CN106054146A - 针对多站协同抗主瓣干扰的机载有源压制干扰施放方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对多站协同抗主瓣干扰的机载有源压制干扰施放方法，主要解决现有技术的干扰波形设计复杂的问题。其技术方案是：1)设定干扰机有N个天线子阵,通过合理分布天线子阵的位置实现良好的极化干扰性能；2)调整载机姿态、天线子阵波束，使所有天线子阵波束能够覆盖目标空间范围；3)离线设计一组脉冲准正交编码信号或利用一个随机数产生器实时随机产生N个编码信号，发射这些编码信号，实现对于目标的主瓣压制式干扰。本发明不用专门设计复杂的干扰波形，减少了工程应用上在设计干扰波形过程中的很多工作量，且对敌方雷达有良好的干扰效果，可用于干扰或者欺骗敌方雷达设备，使其效能降低或者丧失。

Description

针对多站协同抗主瓣干扰的机载有源压制干扰施放方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体的说是根据MIMO雷达的工作特点，提出一种机载干扰施放方法，可用于干扰或者欺骗敌方雷达设备，使其效能降低或者丧失。

背景技术

在雷达的发展历史中，干扰和抗干扰作为一对基本矛盾，一直相生相伴，相互制约也相互促进。随着科学技术的发展，由于电子对抗技术的不断进步，干扰与抗干扰之间的斗争亦日趋激烈。电子对抗是为了削弱，破坏敌方设备的使用效能，保护己方电子设备正常发挥效能而采用的各种措施和行动的统称。电子对抗在现代战争具有重大作用，比如瘫痪敌方通讯系统，使敌方丧失作战能力；压制敌方电子设备，掩护己方空中突破和支援地面攻击；为重要目标和高价值军用目标提供电子保护；充分发挥己方电子设备的效能，保证作战任务顺利完成。

现有的对雷达进行电子攻击方法主要分为两类：一类是非摧毁式行动，其包括欺诈干扰和欺骗干扰，欺诈干扰是用人造干扰淹没有用信号，欺骗干扰是制造虚假错误信息；另一类是摧毁式行动，其包括反辐射武器和反向能武器。为了实现对雷达的有效干扰，一般要满足三个条件：一是在空间上，干扰方向必须对准雷达，使雷达接收到干扰信号；二是在频域上，干扰频率必须覆盖雷达工作频率；三是在能量上，干扰的能量必须大，使得雷达接收机接收到的能量大于其最小可接收功率。

现有的对雷达进行电子攻击方法主要分为两类：一类是非摧毁式行动，其包括欺诈干扰和欺骗干扰，欺诈干扰是用人造干扰淹没有用信号，欺骗干扰是制造虚假错误信息；另一类是摧毁式行动，其包括反辐射武器和反向能武器。为了实现对雷达的有效干扰，一般要满足三个条件：一是在空间上，干扰方向必须对准雷达，使雷达接收到干扰信号；二是在频域上，干扰频率必须覆盖雷达工作频率；三是在能量上，干扰的能量必须大，使得雷达接收机接收到的能量大于其最小可接收功率。

雷达干扰具有极大的战略意义，相应地，也触使雷达抗干扰技术的飞速发展，新的抗干扰技术不断出现，比如基于空时自适应信号处理的各种改进算法，基于波形设计的多载波相位编码形式，基于多站协同信号对消主瓣干扰抑制等技术。而且基于多站协同信号对消主瓣干扰抑制技术是重点的发展方向。这些技术提高了雷达的抗干扰和目标检测能力。由于基于多站协同信号对消主瓣干扰抑制技术的逐渐发展，多站雷达技术广泛地应用于实际中，多站雷达中的每个雷达，有时观测不同的空间区域，以扩大空间警戒范围；有时观测同一个区域，以提高雷达参数估计精度和检测性能。由于普通的干扰可以通过多个雷达站观测到的目标相位差进行对消，从而抑制干扰，这样极大地提高了干扰难度。

当前的雷达干扰技术，例如灵巧干扰技术，其特点是使干扰信号和雷达发射信号相参，使干扰信号也获得雷达的处理增益，通过频域，时域的干扰调制，增加雷达检测目标难度。这种干扰方法可以大大降低雷达的综合信干扰比，是干扰相参体制雷达的一种有效技术。这种干扰技术的难点在于灵巧噪声的波形设计，灵巧噪声是由多个分量组成，并且要求每一个分量的频谱都与雷达发射信号的频谱相同，从而使每一个分量的功率利用效率都达到最大，但是实际中不易得到干扰效果好，工程实现简单的灵巧噪声波形。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种针对多站协同抗主瓣干扰的机载有源压制干扰施放方法，以在不须专门设计复杂灵巧噪声干扰信号的条件下，有效地针对多站协同信号对消主瓣干扰抑制技术制造干扰。

本发明的技术思路是：根据MIMO雷达的工作模式，即MIMO雷达中每个发射天线均可独立发射不同的的信号，使地面上不同的雷达站收到的信号互不相同，因而无法消除彼此之间目标相位差的原理，实现对敌方目标进行干扰。

根据上述思路，本发明给出如下两种技术方案:

技术方案1：针对多站协同抗主瓣干扰的机载有源压制干扰施放方法，包括：

1)给定干扰机载体，在干扰机上不同位置按照一定间隔安装N个天线子阵，所有天线子阵在需要施放干扰的区域内具有共视区；

2)针对给定区域的干扰释放任务，确定干扰机的干扰天线子阵需要覆盖的空间范围，假设需要释放干扰的方向是M个，调整天线子阵使发射波束可以指向这些区域。可进一步调整载机姿态使更多天线子阵波束能够覆盖该空间范围；

3)对目标进行施放干扰：

3a)离线设计N个脉冲编码信号，并用这些编码信号组成一个信号矩阵S＝[S₁,S₂,S_i...S_N],i＝1,2,3...N，每个信号的长度记为L，其中L大于N；

3b)将这些信号分配到N个天线子阵，按照系统指定的码元发射速率和时序关系进行发射，当每个信号发射结束后再从头继续开始发射，对目标施放干扰；

4)发射干扰信号后，两个或者多个不同方向上的敌方雷达收到的雷达信号波形X(φ；θ)和波形极化状态分别为：

$X(\mathrm{\φ};\mathrm{\θ})=\mathrm{\β}a\left(\mathrm{\φ}\right)a_t^T\left(\mathrm{\θ}\right)S+Z,$

其中a(φ)表示敌方雷达的接收导向向量，a_t(θ)表示干扰机雷达的发射导向向量，β表示干扰信号的复振幅，Z表示背景干扰，S为信号矩阵；Z₀表示自由空间本征阻抗，r为距离，θ为方位角，为俯仰角，k为波数，λ表示波长，I表示偶极子馈入电流，表示天线的有效长度；

所述雷达信号波形X(φ；θ)和波形极化状态由于干扰机与不同敌方雷达的相对位置不同，且天线子阵发射的信号也不同，所以敌方雷达接收到的X(φ；θ)和均不同，致使敌方雷达无法采用信号对消的方式消除主瓣干扰，进而实现对目标的主瓣压制式干扰。

技术方案2：针对多站协同抗主瓣干扰的机载有源压制干扰施放方法，包括：

(1)给定干扰机载体，在干扰机上不同位置按照一定间隔安装N个天线子阵，所有天线子阵在需要施放干扰的区域内具有共视区；

(2)针对给定区域的干扰释放任务，确定干扰机的干扰天线子阵需要覆盖的空间范围，假设需要释放干扰的方向是M个，调整天线子阵使发射波束可以指向这些区域。可进一步调整载机姿态使更多天线子阵波束能够覆盖该空间范围；

(3)对目标施放干扰：

(3a)利用一个随机数产生器，实时随机产生N个编码信号，每个编码信号的相位服从[0,2π]之间相互独立统计的均匀分布，这些编码信号组成信号矩阵S'＝[S₁',S'₂,S_i'...S'_N],i＝1,2,3...N；

(3b)将产生的编码信号分配给N个天线子阵，并按照系统指定的码元发射速率同时发射这些编码信号，对目标施放干扰；

(4)发射干扰信号后，由于干扰机与不同敌方雷达的相对位置不同，且天线子阵发射的信号也不同，两个或者多个不同方向上的敌方雷达收到不同的雷达信号波形X(φ；θ)和波形极化状态使敌方雷达无法采用信号对消的方式消除主瓣干扰，实现对目标的主瓣压制式干扰，其中波形X(φ；θ)和波形极化状态分别表示如下：

$X(\mathrm{\φ};\mathrm{\θ})=\mathrm{\β}a\left(\mathrm{\φ}\right)a_t^T\left(\mathrm{\θ}\right)S^{\′}+Z,$

其中a(φ)表示敌方雷达的接收导向向量，a_t(θ)表示干扰机雷达的发射导向向量，β表示干扰信号的复振幅，Z表示背景干扰，S'为信号矩阵；Z₀表示自由空间本征阻抗，r为距离，θ为方位角，为俯仰角，k为波数，λ表示波长，I表示偶极子馈入电流，表示天线的有效长度。本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明不必设计复杂的干扰信号波形，只需保证干扰机的每个天线子阵发射的干扰信号互不相同，就能保证对目标雷达主瓣进行压制式干扰，大大减少了工程应用时设计干扰噪声信号所需的工作量。

2.仿真结果表明，本发明的干扰方式可以对目标雷达主瓣进行压制式干扰。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细描述：

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中干扰机天线子阵的发射方向图的仿真图；

图3是本发明中干扰机在30°和60°方向上的发射信号波形的仿真图。

具体实施方式

参照图1，本发明给出如下两种实施例：

实施例1，通过干扰机在MIMO雷达的工作方式下，重复发射一组离线设计的脉冲准正交编码信号，对敌方雷达施放干扰。

步骤1，设定干扰机的天线子阵，确定编码信号的码元长度。

设定干扰机的天线子阵为N，其中N>1，且N为整数；每个天线子阵，采用在相控阵模式下的天线阵列或者采用一个单独天线，本实例采用单独一个天线；

所有天线的位置在空间上不是全部平行，在各个朝向布设，本实例采用所有天线在一个平面内，且各个朝向都有，呈扇形分布，且彼此之间的夹角相同。

设定干扰机的发射天线子阵个数为N，确定发射波形的码元长度：L＝round(B×T_p),round表示取整，B表示干扰机发射带宽，T_p表示发射周期时宽。

步骤2，根据天线个数N和码元长度L，离线设计一组脉冲准正交编码信号S，并发射。

2.1)根据天线个数N和码元长度L，采用基于MIMO波形的单站雷达距离旁瓣压缩方法设计一组脉冲准正交编码信号S＝[S₁,S₂,S_i...S_N],i＝1,2,3...N，S_i表示第i个编码信号，每个编码信号的码元长度L；

2.2)将脉冲准正交编码信号S分配到N个天线子阵，并按照系统指定的码元发射速率和时序关系进行发射。

步骤3，根据探测角度，干扰机在MIMO工作模式下，得到其天线子阵的发射方向图。

3.1)根据集中式MIMO雷达实际的探测需要，将角度区间[-90°,90°]均匀地离散化，根据雷达信号的载频f_n，确定发射导向向量a(θ)：

$a\left(\mathrm{\θ}\right)={\[1,e^{j2\mathrm{\π}.\frac{d}{\mathrm{\λ}}.sin\mathrm{\θ}},e^{j2\mathrm{\π}\·2\·\frac{d}{\mathrm{\λ}}.sin\mathrm{\θ}},e^{j2\mathrm{\π}\·(n-1)\·\frac{d}{\mathrm{\λ}}.sin\mathrm{\θ}},\·\·\·,e^{j2\mathrm{\π}(N-1).\frac{d}{\mathrm{\λ}}.sin\mathrm{\θ}}\]}^T,n=1,...,N$

其中，[.]^T表示向量的转置，θ为发射方向，e为自然底数，j为虚数单位，λ为电磁波波长，d为阵元间隔；

3.2)根据发射导向向量a(θ)，计算信号在L个子脉冲时间内的平均功率为：

P(θ)＝a^H(θ)SS^Ha(θ)/L

其中，[.]^H表示向量或者矩阵的共轭转置。

步骤4，干扰机在MIMO工作模式下，得到其不同方向的发射信号波形。

确定N_θ个探测角度θ_m，m＝1,2,…,N_θ，假设电磁波没有传播衰减，得到在远场θ_m方向处敌方雷达接收信号的幅度为：

ν(θ_m,n)＝a^H(θ_m)S。

实施案例2，通过干扰机在MIMO雷达的工作方式下，发射一组实时随机产生的编码信号，对敌方雷达施放干扰。

步骤一，与实施例1的步骤1相同。

步骤二，利用一个随机数产生器，实时随机产生N个编码信号，并发射。

2a)使用matlab产生随机数，利用matlab产生N个随机数列和服从[0,2π]之间相互独立统计的均匀分布的随机数，分别作为天线子阵发射信号的幅度和相位，这些编码信号组成信号矩阵S'＝[S'₁,S'₂,S'_i...S'_N],i＝1,2,3...N，S_i'表示第i个编码信号；

2b)将编码信号S'分配到N个天线子阵，按照系统指定的码元发射速率和时序关系进行发射。

步骤三，根据探测角度，干扰机在MIMO工作模式下，得到其天线子阵的发射方向图。

3a)根据集中式MIMO雷达实际的探测需要，将角度区间[-90°,90°]均匀地离散化，根据雷达信号的载频f_n，确定发射导向向量a(θ)：

$a\left(\mathrm{\θ}\right)={\[1,e^{j2\mathrm{\π}.\frac{d}{\mathrm{\λ}}.sin\mathrm{\θ}},e^{j2\mathrm{\π}\·2\·\frac{d}{\mathrm{\λ}}.sin\mathrm{\θ}},e^{j2\mathrm{\π}\·(n-1)\·\frac{d}{\mathrm{\λ}}.sin\mathrm{\θ}},\·\·\·,e^{j2\mathrm{\π}(N-1).\frac{d}{\mathrm{\λ}}.sin\mathrm{\θ}}\]}^T,n=1,...,N$

其中，[.]^T表示向量的转置，θ为发射方向，e为自然底数，j为虚数单位，λ为电磁波波长，d为阵元间隔；

3b)根据发射导向向量a(θ)，计算信号在K个子脉冲时间内的平均功率为：

P(θ)＝a^H(θ)S'S^'Ha(θ)/K

其中，[.]^H表示向量或者矩阵的共轭转置。

步骤四，干扰机在MIMO工作模式下，得到其不同方向的发射信号波形。

确定N_θ个探测角度θ_m，m＝1,2,…,N_θ，假设电磁波没有传播衰减，得到在远场θ_m方向处敌方雷达接收信号的幅度为：

ν(θ_m,n)＝a^H(θ_m)S'.

本发明的效果通过以下仿真对比试验进一步说明：

1.设置仿真参数：

设干扰机上的发射天线子阵个数为N＝4，离线设计一组编码信号个数为N_t＝4，码元长度L＝128的MIMO雷达脉冲准正交编码信号,选择30度和60度作为发射方向。

2.仿真内容

仿真1，仿真实施例1干扰机上的天线子阵的发射方向图。

将得到的MIMO雷达脉冲准正交编码信号S在角度区间[-90°,90°]内进行发射，得到信号平均功率和方向角度的关系，其发射方向图如图2中的实线所示。

仿真2，仿真实施例1在30°和60°方向上，干扰机的发射信号波形。

将得到的MIMO雷达脉冲准正交编码信号S在30°和60°方向进行发射，得到30°和60°方向的信号波形幅度和时间的关系，将幅度和时间画成二维图形，如图3所示。

综合2和图3可知，干扰机的发射信号在不同方向的波形相关性很低，致使敌方雷达无法采用信号对消的方式消除主瓣干扰，进而成功实现对于目标的主瓣压制式干扰。

Claims (3)

1.针对多站协同抗主瓣干扰的机载有源压制干扰施放方法，包括如下步骤：

1)给定干扰机载体，在干扰机上不同位置按照一定间隔安装N个天线子阵，所有天线子阵在需要施放干扰的区域内具有共视区；

2)针对给定区域的干扰释放任务，确定干扰机的干扰天线子阵需要覆盖的空间范围，假设需要释放干扰的方向是M个，调整天线子阵使发射波束指向这些区域，进一步调整载机姿态使更多天线子阵波束能够覆盖该空间范围；

3)对目标进行施放干扰：

3a)离线设计N个脉冲编码信号，并用这些编码信号组成一个信号矩阵S＝[S₁,S₂,S_i...S_N],i＝1,2,3...N，每个信号的长度记为L，其中L大于N；

3b)将这些信号分配到N个天线子阵，按照系统指定的码元发射速率和时序关系进行发射，当每个信号发射结束后再从头继续开始发射，对目标施放干扰；

4)发射干扰信号后，两个或者多个不同方向上的敌方雷达收到的雷达信号波形X(φ；θ)和波形极化状态分别为：

$X\left(\begin{array}{cc}\mathrm{\φ};& \mathrm{\θ}\end{array}\right)=\mathrm{\β}a\left(\mathrm{\φ}\right)a_t^T\left(\mathrm{\θ}\right)S+Z,$

其中a(φ)表示敌方雷达的接收导向向量，a_t(θ)表示干扰机雷达的发射导向向量，β表示干扰信号的复振幅，Z表示背景干扰，S为信号矩阵；Z₀表示自由空间本征阻抗，r为距离，θ为方位角，为俯仰角，k为波数，λ表示波长，I表示偶极子馈入电流，表示天线的有效长度；

所述雷达信号波形X(φ；θ)和波形极化状态由于干扰机与不同敌方雷达的相对位置不同，且天线子阵发射的信号也不同，所以敌方雷达接收到的X(φ；θ)和均不同，致使敌方雷达无法采用信号对消的方式消除主瓣干扰，进而实现对目标的主瓣压制式干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)中每个天线子阵，采用在相控阵模式下的天线阵列或者采用一个单独天线。

3.针对多站协同抗主瓣干扰的机载有源压制干扰施放方法，包括如下步骤：

(1)给定干扰机载体，在干扰机上不同位置按照一定间隔安装N个天线子阵，所有天线子阵在需要施放干扰的区域内具有共视区；

(2)针对给定区域的干扰释放任务，确定干扰机的干扰天线子阵需要覆盖的空间范围，假设需要释放干扰的方向是M个，调整天线子阵使发射波束指向这些区域，进一步调整载机姿态使更多天线子阵波束能够覆盖该空间范围；

(3)对目标施放干扰：

(3a)利用一个随机数产生器，实时随机产生N个编码信号，每个编码信号的相位服从[0,2π]之间相互独立统计的均匀分布，这些编码信号组成信号矩阵S'＝[S₁',S'₂,S′_i...S'_N],i＝1,2,3...N；

(3b)将产生的编码信号分配给N个天线子阵，并按照系统指定的码元发射速率和时序关系进行发射，对目标施放干扰；

(4)发射干扰信号后，由于干扰机与不同敌方雷达的相对位置不同，且天线子阵发射的信号也不同，两个或者多个不同方向上的敌方雷达收到不同的雷达信号波形X(φ；θ)和波形极化状态使敌方雷达无法采用信号对消的方式消除主瓣干扰，实现对目标的主瓣压制式干扰，其中波形X(φ；θ)和波形极化状态分别表示如下：

$X\left(\begin{array}{cc}\mathrm{\φ};& \mathrm{\θ}\end{array}\right)=\mathrm{\β}a\left(\mathrm{\φ}\right)a_t^T\left(\mathrm{\θ}\right)S^{\′}+Z,$

其中a(θ)表示敌方雷达的接收导向向量，a_t(θ)表示干扰机雷达的发射导向向量，β表示干扰信号的复振幅，Z(k)表示背景干扰，S'为信号矩阵；Z₀表示自由空间本征阻抗，r为距离，θ为方位角，为俯仰角，k为波数，λ表示波长，I表示偶极子馈入电流，表示天线的有效长度。