对空时自适应技术的卷积调制干扰研究

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(西安电子科技大学电子信息攻防对抗与仿真技术教育部重点实验室， 陕西西安 710071)

0 引言

空时二维自适应(STAP)技术具有优秀的抑制杂波和干扰的特性[1-2]，是新一代高性能雷达的关键技术之一[1,3],近年来还应用到了导航、通信以及声呐等领域[3-6]。STAP技术的发展给雷达对抗一方也提出了严峻的挑战，但目前国内外公开的文献资料对STAP干扰方法的研究却十分有限。文献[7]提出了一种针对STAP技术的密集干扰的方法，用多部干扰机占用系统自由度，使STAP系统因缺乏足够的系统自由度而性能下降,但当阵元和脉冲个数较大时，所需干扰机的数量也比较庞大。文献[8]提出了一种自卫式相干散射欺骗干扰方法，虽然能有效掩护受保护目标，但未考虑到收发分时体制下干扰机如何快速响应的问题。文献[9]提出了一种利用阶梯波移频法构造距离假目标的干扰方法，虽然能形成非均匀环境，使STAP系统性能下降，但其形成的假目标数量较少，并且呈现一定的规律性。

针对现有干扰方法在收发分时体制下无法快速响应和假目标数量较少且呈现一定规律性等问题，本文研究了机载雷达STAP系统的信号模型，提出了一种基于间歇采样的卷积调制叠加转发干扰方法。这种干扰方法将间歇采样、卷积调制和延时叠加三种方法相结合，提高了收发分时体制下干扰机的响应速率，产生了大量的幅度随机起伏、间隔随机分布的假目标信号。

1 机载雷达STAP系统的信号模型

图1为机载相控阵雷达的几何模型图。假设雷达载机的飞行高度为H，以恒定的速度v作匀速直线飞行，雷达天线采用均匀线阵，各阵元的间距d=λ/2，λ为雷达发射电磁波的波长，θ和φ分别为天线波束指向的方位角和俯仰角，ψ为杂波散射体相对阵列天线的入射锥角，并满足cosψ=cosθcosφ的数量关系，α为阵列天线的载机航行方向的夹角。

图1 机载雷达阵列天线几何模型

(1)

式中，xn,k,n=1,2,…,N,k=1,2,…,K表示第n个天线阵元接收到的第k个时刻的空时二维的采样数据。在后续处理中，为了方便理解与表示，将每个距离单元的数据写成(NK×1)维的向量形式。

雷达回波数据为X，其通常由目标信号回波St、杂波信号C、噪声n和干扰信号J组成，即

X=St+C+n+J

(2)

设STAP系统的自适应权矢量为W，即

W=[w11,…,w1K,w21,…,w2K,…,

wN1,…,wNK]T

(3)

滤波处理后输出为Y，则STAP系统的输出为

Y=WHX

(4)

自适应最优权矢量Wopt为

(5)

图2 输入数据模型

2 基于间歇采样的噪声卷积叠加转发干扰信号模型

受机载平台应用的限制，干扰机收发隔离度难以保证，机载平台干扰机通常采用收发分时体制。为了使干扰机快速响应，通常对截获到的雷达信号进行间歇采样。如图3所示，在侦收窗内(WR为高电平期间，其中Δt为系统延时)，干扰机对截获信号进行检测。当检测信号DET为高电平，启动DRFM对信号进行存储，当信号脉冲宽度大于系统设定的间歇时间τ，即信号存储τ长度后，干扰发射选通信号JT变为高电平，并同时将存储的信号读出；数据读出完毕后，JT再次降为低电平，存储τ时间长度信号数据后，JT再次变为高电平，将新存储的数据读出；该过程持续直至DET转低，即雷达脉冲结束。图中Tj为干扰窗长度。

图3 间歇采样原理

(6)

(7)

雷达发射线性调频信号为x(t)，时宽为T，带宽为B。使用间歇采样脉冲串信号对雷达发射信号进行采样，即可得到间歇采样转发干扰信号xs(t)，其频谱为Xs(f):

xs(t)=c(t)x(t)

(8)

Xs(f)=C(f)*X(f)=

(9)

由式(9)可得，当n对应取不同值时，干扰信号频谱与雷达频谱形状相似，只是在中心频率处发生了±nfs的频移，并在幅度上有一定衰减。设匹配滤波器为h(t)，则目标回波和干扰信号经过匹配滤波器的响应分别为y(t)，ys(t):

ys(t)=xs(t)*h(t)=

(10)

分析式(10)可得，经匹配滤波后干扰信号会形成一组由主假目标和分布在其两侧的次假目标群。雷达回波信号的匹配滤波输出和间歇采样转发干扰信号的匹配滤波输出的仿真结果分别如图4(a)和图4(b)所示(T=10 μs，B=2.5 MHz,τ=1 μs,Ts=2 μs)。假目标的幅度由间歇采样脉冲信号的脉宽和重复周期决定，并且任意相邻两个假目标的间隔为

(11)

为了保证假目标群的产生且任意两相邻假目标不发生混叠，间歇采样周期Ts必须满足：

(12)

(a) 雷达信号匹配滤波输出

(b) 间歇采样转发干扰信号匹配滤波输出图4 间歇采样干扰转发信号

图5 基于间歇采样的噪声卷积延迟叠加转发干扰原理

(13)

Xf-mfs·e-j2πfτi·Ni(f)

(14)

由式(14)可知，由于有Ni(f)的存在，使得干扰信号的频谱在幅度上产生随机起伏的现象。干扰信号j(t)经过匹配滤波器h(t)的输出为jpc(t)，则

jpc(t)=j(t)*h(t)=

(15)

(a) 直接延时叠加转发干扰信号

(b) 本文方法产生的干扰信号

(c) 直接延时叠加转发干扰信号匹配滤波输出

(d) 本文干扰信号匹配滤波输出图6 干扰信号对比

3 仿真分析

仿真参数：机载雷达工作频率f0=450 MHz，脉冲重复频率PRF=300 Hz，天线采用均匀线阵，阵列天线与载机航向的夹角α=0°，阵元个数N=16，脉冲积累数M=16,杂噪比CNR=40 dB，信噪比SNR=0 dB，干噪比JNR=28 dB，用30 dB切比雪夫加权。 载机速度vp=150 m/s，载机高度H=9 000 m，目标的方位角ψt=0°，速度vt=75 m/s，干扰机的方位角ψj=30°，速度vj=30 m/s，采用512个训练样本。仿真结果如图7～图11所示。

图7 无干扰环境下杂波空时功率谱

图8 杂波+干扰空时功率谱

图9 杂波环境下STAP对目标的检测

图10 杂波+干扰环境下STAP对目标的检测

图11 改善因子对比

4 结束语

本文研究并分析了机载雷达STAP系统的信号模型，将间歇采样、卷积调制、延时叠加转发等方法相结合，提高了收发分时体制下干扰机的响应速率，并且针对STAP系统产生了大量的不满足独立同分布的干扰训练样本，造成STAP系统无法准确估计用于抑制杂波和干扰的协方差矩阵，大大降低了STAP系统的性能。仿真结果验证了该干扰方法降低了STAP系统的输出信杂噪比并展宽了滤波器凹口，造成STAP系统的性能下降。