CN111239698B - 基于互补离散混沌相位编码波形设计的拖曳式干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于互补离散混沌相位编码波形设计的拖曳式干扰抑制方法，在传统的基于离散混沌序列的雷达发射波形设计中引入互补序列，利用在雷达各周期发射互补的离散混沌相位编码信号，有效降低了雷达脉冲压缩结果的距离旁瓣，并且增加了设计波形的复杂度，从而有效提高了基于离散混沌序列波形设计的拖曳式干扰抑制性能。

Description

基于互补离散混沌相位编码波形设计的拖曳式干扰抑制方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理算法中的电子对抗技术，利用基于互补离散混沌相位编码的雷达发射波形设计的欺骗式拖曳式干扰抑制方法，对拖曳式诱饵干扰机发射的欺骗式干扰信号进行有效抑制，提高了导引头的抗拖曳式干扰性能。

背景技术

雷达作为现代军事作战中重要的远程目标探测手段，在战时条件下必然会面临复杂的电磁干扰环境，而拖曳式有源雷达诱饵(Towed Radar Active Decoy,TRAD)是一种典型的双点源干扰模式，它作为一种新兴的自卫式干扰装置在实战中表现出了优良的干扰性能，对当前的弹上雷达导引头追踪作战飞机产生了巨大威胁。拖曳式干扰主要用于干扰锁定飞机的跟踪雷达，通过机外TRAD发射欺骗式或压制式干扰信号对导引头形成双点源干扰，诱骗跟踪雷达的跟踪点，使导弹失去“准星”，导致制导失败，从而对采用脉冲体制的雷达导引头造成巨大的威胁。

相比于压制式干扰，欺骗式干扰主要应用于随队干扰或自卫式干扰中，并存在诸多优势。拖曳式有源雷达诱饵产生的欺骗干扰信号的干扰能量利用率高，可以有效地将干扰能量集中到雷达接收机带宽内，并利用雷达的匹配滤波增益，以较小功率达到需求的干扰效果。其次大规模集成电路和数字射频存储器(Digital Radio Frequency Memory，DRFM)等先进器件的成熟为拖曳式假目标干扰的工程应用提供了有力的技术支持。DRFM可通过截获、存储、调制、转发敌方雷达信号，瞬时精确模仿雷达波形，在真实目标附近产生时域、频域和空域特征都十分相似的假目标。这种高逼真度假目标可以迷惑和扰乱雷达对真实目标的探测。随着拖曳式欺骗干扰的应用日益广泛，基于更加复杂的调制与转发机制的欺骗式干扰类型不断涌现，诸如噪声卷积转发式干扰、间歇采样转发式干扰等新型灵巧干扰，其同样能够部分利用雷达匹配滤波时的脉内相干性，并在一定条件下可以在时域和频域产生压制式干扰的效果。

在拖曳式诱饵的干扰样式中，欺骗式干扰是经过设计构造的虚假目标信号，可以逼真地模拟探测方设备期望的信号，使得导引头雷达难以探测追踪真正的目标，从而导致探测方的指挥系统和武器系统失灵，因此拖曳式诱饵发射的欺骗式干扰信号有特殊的干扰效果。但是随着电子对抗技术的不断发展，雷达系统的性能已经被大幅提升，能够充分利用接收端的自由度，并配备高度捷变以及软件驱动的雷达信号发射装置，可以做到在每一个时间段更改发射信号，从而可以提高雷达的环境适应能力以及目标检测性能。

拖曳式诱饵基于DRFM技术产生的干扰信号是通过转发截获的雷达发射信号，而这个信号是当前发射周期之前的周期所发射的信号。拖曳式诱饵干扰机截获这个信号之后，需要经过存储复制分析，调制转发需要等到一个或若干周期之后了。而由导引头雷达的信号处理流程可知，雷达接收的匹配滤波过程所采用的是当前周期的发射信号，所以，可以利用DRFM与雷达接收机存在的时间差，通过设计周期不同的雷达发射波形抑制拖曳式欺骗干扰信号。

发明内容

要解决的技术问题

为了有效抑制机载TRAD发射的欺骗式拖曳式干扰，本发明在传统的基于离散混沌序列的雷达发射波形设计中引入互补序列，利用在雷达各周期发射互补的离散混沌相位编码信号，有效降低了雷达脉冲压缩结果的距离旁瓣，并且增加了设计波形的复杂度，从而有效提高了基于离散混沌序列波形设计的拖曳式干扰抑制性能。

技术方案

一种改进的基于混沌序列波形设计的拖曳式干扰抑制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用Bernoulli离散混沌映射产生相位编码的原始序列，采用门限量化的方法量化编码得到相位编码序列a_l(n)；

步骤2：利用遗传算法GA对相位编码序列a_l(n)搜索最优互补混沌相位编码b_l(n)，所述的遗传算法GA的代价函数构造如下：

E＝min{ISL_R(A,B,k)+μPSL_R(A,B,k)}

式中，μ是ISL和PSL的权重系数；

步骤3：利用a_l(n)构造离散混沌相位编码信号：

式中，φ(n)为相位序列：a_l(n)；N为序列长度；τ_p为子脉冲宽度；T为混沌相位编码后的信号宽度，T＝N·τ_p；V(t)为子脉冲函数，表示为：

将得到的离散混沌相位编码信号在各周期进行排列，构建出各周期不同的雷达发射信号s并发射，表示为：

步骤4：利用b_l(n)构造离散混沌互补相位编码信号：

式中，φ(n)为相位序列：b_l(n)；N为序列长度；τ_p为子脉冲宽度；T为混沌相位编码后的信号宽度，T＝N·τ_p；V(t)为子脉冲函数，表示为：

将得到的离散混沌互补相位编码信号在各周期进行排列，构建出各周期不同的处理信号，表示为：

步骤5：对接收的回波信号进行脉冲压缩处理和动目标检测，将回波信号与处理信号作卷积，得到真实目标的距离参数信息；对脉冲压缩后的信号进行动目标检测处理，并获得目标的参数信息。

有益效果

本发明提出的一种基于互补离散混沌相位编码波形设计的拖曳式干扰抑制方法，通过引入互补序列对设计波形进行优化。研究通过遗传算法搜索离散混沌映射相位编码的最优互补相位编码信号，降低了雷达发射信号间的自相关旁瓣峰值，从而提高雷达的拖曳式干扰抑制性能。

附图说明

图1为基于改进的基于混沌序列的雷达发射波形设计的欺骗式拖曳式干扰抑制方法结构框图

图2为利用互补相位编码改善基于混沌序列波形设计的流程图

图3为遗传算法流程图

图4为利用多时码改善基于混沌序列波形设计的流程图

图5为简化的雷达信号处理流程图

图6为四组采用基于Bernoulli混沌序列的波形集的相位序列图

图7为四组采用基于Bernoulli离散混沌互补相位编码的相位序列图

图8为两种相位编码信号自相关性能对比图

图9为两种相位编码信号互相关性能对比图

图10为两种相位编码信号脉压结果对比图

图11为T3码相位状态图

图12为T4码相位状态图

图13为Bernoulli混沌序列状态图

图14为调制后的T3码相位状态图

图15为调制后的T4码相位状态图

图16为设计的Bernoulli-T3(n)多时码信号的自相关图

图17为设计的Bernoulli-T3(n)多时码信号的互相关图

图18为设计的Bernoulli-T4(n)多时码信号自相关图

图19为设计的Bernoulli-T4(n)多时码信号互相关图

图20为基于混沌多时的相位编码信号干扰抑制脉冲压缩结果图

图21为MTD模块最大信号峰值通道输出结果图

图22为基于混沌多时的相位编码信号干扰抑制动目标检测结果图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例：本发明在Matlab仿真平台上完成验证，具体的仿真参数为：雷达信号带宽20MHz，信号时宽40μs，脉冲重复周期为200μs，采样频率为40MHz，脉冲个数为16。真实目标距离为5km，速度为200m/s。经过计算，目标对应的距离采样点为1333，雷达各速度波门为23m/s。假目标距离为8km，速度为300m/s，干扰信号对真实目标回波信号压制比为K＝4。

本发明包括以下步骤：

步骤一：生成离散混沌相位编码序列。通过给定一个初始状态，根据Bernoulli混沌映射准则产生Bernoulli混沌序列{x_l(n)}。在生成混沌序列之后，采用门限量化的方法量化编码使其便于实际应用，产生可用的相位编码序列{a_l(n)}，重复该过程得到L个原始序列{a_l(n)}(l＝1,2,...,L；n＝1,2,...,N)。采用的编码方案为：

根据Bernoulli离散混沌映射生成混沌序列x_l(n),n＝1,2,...,N，有：

设x_l(n)∈D,D＝[a,b]，x_l(n)量化映射产生相位编码序列a_l(n)，其具体过程为：

(1)设定一个离散混沌映射的初始状态值x_l(0)，且x_l(0)∈(0,1)；

(2)由离散混沌映射函数迭代生成序列{x_l(n)},1≤n≤N+999。为了降低初始值造成的影响，将前1000个点去除，来提高混沌序列的复杂程度。因此可得序列 {x_l(n)},n＝0,1,...,N-1；

(3)若采用四相编码信号：

利用混沌序列状态空间的取值范围来确定对应的相位，即把混沌序列的取值空间平均分为四个区间，各个区间中的混沌序列均对应一个相位，便可以的到所需的离散混沌相位编码序列{a_l(n)}，即：

式中：φ₁,φ₂,...,φ_M为相位，φ₁,φ₂,...,φ_M∈φl_l(n)；M为设计的相位个数。

将以上步骤重复L次便可得到包含L个离散混沌相位编码序列的集 {a_l(n)},l＝1,2,...,L,n=0,1,...,N-1。

附图3所示是四组采用基于Bernoulli混沌序列的波形集的相位序列。

步骤二：遗传算法寻优。针对获得的混沌相位编码序列{a_l(n)}，通过构造的代价函数，利用遗传算法(GA)搜索最优互补混沌相位编码{b_l(n)}，从而利用{a_l(n)}、{b_l(n)}调制信号相位。当雷达的发射信号不具有理想正交性时，通常采用旁瓣峰值(PeakSidelobe Level,PSL)和积分旁瓣值(Integrated Sidelobe Level,ISL)作为脉压结果的输出的衡量标准。为了得到离散混沌相位编码信号的最优互补信号，遗传算法的优化过程为：

首先设离散混沌相位编码信号的相位为：

b(0)＝ψ_n∈{ψ₁,ψ₂,...,ψ_M}

然后依次用集合{ψ₁,ψ₂,...,ψ_M}中除ψ_n之外的其他M-1个相位代替，并在每一次替代之后计算适应度，定义遗传算法的适应度函数为：

H＝1/E＝1/min{ISL_R(A,B,k)+μPSL_R(A,B,k)}

若新相位的适应度值增大，则保留替代的新相位；若新相位的适应度值减小，则保持原相位不变。然后循环以上的步骤，对信号的相位集合b(n),n＝1,2,...,N的所有相位进行优化运算，直到集合中的所有相位优化完成，最终获得与{a_l(n)}互补的相位集合{b_l(n)}。

本实例中设置编码长度N为40，信号个数L选择为4，相位个数M选择为四相，最大遗传代数设置为5000代，交叉概率0.6，变异概率0.02，初始种群数800，根据定义的适应度函数，遗传算法设置为最大值优化问题。用MATLAB对混沌互补相位编码信号的生成过程进行仿真。

附图4所示是通过遗传算法获得的四组采用基于Bernoulli混沌序列的波形集的相位序列。

步骤三：互补离散混沌相位编码波形设计。将构建的雷达发射信号利用互补的相位编码序列进行相位调制。离散混沌相位编码信号构造为：

式中，φ(n)为相位序列{a_l(n)}、{b_l(n)}；N为序列长度；τ_p为子脉冲宽度；T为混沌相位编码后的信号宽度，T＝N·τ_p；V(t)为子脉冲函数，表示为：

附图5所示是采用基于Bernoulli混沌序列编码信号与离散互补相位编码信号两种相位编码信号自相关性能对比。

附图6所示是采用基于Bernoulli混沌序列编码信号与离散互补相位编码信号两种相位编码信号互相关性能对比。

可以发现，基于单一的离散混沌映射得到的相位编码信号的互相关和自相关旁瓣峰值高，而离散混沌互补相位编码信号能够有效降低波形的互相关和自相关旁瓣，说明本发明采用的遗传算法搜索离散混沌相位编码的最优互补相位编码，可以提高离散混沌相位编码信号的正交性。

在这个设计方法中，有一个难点：

本发明提出的基于互补码优化脉冲压缩旁瓣的拖曳式干扰抑制方法，其脉压结果旁瓣的抑制效果与互补码的互补程度密切相关。实际中如果不限制长度与相位编码个数而产生混沌相位编码序列的话，几乎不可能得到理想的互补码，在编码长度与相位数都确定的情况下，找到完全满足互补关系的离散混沌相位互补码也是不现实的。当 PSL→-∞，并且ISL→-∞时，自相关的旁瓣功率趋于零。也就是当PSL与ISL的值都较小时，雷达发射信号的互相关和自相关旁瓣都很小，这在很大程度上把脉冲压缩的输出结果的主瓣相对功率提高了，这对于抑制拖曳式干扰中降低脉冲压缩输出的距离旁瓣十分有意义。

步骤四：构建雷达发射信号组。通过将步骤三得到的互补离散混沌相位编码信号在各周期进行排列，构建出周期不同的雷达发射信号s,表示为：

步骤五：利用步骤四所构建的信号s作为雷达发射信号，通过做进一步信号处理，有效提取目标的相应参数信息，从而有效提高导引头对目标的探测距离、距离分辨力。

步骤五包括如下子步骤：

步骤A：脉冲压缩处理。由于雷达发射信号s各周期不同，因此匹配滤波处理信号u设置为与发射信号互补的信号，处理信号表示为：

假设拖曳式诱饵发射的欺骗式干扰信号经过了一个脉冲重复间隔进入雷达接收机，所以产生的欺骗式干扰信号是对上一个发射信号进行的调制转发。则雷达接收到的回波信号x(t)为：

式中：

为真实回波信号，也是第n个发射脉冲的复包络，

为拖曳式诱饵发射的欺骗干扰信号，也是第n-1个发射脉冲的复包络，τ₁、τ₂为真实目标和欺骗干扰的延时信息。

雷达以当前周期的发射信号作为匹配滤波器的参考信号，则匹配滤波器的输出为：

式中：y₁(t)为真实回波信号经过匹配滤波的结果，y₂(t)为拖曳式诱饵发射的欺骗干扰信号经过匹配滤波的结果。

可以发现，干扰信号在雷达信号处理时与参考信号失配，使得真实目标信号可以被检测出来。

由拖曳式欺骗干扰原理可知，拖曳式诱饵将所截获的雷达发射信号经过处理加入欺骗干扰参数信息后再发射出去，与真实目标回波相比会延迟一个或若干个周期进入雷达接收机，雷达接收机根据先进入的回波信号开始脉冲压缩处理，因此当拖曳式欺骗干扰信号进入雷达接收机后，将会与匹配滤波过程的各周期信号失配，从而使得脉冲压缩处理过程仅能获得真实目标的距离参数信息。

附图7所示是采用基于Bernoulli混沌序列编码信号与离散互补相位编码信号两种相位编码信号脉压结果对比。

附图8所示的是基于离散互补相位编码信号干扰抑制脉冲压缩结果。

可以发现，拖曳式诱饵产生的欺骗假目标被大幅抑制，真实信号的得到了较好的保留，真实目标与假目标信号产生了明显的区分；脉压结果中基于Bernoulli互补相位编码波形的旁瓣比单一Bernoulli相位编码波形的旁瓣更低。因此，本发明中通过遗传算法搜索基于离散混沌序列相位编码信号的最优互补相位编码信号的方法可以降低雷达发射信号间的互相关与自相关旁瓣峰值，提高雷达的距离分辨力，从而提高雷达对拖曳式诱饵产生的假目标信号干扰的抑制能力。

步骤B：动目标检测。对脉冲压缩后的回波信号进行动目标检测(Moving TargetDetection,MTD)处理，使得导引头可以获得较高的速度分辨力和测量精度，并有效获得目标的参数信息。

附图9所示的为基于混沌多时的相位编码信号干扰抑制动目标检测结果。

附图10所示的是MTD模块最大信号峰值通道输出结果。

可以发现，动目标检测模块最大信号峰值通道输出结果与仿真内容相符合，是真实目标的速度输出，并且假目标干扰信号被较大程度的抑制，其速度没有被输出。本发明所设计的应用于互补混沌的相位编码信号，能够有效抑制拖曳式诱饵产生的欺骗干扰，比采用的利用单一的混沌相位编码信号的干扰效果提高，并且互补混沌相位编码信号更加难以被敌方预测，从而有效提高了拖曳式欺骗干扰的抑制性能。

上述分析证明了通过遗传算法搜索基于离散混沌序列相位编码信号的最优互补相位编码信号的方法可以降低雷达发射信号间的互相关与自相关旁瓣峰值，提高雷达的距离分辨力，从而提高雷达对拖曳式诱饵产生的假目标信号干扰的抑制能力。

综上，通过在传统的基于混沌序列调制信号相位的基础上引入最优互补相位编码，相比于采用的利用单一的混沌相位编码信号的干扰效果相比有所提高，相比于单一的混沌相位编码信号更加难以被敌方预测，从而有效提高了拖曳式欺骗干扰的抑制性能。

Claims (1)

1.一种改进的基于混沌序列波形设计的拖曳式干扰抑制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用Bernoulli离散混沌映射产生相位编码的原始序列，采用门限量化的方法量化编码得到相位编码序列a_l(n)；

步骤2：利用遗传算法GA对相位编码序列a_l(n)搜索最优互补混沌相位编码b_l(n)，所述的遗传算法GA的代价函数构造如下：

E＝min{ISL_R(A,B,k)+μPSL_R(A,B,k)}

式中，μ是PSL的权重系数；

步骤3：利用a_l(n)构造离散混沌相位编码信号：

式中，φ(n)为相位序列：a_l(n)；N为序列长度；τ_p为子脉冲宽度；T为混沌相位编码后的信号宽度，T＝N·τ_p；V(t)为子脉冲函数，表示为：

将得到的离散混沌相位编码信号在各周期进行排列，构建出各周期不同的雷达发射信号s并发射，表示为：

步骤4：利用b_l(n)构造离散混沌互补相位编码信号：

式中，φ(n)为相位序列：b_l(n)；N为序列长度；τ_p为子脉冲宽度；T为混沌相位编码后的信号宽度，T＝N·τ_p；V(t)为子脉冲函数，表示为：

将得到的离散混沌互补相位编码信号在各周期进行排列，构建出各周期不同的处理信号，表示为：

步骤5：对接收的回波信号进行脉冲压缩处理和动目标检测，将回波信号与处理信号作卷积，得到真实目标的距离参数信息；对脉冲压缩后的信号进行动目标检测处理，并获得目标的参数信息。

Images