第20卷第3期2022年3月
太赫兹科学与电子信息学报
Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology
Vol.20，No.3
Mar.，2022宙斯盾雷达典型信号处理方法仿真分析 沈健君，刘晓斌，艾小锋，赵锋，李永祯
(国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，湖南长沙410073)
摘要：宙斯盾雷达使用的典型信号脉内多载频具有抗截获和抗干扰的突出优势，但其信号处理方法还不是非常明确。以脉内四载频信号为例，对其信号特性及处理方式进行了研究，基于 检测概率最优原则提出了可能存在的处理方法，给出了处理框架和流程，特别是对存在瞄准式干 扰的情况，采用干扰检测算法剔除受干扰子脉冲，通过信号级仿真比较了两种处理方法在不同场 景下的检测性能优劣，所得结论为脉内多载频信号的处理应用提供参考。
关键词：宙斯盾雷达；脉内多载频；抗干扰；瞄准式干扰；检测性能
中图分类号：TN957文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2021314
Simulation analysis of typical signal’s processing methods of Aegis radar
SHEN Jianjun，LIU Xiaobin，AI Xiaofeng，ZHAO Feng，LI Yongzhen
(The State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System，School of Electronic Science，National University of Defense Technology，Changsha Hunan410073，China)
Abstract
Abstract：：As the typical signal of Aegis radar,the intra-pulse multi-carrier frequency signal has awesome advantages of anti-interception and anti-jamming.However,its signal processing method is
unclear.Taking the intra-pulse four-carrier frequency signal as an example,its signal characteristics
and processing methods are studied.Based on the principle of optimal detection probability,the possible
processing methods are proposed,and the processing framework and process are given.Especially for the
case of aiming interference,the interference detection algorithm is employed to eliminate the interfered
sub pulses.The detection performance of the two processing methods in different scenarios is compared
through signal level simulation.The conclusion provides a reference for the processing and application
of intra-pulse multi-carrier frequency signal.
Keywords
Keywords：：Aegis radar；intra-pulse multi-carrier frequency；anti-jamming；aiming jamming；
detection performance
宙斯盾系统中雷达使用的典型信号—脉内多载频信号一般工作在S波段，其作用距离可达640km，既能对作用范围内的目标进行精准探测，又具有良好的抗干扰性能及抗波形截获的能力。其工作使用的典型信号为脉内多载频信号，即发射的脉冲内存在多个子脉冲，每个子脉冲内部为相位编码，子脉冲之间伴有随机的频率编码。相比传统的单载频相位编码信号，脉内多载频相位编码信号具有更好的抗干扰性能，其中以抗瞄准式干扰的能力较为突出[1]。
对雷达进行干扰时，噪声压制干扰具有普适性的优点，即不需要详细了解雷达的信号特点和处理信号的环节[2]。而干扰机的发射功率跟干扰信号的带宽成正比，要提高干扰信号的功率利用率，就需要瞄准雷达信号的频段[3-4]，产生信号载频所在频点、与信号带宽相当的窄带干扰信号，实现对雷达信号的压制，即瞄准式干扰[5-7]。作为一种精确的压制性干扰方式，瞄准式干扰的干扰功率集中，干扰频带较窄，干扰效率较宽带噪声干扰更高[8-9]。当使用瞄准式干扰对脉内多载频信号进行干扰时，由于其脉冲内既有频率编码又有相位编码，脉冲内容易出现凹点，尤其是不同频点子脉冲的连接处，这容易对侦察设备造成混乱，使其容易将子脉冲宽度误认为是整个脉宽，进而使得干扰设备只针对其中一个子脉冲进行干扰，所以单频点的瞄准式干扰将很难对其整个脉冲进行有效的压制，多载频信号相比单载频的相位编码信号具有更好的抗瞄准式干扰的能力[10]。
文章编号：2095-4980(2022)03-0228-07
收稿日期：2021-08-23；修回日期：2021-09-30
基金项目：国家自然科学基金资助项目(62001481；61890542)
第3期
沈健君等：宙斯盾雷达典型信号处理方法仿真分析
当前，国内对脉内多载频信号的研究多集中在信号参数、编码方式等方面，根据相关资料，脉内多载频信号的编码方式为频率编码加相位编码，频率编码一般为2个或4个频点，其中以4个频点居多，所以通常称之为四载频信号，子脉冲内部采用的是M 序列编码信号，相位编码的码元宽度为0.1μs ，信号脉冲宽度为51.1μs ，对应码元数为511，脉冲占空比约为1%。然而对于该信号不同条件下的具体处理方式及不同处理方式下的检测性能和抗干扰能力还缺少相应的研究。本文以“宙斯盾”雷达主要使用的脉内四载频信号为典型信号对脉内多载频信号的处理方式进行研究。结合对于该信号的已有研究及相关资料，首先分析其时频域特性及脉压特性，然后给出了存在瞄准式干扰情况下的两种可行的处理方式，并基于恒虚警检测(Constant False Alarm Rate ，CFAR)技术分别对比分析了在这两种不同处理方式下，信号的CFAR 处理结果、检测性能及其抗瞄准式干扰的能力[11]，为电子信息仿真系统使用脉内多载频信号进行仿真研究、在室内场景模拟使用“宙斯盾”系统的探测信号提供了理论依据。
1脉内多载频信号模型
已知“宙斯盾”雷达使用的脉内多载频信号为一个脉冲内部包含2个载频或4个载频，其中以4个载频居多，
因为正好对应4个处理通道，本文以四载频为例进行研究。由于四载频信号的每个子脉冲内部均为相位编码信号，所以考虑第i (1≤i ≤4)个子脉冲的调制相位为φm ，假设四载频信号第i 个子脉冲的载频为f i ，则第i 个子脉冲的信号可以写为：
S i (t )=
1T p
∑m i =1
M x
m i平衡木多宽
e
j2πf i t
rect éëêêùû
úút -(i -1)T p -(m i -1)t b t b
(1)
式中：T p 为子脉冲信号的时宽；M 为子脉冲码元数；x m i =exp(j φm i )；t b 为码元宽度。当采用二相编码时，φm i 一般取0或π，此时有x m i 为1或−1。f i =f 0+Label i ×D f ，Label i (1≤i ≤4)为随机的频率编码，其取值为0 3，D f 为子脉冲之间的频率间隔，该频率间隔至少大于子脉冲的带宽，即
D f ≥
1t b
=B (2)
完整的四载频信号的时域表达式为：
S four (t )=
1T p
∑i =14
∑m i =1
M x
m i
e
j2πf i t
rect éëêêùû
úút -(i -1)T p -(m i -1)t b t b
(3)
由于相位编码信号的带宽取决于其码元的宽度，即单个子脉冲的带宽为1t b ，而子脉冲之间的累积方式为非相干的，所以通常认为其有效探测带宽就是1t b 。图1为其一般性的时频分析结果，可以看出，4个子脉冲的频段互不相交，且频率点随机分布，频率间隔大于或等于10MHz
。
Fig.1Time -frequency analysis of four -carrier frequency signal
图1四载频信号时频分析图
229
太赫兹科学与电子信息学报
第20卷
2脉内多载频处理方法
2.1非相参累积处理
现代雷达一般使用相关处理的方式对回波进行脉压，脉内多载频信号也是如此。以四载频信号为例，将中频信号中包含的子脉冲送入4个处理通道后，分别进行相位检波、匹配滤波处理，最后对其进行非相参累积、CFAR 处理、门限检测等操作。具体处理过程如图2所示。
根据文献[10]，相位编码信号的匹配滤波处理通常
使用相关运算，所以第i 个子脉冲的匹配滤波处理的结果p i (t )可以表示为：
p i (t )=
∫
-¥
¥S i (u )v *i (u +t )d u
(4)
式中v i (t )为参考信号。
4个通道的匹配滤波结果经非相参累积后得到信号P å(t )为：
P å(t )=∑i =1
4
p i (t )=∑
i =1
4
∫
-¥
¥s i (u )v *i (u +t )d u
(5)
结合式(3)，将S i (t )代入式(5)可以得到累积后的匹配滤波结果：
P å(t )=1T p ∑i =14∑m i
=1M ∑p i
=1
P
x m i x *p i
无油空压机结构图∫
-¥
¥
rect éëêêùûúúu -(m i -1)t b t b rect éëêêu +t -(p i -1)t b t b ùû
úúd u =ìíî
ïïïïïï1T p ∑i =14∑m i =1M ∑p i
=1
P
x m i x *p i ×[t b -|帐篷门
|t -(p i -m i )t b ] ||
t -(p i -m i )t b <t b
0 |
|t -(p i -m i )t b ≥t b (6)
非相参累积得到的结果P å(t )再经过恒虚警处理、门限检测等步骤后即可得出检测结果。2.2抗瞄准式干扰处理
由于脉内多载频信号脉冲内容易出现凹点，所以当敌方使用瞄准式干扰时，很容易只针对其中一个子脉冲进行瞄准[12]。若对被干扰的子脉冲进行检测发现并剔除，而对剩下的子脉冲进行累积，则能够进一步地提高其抗瞄准式干扰的能力[13]。
该处理方法仅对单频点的瞄准式干扰有效，当干扰方的侦察设备正确地侦察出发射信号的脉冲宽度、频率点个数而使用宽带的压制干扰或多点频点的瞄准式干扰时，脉内多载频信号将会有多个子脉冲或所有子脉冲受到干扰，此时干扰检测并剔除受干扰子脉冲的方式将失效。然而，此时的干扰需要覆盖的带宽将是单点频瞄准式干扰的N 倍以上(N 为频点数)，其干扰的功率利用率将有所下降，对脉内多载频信号的压制效果也将下降。
与2.1节中类似，中频信号输入后，首先将4个子脉冲分别进行相位检波、匹配滤波处理，经包络检波后再分别进行恒虚警处理，根据4个通道的恒虚警处理(CFAR)结果对其进行受干扰分析，判断其是否受到瞄准式干扰，若有子脉冲受到瞄准式干扰，则剔除受到干扰的子脉冲，对剩下子脉冲的恒虚警处理的数据进行累积之后再进行门限检测等操作[14]。具体处理过程如图3所示。
该处理方式的关键在于经恒虚警处理后，如何判别是否受到瞄准式干扰以及哪个频点受到了干扰。以CA -CFAR(单元平均恒虚警)为例，将M 个参考单元(被测单元的两边各M 2个)的输出平均，
将参考单元内的噪声均值Z 与门限系数α相乘便能得到门限值，如果
Y ≥αZ
(7)
Fig.2Direct non-coherent accumulation processing of four -carrier
frequency signal
图2
四载频信号直接非相参累积处理
Fig.3Anti-targeting interference processing of four -carrier frequency signal
图3四载频信号抗瞄准式干扰处理
230
第3期
沈健君等：宙斯盾雷达典型信号处理方法仿真分析
则判定在检测单元内检测到目标，其中，Y 输入待判定的信号[15]。根据文献[16]，对于有4个载频的脉内多载频信号，虚假概率P fa 与门限系数α之间的关系为：
P fa =1
()1+α4M ∑k =03
1k !Γ()4M +k Γ()4M (α
1+α
)
k
(8)
此时定义一个受干扰的指标β，β为所有得到的信号脉压峰值Y max 与噪声均值的最大值Z max 的比值，即
β=
Y max
Z max
视频贴片广告(9)
显然，当信号受到干扰时，β的值减小，当信号受到瞄准式干扰时，被瞄准的频点所在的子脉冲的指标β将明显低于其余3个指标，此时只需给定一个关于指标β的判别门限系数λ便可筛选出受瞄频干扰的子脉冲。
具体使用均值比较的判别算法。当4个子脉冲分别进行恒虚警处理后，如图4所示，当多载频信号受到瞄准式干扰而其干扰的带宽又小于子脉冲的载频间隔D f 时，4个通道的信号便只有图4(b)所示的子脉冲受到了压制性干扰，图4(b)中的恒虚警处理结果与图(a)、(c)、(d)中的处理结果存在明显差异。根据4个通道的恒虚警处理结果可以得到受干扰的指标β1,β2,β3,β4。假设4个指标中的最小值为βmin ，此时定义其他3个指标的均值为参考的指标βref ，其表达式为：
βref =拖把挤水器
(∑i =1
4βi -βmin )
3
(10)
若4个指标中的最小值βmin 小于判别门限系数λ与参考指标βref 的乘积时，便判定其受到了瞄准式干扰；否则判定其未受到窄带瞄准式干扰。即判定其受到瞄准式干扰的标准为：
βmin <λβref
(11)
distance unit (a) Channel 1
(b) Channel 2
(c) Channel 3
(d) Channel 4
distance unit 0.05
0.10
0.15
0.20
a m p l i t u d e
distance unit 0.2
0.40.60.81.00.2
0.40.60.81.0a m p l i t u d e
distance unit a m p l i t u d e
Fig.4Results of four channels by CFAR processing separately
图4四个通道分别CFAR 处理结果
导线测量法231
太赫兹科学与电子信息学报
第20卷
3仿真实验及结果分析
实验对存在瞄准式干扰时2.1节及2.2节中的两种处理方式分别进行了仿真验证，仿真信号样式为脉内四载频
信号，使用信号的码元宽度为0.1μs ，即信号带宽B 为10MHz ，子脉冲之间的频率点间隔D f 为40MHz ，不同处理方式下的脉压结果、恒虚警检测结果及其检测性能结果的对比分析如3.1节、3.2节所示；为验证2.2节中对筛选受干扰子脉冲的判定标准的准确性并得到差值门限λ的取值与判定正确率之间的关系，实验使用蒙特卡洛方法，分别对不同干信比条件下的回波信号及是否存在瞄准式干扰的判定结果进行了仿真，其仿真结果如3.3节所示。3.1CFAR 检测结果
在有高斯噪声的背景下，对脉内四载频信号进行瞄准式干扰仿真，瞄准式干扰对准信号的某一个频率点，干扰使用窄带噪声，其带宽设置为信号带宽的3倍，即B j =30MHz ，取干信比(Jamming -to -Signal power Ratio ，
JSR )为16dB ，以确保能够完全覆盖子脉冲所在的频段，形成压制干扰的效果。
对比2.1节中处理方式下的恒虚警检测结果与2.2节中经电子干扰分析后再求和的检测结果，如图5所示：
图5(a)为直接非相参累积处理后恒虚警检测的结果，图5(b)为4个通道分别经恒虚警处理、电子干扰分析并剔除受干扰的子脉冲后，再进行非相参累积得到的恒虚警检测结果。显然，2.2节中的处理方式具有更好的抗瞄准式干扰的能力，能够更好地对目标进行有效探测。3.2检测概率
为了对比两种处理方式的检测性能，使用蒙特卡洛方法进行仿真[17]。仿真中，存在瞄准式干扰，JSR 分别为6dB,10dB,14dB,18dB ，虚警率取为10-14，在背景噪声功率不同的情况下分别进行仿真实验，得到的检测曲线如图6所示。
图6中，红虚线为不同干信比条件下使用2.1节中直接非相干累积的处理方式得到的检测曲线，蓝实线为不同干信比条件下使用2.2节中剔除受干扰的子脉冲后再累积的处理方式得到的检测曲线。显然，
当干信比达到14dB 时，第二种处理方式下的检测概率总是高于第一种处理方式，当存在瞄准式干扰的情况下，其检测性能明显优于直接非相干累积的处理方式，即其抗瞄准式干扰的能力更强。而当干信比小于14dB 时，由于干扰的能量较小，对这个脉冲的压制效果较差，此时剔除受干扰的子脉冲后，将仅有3个子脉冲参与累积，根据文献[18]，相当于损失了大约1.5dB 的累积信噪比改善因子，所以相同信噪比条件下其检测概率要低于第一种处理方式。所以当存在较强的瞄准式压制干扰时，使用干扰检测并剔除受干扰子脉冲的方式是可以提高检测性能的。3.3干扰分析
为了验证2.2节中对于是否存在瞄准式干扰的判定方法的实用性，同时得到判别门限系数与判别正确率之间的关系，使用蒙特卡洛方法进行仿真。在大量的仿真中，仅对部分仿真中的回波添加瞄准式干扰，瞄准其中一个子脉冲。在对接收回波的信号处理模块，对每一个回波进行瞄准式干扰判别并根据设定的是否添加干扰的标签得出判别正确与否，最后根据统计得到判别正确的次数和蒙特卡洛仿真总次数即可得到不同判别门限系数下的正确率。
distance unit
a m p l i t u d e
distance unit
a m p l i t u d e
(a) non-coherent accumulation (b) anti-interference processing
Fig.5CFAR detection results under two processing methods
图5两种处理方式下的CFAR 检测结果
232
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议