基于DRFM的匀加速距离门拖引干扰信号的频谱分析

RangeGateStealerElectronicAttackSignal

SUNLin，ZHOUQing-song，LIXiao-bo，SHANLiang（ElectronicEngineeringInstitute，Hefei230037，China）Abstract：Inthispaper，thespectrumofdigitalradiofrequencymemoryuniformacceleratedrangegatestealerisexamined.Constrainedbythediscretesamplingofthedevice，thespectrumofoutputsignalwouldhavetwonoticeablecharacteristics.Thefirstisthesmallbutmeasurablecenterfrequencyshiftfromtheinputcenterfrequency.ThesecondisthepresenceofharmonicsoftheperiodicFresnelspectrum，andthespectrumwouldbeoverlappingundersomecircumstances.Atfirst，thetime-domainsignalisdeduced，thenexpressionaredevelopedtopredictedthefrequencyshift，thelocationsoftheharmonicsandtheconditionofoverlap.Atlast，thesimulationoftime-domainsignaltodemonstratethecorrectnessoftheanalysisispresented.DRFM，uniformacceleration，rangegatestealer，spectrumKeywords：0引言以达到最大限度的逼近真实目标的回波。但由于器件精度限制，时延将以ms量级为单位进行更新，导致DRFM的输出信号与理想信号频谱存在一定差别。以往对于DRFM产生的干扰信号谱分析主要集中于由A/D的离散采样及量化造成的虚假频率响应特性，很少专注于干扰技术本身特点对DRFM信号的影响。BergerSD［3-4］和GrecoM［5］等人分析了由于DRFM相位量化及DRFM的数字特性给时延函数带来的影响，干扰机产生的距离门线性拖引干扰信号在频域上产生虚假信号电平的特性，为更好地进行欺骗式干扰提供了依据和必要的参数信数字射频存储器（DigitalRadioFrequencyMem-ory，DRFM）是一种用于实现射频信号存储及转发功能的电子战部件。DRFM［1-2］可以对接收到的雷达信号进行高速采样、存储、干扰调制处理和复制转发。DRFM的出现提高了新一代电子对抗设备的能力，增加了系统的灵活性和再编程能力，为欺骗脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达等现代雷达提供了有力的手段。利用DRFM形成虚假目标的运动航迹，需要对雷达信号进行时延、幅度及多普勒频率等调制，收稿日期：2015-04-05作者简介：孙修回日期：2015-05-11琳（1990-），男，山东威海人，硕士研究生。研究方向：雷达信号处理。·113·（总第41-0670）火力与指挥控制2016年第4期息。文献［6］提出了一种抑制DRFM信号谐波效应的方法，笔者分析导出了消除谐波效应的条件，并提出了一种基于DAC取样时钟延迟的有效抑制谐波的改进型DRFM结构。上述分析都是以匀速运动状态下的线性距离门拖引展开，对于匀加速距离门拖引的干扰信号的分析却很少涉及，模拟多运动状态的假目标可以更逼真的对雷达进行欺骗。针对上述问题，本文研究了匀加速运动状态的距离门拖引时域表达式，并分析频谱。最后通过仿真验证了所做理论推导的正确性。1DRFM匀速拖引的信号分析1.1PD信号频谱多普勒雷达［7-8］同时具有速度分辨力和距离分辨力，被广泛应用于各类雷达。因此，本文以PD信号为例，进行DRFM的拖引信号频谱分析。周期性脉冲信号PD信号是典型的脉间相干信号，其相干处理间隔（CoherentProcessingInterval，CPI）一般为几十个到几百个脉冲。为简化理论分析，首先假设雷达基带信号为周期性时间无限脉冲信号，脉冲信号调制上复正弦信号，得到无限时间PD信号时域表达式为：（1）其中，*为卷积运算，为脉冲宽度，Tr为脉冲重复周期，ft为雷达发射频率，且远大于周期性脉冲信号的带宽，rect易知x（t）的蓸t频谱蔀为为：宽度的方波信号，啄为冲激函数。（2）由于实际中PD信号是有限长时间的，其持续时间为一个CPI。因此，可以将x（t）乘以高度为1、宽度为CPI的矩形脉冲信号得到有限长时间PD信号，记为：（3）w等于CPI，则s（t）信号的谱为：（4）1.2匀速拖引的DRFM干扰信号由式（1）可得DRFM的输入信号为：·114·（5）这里用f0代替了式（1）中的ft，考虑到了雷达和目标相对运动导致的多普勒频移，即f0=ft+fd。此外，干扰系统本身导致的常数频率漂移也可以统一到f0中。则DRFM输出的线性延迟的距离门拖引信号可表示为：（6）其中，c（t）是时延函数，表征接收信号和发射信号的相对时延。由于目标在脉冲重复周期Tr内，目标仅仅运动很短的距离，即使在一个CPI内也不超过一个nT脉冲宽度对应的距离r-c（t））近似为啄（t-nT。因此，可以将式（6）中啄（t-r），DRFM输出的干扰信号可近似表示为：（7）由式（1）的频谱分析可知，整个频谱是第二项因子的频谱以脉冲重复频率为周期进行延拓，因此，对式（7）频谱分析时只需对第二项进行，令：（8）对于理想的DRFM来说，其更新速率和时延分辨率可以达到无限小，因此，其时延函数是连续的，即c（t）=琢t，其中琢为延时速率或拖引速率。对于实际的DRFM来说，其时延函数c（t）是分段步进的阶梯状函数（见图1）。在图1中，斜线代表的是理想情况下的时延函数，阶梯状函数代表的是实际的DRFM时延函数。图1线性距离门拖引信号的时延函数c（t）在实际情况下，DRFM的时延函数可以写成，由此得：孙琳，等：基于DRFM的匀加速距离门拖引干扰信号的频谱分析（总第41-0671）（9）其中，步进间隔茁和步进长度Tc由DRFM的时延分辨率td、更新周期ts和线性拖引速率琢共同决定。时延分辨率td、更新周期ts根据目标运动特性和雷达特性共同设定。一般来说，步进间隔茁等于时延分辨率td，为ns量级。步进长度Tc为ts的整数倍，即：（10）式中，「·为向上取整。2DRFM匀加速拖引信号的频谱分析2.1匀加速拖引信号分析匀加速拖引过程中，多普勒频率fd及拖引信号的时延函数c（t）将发生一定的变化。即：（11）式中，为匀加速拖引的时间延迟函数。对于匀加速拖引的延迟函数r（t），理想情况下随时间变化呈现出抛物线的时延规律。实际情况下，由于器件分辨率的限制，仍呈现出分段步进的梯状函数。步进间隔茁等于时延分辨率td，步进长度Tc会由于拖引速率的改变发生跳变，但在一定的速率范围内，Tc仍为固定值。例如，当DRFM器件的时延分辨10率td=4.2ns，更新周期琢=1×ts=1.5ms，若拖引速率-6，那么假目标保持150m/s飞行速度，根据式（10）可得，每3个更新周期，DRFM器件才可识别一次时延的改变，此时Tc=4.5ms。而对于变速运动的假目标，通过式（10）可得，速度为140m/s~220m/s时，Tc均为4.5ms，而只有当速度超过220m/s时，Tc才会跳变为3ms。由于进行谱分析的信号宽度为几百毫秒，可以认为在每个分析周期内，Tc是固定值，因此，时延函数（rt）=c（t）。经过上述理论分析，可得：（12）其中，，。2.2匀加速拖引信号的频谱分析对d（t）的谱D（f）进行分析。令D（B），E（是f），A（f），（ff）和H（f）分别d（t），a（t），b（t），e（t）和h（t）的傅里叶变换，则（13）由可得，。从可以看出b（t）为类线性调频信号。可得［9］（14）C（x）和S（x）表示菲涅尔积分，定义如下：（15）（16）其中，，B为信号带宽，为信号取样宽度，且。B（f）是菲涅尔谱。由可证得e（t）的谱［4］为：（17）由式（17）可以看出，e（t）的谱由许多间隔为fc、中心位于茁fcf0的谱线组成，这些谱线同时被中心位于0Hz的sinc函数所加权。通过分析，可以得到最大幅值谱线相对于中心频率的偏移位置为：（18）其中，·」为向下取整。由于sinc（仔fTc）在f=nfc取零值，而当茁f0取整数时所有的谱线位于整数倍fc处，因此，只要茁f0取整数，除了f=0以外其他所有的谱线都会被抑制。由，可得H（f）抑（啄f）。最终频谱的表达式为：（19）·115·（总第41-0672）火力与指挥控制2016年第4期观察分析式（19）可得，最终D（f）的频谱表达式由两部分卷积而成，应为相对于中心频率f0偏移量为fs，幅度由sinc函数加权的，重复间隔为fc的菲涅尔谱组成。当fc＞B，菲涅尔谱的中心频率为D（加的情况；当fs+nfp，f）的频谱不会出现叠fc＜B时，由于菲涅尔谱的宽度大于重复带宽，导致谱之间会出现交叠。当茁f0取整数时，出现单一的菲涅尔谱，谱峰中心为0Hz。3仿真分析实验一:正常情况的频谱。仿真条件为：假设欺骗干扰机的DRFM设备时延分辨率td=4.44ns，更新周期ts=1.5ms，雷达信号载频为9.3GHz，假目标初始速度为150m/s，则多普勒频移fd=9300Hz，脉冲处理间隔为315ms。根据式（10）可得茁=4.44ns，Tc=4.5ms，f0=9.2999907GHz，则由式（18）可得，fs=64.898Hz，fc=222.2Hz。对d（t）的信号进行快速傅里叶变换，其采样时间为315ms，采样率为10KHz，采样点数为8192。假目标的加速度为5m/s2。仿真结果如图2所示。图2当B＜fc时信号d（t）的傅里叶变换通过计算得驻fd=310Hz，则B（f）的带宽B为195.3Hz。B＜fc，则菲涅尔谱之间不会产生交叠，菲涅尔谱中心相对于中心频率的偏移为64.898Hz，不同谱的中心间隔为222.2Hz。由图2表明，谱峰相对于中心频率f0的偏移为65.92Hz，菲涅尔谱的左右谱中心分别为-153.8Hz和285.6Hz。左右的间隔可计算为219.72Hz和219.68Hz。理论分析值与实际仿真结果基本相同。实验二：频谱出现交叠的情况。仿真条件为：目标的加速度变为15m/s2，其余条件与实验一相同，仿真结果如图3所示。通过理论计算可得驻fd=930Hz，则B（f）的带宽为585.9Hz。B＞fc，菲涅尔谱之间将会产生交叠。观察图3可以看出，由于B＞fc，导致谱之间出现了互相交叠，整个图谱存在不规律的情况。在实际干扰·116·图3当B＞fc时信号d（t）的傅里叶变换情况下，应适当调整假目标的拖引加速度及合理设计DRFM的更新速率，使其保持在合理的范围之内，避免出现图3的状况，以防止雷达通过相关检测将虚假干扰信号识别。实验三：茁f0取整数时的频谱。仿真条件为：雷达载频变为9.23GHz时，其余条件与实验一相同。仿真结果如图4所示。图4当茁f结果显示，由于0取整时信号d（t）的傅里叶变换sinc函数的零点与fc重合，导致谐波于零点处抵消，与理论推导结果一致。以上仿真实验结果表明，理论推导的频谱特性与时域进行傅里叶变换所得结果基本一致，证明了理论分析的正确性。4结论本文分析了匀加速距离门拖引的时域表达式并分析其频谱特点，分析表明与理想信号相比，DRFM所转发的干扰信号会出现谐波效应，且相对于中心频率存在微小频偏。通过仿真实例验证了理论推导的正确性。如何避免谐波叠加及频率漂移等现象，使假目标信号具有更高的逼真度将是下一步研究的重点。参考文献：［1］张玉芳.基于DRFM的雷达干扰技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2005.（下转第120页）（总第41-0676）火力与指挥控制2016年表1算法结果对比第4期其新的适应度。若变异粒子适应度优于原粒子，则种群接受此次变异，若比原粒子适应度低，则保持原粒子状态；②对适应度较好的粒子进行局部性的变异操作，即粒子每维度变量在当前位置附近进行随机生成，并计算其新的适应度。若变异粒子适应度优于原粒子，则种群接受此次变异，若比原粒子适应度低，则保持原粒子状态。2.4结果分析利用改进的粒子群算法，结合炮箱浮动曲线对自动机各性能进行评估。由图4可以看出，粒子群算法在寻优的过程中有较好的收敛性，但从收敛速度上来看，尽管标准PSO初始种群的平均适应度要明显优于改进PSO，但到后期仍然出现了收敛速度下降几乎停滞的现象，而变棕的PSO能够较快地进入局部搜索，具有良好的收敛速度；从最优解的结果上来看，如表1所示，利用粒子群算法结合曲线特征量，求得各机构性能参数的解与设置值基本吻合，但从精度上来看，经过变异和变棕的PSO得到的全局最优解明显优于标准PSO，经过变异的PSO与设置值最为接近，具有更好的精度，将这种方法应用于机构的状态参数评估上是有效可行的。参考文献:参数Fs（0kN）鬃6.550%设置值标准PSO7.1659.05%15.411变棕PSO6.302247.35%15.3986变棕、变异PSO6.505150.05%15.4014）15.4V（cm/s3结论本文为实现对某自行高炮自动机性能参数的准确评估，通过对自动机进行动力学分析，建立了自动机动力学模型，研究其连续射击过程中机构的运动规律及典型的浮动曲线。引入改进粒子群算法，结合浮动曲线特征量，对自动机性能参数进行全局寻优，算法在收敛速度和结果精度上相比于原有方法都有了显著提高，为自动机的状态参数评估提供了一种可行的方法。［1］邱立军.武器装备故障预测与健康管理系统的关键技术［J］.舰船电子工程，2012，32（5）:17-18.［2］郭竞尧，刘彦，李勇，等.某液压弹簧式浮动机仿真及优化［J］.液压与气动，2014（2）:85-87.［3］郝云锁.基于SAPSO和改进SVM的风力发电机齿轮箱故障诊断系统研究［D］.上海：华东理工大学硕士学位论文，2014.［4］高斐，李洪儒，许葆华.基于ICPSO优化的极限学习机在故障诊断中的应用［J］.中国机械工程，2013，24（20）:2753-2757.［5］陈贵敏，贾建援，韩琪.粒子群优化算法的惯性权值递减策略研究［J］.西安交通大学学报，2006，40（01）:53-56.［6］徐凤军，高跃飞，曹红松，等.某高炮自动机动力学仿真［J］.计算机仿真，2013，30（9）:14-17.图4种群平均适应度曲线（上接第116页）［2］周国富，姬国良.数字射频存储器在电子战系统中的应用［C］//数字射频存储器文集.北京：总参谋部第五十研究所，1990:1-9.［3］BERGERSD.Digitalradiofrequencymemorylinearrangegatestealerspectrum［J］.IEEETransactionsonAcrospaceandElectronicSystems，2003，39（2）:725-735.［4］BERGERSD.ThespectrumofadigitalradiofrequencymemorylinearrangegatestealerElectronicattack［C］//Pro-ceedingsofthe2001IEEERadarConference，Atanta，GA，May2001:27-30.［5］MARIAG，FULVIOG，ALFONSOF.CombinedeffectphaseandRGPOdelayquantizationonjammingsignalspectrum［C］//IEEERadarConference，2005:37-42.［6］常成，臧小刚，宫新保，等.DRFM拖引干扰信号的谐波效应分析及抑制［J］.信息技术，2009（4）:70-73.［7］MerrillISkolnik.Radarhandbook［M］.Boston:Mc-Graw-Hill，1990.［8］卢敏.对脉冲多普勒雷达干扰技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2005.［9］BASSEMR.MAHAFZA，ATEFZ.Elsherbeni.MATLABSimulationsforRadarSystemsDesign［M］.UAS:AIAA，2003:107-109.·120·