基于时域波形掩护的间歇采样干扰对抗研究

贺青 朱新国 刘传保 吴道庆

（中国电子科技集团公司第十四研究所 江苏省南京市 210039）

1 引言

当前日趋复杂的电子战环境中，侦察与反侦察、干扰与抗干扰是永恒的主题。作为电磁博弈与对抗的绝对主角，现代雷达常处在复杂电磁作战环境中，面临的电磁干扰威胁严重影响目标探测，甚至使雷达变“瞎”，无法完成正常作战任务。雷达作为大功率辐射源，常常是侦察定位、干扰掩护突防的首要目标，因此雷达反侦察与抗干扰需要持续不断的改进与演变。

基于数字射频存储技术（DRFM）的间歇采样干扰是一种高效率干扰技术，是现代雷达面临的重要干扰形式，雷达常通过时域、频域、空域、能量域、极化域多个维度进行间歇采样干扰对抗。其中波形对抗是一种行之有效的主动对抗措施，是雷达进行反侦察与抗干扰的重要手段，雷达通过波形参数的复杂调制、频率捷变、周期抖动、脉冲掩护等增加干扰机分选识别难度，实现波形发射的低截获。

掩护波形作为重要的主动波形对抗措施，主要通过时域、频域、极化域等维度迷惑干扰机，以实现对雷达真实探测波形的保护，是一种技术与战术兼具的有效干扰对抗手段。目前掩护波形抗干扰相关的文献报道较少，文献从频率引导角度分析掩护信号对抗转发式欺骗干扰中的应用，文献重点讨论了掩护信号的使用对雷达信号低截获、抗分选性能的提升，文献研究射频掩护对抗应答式干扰的信号设计方法。

本文从时域波形掩护原理分析，建立掩护波形下的间歇采样干扰模型，并全面考虑掩护脉宽、干扰非同步采样等参数的影响，对掩护波形在间歇采样干扰对抗场景中的应用效能进行定量分析，研究成果对雷达抗间歇采样干扰中的掩护波形参数设计具有重要指导意义和参考价值。

2 雷达波形掩护原理

2.1 波形掩护基本模式

掩护波形本质上是一种波形，其任务就是对干扰机进行诱导诱骗，为雷达真实探测波形提供保护，从而降低干扰机对真实探测信号的干扰，因此掩护波形越接近真实探测波形，对干扰机的诱骗效果越好。作为一种波形，掩护波形的描述参数包括脉宽、带宽、频点、调制形式，即与真实探测波形完全无差异，掩护脉冲与真实探测脉冲的时序模式见图1，共有如下几种基本掩护模式：

图1：波形掩护时序模式图

（1）一个前掩护波形模式；

（2）一个前掩护波形加一个后掩护波形模式；

（3）两个前掩护波形模式；

（4）两个前掩护波形加一个后掩护波形模式等等。

以上四种模式只是最基本的掩护模式，数字相控阵雷达可根据系统时间资源情况、波形灵活控制架构实现进行掩护波形的时域位置与掩护数量自由配置。雷达同一驻留时间内，不同脉冲重复周期也可采用不同的掩护模式，实现雷达波形参数的非同步随机跳变，更易达到以假乱真，扰乱干扰机对雷达辐射源信号波形的分选与识别。

每种掩护模式下，掩护波形与主探测波形工作频点错开，调制形式独立搭配，脉宽按需自由配置，波形与波形之间的时间间隔Δt为零时则是无间隙掩护，不为零时则是有间隙掩护，雷达发射波形表达式为：

表1：情形1和情形2仿真参数

2.2 波形掩护实现架构

一种现代数字相控阵雷达的波形产生架构见图2，采用软件化架构设计，天线阵面划分为多个子阵，雷达采用基于射频本振的波形产生技术，通过矩阵控制器对产生的波形进行灵活控制与重组后送至天线阵面，在统一的控制时序下可实现掩护波形分时序、分阵面的时空灵活配置。

图2：一种多波形掩护实现架构

2.3 波形掩护抗干扰机理

现代数字相控阵雷达面临的间歇采样干扰对任意波形而言均为无差别干扰，干扰机采用信道化技术，将大瞬时接收带宽划分为多个信道进行接收波形处理、分选与识别，因此波形调制、频率脉间捷变效果甚微。然而间歇采样干扰机工作时序为收发反复切换，接收时便无法进行干扰释放，掩护波形正是通过寻找干扰机的时序破绽和不足进行干扰主动对抗。

波形掩护反时序抗干扰机理示意图见图3。间歇采样干扰机工作时，工作时序为采样时序和干扰发射时序交替，其中采样时序用于控制干扰机对雷达信号进行侦收、采样、信道化接收、检测与干扰调制控制，通过包络检波触发检测门限后对雷达信号进行存储、调制；干扰发射时序用于进行雷达信号复制转发与干扰产生。雷达发射波形为掩护波形与探测波形组合，在干扰采样时序间隙雷达发射掩护波形，诱使干扰机成功采样掩护波形，干扰发射间隙雷达发射探测波形，此时雷达接收波门内将接收到目标回波探测信号和干扰发射信号的混叠信号，由于掩护波形与探测波形在频域正交错开，雷达系统接收后通过数字下变频处理实现目标回波与干扰信号的频域分离提取，从而实现干扰抑制。理想情况下，雷达通过对间歇采样干扰进行参数精确测量、发射时序精准控制，可通过雷达波形与干扰反时序设计完成探测信号的隐匿，以完全避开干扰，实现干扰认知对抗。

图3：波形掩护反时序抗干扰机理

3 掩护波形下的间歇采样干扰建模

理想情况下，雷达通过发射波形与干扰反时序设计可完全实现干扰抑制。然而实际中存在诸多因素导致雷达波形掩护反时序设计无法达到理想状态：

（1）干扰机与雷达本身不是同步系统，而是完全独立的两个非同步系统；

（2）实际干扰对抗中，一部干扰机一般可以同时对抗多部雷达，不同雷达独立辐射作战时信号到达干扰机时间具有随机性，将触发干扰机时序的非同步；

（3）雷达接收机中接收回波是噪声、杂波、干扰的混叠信号，雷达对间歇采样干扰时序参数参测存在随机误差。

雷达波形参数、雷达信号到达时间、干扰机采样时序参数、干扰机采样雷达信号时间都具有随机性，干扰机对雷达信号的成功采样、雷达对干扰的反时序抑制都是概率性问题，下面对此进行建模分析。

掩护波形一般配置于工作脉冲的前方，为了增强迷惑性，可在工作脉冲前方配置多个掩护脉冲或者后方配置掩护波形。从反时序抗侦收采样角度考虑，一个或多个前掩护波形均可等效为一个掩护波形脉宽，后置掩护波形只是增加干扰机对真实信号的识别难度，不影响对真实探测波形的采样。如图4所示为建模示意图，设前掩护波形脉宽为τ，探测波形脉宽为τ；τ为干扰采样时长；T为干扰采样周期，定义采样占空比定义为η=τ/T，干扰占空比定义为η=1-η；t为非同步时间参数，用于描述雷达发射信号到达干扰机时间与干扰机开始采样时间的不一致性。

图4：基于掩护波形的反时序抗干扰模型

设雷达探测波形s(t)，频谱为X(f)，其表达式为：

式中B(t)为基带波形复数表达式，u(t)为波形包络。设干扰机采样时序为p(t)，则考虑非同步采样参数的采样时序为：

干扰机采样雷达信号为s(t)=s(t)p(t)，可得干扰机对雷达信号采样成功的时宽为：

定义脉宽采样比η为干扰机对雷达探测波形采样成功的时宽与雷达真实探测波形脉宽占比，即η=τ/τ，脉宽采样比与雷达参数（掩护波形脉宽、探测波形脉宽、波形调制）、干扰参数（采样周期、采样时间、干扰样式）、非同步参数等有关，具有随机概率特性。脉宽采样比越低，干扰进入雷达接收机后匹配得益越少，脉宽采样比为零时标识着雷达探测波形与干扰机形成反时序探测，此时可有效避开干扰采样，成功利用波形掩护实现时序反干扰。

4 讨论与分析

雷达与干扰机之间的电子对抗是一种动态博弈，干扰机干扰策略与雷达波形参数之间会根据对抗效能进行动态调整。对于地面雷达而言，可根据雷达波形参数与干扰参数之间的相对关系分为如下两种情况进行分析。

情形1：τ≤T。此时一个干扰采样周期内对雷达信号最多进行一次采样，一般对应于雷达工作在脉冲多普勒（PD）波形时，干扰机工作在常规策略参数下，此时干扰机未对雷达波形及时作出调整响应。

情形2：kT<τ≤(k+1)T-τ，k=1,2,...。此时一个干扰采样周期内可对雷达信号进行多次采样，对应于雷达工作在PD波形下，干扰机通过及时调整干扰策略后工作在小采样周期下，实现对雷达信号的高效采样。

情形1和情形2的典型干扰参数和波形参数见表1，根据表1参数进行干扰仿真得到两种情形下干扰响应幅度与探测波形时宽、掩护波形时宽的关系分别见图5、图6和图7，仿真中干扰为直接转发干扰形式。

图5：情形1干扰幅度与波形时宽关系

图6：情形1干扰幅度与波形时宽关系（局部放大）

图7：情形2干扰幅度与波形时宽关系

两种情形下，均以掩护波形时宽为零（即无掩护波形）时的干扰幅度为参照进行归一化。情形1中，逐步降低探测脉宽，并采用匹配的掩护脉宽，可以使得干扰得到极大抑制，探测脉宽不大于14us时，采用匹配掩护脉宽后干扰幅度得到至少5dB的抑制。当探测波形脉宽、掩护波形脉宽分别为[τ=11us，τ=9us]或[τ=10us，τ=9us/10us]时，可以得到该干扰参数下的最优雷达波形脉宽组合，此时干扰抑制比大于10dB，分析可知此时脉宽采样比最低，探测波形与掩护波形正好与干扰时序形成反时序探测，干扰机无法对雷达信号形成有效采样。情形2中，当探测波形脉宽、掩护波形脉宽分别为[τ=10us，τ=1/2us]或[τ=11us，τ=91us]时，得到该干扰参数下的最优雷达波形脉宽组合，此时干扰抑制比相比无掩护模式下降3dB，可见情形2干扰机通过及时调整干扰策略和干扰参数，减弱了雷达进行干扰抑制的效能。

考虑实际情形下，雷达发射信号到达干扰机时间与干扰机开始采样时间具有不一致性，即干扰机与雷达具有随机的非同步性。设非同步参数t在区间(0，T)服从均匀分布，针对情形1和情形2，仿真分析脉宽采样比随掩护脉宽、探测脉宽、随机非同步参数之间的关系分别见图8和图9。

图8：情形1非同步采样对脉宽采样比的影响

图9：情形2非同步采样对脉宽采样比的影响

两种情形下，随机非同步参数对脉宽采样比具有较大的影响。情形1中，当非同步参数较大时（≥8us）可以不发射掩护波形，只发射10us探测即可使得脉宽采样比最优，当非同步参数较小时（<8us）优化掩护波形脉宽为10us，雷达探测波形脉宽可以随非同步参数变化取最优解；情形2中，雷达优化探测波形脉宽为10us，掩护波形脉宽可依随机非同步参数取优设计，保证干扰只能对雷达波形进行最多1us的一次成功采样。

5 结束语

本文从时域波形掩护原理出发，系统分析了波形掩护的基本模式、典型实现架构及其抗干扰机理。建立掩护波形下的间歇采样干扰模型，系统考虑雷达波形参数（掩护波形脉宽、探测波形脉宽）、干扰时序参数（采样周期、采样时间）、雷达与干扰非同步随机参数等对干扰响应的影响。针对雷达工作在脉冲多普勒（PD）波形时，干扰机工作在常规策略参数或小采样周期参数这两种典型对抗场景，进行干扰对抗效能的定量分析。

仿真研究表明：

（1）当干扰机时序与雷达发射严格同步时，情形1下优化后的掩护波形与探测波形组合参数，可实现大于10dB的干扰抑制比，情形2下优化的波形参数组合也可实现大于3dB的干扰抑制比；

（2）当干扰机时序与雷达发射具有随机非同步性时，非同步参数对雷达探测波形的脉宽采样比具有较大的影响，雷达掩护波形、探测波形脉宽参数组合可依随机非同步参数取优设计。

本文研究成果对雷达抗间歇采样干扰中的掩护波形参数设计具有重要指导意义和参考价值。