一种基于调频噪声干扰信号的协同探测定位技术

石 林，王 宏，周 宇

(中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海 201802)

1 概 述

随着电子战系统和装备技术的迅猛发展，电子战已成为现代战争中不可缺少的一种重要作战手段。在电子对抗中，信息的获取、战场态势的感知和掌控是现代战争获胜的重要因素，对敌信息设备实施有效打击更是制胜的法宝，集干扰与探测为一体的多功能设备，在电子战设备的发展中受到极大的关注。基于干扰信号的协同探测定位技术，在己方干扰设备对敌方进行干扰打击的同时，利用信号复用技术，将己方发射的干扰信号作为探测信号，对周围目标进行协同探测和定位。

本文介绍了一种基于调频噪声干扰信号的协同探测定位技术的原理、设备组成、信号处理方法及试验结果。

2 基于调频噪声干扰信号的协同探测定位技术

基于调频噪声干扰信号的协同探测定位技术，采用双多基地体制，利用干扰发射设备发射调频噪声干扰信号，探测定位设备对目标回波进行接收和处理，完成对目标的探测和定位。

图1所示为收发双基地配置情况。发射干扰站与协同探测定位设备之间的基线距离L已知，协同探测定位设备测量得到距离和Rs=Rt+Rr和方位角θr。

图1 定位原理示意图

由余弦定理可得：

(1)

(2)

对于多目标而言，每个目标的位置可由各自的方位角及距离和唯一地确定。

3 信号波形设计

基于调频噪声干扰信号的探测定位技术的关键之处在于发射信号的波形设计，用于探测的调频噪声干扰信号的架构形式有2种[1]：一种是利用纯干扰进行探测；一种是复合波形，在干扰信号中开窗，在开窗期间加入探测信号，即干扰探测一体化波形。

纯干扰波形的信号如图2所示，发射的信号就是经过设计的准连续噪声调频干扰信号，其中PRT是指脉冲重复周期。

图2 纯干扰波形的干扰探测信号

纯干扰波形的发射信号既是干扰波形又是探测波形。干扰时大功率发射干扰信号，覆盖敌雷达工作频段，降低敌方雷达的探测能力；同时利用该大功率的干扰信号还可以探测敌目标周围无源目标，对敌方目标进行精确定位，干扰和探测同时完成。

干扰探测一体化的复合波形如图3所示，黑色部分为探测信号，白色部分为干扰信号。探测波形采用具有特定信号特征的信号，如线性调频信号、噪声调频信号或其它信号；而干扰信号波形采用常规干扰信号。

图3 复合波形的干扰探测信号

4 设备组成

发射干扰站与协同探测定位设备组成如图4所示。控制中心根据环境情况发出控制指令，发射干扰站接到指令后，产生相应的干扰信号，并放大发射。发射的干扰信号照射到目标上产生回波信号，被协同探测定位设备所接收。收发设备受控在空间、时间、频率上同步，信号处理采用匹配滤波处理得到目标信息，而后通过数据处理形成目标的点迹和航迹。

图4 设备组成

5 信号处理方法

如果雷达接收系统与接收信号相匹配，则雷达接收机输出端的峰值信噪比达到最大值,无论采用什么样的雷达波形，匹配滤波器输出响应的峰值瞬时信号与平均噪声功率之比2倍于接收信号能量E对单位赫兹的噪声功率N之比[2]：

(3)

当匹配滤波器接收机与发射波形相匹配，脉冲宽度为T，且带宽等于接收系统噪声带宽βn，脉冲压缩处理减少了响应的宽度，增加了输出包络的峰值，增加的因子定义为信号处理增益D。对于理想匹配而言，其增益D接近于时间带宽乘积Tβn。

匹配滤波器输出响应的瞬时峰值信噪比：

(4)

如果以噪声调频脉冲信号作为发射信号[3]，其时域表达式关系如下：

(5)

(6)

式中：A为载波振幅；t0为信号脉冲宽度；ωc为载波频率；KFM为调频斜率，表示调制噪声每伏电压引起的频率变化；un(τ)为调频噪声函数，均值带限高斯白噪声；φ为[0,2π]上的均匀分布，与噪声un(t)相互独立。

调频噪声函数满足高斯分布,un的概率密度函数为：

(7)

发射信号的频谱：

(8)

当mfe≫1时：

(9)

式中：mfe=KFMσ/ΔFn；fde=KFMσ。

调频噪声的功率：

(10)

目标与发射机相距R，其回波信号被接收机所接收，其回波表示为：

x(t)=σ0s(t-tR)+nr(t)

(11)

回波谱：

X(f)=GS(f)ej2πftR+N0

(12)

目标的回波信号中包含了发射信号的特征，因此在信号处理中采用与发射信号样本相匹配的冲击响应函数进行匹配滤波的处理。

匹配滤波输出：

y(t)=x(t)*h(t)

(13)

冲击响应函数时域表达式：

h(t)=s*(-t)

(14)

对应于频域：

Y(f)=X(f)H(f)

(15)

匹配滤波器的输出峰值为回波中与样本匹配的信号，输出功率Y(f)=GS(f)2，无回波区输出的是噪声功率。

匹配滤波器输出的最大信噪比：

(16)

此时该信噪比所代表的物理意义就是主瓣与τ≫1/B处的旁瓣之比，因此对于积累时间为T0,带宽为B的噪声调频信号,其远区主旁瓣比为时宽带宽积BT0。

由此可以看出，噪声调频信号可以作为探测信号使用。

图5为噪声调频信号脉压的数学仿真结果，此时噪声调频信号带宽5 MHz，脉宽取200 μs，可以看出脉压得益约为30 dB。

图5 噪声调频波形的脉压结果

6 外场试验结果

在外场试验中，我们对飞行目标进行相关探测试验，设备发射峰功率不足800 W，采用纯噪声调频信号，信号重复周期Tr=4 ms，脉宽τ=200 μs，带宽B=5 MHz，理论脉压得益D=30 dB。探测结果如图6所示，深色为实际探测结果，浅色为飞机自动相关监视广播(ADS-B)得到的位置信息，可以看出，能够探测到125 km远的民航目标，反推系统灵敏度到-128 dBm，信号压缩得益大于28 dB以上。

图6 噪声调频信号实际探测结果

7 结 论

本文通过理论分析、数学仿真和外场试验证明，利用调频噪声信号是可以进行探测和定位的。该项技术充分利用现有的干扰发射设备发射干扰探测信号，使得干扰发射设备既可以当作干扰设备，也可以当作目标探测的发射设备，在干扰的同时对附近的无源目标进行探测和定位，是一种高效、多功能的设备。