连续波掩护信号技术研究*

丁爽，尚朝轩，韩壮志，解辉

(军械工程学院 电子与光学工程系，河北 石家庄 050003)

0 引言

随着电子技术的飞速发展，越来越多的电子侦察/干扰设备被应用于现代战场，给雷达的生存带来了巨大的威胁。其中瞬时测频(instantaneous frequency measurement，IFM)接收机采用比相法瞬时测频技术，具有截获概率高、瞬时带宽大、实时性好等特点，被广泛应用于雷达告警、电子侦察等电子对抗设备[1-3]。因此，如何有效地干扰IFM接收机的工作，对雷达在战场上的生存至关重要。

射频掩护信号是为了保护雷达真实工作频率而设计的具有欺骗性的信号[4]。现代雷达为了提高其抗干扰/抗侦察能力，往往设计了较为复杂的工作波形，而对射频掩护信号的研究比较少[5]。IFM在一次采样时间内只能给出一个测频结果，因此在一次采样时间内如果有多个信号频率，则IFM不能准确测得信号频率[6-8]。针对IFM接收机的这一特性，本文提出使用连续波掩护信号干扰IFM接收机的测频，以达到保护雷达的目的。

1 IFM接收机原理

IFM接收机是一种非搜索式的宽带测频接收机，利用延时线或其他手段将频率信息转换为相位信息，通过对相位信息的测量得到信号的瞬时频率[9-11]。

IFM接收机的一种典型类型就是使用延时-鉴相组合得到相位信息。延时-鉴相组合的原理如图1所示。

图1 延时-鉴相组合原理图
Fig.1 Diagram of combination of time delay and phase demodulation

将截获信号通过功分器分成2路信号，其中一路信号经过一定的射频延迟T后与另一路信号产生一定的相位差φ。相位差φ与信号频率fRF的关系式为

φ=2πfRFT.

(1)

由于延迟时间T已知，所以只需测出相位差φ就可求得信号频率fRF。图1中的鉴相模块就是用于测量2个输入信号的相位差。因为相位无模糊测量范围是[0,2π),所以由式(1)得，频率fRF的无模糊测量范围为

(2)

由式(2)可知，为了得到大的测频范围，需要使用较短延迟时间。但是为了提高测频精度又需要较长的延迟时间。因此实际中IFM接收机采用多路延时-鉴相组合，用短延迟-鉴相组合的相位输出求解长延迟-鉴相组合的相位输出的模糊，用长延迟-鉴相组合解模糊后的相位输出校准短延迟-鉴相组合的相位测量值。对于多路延时-鉴相组合的并行运用，频率分辨率的一般表达式为

(3)

式中：Tm为最短延迟时间；m为低位延时-鉴相组合的量化比特数；n为相邻延时-鉴相组合的延时线比；k为延时-鉴相组合路数。在实际工作中，延时-鉴相组合路数不宜过多，否则体积过大，一般k=3或4。

IFM接收机组成如图2所示，除了多路延时-鉴相组合，它还包括限幅放大器，同时到达信号检测电路和门限检测/定时控制电路。其中同时到达信号检测电路用于检测采样时间内是否有同时到达信号，去除同时到达信号的测频结果对IFM接收机测频的影响；门限控制/定时控制电路用于启动对τpw,tTOA等其他脉冲描述字的测量。

图2 IFM接收机的组成Fig.2 Composition of a IFM receiver

2 连续波掩护信号工作原理

IFM接收机利用延时线将相位信息转换成频率信息，实现对信号频率的实时测量。如果在采样时间以内截获信号的瞬时频率近似保持不变，且无相位跳变，则IFM接收机的测频结果正确。这就意味着一个采样时间内IFM接收机只能对一个信号的频率做出准确测量。因此当截获信号存在同时到达信号时，IFM接收机则不能准确测出信号频率。

对同时到达的2个信号的延时-鉴相结果进行分析。设同时到达的2个信号分别为

s1=A1ej2πf1T=A1ejφ1=A1cosφ1+A1jsinφ1,

(4)

s2=xA1ej2πf2T=xA1ejφ2=xA1cosφ2+xA1jsinφ2,

(5)

而二者合成矢量为

s=Aej2πfT=Aejφ=Acosφ+Ajsinφ,

(6)

式中：A1，xA1和A分别为信号s1，s2和s的幅度；f1，f2和f则分别为信号s1，s2和s的频率；φ1，φ2和φ分别为信号s1，s2和s的相位。

假定信号s1是大信号，s2是同时到达的小信号，即x>1。求同时到达的小信号对测频的影响，即求合成信号s和信号s1的频率差，可等价为求二者的相位差Δφ=φ-φ1。

由矢量合成原则，得

A1sinφ1+xA1sinφ2=Asinφ,

(7)

A1cosφ1+xA1cosφ2=Acosφ.

(8)

设信号s2和信号s1的相位差Δφ1=|φ1-φ2|，则

(9)

由式(9)得，Δφ1一定时(2个同时到达信号频率一定时)，x的值越大(2同时到达信号幅度值差越大)，Δφ的值越小(信号s和信号s1的频率差越小)，即合成信号测量频率越靠近大信号。

而当x的值一定时(2个同时到达信号的幅度一定时)，Δφ1的值越大(信号s2和信号s1的频率差越大) ，Δφ的值越大(信号s和信号s1的频率差越大)。

经过上面的分析可知，同时到达的信号会影响IFM接收机的测频结果。利用IFM接收机的这种性质，在雷达发射雷达脉冲信号的同时发射一定功率的连续波掩护信号。如果连续波掩护信号在IFM接收机动态范围内，则对于IFM接收机，每个雷达脉冲处都存在同时到达信号。因此，IFM接收机的工作效果将会受到干扰：

(1) IFM接收机将大量脉冲信号标记为同时到达信号，则大量脉冲被舍去，IFM接收机只能输出少量脉冲参数。

(2) IFM接收机没有将脉冲信号标记为同时到达信号，则测频误差很大，IFM接收机输出大误差的脉冲参数。

(3) IFM接收机将连续波信号标记为了脉冲信号，则测得大量的连续波频率，IFM接收机输出大量的错误脉冲参数。

3 仿真校验

对IFM接收机的仿真使用SyetemVue平台，SyetemVue是由安捷伦公司开发的仿真平台，在最新的版本中，加强了对雷达、电子战仿真模块的开发，有利于实现对雷达侦察系统的仿真[12-13]。

本文中IFM接收机采用4路延时-鉴相组合，最短延时线长度为0.05 ns，延时线比例为1∶4∶16∶64，瞬时测频范围20 GHz，测频精度为10 MHz。

根据本文提出的IFM接收机模型在SyetemVue平台搭建的仿真模型如图3所示。

图3中“huanjing”模块为自定义的雷达混合截获信号模块；“DelayEnv”模块为射频延时模块，将输入信号延时一定时间输出；“PhaseComparator”模块为相位比较器，输出2输入信号的相位差；“DownSampleEnv”模块为降采样模块，降低输入信号采样率，在保证不影响测频结果的前提下降低数据量，提高仿真速率；“MATLAB”模块为Matlab脚本，用于仿真数字信号处理部分，实现相位信息到频率信息的转换和和4路鉴相结果的解模糊[14-15]；“Sink”模块用于接收和存储测频结果。

设定雷达混合截获信号存在1部雷达和1部连续波掩护信号发射机，雷达使用线性调频信号，脉宽为1 μs，脉冲重复周期为40 μs，载频为2 GHz。连续波信号使用步进频率连续波。设雷达脉冲信号

图3 雷达侦察接收机仿真Fig.3 Simulation of radar reconnaissance receiver

与掩护信号之间的功率比为k，即

(10)

式中：Ps为雷达脉冲的功率；Pcw为连续波掩护信号的功率；k的单位为dB。

定义测频误差为

(11)

当k一定时，改变连续波信号的频率，由式(9)可知，连续波信号频率的改变会影响IFM接收机的测频结果。设定k=10,0和-10 dB 3种情况，仿真结果如图4所示。

当连续波信号频率一定时，改变连续波信号的功率，即改变k的值，同样由式(9)可知，雷达脉冲信号与掩护信号之间的功率比k的的改变会影响IFM接收机的测频结果。设定连续波频率fcw=1.5,2和3 GHz 3种情况，仿真结果如图5所示。

由仿真结果图4和图5可以看出来，当连续波频率与雷达脉冲频率偏差越大时，IFM接收机测频误差越大；当雷达脉冲信号与掩护信号之间的功率比k越大时，IFM接收机测频误差越小。仿真结果与理论相符，用连续波掩护信号干扰IFM接收机工作是可行的。

图4 连续波信号频率改变仿真结果Fig.4 Simulation results of continuous wave signal frequency change

图5 改变k值仿真结果Fig.5 Simulation results of changing k values

4 结束语

本文分析了IFM接收机的测频构成和原理，阐述了同时到达信号对IFM接收机测频的影响。通过分析，提出了一种干扰IFM接收机测频工作的方法，即使用一定范围内功率和频率的连续波掩护信号使IFM接收机收到的雷达脉冲信号都为同时到达信号，以此干扰IFM接收机的测频工作，最后仿真验证了方法的有效性，并分析了不同功率比和频率差情况下连续波掩护信号对IFM接收机的干扰效果。

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