甘荣兵，马康卫，常晋聃，兰竹 电子信息对抗技术・第２６卷 ３６ 高分辨步进频率雷达抗干扰能力研究 ２０１１年ｌ】月第６期 中图分类号￣ＴＮ９７３．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—２２３０（２０１１）０６—００３６—０５ 高分辨步进频率雷达抗干扰能力研究 甘荣兵，马康卫，常晋聃，兰竹 （电子信息控制重点实验室，成都６１００３６） 摘要：频率步进雷达除了具备对目标的高分辨识别能力外，由于其频率捷变特性以及信号的相 关处理特性具有较强抗干扰能力。从步进频率雷达高分辨一维成像的原理出发，在分析步进 频率雷达信号处理的基础上，对步进频率雷达频率捷变抗干扰、相参处理抗干扰性能进行了仿 真分析。分析结果表明步进频率雷达具有较高的抗干扰能力。 关键词：步进频率；高分辨；距离像；干扰 Ａｎｔｉ－Ｊａｍｍｉｎｇ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｔｅｐｐｅｄ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒａｄａｒ ＧＡＮ Ｒｏｎｇ－ｂｉｎｇ，ＭＡ Ｋａｎｇ—ｗｅｉ，ＣＨＡＮＧ Ｊｉｎ—ｄａｎ，ＬＡＮ Ｚｈｕ （Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｃｈａｎｇｄｕ ６１００３６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｓｉｄｅｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ，ｓｔｅｐｐｅｄ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｄａｒ ｈａｓ ａ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ａｂｉｌｉｔｙ Ｏｉｌ ａｎｔｉ— ｊａｍｍｉｎｇ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｇｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｎｇａｌ ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｔｅｐｐｅｄ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｄａｒ ｒａｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｉｒｓｄｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｃｏｍ— ｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｊａｍｍｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｇｉｌｉｙｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｒｅ ａｎａ－ ｌｙｚｅｄ ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐｐｅｄ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｒａｎｇｅ ｉｍａｇｅ；ｊａｍｍｉｎｇ １ 引言 着关键的作用。由于步进频率雷达的优越性，使 高分辨率一维成像雷达是一种重要的现代雷 其在高分辨率雷达中占有一席之地 ｊ。 达，它通过获得高距离分辨率目标图像来进行目 步进频率雷达的频率变化范围大，通常达到 标识别。高分辨率一维成像有两种体制：一种是 １ＧＨｚ以上，因此步进频率雷达在频域具有较好的 通过发射宽带、超宽带线性调频信号，然后通过宽 抗干扰特性；步进频率雷达采用相参处理体制，相 带接收机对回波进行脉冲压缩，获得距离向的高 参处理增益也具有抗干扰能力。本文从步进频率 分辨率；一种是步进频率雷达，它发射一串载频线 雷达高分辨一维成像的原理出发，分析步进频率 性跳变的窄带脉冲，对回波脉冲通常采用运动补 雷达信号处理的基础上，对步进频率雷达频率捷 偿和逆傅立叶变换的处理方法获得合成宽带高分 变抗干扰、相参处理抗干扰性能进行了仿真分析。 辨距离像ｌｌ＿ 。 采用步进频率信号既能获得较大时间带宽 ２步进频率雷达原理分析 积，获得较高的距离分辨率，又可使用较窄的接收 步进频率雷达实现高分辨率成像的基本原理 机瞬时带宽，降低雷达系统采样率和数字处理的 是［５］： 硬件实现难度。步进频率雷达的参数选取决定了 １）每组发射Ⅳ个窄带信号，每个窄带信号间 雷达的基本性能，同时信号处理算法的选择也起 的频率相差△ ，其发射信号如图１所示； 收稿日期：２０１１—０５—１７；修回日期：２０１１—０６—０９ 作者简介：甘荣兵（１９７５一），男，高级工程师，博士，信号与信息处理专业。 电子信息对抗技术‘第２６卷 ２０１１年１１月第６期 甘荣兵，马康卫，常晋聃，兰竹 高分辨步进频率雷达抗干扰能力研究 ３７ 图１步进频率雷达信号时频关系示意图 ２）对Ⅳ个信号的回波进行正交采样，得到一 组数据； ３）对Ⅳ个信号进行频域加窗，并且根据目标 速度进行相位补偿和幅度补偿； ４）对信号沿脉冲间做ＩＤＦＦ即可得到高分辨 率一维图像。 设雷达发射信号脉冲宽度为ｒ，脉冲重复周 期为 ，每个脉冲为单一频率信号，起始频率为 ，步进频率为△ ，则第ｉ个脉冲的频率为： ＝ｆｏ＋ △ ｉ＝０，…，Ｎ一１ （１） 则雷达第ｉ个脉冲信号可以表示为： ㈠ ¨ 其中， 是幅度值，则在０时刻距离为 ，速度为 的散射点的回波信号变到基带后表示为： ｆ）＿ａｉｅｘｐ［ｊ（一 ｒ 【０ 其他 （４） 其中，ａ 是散射点回波幅度，０是初始相位值。省 略初始相位，回波信号的相位表示为： ：一＿一 Ｏ一 （尺。一ｖｔ） （５））， 将（１）式带入式（５）即可以得到： ４——— —一￣ｉＡｆ（Ｒｏ－ｖｔ）（６） ：一 ——一一一———■■一 从式（６）补偿由运动引起的相位项后ｌ＿６Ｊ，剩余 相位为： ４￣ｉＡｆＲｏ （７） —一——＿— ，， 此相位是关于脉冲数的线性相位。将回波信 号沿脉冲间做ＩＦ兀１即可以将目标聚焦。其逆傅 立叶变换表达式为： Ｊｓ（ ）：ＮＡｆｓｉｎｃ［７ｃＮａｆ（ｋ一 ２Ｒｏ）］ （８） 该点目标在傅立叶变换域中展宽为辛格函 数，距离尺０与谱中心位置２Ｒ０／ｃ相对应，距离分 辨率为ｌＤ ＝ 。 ３步进频率雷达抗干扰能力分析 ３．１频域抗干扰性能 设步进频率雷达具有Ⅳ个步进频率，其信号 处理时对Ⅳ个不同频率的信号进行处理得到一 次目标高分辨距离像。 （１）瞄频噪声干扰 假设在雷达受到Ⅳ个频率点的瞄频噪声干 扰时，只有 个的脉冲时间干扰信号能起作用， 即起作用的干扰脉冲占比为Ｍ／Ｎ。在这 个脉 冲时间内起作用的干扰功率占１／Ｍ。因此总的 干扰能量只有１／Ｎ起作用，这大大增强了雷达的 抗干扰性能。例如，对于５００个频率点的步进频 率雷达，雷达处理在频域使干信比降低２７ｄＢ，具 有极强的抗干扰能力。 此外，步进频率雷达可以丢弃受干扰的 个 脉冲，利用Ⅳ一 个脉冲对目标进行高分辨成 像，进一步降低干扰的作用。同时雷达分辨率和 探测能力受影响，分辨率扩大到 ‘ｌＤ ，由主 瓣展宽引起的幅度降低百分比为 ，由脉冲 』Ｖ 数减少引起的能量损失百分比为 ，因此探 』 测距离缩小到 （Ｎ—Ｍ）／Ｎ・Ｒ，其中 是雷达正 常的作用距离。 （２）宽带遮盖干扰 如果采用雷达频率范围的全覆盖干扰，即干 扰带宽与雷达总带宽相同。设干扰功率为Ｐ，，雷 达瞬时频率带宽为 （中频带宽），则干扰进入雷 ３８ 甘荣兵，马康卫，常晋聃，兰竹 高分辨步进频率雷达抗干扰能力研究 投稿邮箱：ｄ￣ｃ＆ｊｓ＠１２６．ＣＯＩｎ ｅｗ＠ｍｅｉ２９．ｓｃｇｂ．ｃｏｍ 达单个脉冲的功率为 ，，在Ｂ一△＝厂的条件 仿真得到无干扰的仿真结果如图３所示。从 图中可见目标的散射点的位置与设置一致，保证 了雷达模型的正确。 下，进入单个脉冲的功率为Ｐｊ／Ｎ，与瞄频噪声的 干扰功率损失相当。 因此步进频率雷达对一般压制干扰的抗干扰 性能提升Ⅳ倍。值得一提的是，如果干扰针对每 （１）噪声干扰性能仿真 按照输入干信比２０ｄＢ、３０ｄＢ和４０ｄＢ进行噪 声干扰仿真，仿真结果如图４、图５和图６所示。 个雷达脉冲采用对应的频率进行干扰，则步进频 率将失去频率变化带来的抗干扰优势，但是前提 可见，２０ｄＢ输入信噪比干扰时雷达仍能得到３０ｄＢ 条件是干扰机能够预测雷达的频率变化，并且在 相应的时间内产生相应频率的干扰。 ３．２相参处理抗干扰性能 根据步进频率雷达成像原理，其雷达信号处 理增益为Ⅳ。对非相参干扰，干扰信号无处理增 益。因此对于非相参干扰，步进频率雷达的抗干 扰能力是非相参积累雷达的Ⅳ倍。 根据以上分析，对于一般的瞄频噪声干扰或遮 盖式干扰，步进频率雷达在频域信干比提升Ⅳ倍， 在相参处理上信干比提升Ｊ７、，倍，因此雷达信号处 理后的信干比相对信号处理前提升Ⅳ２倍，即总抗 干扰能力提升Ⅳ２倍。例如对于５１２个频率点的步 进频率雷达，如果雷达信号处理前的干信比为 ２０ｄＢ，在雷达信号处理后的干信比只有一３４ｄＢ。 ４步进频率雷达抗干扰性能仿真 用ＭＡＴＬＡＢ开展仿真分析［ ，仿真程序包含 目标回波产生模块、干扰信号产生模块以及雷达 信号处理模块，仿真流程如图２所示。 广ｌ千耀号ｈ Ｉ设置 。Ｉ－１。ＬＩ 目墨晕波 ｌ叠加Ｈ冒广］处理ｒ蓥 号Ｈ成］ 显釜禁示 Ｉ果Ｉ 图２仿真流程框图 仿真中雷达参数如表１所示。 表１仿真参数值 散射点数 ３ 脉冲宽度 ｌ 脉冲数 ５１２ 频率步进 ５ＭＨｚ 重频ｌＯｋＩ－ｌｚ 散射点位置 ５ｍ、１５ｍ、２８ｍ 散射点ＲＣＳ 左右的信噪比，这与前面的理论分析相符。当输 入干信比为３０ｄＢ时，输出干信比约２０ｄＢ，仍然能 够检测和识别目标。当输入干信比为４０ｄＢ时，输 出干信比不到１０ｄＢ，雷达检测和识别目标很困难 了。 ∞ ＼ 一岛０ ４∞ 岛硝 ０ ０ ０ ４ ０ ０ ６ Ｉ １ 『１ｌ ｆ 图３无干扰时目标高分辨距离像仿真结果 蝴 ｌ １ ０ ５ ｌ０ ｌ５ ２０ ２５ ３０ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｍ 图４ ２０ｄＢ干信比仿真结果 本项仿真验证了步进频率雷达对噪声干扰具 有较强的抗干扰能力，抗干扰能力与频率点数量 的平方成正比。 （２）去除部分干扰脉冲抗干扰仿真 为检验去除受干扰脉冲成像对雷达抗干扰能 力的提升，采取了如下仿真：仿真中输人信号信噪 比４０ｄＢ，干扰脉冲数为１０２个，即雷达频率点数 ０ ０ ０ 电子信息对抗技术・第２６卷 ２０１１年ｌ１月第６期 甘荣兵，马康卫，常晋聃，兰竹 高分辨步进频率雷达抗干扰能力研究 ３９ 的１／５。受干扰后雷达成像结果如图６所示，可 见雷达已经很难检测目标了。在去除掉受干扰的 １０２个脉冲后成像结果如图７所示，可见雷达恢 脉冲前主瓣３ｄＢ宽度约Ｏ．０６５ｍ，去除干扰脉冲后 主瓣宽度约０．０８ｍ，去除干扰后主瓣展宽约２５％。 去除脉冲后峰值降低约２．５ｄＢ。这验证了前面分 析的主瓣展宽和作用距离降低的分析结果。 复了高信噪比，能够根据图像进行目标检测和识 别散射点特征。 ＿ — ｆ ＩＩ ｌ １ｌ Ｉ ｌ 螂 。： — ｜＿ ｌ¨ ＿ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｍ 图５ ３０ｄＢ干信比仿真结果 一１Ｏ —ｌ５ ∞ ２。 毫 暑一２５ 盏 §一３０ 凹 一３５ ４０ ０ ５ ｌＯ ｌ５ ２０ ２５ ３０ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｍ 图６ ｄＯｄＢ干信比仿真结果 ．＾ Ｉ ＩＩ … １ ｛ ｌ ｆ ‘ Ｉ－ ｌ： ｌ ｌｌ ｌ－。 ｝ ＿ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｍ 图７ ４０ｄＢ干扰后成像结果 为进一步分析舍去部分干扰脉冲后对成像的 影响，对比了去除干扰脉冲前后的雷达距离主瓣 变化，如图８和图９所示。从图中可见，去除干扰 － ＿ ＿ 』 Ｉ ．Ｊ Ｉ ｌ Ｊ Ｉ ｌ Ｔ１ｒ １ｌ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｍ 图８去除干扰脉冲后成像结果 ∞ｐ／ 暑０ 岛 皇神 ０ ｌ ２ ３ ４ ５ 一 ～ ？ ＼ ， ／； ｝ ＼ ＼ ｝ 。＼ ｝ ｆ ＼． ｆ 【 ｔ ｜ ４．９５ ４．９６ ４ ９７ ４．９８ ４．９９ ５ ５．０ｌ ５．０２ ５．０３ ５．０４ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｍ 图９去除干扰脉冲前的主瓣图 ｌ２ ｌ３ ／ 一 ＿／ ／＼ １４ ／ ＼ １５ ／ ＼ １６ ， ｜ ｜ ｜ １８ ｌ ｜ ｜ ｜ ．１９ ４．９４ ４．９６ ４．９８ ５ ５．０２ ５．０４ ５．０６ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｍ 图１０去除部分干扰脉冲后的主瓣图 ５结论 本文根据步进频率雷达的原理研究了步进频 率雷达抗干扰性能，通过理论分析和仿真验证得 ∞ ＼０一岛０一 一４０ 甘荣兵，马康卫，常晋聃，兰竹 高分辨步进频率雷达抗千扰能力研究 投稿邮箱：ｄｚｘｘｄｋｊｓ＠１２６．ｃ０ＩＩｌ ｅｗ＠ｍｅｉ２９．ｓｃ ．ｃｏｍ （上接第１８页） 法仿真结果如图４。在没有任何有关雷达信号先 验知识的情况下，该算法准确地将四部雷达信号 分选出来。 ｔ 本文提出的算法也需要人为确定最佳邻域半 径 值，现阶段主要是通过经验和大量实验得 到。如何根据数据自动设定还需要进一步深入研 究。 参考文献： ［１］岳宏伟，罗景青，吕久明，等．雷达信号非均匀粒度 聚类分选方法［Ｊ］．火力与指挥控制，２００８，３３（８）： ２３—２６． ４ ４ ０ 墓４ Ｄ ［２］张洪亮，杨承志．基于ＩＳＯＤＡＴＡ聚类的复杂体制雷 达信号分选．电子信息对抗技术［Ｊ］．２０１０，２５（６）： 图４聚类结果三维显示图 ３４—３８． ［３］ ＣＬＡＲＫ Ｊ．ＸＭＬ Ｐａｔｈ ｌａｎｇｕａｇｅ（ＸＰａｈ）［ＯＬ］．１９ｔ９９． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗ３．ｏｒｇ／ＴＲ／ＸＰａｔｈ． ５结论 本文在分析了密度聚类方法ＤＢＳＣＡＮ的基础 上，提出了一种基于自适应密度阈值的未知雷达 １４］ＡＬＴＩＮＥＬ Ｍ，ＦＲＡＮＫＬＩＮ Ｍ．Ｅｔｔｉｃｉｃｉｅｎｔ ｆｌａｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ＸＭＬ Ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｓｅｍｉｎａｔｉｏｎ Ｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｃ］／／ ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＶＬＤＢ，Ｃａｉｒｏ，Ｅｇｙｐｔ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０００：５３— ６４． 信号分选算法，该算法减少了查询次数，比传统的 聚类算法运算量小。该方法利用同一部雷达数据 的分布特性进行聚类，以达到分选不同密度分布 的雷达信号的目的，并且在此基础上提出一个引 理，提高了算法的时间效率。仿真实验表明：该算 ［５］石陆魁，何丕廉．一种基于密度的高效聚类算法 ［Ｊ］．计算机应用，２００５，２５（８）：１８２４—１８２６． ［６］ 卜东波，白硕，李国杰．聚类／分类中的粒度原理 ［Ｊ］．计算机学报，２００２，２５（８）：８１０—８１５． ［７］张忠林，曹志宇，李元韬．基于加权欧氏距离的ｋ． ｍｅａｎ￥算法研究［Ｊ］．郑州大学学报，２０１０，３１（１）： Ｒ９—９２． 法可以解决现有算法的不足，适用于复杂雷达信 号聚类分选，具有一定的推广价值。