基于混沌序列的射频隐身跳频周期设计方法

杨宇晓+左瑞芹

摘要： 为提高跳频系统的射频隐身性能， 利用信号参数的不确定性策略， 提出了一种基于混沌序列的射频隐身跳频周期设计方法。 该方法采用Logistic映射生成混沌序列， 并将其在跳频周期空间进行映射， 以实现对跳频信号的跳频周期参数控制。 仿真结果表明， 本文所提方法的不确定性远优于传统固定周期方法， 具有更好的射频隐身性能。

关键词： 射频隐身； 混沌序列； 跳频周期

中图分类号： TN914.41文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）05-0034-05

Abstract： In order to improve the RF stealth performance of frequency hopping system， a design method for hopping cycle of RF stealth based on chaotic sequences is proposed by using the uncertainty strategy of signal parameters. In this design， the chaotic sequences are generated by Logistic mapping， and the frequency hopping cycle space is mapped to achieve the control on hopping cycle parameters of hopping signals. The simulation results show that the proposed method is much better than the traditional fixed cycle method， it has better RF stealth performance.

Key words： RF stealth； chaotic sequence； hopping cycle

0引言

射频隐身技术是近年来发展的一种新型隐身技术， 主要用以对抗无源探测系统。 该技术通过对平台搭载的主动辐射源进行特征控制， 从而避免其被无源探测系统截获、 分选识别和定位。 射频隐身相比雷达隐身和红外隐身[1]有所不同， 并非无限制的降低目标特征， 而是在满足设备功能、 性能要求的基础上对目标特征进行有效控制， 提高其低被截获性能[2-4]。

最大不确定策略是射频隐身设计的重要方法[5]， 通过使主动辐射源参数的不确定性最大， 使敌方侦察设备无法预估， 从而提高信号的抗分选识别能力。 跳频通信信号即利用其频率特征的不确定变化， 来实现信号的低被截获， 其频率的不确定性主要由跳频序列性能来加以保证。 1974 年， Lempel 和Greenberger 给出了跳频序列最大周期汉明自相关理论界， 即著名的Lempel-Greenbeger 界[6]。 Niu Xianhua[7]等建立了低碰撞区跳频序列周期部分汉明相关函数的理论界。 为得到具有优良性质的跳频序列， 国内外学者采用各种序列构造方法， 使序列逼近理论界。 Cai Han等人[8]提出了基于局部汉明相关上界的严格最优跳频序列集， 并给出了新的结构参数。 Chung Jinho等人[9]利用笛卡尔积构造了一类新的满足Peng-Fan-Lee 界最优的低碰撞区跳频序列集。

跳频通信虽具有较好的低截获性能， 但其跳频周期多为固定值， 敌方仍可通过跳频频率集、 跳频速率及跳频网属等特征参数进行估计， 实现跳频信号的截获及分选。 因此， 单纯采用随机化跳频序列的方法， 并不能够完全解决跳频信号的低截获问题。 为进一步降低跳频系统截获概率， 严季等[10]利用变跳速（周期）、 变间隔的“双跳”方法， 提出了一种具有更优抗截获性能的跳频系统。 本文利用最大信号不确定性策略， 将混沌思想引入跳频信号设计中， 利用混沌序列的伪随机、 类噪声特性来进行跳频周期设计， 以实现跳频序列周期的随机变化， 提高跳频系统的抗截获能力。

1混沌序列

混沌通信的保密性能好， 具有巨大的应用前景和研究潜力， 是21世纪通信技术的一个重要方向。 目前混沌通信主要分为四大类： 混沌扩频、 混沌键控、 混沌参数调制和混沌掩盖。 其中混沌扩频技术的关键是产生具有逼近于高斯白噪声统计特性的混沌扩频序列。

本文的基本思想是以跳频周期为设计对象， 通过不确定设计方法， 实现跳频周期的随机变化， 从而进一步提高其抗截获性能。 混沌序列固有的伪随机、 类噪声特性， 与本文的基本思想十分吻合， 并且由于混沌序列初值敏感性、 保密性能十分优异。 因此， 将混沌扩频序列引入跳频信号设计中， 利用混沌扩频序列对跳频信号的跳频周期进行控制。

5.3仿真结果

将本文设计的方法与传统的固定跳频周期方法进行对比， 对比结果如下所示。

5.3.1仿真1： 跳频周期性能比较

跳频周期对跳频信号的截获识别具有重要意义， 由于跳频信号时间间隔的不同， 其跳频周期也不相同。 对具有相同均值的变周期方法和固定周期方法进行了仿真计算， 两种跳频周期曲线如图3所示。

由仿真数据可知， 本文所提方法的跳频周期在取值范围内按照混沌序列随机变化， 敌方截获系统无法提前预知。

5.3.2仿真2： 跳频周期不确定性比较

由第2节可知， 可以利用信息熵对信号的不确定性进行定量分析。 针对变周期方法和固定周期方法， 分别利用式（2）进行了仿真计算， 两种方法的熵值对比如表4所示。

由于固定周期方法的所有跳频周期均为定值， 没有不确定性， 因此其熵值为0。 由表4可知， 变周期方法的熵值为2.477， 其不确定性远优于固定周期方法， 即变周期方法具有更优的射频隐身性能。

5.3.3仿真3： 截获概率性能比较

截获概率可用于衡量跳频通信信号的射频隐身性能， 截获概率越低， 射频隐身性能越好。 为验证混沌序列变周期方法的有效性， 针对固定周期方法、 随机序列变周期和混沌序列变周期三种方法分别进行了仿真计算， 仿真参数设置为： MF=11.2 m2； PI=-113 dBW； CO=0.477； DI=0.001； TI=5 s。 三种策略下的截获概率均值如表5所示。

由仿真数据可知， 固定周期方法的截获概率均值最高， 随机序列和混沌序列变周期方法的截获概率均值得到了降低。 因此， 通过对跳频周期的控制， 可以降低跳频信号的截获概率， 提高信号的射频隐身能力。

6结论

从提高跳频周期的不确定性入手， 提出了一种基于混沌序列的射频隐身跳频周期设计方法。 该方法利用Logistic映射产生具有混沌特性的随机序列， 并将该序列在跳频周期空间中进行映射， 生成实际可用的发射时间间隔序列， 对跳频信号的跳频周期参数进行控制。 仿真结果表明， 与传统的固定跳频周期方法相比， 本文提出的基于混沌序列的变跳频周期设计方法具有更大的熵值， 因此射频隐身性能更优。 但变周期方法涉及的计算量和硬件资源较多， 因此， 对硬件平台提出了更高要求。

参考文献：

[1] 樊浩， 黄树彩， 谢永才， 等. 临近空间飞行器平台探测低空/隐身目标分析[J]. 航空兵器， 2012（1）： 12-17.

[2] Schleher D C. LPI Radar： Fact or Fiction[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2006， 21（5）： 3-6.

[3] Gau J Y. Analysis of Low Probability of Intercept （LPI）Radar Signals Using the Wigner Distribution[D]. Monterey， Calif： Naval Post Graduate School， 2002.

[4] 杨红兵， 周建江， 汪飞， 等. 飞机射频隐身表征参量及其影响因素分析[J]. 航空学报， 2010， 31（10）： 2040-2045.

[5] 桑建华， 陈益邻.发展中的飞行器射频隐身技术[J]. 航空制造技术， 2011（23/24）： 48-50.

[6] Lempel A， Greenberger H. Families of Sequences with Optimal Hamming Correlation Properties[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 1974， 20（1）： 90-94.

[7] Niu Xianhua， Peng Daiyuan， Liu Fang，et al. Lower Bounds on the Maximum Partial Correlations of Frequency Hopping Sequence Set with Low Hit Zone[J]. IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics， Communications and Computer Science， 2010， E93A（11）： 2227-2231.

[8] Cai Han， Yang Yang， Zhou Zhengchun， et al. Strictly Optimal FrequencyHopping Sequence Sets with Optimal Family Sizes[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2016， 62（2）： 1087-1093.

[9] Chung Jinho， Yang Kyeongcheol. New Classes of Optimal LowHitZone FrequencyHopping Sequence Sets by Cartesian Product[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2013， 59（1）： 726-732.

[10] 严季， 梁涛， 祈竹. 变跳速、 变间隔跳频通信技术研究[J]. 无线通信技术， 2012， 21（4）： 25-29.

[11] 孙克辉， 贺少波， 尹林子， 等. 模糊熵算法在混沌序列复杂度分析中的应用[J]. 物理学报， 2012， 61（13）： 1-7.

[12] Liu Lingfeng， Miao Suoxiao， Hu Hanping， et al. Pseudo Random Bit Generator Based on NonStationary Logistic Maps [J]. IET Information Security， 2016， 10（2）： 87-94.

[13] Nasim Z， Bano Z， Ahmad M. Analysis of Efficient Random Permutations Generation for Security Applications [C]∥International Conference on Advances in Computer Engineering and Applications， Ghaziabad， 2015： 337-341.

[14] Jaynes E T. Information Theory and Statistical Mechanics[J]. The Physical Review， 1957， 106（4）： 620- 630.

[15] Lynch D D. Introduction to RF Stealth[M]. Raleigh， North Carolina： Science Technology Publishing Incorporation， 2004： 8-12.

[16] 谢红梅， 夏磊， 朱孟元， 等. 基于Logistic混沌映射的图像加密系统及FPGA实现[J]. 航空兵器， 2016（2）： 56-60.

[17] 申振宁， 曾兴雯， 周子琛， 等. JTIDS系统仿真与性能分析[J]. 计算机仿真， 2005， 22（2）： 23-25.

[18] Liu Hongbo， Jun Gao， Tang Su，et al. Analysis of the Coding Performance and Performance of AntiJamming of JTIDS[C]∥3rd International Conference on Consumer Electronics， Communications and Networks（CECNet）， Xianning， 2013： 149-154.