CN114755639A - 一种面向跟踪对抗的多样式复合欺骗干扰自适应生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向跟踪对抗的多样式复合欺骗干扰自适应生成方法，具体在距离门拖引干扰的基础上引入间歇采样转发干扰做加性复合建模，首先构建跟踪对抗系统，其次结合距离门拖引干扰和间歇采样转发干扰建立了多样式复合欺骗干扰模型，然后由于该复合模型的目标函数未知，故利用蒙特卡洛方法进行了拟合，并基于粒子群算法的自适应生成多样式复合欺骗干扰策略。该方法考虑了跟踪过程多阶段的耦合性以及多样式干扰的互补性，生成的复合干扰策略可以提高干扰效率和成功率，并且操作过程简单，可以应用于电子对抗等领域。

Description

一种面向跟踪对抗的多样式复合欺骗干扰自适应生成方法

技术领域

本发明属于电子对抗技术领域，具体涉及一种面向跟踪对抗的多样式复合欺骗干扰自适应生成方法。

背景技术

在现代的对抗态势下，电子对抗技术对最终的胜利起着至关重要的作用。雷达作为对抗系统中重要的电子设备，对其干扰技术的研究一直是相关领域的重要课题。而复合干扰是指对被干扰雷达同时实施有源干扰或无源干扰的技术。一般认为，有源复合干扰有3种典型的复合干扰样式，分别是“压制+压制”式复合、“压制+欺骗”式复合和“欺骗+欺骗”式复合。多种样式的复合干扰能够达到更好的干扰效果，因此复合干扰技术越来越受到重视。

在常用的有源干扰样式中，距离门拖引干扰因其具有干扰功率利用率高、被抗风险低、干扰效果显著等优点而被大量应用。但随着众多新体制雷达的出现，雷达抗干扰性能大幅提升，距离门拖引干扰的优势明显下降。在文献“Bidirectional false targets RGPOjamming,2018 13th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications(ICIEA),2018,2345-2348”中，针对传统距离门拖引干扰技术容易被抗干扰的问题，提出了一种基于双向假目标的距离门拖引干扰方法，并以雷达量测值为性能指标进行了验证。但此工作只关注了在距离门拖引干扰这一种干扰样式的优化研究上，忽略了多种干扰样式的复合欺骗。在文献“雷达主瓣有源复合干扰建模及效果仿真分析，舰船电子对抗，2019，42(01)：19-22”中，建立了非相干、相干压制式干扰和有源欺骗式干扰的模型，并对3种典型复合样式的干扰效果进行了仿真分析。但此工作只关注了有源复合干扰的形式，没有充分考虑跟踪过程多阶段之间的耦合。不难理解，在日益复杂的对抗环境下，单一样式的干扰难以有效干扰雷达，并且若不考虑跟踪过程多阶段之间的耦合，复合干扰的效果会大大降低。所以，为了提高干扰效率和成功率，有必要对多样式复合欺骗干扰的自适应生成方法进行研究。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种面向跟踪对抗的多样式复合欺骗干扰自适应生成方法，解决现有雷达干扰建模方法样式单一，在复杂的对抗环境下不能有效干扰敌方雷达的问题。

本发明的技术方案为：一种面向跟踪对抗的多样式复合欺骗干扰自适应生成方法，具体包括步骤：

步骤一：构建跟踪对抗系统，

建立空对空对抗态势下，一台干扰机被火控系统的跟踪雷达所跟踪的场景图，并初始化包括雷达和干扰机的初始位置、干扰机的运动方式；

步骤二：对距离门拖引干扰建模，

假设拖引的总帧数为N，第i帧的延迟时间为t_i，则第i帧的拖引距离R_i：

其中，c表示光速，Δt_i为第i帧比第i-1帧增加的延迟时间，ΔR_i为第i帧的拖引增量；

假设雷达发射信号为线性调频信号s_t(t)，那么第i帧雷达接收到的回波信号：

其中，r_i表示第i帧真目标的位置，

表示第i帧假目标的位置，

表示雷达发射的第i帧信号，t表示信号传输时间，w_i(t)表示接收机内部产生的噪声，

步骤三：对间歇采样转发干扰建模，

第一步，对线性调频信号进行间歇采样：假设雷达发射信号为x(t)，间歇采样脉冲为p(t)，对干扰机接收到的雷达信号进行间歇采样，得到的干扰信号为x_s(t)，根据傅里叶变换，得到间歇采样脉冲对应的频谱表达式为：

其中，n为整数，τ为采样脉冲宽度，T_s为间歇采样周期，Sa(x)＝sinx/x，δ(x)为冲激函数；

第二步，匹配滤波，若雷达的匹配滤波器输出记为y_s(t)，且匹配滤波器表示为h(t)＝x^*(-t)，x^*(t)是雷达发射信号x(t)的共轭，因

得y_s(t)的频谱为：

其中，X_S(f)是干扰信号x_s(t)的频域表示，H(f)是匹配滤波器h(t)的频域表示，X(f)是雷达发射信号x(t)的频域表示，X^*(f)是X(f)的共轭，a_n＝τ/T_sSa(πnτ/T_s)为加权系数。

根据雷达信号模糊函数理论，定义雷达发射信号x(t)的模糊函数为：

其中，w(t)＝x(t)e^-j2πξt，表示多普勒频移f_d＝-ξ的目标回波，如果令：

其中，F^-1表示傅里叶逆变换、T为脉宽、K＝B/T、B为雷达信号带宽，

则有：

其中，y_s(t)表示间歇采样干扰信号，

y_sn(t)的最大值出现在t_max＝-nf_s/K，相邻两阶峰值点相距为：

其中，f_s为间歇采样信号的采样频率，

第n阶假目标出现的位置为：

其中，T_r＝T_d+τ，T_d表示一个采样周期；

步骤四：将距离门拖引干扰和间歇采样转发干扰结合建立多样式复合欺骗干扰模型：

s.t.0≤ΔR_i≤ΔR_max (10)

其中，g为待求解的多阶段的函数，ΔR_i表示拖引阶段第i帧的拖引增量，

表示第i帧的间歇采样周期，flag表示拖引干扰是否生效，ΔR_max表示单帧最大拖引距离；T_smin、T_smax分别表示采样周期的上下边界；

步骤五：求解式(10)的优化问题，得到多样式复合欺骗干扰的生成方法。

本发明的有益效果：本发明的方法在距离门拖引干扰的基础上引入间歇采样转发干扰做加性复合建模，首先构建跟踪对抗系统，其次结合距离门拖引干扰和间歇采样转发干扰建立了多样式复合欺骗干扰模型，然后由于该复合模型的目标函数未知，故利用蒙特卡洛方法进行了拟合，并基于粒子群算法的自适应生成多样式复合欺骗干扰策略。该方法考虑了跟踪过程多阶段的耦合性以及多样式干扰的互补性，生成的复合干扰策略可以提高干扰效率和成功率，并且操作过程简单，可以应用于电子对抗等领域。

附图说明

图1是本发明实施例的步骤流程图。

图2是本发明实施例的干扰机被跟踪雷达所跟踪的场景示意图。

图3是本发明实施例的雷达系统简化框图。

图4是本发明实施例的间歇采样干扰的采样周期随干扰帧数增长的变化情况图。

图5是本发明实施例的单一距离门拖引干扰和多欺骗样式复合干扰中拖引方法随干扰帧数的变化情况图。

图6是本发明实施例的真实目标、不同欺骗样式产生的多假目标以及实际跟踪航迹的曲线图。

具体实施方式

本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤、结论都在Matlab2014上验证正确。下面就具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

本发明的多样式复合欺骗干扰自适应生成方法的流程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤一：构建跟踪对抗系统，

建立空对空对抗态势下，一台干扰机被火控系统的跟踪雷达所跟踪的场景图，并初始化包括雷达和干扰机的初始位置、干扰机的运动方式等在内的系统参数。图2是干扰机被跟踪雷达所跟踪的场景图，本实施例中，干扰机在二维平面内做远离雷达的匀速直线运动。

图3是雷达系统简化框图。雷达方在接收到干扰机信号以后，一般是通过脉冲压缩、动目标检测、恒虚警检测等功能模块实现对目标的检测，以此得到目标的距离、速度、方位等信息；然后对信号处理后的点迹进行相关处理，实现对目标下一帧运动参数的估计和稳定跟踪。不失一般性，可认为雷达方采用基于概率数据互联的卡尔曼滤波器进行目标跟踪。

步骤二：对距离门拖引干扰建模，

距离门拖引干扰包含三个阶段：捕获、拖引、关闭。在拖引时期，干扰机每截获一个雷达照射信号，就逐步增加转发脉冲的延迟时间，使距离波门随干扰信号移动而逐渐离开目标回波，直到距离波门偏离目标回波预定距离为止。因此，拖引过程是一个离散过程。

假设拖引的总帧数为N，第i帧的延迟时间为t_i，则第i帧的拖引距离R_i：

其中，c代表光速，Δt_i为第i帧比第i-1帧增加的延迟时间。ΔR_i为第i帧的拖引增量，为Δt_i所对应的距离。由此可见，第i帧的拖引距离可表示为i帧拖引增量之和。

因为距离门拖引干扰只在距离维度对雷达信号做了调制，真假目标的角度是相似的。于是，可以得到每一帧在直角坐标下的真假目标的位置。

假设雷达发射信号为线性调频信号s_t(t)，那么第i帧雷达接收到的回波信号

其数学表达式为：

其中，r_i表示第i帧真目标的位置，

表示第i帧假目标的位置，

表示雷达发射的第i帧信号，t表示信号传输时间，w_i(t)表示接收机内部产生的噪声，主要是热噪声，是零均值复高斯的白噪声。由此可见，拖引阶段的每个ΔR_k都会影响干扰信号，产生不同的干扰效果。

步骤三：对间歇采样转发干扰建模，

第一步，对线性调频信号进行间歇采样。假设雷达发射信号为x(t)，间歇采样脉冲为p(t)，对干扰机接收到的雷达信号进行间歇采样，得到的干扰信号为x_s(t)。根据傅里叶变换，可以到间歇采样脉冲对应的频谱表达式为：

其中，n为整数，τ为采样脉冲宽度，T_s为间歇采样周期，Sa(x)＝sin x/x，δ(x)为冲激函数，

第二步，进行匹配滤波。由傅里叶变换的性质可知，采样信号x_s(t)对应的频谱X_S(f)可由雷达发射信号x(t)的频谱X(f)与P(f)卷积得出。根据Sa函数定义，当πnτ/T_s＝kπ,k＝整数时，幅度加权系数为0。记r＝τ/T_s为占空比，即n＝k/r时，a_n＝0。其中，n＝0时，幅度加权系数大小等于占空比；其余阶次的幅度加权系数随着|n|的增大而衰减。

若雷达的匹配滤波器输出记为y_s(t)，且匹配滤波器表示为h(t)＝x^*(-t)，x^*(t)是雷达发射信号x(t)的共轭，因

可得y_s(t)的频谱为：

其中，X_S(f)是干扰信号x_s(t)的频域表示，H(f)是匹配滤波器h(t)的频域表示，X(f)是雷达发射信号x(t)的频域表示，X^*(f)是X(f)的共轭，a_n＝τ/T_sSa(πnτ/T_s)为加权系数。

根据雷达信号模糊函数理论，定义发射信号x(t)的模糊函数为：

式中，w(t)＝x(t)e^-j2πξt，表示多普勒频移f_d＝-ξ的目标回波。

需要说明的是，这里的ζ是数学运算中为了和t区分而引入的表示，ξ是表征多普勒频移大小的物理量。式(15)可以看作是f_d＝-ξ的目标回波经过脉冲压缩的输出信号，式(14)中的X(f-n/T_s)X^*(f)可视为一个x(t)e^j2πnfst与x^*(-t)这两个信号卷积的傅里叶变换，可以看作一个多普勒频移为nf_s的目标回波经匹配滤波器后输出信号的频谱。如果令：

式中，K＝B/T。则有：

根据(17)，间歇采样干扰信号y_s(t)可看作是大量具有不同多普勒频移的目标回波经匹配滤波器后输出信号的加权合成。

通过分析幅度变化，可以发现y_sn(t)的最大值出现在t_max＝-nf_s/K，相邻两阶峰值点相距为：

由式(18)，峰值点间距与雷达信号带宽B成反比、脉宽T、间歇采样信号的采样频率f_s成正比。考虑干扰机延迟转发时间为T_d，间歇采样转发干扰信号经过匹配滤波会在滞后于真实目标T_d+τ时刻输出零阶主假目标。因此，第n阶假目标出现的位置为：

式中，T_r＝T_d+τ。通常认为T_d是一个采样周期。

简单分析最终的间歇采样转发干扰输出可知，占空比越小，产生的虚假目标幅值越小，个数越多。在实际的工程应用中，出于简化设计和便于实现等因素考虑，当占空比为0.5时，只要考虑干扰输出的0阶和±1阶分量。

综上，对雷达信号进行了间歇采样，转发后能够在真目标附近产生相干多假目标串。干扰的输出主要取决于间歇采样周期T_s和采样占空比，通过对这两个参数的调制，可以形成距离间隔不同、幅度参差的假目标群。

步骤四：距离门拖引干扰和间歇采样转发干扰结合建立多样式复合欺骗干扰模型。

考虑在存在间歇采样转发干扰的情况下，配合距离门拖引干扰，合理调整采样周期T_s，使得多样式欺骗干扰达到更加有效的复合。可以将多样式复合欺骗干扰的优化建模为：

s.t.0≤ΔR_i≤ΔR_max (20)

T_smin≤T_s≤T_smax

其中，g表示待求解的多阶段的函数，ΔR_i表示拖引阶段第i帧的拖引增量，

表示第i帧的间歇采样周期，flag表示拖引干扰是否生效，ΔR_max表示单帧最大拖引距离；T_smin、T_smax分别表示采样周期的上下边界。

步骤五：求解式(20)的优化问题，得到多样式复合欺骗干扰的生成方法。

由于所述的优化问题是一个多帧联合优化问题，目标函数难以用解析表达式直接表示且整个过程受到噪声的影响。因此本实施例提供一种基于改进粒子群算法求解上述优化问题，具体分两部分进行说明。

(1)目标函数计算方法。

由于中间状态未知，目标函数难以用解析表达式表示，于是可采取蒙特卡洛方法(MC)拟合该函数。此方法首先预设一个初始系统状态，输入一个待评估的干扰方案，并产生环境信息。按照初始的系统状态、待评估的干扰方案以及环境信息，对多阶段任务处理流程进行模拟，跟踪每个阶段的系统状态的任务情况，统计每次多阶段处理过程的奖励收益。重复执行模拟流程，直至模拟次数达到预设的蒙特卡洛次数，对给定干扰方案的性能评估就是对所有模拟结果的均值。

(2)改进PSO算法PSO-ERN求解过程。

粒子群PSO优化算法是一种受到群理论和社会模型的启发而提出的智能算法，其粒子表示n维优化问题的潜在解决方案。每个粒子的位置都是一个待定的优化方法，也就是一个待定的多样式复合欺骗干扰方法。

尽管PSO具有简单且收敛快的特性，可以方便的解决各种优化维度过高的问题，但是当优化问题受到噪声影响时，其性能会显著下降，从而导致测量误差等不准确和不确定的信息。在这种情况下，解的真实目标函数值也会受到噪声的干扰。重采样是一种减轻噪声影响的方法。显然，一个解的重新估计越多，对应目标函数的估计值就越准确，同时计算成本也会增加。计算预算由目标函数的总评估次数定义。考虑在计算预算有限的情况下，采用PSO-ERN在解决方案之间分配评估。此方法首先对种群中所有待选方案进行等重采样，从中挑选最好的N个方案；然后再对挑选出来的方案再次进行重采样。只不过，总的计算额度是一定的。考虑到粒子的质量，会减少不必要的重采样和计算成本，一定程度上加快了收敛速度。然后，PSO操作照常运行。

综上两点，可将该改进PSO算法记作MC-PSO-ERN，完整的算法流程如表1所示。其中，适应度函数的计算即上述基于蒙特卡洛方法得到的目标函数g。

表1

本发明的效果通过以下仿真对比试验进一步说明：

下面对仿真场景及其仿真参数进行介绍。假设目标在二维平面内做远离雷达的匀速直线运动，目标航线参数列于表2。雷达工作参数与干扰机仿真参数仿真列于表3、表4。

完成多样式复合欺骗干扰模型的建立后，间歇采样干扰的采样周期随干扰帧数增长的变化情况如图4所示。单一距离门拖引干扰和多欺骗样式复合干扰中拖引方法随干扰帧数的变化情况如图5所示。真实目标、不同欺骗样式产生的多假目标以及实际跟踪航迹的曲线如图6所示。

表2

表3

表4

由图4(a)可以看出，1-10帧采样周期呈递增趋势；后期采样周期在2.5μs周围振荡。由图4(b)，可以看到主假目标一直滞后于真实目标，由于采样周期的增长，1-10帧主假目标逐步远离真实目标，第10帧二者相距493m；后期，此间距随着采样周期的振荡相应地改变。两个次假目标在每一时刻关于主假目标是对称的，1阶次假目标会出现超前于真实目标的情况，1阶次假目标时刻滞后于真实目标。

由图5(a)可以看出，多欺骗样式复合干扰中1-13帧，拖引增量呈现上升趋势，后续干扰时刻以一定的拖引增量上下浮动；而单一的距离门拖引干扰是在13帧以后拖引增量才出现明显的增长。这也意味着多欺骗样式复合干扰提前进入了将距离波门脱离更远的阶段，即使用更少的干扰帧数即可将跟踪波门偏向假目标，实现欺骗。由图5(b)，可以看到随着干扰帧数的增加，两种方案均呈现递增趋势，具体情况同压制与欺骗复合干扰的类似；不同的是，在关键帧的位置，与压制的复合干扰是利用干扰功率将真实目标信息掩盖，多样式复合欺骗干扰是利用多假目标的信息将真实目标逐渐远离跟踪波门，实现欺骗。

由图6可以看出，在1-10帧，间歇采样转发产生的主假目标以及次假目标与真实目标的距离逐渐增大，把跟踪波门拖向距离门拖引干扰产生的假目标。10帧以后，距离门拖引干扰的拖引距离达到500m，之后拖引距离逐步增加，大于间歇采样转发干扰采样周期带来的影响，跟踪波门已随着距离门拖引干扰产生的假目标远离真实目标；同时，间歇采样转发干扰产生的假目标围绕在真实目标附近，对真实目标产生了一定的遮盖作用。在多次仿真后，也可发现这种多样式复合欺骗干扰相比单一样式，拖引成功率也有一定的提高。

通过本发明具体实施方式可以看出，本发明可以很好的实现对多样式复合欺骗干扰的自适应生成。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种面向跟踪对抗的多样式复合欺骗干扰自适应生成方法，具体包括步骤：

步骤一：构建跟踪对抗系统，

建立空对空对抗态势下，一台干扰机被火控系统的跟踪雷达所跟踪的场景图，并初始化包括雷达和干扰机的初始位置、干扰机的运动方式；

步骤二：对距离门拖引干扰建模，

假设拖引的总帧数为N，第i帧的延迟时间为t_i，则第i帧的拖引距离R_i：

其中，c表示光速，Δt_i为第i帧比第i-1帧增加的延迟时间，ΔR_i为第i帧的拖引增量；

假设雷达发射信号为线性调频信号s_t(t)，那么第i帧雷达接收到的回波信号：

其中，r_i表示第i帧真目标的位置，

表示第i帧假目标的位置，

表示雷达发射的第i帧信号，t表示信号传输时间，w_i(t)表示接收机内部产生的噪声，

步骤三：对间歇采样转发干扰建模，

第一步，对线性调频信号进行间歇采样：假设雷达发射信号为x(t)，间歇采样脉冲为p(t)，对干扰机接收到的雷达信号进行间歇采样，得到的干扰信号为x_s(t)，根据傅里叶变换，得到间歇采样脉冲对应的频谱表达式为：

其中，n为整数，τ为采样脉冲宽度，T_s为间歇采样周期，Sa(x)＝sinx/x，δ(x)为冲激函数；

第二步，匹配滤波，若雷达的匹配滤波器输出记为y_s(t)，且匹配滤波器表示为h(t)＝x^*(-t)，x^*(t)是雷达发射信号x(t)的共轭，因

得y_s(t)的频谱为：

其中，X_S(f)是干扰信号x_s(t)的频域表示，H(f)是匹配滤波器h(t)的频域表示，X(f)是雷达发射信号x(t)的频域表示，X^*(f)是X(f)的共轭，a_n＝τ/T_sSa(πnτ/T_s)为加权系数。

根据雷达信号模糊函数理论，定义雷达发射信号x(t)的模糊函数为：

其中，w(t)＝x(t)e^-j2πξt，表示多普勒频移f_d＝-ξ的目标回波，如果令：

其中，F^-1表示傅里叶逆变换、T为脉宽、K＝B/T、B为雷达信号带宽，

则有：

其中，y_s(t)表示间歇采样干扰信号，

y_sn(t)的最大值出现在t_max＝-nf_s/K，相邻两阶峰值点相距为：

其中，f_s为间歇采样信号的采样频率，

第n阶假目标出现的位置为：

其中，T_r＝T_d+τ，T_d表示一个采样周期；

步骤四：将距离门拖引干扰和间歇采样转发干扰结合建立多样式复合欺骗干扰模型：

其中，g为待求解的多阶段的函数，ΔR_i表示拖引阶段第i帧的拖引增量，

表示第i帧的间歇采样周期，flag表示拖引干扰是否生效，ΔR_max表示单帧最大拖引距离；T_smin、T_smax分别表示采样周期的上下边界；

步骤五：求解式(10)的优化问题，得到多样式复合欺骗干扰的生成方法。

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