clutter; space-time vector; Doppler

��对抗·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.019

谌诗娃 Email：422322492@qq.com

2016-07-26

2016-09-13

TN97

A

1004-7859(2016)10-0083-05