雷达导引头两种步进频信号性能比较及抗干扰仿真

伍建辉 魏 政

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

步进频率(SF)信号是高距离分辨率信号中的一种重要形式，它通过相参脉冲串中各个载频的跳变获得大的带宽，并通过IFFT处理获得高的距离分辨率[1]。步进频率的合成带宽为N·Δf(N为积累脉冲数，Δf为频率步进量)，提高距离分辨率需要增大N或增大Δf，增大N意味着系统数据率的降低，为了避免高分辨距离像的混叠以及抑制栅瓣出现，单载频SF信号须满足紧约束条件[2]τ·Δf≤1 (τ为脉冲宽度)，所以增大Δf必须减小τ，这会使发射信号的平均功率降低，导致雷达作用距离下降。而相位编码步进频率(PCSF)信号通过在子脉冲内附加相位调制，比单载频SF信号更大的Δf，可以用较小的脉冲数N得到较大的合成带宽，解决了脉冲数N与频率步进Δf之间的矛盾，从而具有较高的数据率。

1 PCSF信号表达形式

二相编码步进频率信号是载频以固定步长跳变，且在子脉冲内进行相位编码的脉冲序列，表达式可写为：

(1)

式(1)中rect(·)为矩形函数，其中N为脉冲个数，Tr为脉冲重复周期，Tc为编码的子脉冲宽度，P为码长，编码信号在一个Tr内的脉宽为τ=P·Tc，Ck∈{1,-1}，为二相编码序列，Δf为频率步进的步长。

2 PCSF信号处理流程

PCSF信号的处理主要包括混频、脉冲压缩、相参积累等过程，流程如图1所示。

如图1所示，处理流程按以下步骤进行：

1)回波信号与频率综合器出来的本振信号local(t)=e-j2πfit进行相参混频，得到回波的基带信号。

2)由于二相编码属于多普勒敏感信号，必须消除多普勒相位带来的影响——距离多普勒耦合以及副瓣抬高问题，必须乘以频移因子wb(t)=e-j2πfdt将fd搬移至零频。

图1 PCSF信号处理流程

3)对子脉冲依次进行频域脉压，其中H(f)是频域脉压系数、W(f)是副瓣抑制滤波器的频域传递函数，它的目的是为了压低脉压结果的副瓣电平。

5)N个脉冲结果进行重排，做IFFT进行相参积累。

6)采用拼像去伪峰算法得到最终的一维距离像，进入后续的目标检测环节。

3 PCSF信号与Chirp-SF信号性能比较

现从模糊函数、抗干扰、多普勒效应等方面将PCSF与工程常用的Chirp-SF信号做一比较。

1)模糊函数比较

设计和研究雷达波形的主要数学工具是模糊函数，PCSF信号的模糊函数为图钉型[3-4]，没有距离-多普勒耦合，可以精确测定远距离目标和高速目标。而Chirp-SF信号的模糊函数为倾斜的钉板型，存在距离-多普勒耦合现象，即耦合时移，对于运动目标需做脉内距离走动补偿处理。

2)抗干扰方面

PCSF信号脉内采用伪随机二相编码信号，外部干扰信号不论是周期性的还是随机的，与本地二相码作相关处理后均被随机化，所以具有更低的波形截获概率。Chirp-SF信号脉内的Chirp信号由于存在周期性，波形结构过于简单，因此其波形容易被侦察干扰和截获。

3)多普勒效应

伪随机二相编码信号属于多普勒敏感信号[5][6]，目标的多普勒会降低脉压峰值，其多普勒容限fd1≈1/(4PTc)，同时该信号的距离旁瓣较高，其原因是相位编码所用的伪随机码的相关函数不理想和目标存在多普勒频移所造成的，需要进行特殊的加权滤波来抑制副瓣，同时会造成SNR损失。

Chirp信号属于多普勒不敏感信号，其多普勒容限fd2=0.294Bn，Bn为脉内Chirp信号带宽，一般Bn较大，所以Chirp信号有较大的多普勒容限值和较好的多普勒性能。

4)脉压性能比较

伪随机二相编码信号对于中、远区目标的完全回波接收，脉压后的远区副瓣比较平缓，跟第一副瓣电平相当。对于近区目标的部分回波接收(即接收回波的脉冲宽度小于发射脉冲宽度)，回波中的码元个数减少了，但是码元宽度Tc并未改变，由于信号带宽与码元宽度Tc近似呈倒数关系，所以经过脉压后主瓣宽度并未展宽，只是抬高了距离副瓣。

Chirp信号对于中、远区目标的完全回波接收，脉压后的副瓣衰减速度较快，可以达到-50dB以下，所以从掩盖远区目标的角度来说，伪随机二相编码信号不如Chirp信号。但是Chirp信号对于近区目标的部分回波接收，经过脉压后主瓣宽度展宽，严重时主瓣会发生畸变。

4 PCSF与Chirp-SF抗干扰能力比较

抗干扰能力是全面衡量雷达导引头在复杂电磁环境下工作能力和生存能力的重要指标，压制性干扰与存储转发式干扰是雷达导引头主要的干扰样式，本节在同等的雷达参数条件下，比较PCSF与Chirp-SF信号的抗干扰性能。

比较条件：设置PCSF与Chirp-SF两种信号具有同等的脉宽τ=2.54us，同等的脉冲周期Tr=60us，同等的脉冲数N=8，同等的频率步进量Δf=40MHz；同等的采样率fs=100MHz， Chirp-SF信号子带宽Bn=50MHz，PCSF采用码长为P=127的小m序列，信号子带宽Bn2=1/Tc=50MHz，即二者有相同的子带宽与合成带宽。

4.1 压制性干扰

压制性干扰是雷达导引头面临的主要的干扰形式，压制性干扰的定义：在雷达导引头回波的频谱范围之内，干扰机发射功率较强的干扰信号，以压制敌方导引头的有用回波信号，阻止敌方设备从电磁回波中获取目标信息[7]。

压制性干扰根据频谱特性分为瞄准式、宽带阻塞式、扫频式三大类，本节从点频干扰、窄带干扰、宽带干扰、扫频干扰4种干扰形式来仿真两种信号的抗干扰能力。

各种干扰源仿真参数：真实目标距离R=3579m，输入干噪比JNRi=20dB；输入信噪比SNRi=15dB；输入干信比JSRi=JNRi-SNRi=5dB。

4.1.1 点频干扰

设置点频干扰的中心载频fc=30MHz，干扰点频处于接收机瞬时带宽之内，两种信号经过脉间二次脉压之后的细分辨距离像如图2和图3所示。

图2 点频干扰下PCSF信号距离像

图3 点频干扰下Chirp-SF信号距离像

如上图所示，PCSF信号输出的主副瓣比：MSR=-32.3dB, Chirp-SF信号输出的MSR=-40.7dB。

4.1.2 窄带干扰

设置窄带干扰的中心载频fc=0Hz，干扰带宽BJn=2MHz，一维距离像如图4、图5所示。

图4 窄带干扰下PCSF信号距离像

图5 窄带干扰下Chirp-SF信号距离像

从图4、图5可见，在窄带干扰环境下，PCSF信号输出的MSR=-23.0dB, Chirp-SF信号输出的MSR=-20.1dB。

4.1.3 宽带干扰

宽带干扰的中心载频fc=0Hz，干扰带宽BJn=40MHz，宽带干扰带宽接近50M的子脉冲带宽，在宽带干扰下的距离像如下所示。

图6 宽带干扰下PCSF信号距离像

图7 宽带干扰下Chirp-SF信号距离像

从图6、图7可以看出，在宽带干扰环境下，PCSF信号输出的MSR=-20.4dB, Chirp-SF信号输出的MSR=-18.8dB。

4.1.4 扫频干扰

此处采用的扫频干扰的形式是余弦二次扫频，扫频带宽Bw=40MHz，具体是[0，Tr/2]从40M扫频至0，在[Tr/2，Tr]从0扫频至40M，对应的时频谱如图8所示。

图8 扫频干扰的时频谱

图9为扫频干扰的频谱，图10、图11分别对应扫频干扰环境的PCSF、Chirp-SF信号的距离像，在扫频干扰环境下，PCSF信号输出的MSR=-21.9dB, Chirp-SF信号输出的MSR=-20.7dB。

图9 扫频干扰的频谱

图10 扫频干扰下PCSF信号距离像

图11 扫频干扰下Chirp-SF信号距离像

4.2 存储转发式干扰

存储转发式干扰是对接收到的雷达信号进行数字射频存储，然后经过信号延迟、放大后发射出去的干扰样式。这种转发式干扰很容易做到距离欺骗和速度欺骗，同时可以在雷达接收端产生大量虚假目标，降低雷达导引头对真实目标的检测性能。

在存储转发式干扰样式仿真中，设置干扰源径向距离：RJ=R+100m(真实目标距离R=3579m)，即干扰源置于比目标的径向距离远100m的地方,存储转发式干扰的其余仿真参数如4.1节参数设置。

4.2.1 Chirp-SF干扰

Chirp-SF信号的储存转发式干扰的信号形式为Chirp-SF，经过前端混频与滤波之后，进入接收机的信号为零中频的Chirp信号。

图12 存储转发式干扰下Chirp-SF信号距离像

由图12可以看出，Chirp-SF信号对存储转发式干扰比较敏感，在目标R=3579m附近出现了8个虚假目标，且最大的虚假目标电平比目标主峰只小7.9dB,在导引头全程搜索过程中较多的虚假目标会造成虚警过高而漏掉真实目标，造成搜索困难，若跟踪阶段存在Chirp-SF存储转发式干扰则可以通过距离门选通等手段剔除虚假目标。

4.2.2 PCSF干扰

PCSF信号的储存转发式干扰的信号形式为PCSF，经过前端混频与滤波之后，滤除跳频的载频分量之后进入接收机的信号为零中频的伪随机调相干扰信号。

由图13可见，PCSF信号的储存转发式干扰中目标距离R=3579m,全程距离段只有1个干扰目标位于RJ=3680m，且干扰电平比目标主峰强3.5dB,

该干扰亦会对导引头全程搜索造成影响，但通过剔除强干扰的虚假目标等措施，可以大大降低对目标搜索的影响，若跟踪阶段存在PCSF存储转发式干扰也可以通过缩小波门等方法剔除转发式距离欺骗干扰，但与Chirp-SF的抗干扰相比，PCSF信号的抗截获能力较强。

图13 存储转发式干扰下PCSF信号距离像

综上所述，对上面的各种干扰形式从脉压后的主副瓣比做一总结归纳，如表1所示。

表1 各种干扰下的PCSF、Chirp-SF信号的主副瓣比(MSR/dB)

从表1可以看出，点频干扰下，Chirp-SF信号优于PCSF信号，其余干扰下均是PCSF信号优于Chirp-SF信号。

5 结束语

二相编码步进频率信号是频率步进信号中的一种重要形式，它可以在较低的瞬时带宽下获得高分辨率的效果。本文首次将PCSF信号与Chirp-SF信号优缺点进行了全面对比，并在同等的雷达参数下对PCSF信号与Chirp-SF信号进行了抗干扰比较，并得出结论：在抗干扰效能方面PCSF信号优于Chirp-SF信号，应在工程应用中大力推广使用。

参考文献:

[1] 鲍坤超，陶海红，廖桂生.相位编码步进频率信号的模糊函数分析[J].火控雷达技术，2007,36(1):62-65.

[2] 龙腾，李耽，吴琼之.频率步进雷达参数设计与目标抽取算法[J].系统工程与电子技术，2001,23(6):26-31.

[3] 毛士艺，张瑞生.脉冲多普勒雷达[M].北京：国防工业出版社，1990.59-60.

[4] Donald R. Wehner. High Resolution Radar(Sencond Edition)[M].Boston.London: Artech House,1994:279-280.

[5] 靳凯，王卫东，王东进.一种脉内相位编码脉间步进频率雷达信号的研究[J].中国科学技术大学学报，2006,36(2):137-142.

[6] 林茂庸，柯有安.雷达信号理论[M].北京：国防工业出版社，1984.152-153.

[7] Skolnik M I.Radar Handbook[M].New York:Mclaraw-Hill Publishing House,1990:133-134.