間歇混沌采樣靈巧干擾生成算法

于沐堯,董勝波，王秀君

(1.北京遙感設(shè)備研究所,北京 100854；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十九研究所，四川 成都 610036)

0 引言

在軍事科技的發(fā)展中，電子對(duì)抗技術(shù)逐漸占據(jù)重要地位，干擾與抗干擾成為該領(lǐng)域熱門的研究課題之一[1]。作為數(shù)字射頻存儲(chǔ)(digital radio frequency memory,DRFM)技術(shù)應(yīng)用中的經(jīng)典干擾樣式，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生的干擾信號(hào)與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)具有很高的相干性，在時(shí)域、頻域、空域等作戰(zhàn)域內(nèi)高度相似，同時(shí)在雷達(dá)接收機(jī)中可獲得很大的相干處理增益，是目前運(yùn)用較為廣泛的相參干擾技術(shù)[2-4]。

長(zhǎng)久以來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)基于DRFM的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾開(kāi)展了大量的研究與改進(jìn)工作。文獻(xiàn)[5]提出了基于移頻導(dǎo)前干擾的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾，并計(jì)算干擾機(jī)天線功率增益補(bǔ)償失配損耗。文獻(xiàn)[6]提出了一種間歇采樣調(diào)相干擾技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)間歇采樣信號(hào)與多種相位調(diào)制方式的結(jié)合，增加匹配濾波后主假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)的距離，達(dá)到欺騙雷達(dá)正常工作的目的。文獻(xiàn)[7]提出了導(dǎo)前干擾與靈巧噪聲相結(jié)合的組合干擾樣式，仿真結(jié)果表明該種干擾產(chǎn)生的密集假目標(biāo)具備欺騙和壓制的干擾效果。文獻(xiàn)[8]利用循環(huán)存儲(chǔ)同時(shí)結(jié)合卷積濾波器的方式產(chǎn)生多假目標(biāo)。文獻(xiàn)[9]提出了階梯波頻移、線性函數(shù)頻移、分段線性函數(shù)頻移等新式頻移干擾，使脈沖壓縮雷達(dá)產(chǎn)生多組以主假目標(biāo)為中心均勻分布的密集假目標(biāo)群，但是通過(guò)假目標(biāo)群均勻分布的特點(diǎn)，某些特征分辨雷達(dá)可以進(jìn)行識(shí)別。文獻(xiàn)[10]提出了靈巧噪聲干擾方法，通過(guò)噪聲與雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行卷積調(diào)制或者乘積調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)理，產(chǎn)生壓制與欺騙干擾效果。文獻(xiàn)[11]提出了基于隨機(jī)碼元調(diào)制的密集假目標(biāo)干擾生成方法，通過(guò)調(diào)制碼元控制產(chǎn)生不同的假目標(biāo)。文獻(xiàn)[12]根據(jù)方位延遲量和距離延遲量的關(guān)系，提出了具有航跡特征的多假目標(biāo)干擾。文獻(xiàn)[13]采用非完整正弦信號(hào)、伯努利混沌噪聲進(jìn)行卷積調(diào)制干擾，使得假目標(biāo)在距離上分布更加密集，達(dá)到了更好的壓制效果。文獻(xiàn)[14]提出一種掃頻鋸齒波靈巧噪聲干擾技術(shù)，干擾信號(hào)通過(guò)在原有雷達(dá)回波上附加一個(gè)窄帶線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生，用較小的功率在目標(biāo)回波附近產(chǎn)生類似高斯噪聲的特性。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于間歇采樣的脈沖隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾新方法，該方法通過(guò)隨機(jī)序列控制是否轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)前選擇的干擾信號(hào)，達(dá)到提高次假目標(biāo)相對(duì)幅度的目的，使干擾信號(hào)具有更好的壓制效果。

然而，由于間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)所產(chǎn)生的多假目標(biāo)分布均勻，通過(guò)特征識(shí)別的方法可以識(shí)別進(jìn)而抑制假目標(biāo)，同時(shí)由于次假目標(biāo)的幅度衰減快，使得達(dá)到干擾能力的有效假目標(biāo)數(shù)量減少，欺騙干擾與壓制干擾效果不盡理想。

本文從間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理出發(fā)，推導(dǎo)并分析了經(jīng)典切片干擾的缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于間歇混沌采樣轉(zhuǎn)發(fā)的靈巧干擾生成算法。首先生成Tent混沌序列，利用該序列不確定、不重復(fù)、非周期、不可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)控制采樣時(shí)間窗長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間窗長(zhǎng)度，使得假目標(biāo)分布不均勻，同時(shí)混沌序列的特點(diǎn)將大幅增加雷達(dá)接收機(jī)對(duì)干擾信號(hào)參數(shù)估計(jì)的難度，降低干擾識(shí)別率；其次，通過(guò)靈巧噪聲對(duì)采樣后的干擾信號(hào)進(jìn)行卷積調(diào)制，提高次假目標(biāo)群相對(duì)幅度，增加了有效假目標(biāo)的數(shù)量；最后進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與經(jīng)典切片干擾與脈沖隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的比較，該算法達(dá)到了較好的欺騙干擾與壓制干擾效果，驗(yàn)證了本文算法的正確性和有效性。

1 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)的切片干擾生成算法

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾(interrupted sampling repea-ter jamming,ISRJ)通過(guò)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的采樣、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，利用脈沖壓縮雷達(dá)的匹配濾波特性產(chǎn)生相干假目標(biāo)[16]，假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)s(t)，表達(dá)式為

(1)

式中：A為信號(hào)幅度;T為脈沖寬度;f0為信號(hào)載波頻率;K為調(diào)頻斜率。

采樣信號(hào)p(t)為矩形脈沖串，其表達(dá)式為

(2)

式中：τ為采樣信號(hào)脈沖寬度；Ts為采樣信號(hào)脈沖重復(fù)周期，則fs=1/Ts為采樣信號(hào)脈沖重復(fù)頻率。

對(duì)干擾機(jī)接收的雷達(dá)信號(hào)s(t)進(jìn)行間歇采樣，得到的ISRJ信號(hào)為

(3)

最后，ISRJ信號(hào)經(jīng)雷達(dá)接收機(jī)匹配濾波器h(t)后得到的信號(hào)jr(t)為

(4)

由式(4)可以看出，匹配濾波后的輸出主要有2部分組成，第1部分是主假目標(biāo)，與雷達(dá)回波信號(hào)除幅度外完全相同;第2部分是次假目標(biāo)，通過(guò)采樣將信號(hào)頻譜搬移到了各次諧波上。由此結(jié)論可以得出，回波信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮匹配濾波后，在徑向距離方向上會(huì)形成以主假目標(biāo)為中心對(duì)稱均勻分布的次假目標(biāo)，各次假目標(biāo)幅度與sin(πnfsτ)的數(shù)值有關(guān)，且相對(duì)于主假目標(biāo)衰減過(guò)大，同時(shí)，由于sin(πnfsτ)的周期性使得有效假目標(biāo)減小，降低干擾效果。

2 間歇混沌采樣靈巧干擾生成算法

2.1 數(shù)學(xué)模型

由于ISRJ存在上述缺點(diǎn)和問(wèn)題，本文提出一種間歇混沌采樣靈巧干擾?；煦缧蛄惺且环N無(wú)規(guī)律、非周期的序列，因?yàn)槠渚哂泻軓?qiáng)的復(fù)雜性、奇異性、隨機(jī)性、遍歷性，所以在通信和信息安全領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[17-18]。這一思路如果應(yīng)用在電子對(duì)抗領(lǐng)域方面，則可使干擾機(jī)在雷達(dá)電子戰(zhàn)抗干擾方面具有很強(qiáng)的隱蔽性，從而增加雷達(dá)接收機(jī)對(duì)干擾信號(hào)參數(shù)估計(jì)的難度，同時(shí)生成的混沌映射易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度快，適合工程實(shí)踐。本文采用Tent混沌序列進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)間隔采樣，生成干擾信號(hào)。Tent混沌序列的通用形式為[19]

(5)

采用Tent混沌序列對(duì)矩形脈沖采樣信號(hào)p′(t)的控制，其表達(dá)式為

(6)

對(duì)于混沌序列控制的切片干擾，式(6)可以寫(xiě)為

(7)

式中：λ1,λ2為混沌映射因子;xk為Tent混沌序列。

在此情況下，對(duì)干擾機(jī)接收的雷達(dá)信號(hào)s(t)進(jìn)行間歇混沌采樣后得到間歇混沌采樣信號(hào)，之后進(jìn)行靈巧噪聲卷積調(diào)制，生成的間歇混沌采樣靈巧干擾(interrupted chaotic sampling smart jamming,ICSSJ)為

j′(t)=[s(t)p′(t)]?n(t)=

(8)

(9)

2.2 算法設(shè)計(jì)及步驟

綜上所述，ICSSJ生成算法流程圖如圖1所示。

干擾生成算法具體步驟如下。

Step 1： 根據(jù)式(5)生成Tent混沌序列{xk},k=1,2,…,N或調(diào)用預(yù)存Tent混沌序列。

Step 2： 根據(jù)混沌序列{xk}生成矩陣脈沖采樣信號(hào)p′(t)。

Step 3： 用采樣信號(hào)p′(t)對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采樣，生成間歇混沌采樣信號(hào)。

Step 4： 根據(jù)式(8)進(jìn)行卷積調(diào)制，得到ICSSJ干擾信號(hào)j′(t)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)的切片干擾

實(shí)驗(yàn)仿真選取式(1)線性調(diào)頻信號(hào)作為雷達(dá)信號(hào)。根據(jù)第1節(jié)ISRJ原理，假設(shè)目標(biāo)距離4.5 km，即匹配濾波結(jié)果時(shí)延為30 μs，信噪比SNR=10 dB，信號(hào)載頻f0=50 MHz，信號(hào)初相為0，脈沖寬度T=30 μs，調(diào)頻斜率K=2 MHz/μs，采樣頻率fs=800 MHz，采樣信號(hào)脈沖寬度τ=1 μs，干擾形式為切片干擾，則采樣信號(hào)脈沖重復(fù)周期Tsj=2τ=2 μs，假設(shè)干擾機(jī)工作處理時(shí)間τp=50 ns，干信比JSR=5 dB。圖2a),b)分別為切片干擾信號(hào)與其頻譜，圖3為經(jīng)脈沖壓縮后切片干擾效果圖。

由圖3中可以看出,回波信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮匹配濾波后，在徑向距離方向上形成了以主假目標(biāo)為中心對(duì)稱均勻分布的次假目標(biāo)，表1給出了切片干擾次假目標(biāo)歸一化幅度的前6個(gè)最大值。可以發(fā)現(xiàn),各次假目標(biāo)相對(duì)于主假目標(biāo)衰減過(guò)大，有效假目標(biāo)數(shù)過(guò)少，干擾效果不盡理想。

表1 切片干擾次假目標(biāo)歸一化幅度Table 1 Normalized amplitude of secondary-false targets of slicing jamming

3.2 脈沖隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾

為綜合比較本文生成的干擾信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，這里引入文獻(xiàn)[15]中脈沖隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾新方法用以進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。參數(shù)設(shè)置與第3.1節(jié)設(shè)置相同，圖4a),b)分別為脈沖隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)與其頻譜，圖5為經(jīng)脈沖壓縮后脈沖隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果圖。

由圖5中可以看出,回波信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮匹配濾波后，在徑向距離方向上也形成了以主假目標(biāo)為中心對(duì)稱均勻分布的次假目標(biāo)，表2給出各次假目標(biāo)相對(duì)歸一化幅度的前6個(gè)最大值。從表中可以看出，各次假目標(biāo)幅度均有大幅提高，形成覆蓋在主假目標(biāo)附近的假目標(biāo)群，具有較好的干擾效果，但是仍然沒(méi)有解決假目標(biāo)對(duì)稱分布的問(wèn)題。

表2 脈沖隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾次假目標(biāo)歸一化幅度Table 2 Normalized amplitude of secondary-false targets of pulse random repeater jamming

3.3 間歇混沌采樣靈巧干擾

根據(jù)第2節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型，參數(shù)設(shè)置與第3.1節(jié)設(shè)置相同，Tent混沌序列參數(shù)為h=0.4，λ1=1.5，λ2=3，圖6a),b)為間歇混沌采樣信號(hào)與其頻譜，圖7a),b)為經(jīng)過(guò)靈巧噪聲卷積調(diào)制后生成的ICSSJ信號(hào)與其頻譜，圖8為經(jīng)脈沖壓縮后ICSSJ的干擾效果圖。

從圖8中可以看出，在主假目標(biāo)附近形成了密集分布的不均勻的多假目標(biāo)，同時(shí)在徑向距離上也分布著非均勻分布的多假目標(biāo)群，并且在多假目標(biāo)群內(nèi)部的各個(gè)假目標(biāo)分布也不均勻，克服了假目標(biāo)衰減的缺點(diǎn)，很好地提高了欺騙和壓制干擾效果，也增加了有效假目標(biāo)的數(shù)量。由于形成了密集假目標(biāo)群的影響，表3給出了各多假目標(biāo)群中最大歸一化幅度，可以看出不同假目標(biāo)群的歸一化幅度衰減很小，使得不同徑向距離上的有效假目標(biāo)群增加。

表4給出了包含主假目標(biāo)的假目標(biāo)群內(nèi)部不同次假目標(biāo)歸一化幅度的前6個(gè)最大值?？梢钥闯?，假目標(biāo)群內(nèi)部的歸一化幅度衰減同樣很小，使得不同假目標(biāo)群內(nèi)部的各次假目標(biāo)中的有效假目標(biāo)數(shù)量增加。

為綜合對(duì)比真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)與3種干擾信號(hào)的差異，圖9給出了導(dǎo)前移頻量為5 MHz時(shí)3種干擾信號(hào)脈沖壓縮后的干擾效果圖。從圖9a),b),c)的對(duì)比情況可以看出，文本提出的ICSSJ干擾經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后形成多個(gè)密集假目標(biāo)群，具有很強(qiáng)的壓制干擾與欺騙干擾效果，很好地解決了當(dāng)前ISRJ干擾面臨的問(wèn)題。

表3 多假目標(biāo)群最大歸一化幅度Table 3 Maximum normalized amplitude of multi-false targets group

表4 主假目標(biāo)群內(nèi)次假目標(biāo)歸一化幅度Table 4 Normalized amplitude of secondary-false targets in main-false targets group

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)ISRJ的原理研究，分析了現(xiàn)有切片干擾多假目標(biāo)分布均勻與次假目標(biāo)衰減快的缺點(diǎn)，提出了一種基于間歇混沌采樣靈巧干擾。通過(guò)Tent混沌序列控制采樣時(shí)間窗和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間窗，產(chǎn)生非均勻多假目標(biāo)群，通過(guò)靈巧噪聲卷積調(diào)制大幅提高次假目標(biāo)歸一化幅度，最后通過(guò)與切片干擾和間歇采樣隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,該算法解決了傳統(tǒng)切片干擾信號(hào)的缺點(diǎn)，更好地兼顧了壓制干擾與欺騙干擾的效果，大幅增加雷達(dá)接收機(jī)對(duì)干擾信號(hào)參數(shù)估計(jì)的難度，使得雷達(dá)識(shí)別與抑制假目標(biāo)的能力大幅下降，為電子戰(zhàn)中的干擾機(jī)總體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文下一步將對(duì)該種干擾生成算法的改進(jìn)和工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入研究。