针对密集假目标的干扰效果分析与优化

黄 奕 余建宇 苏若龙 李辰梓

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

对雷达的干扰方法主要可以分为压制干扰及欺骗干扰两种[1],假目标样式通过其分布特性可以产生欺骗或者压制效果,其作用原理主要是生成大量与雷达信号相参的假目标,针对雷达目标检测中的恒虚警检测进行干扰,假目标的分布特性主要来源于其调制方法,如分段重构法中的采样间隔。普遍认为干信比达到10dB时可以实现较好的压制干扰效果[2],然而在实际应用中尤其是当干扰机搭载在无人机等小型平台时,受限于重量和体积导致干扰机功率有限,难以达到所要求的干信比,另一方面过大的干信比也易触发雷达抗干扰措施[3]。因此需要对密集假目标的干扰效果进行分析,寻求当假目标与真实目标尖峰幅度相近时也能实现良好干扰效果的方法。本文将针对多假目标干扰对恒虚警检测的干扰原理,定量分析其压制效果,给出一种可以有效提升其压制干扰效果的协同方法。

1 恒虚警检测原理

对干扰有效性的评估可以通过使用雷达信号处理中特定的目标检测方法实现。雷达在存在噪声和干扰的背景中进行目标检测时,常采用恒虚警检测(CFAR)的处理方法,通过生成检测门限,与被检测单元内信号的幅值进行比较,判断是否存在目标信号来评估干扰效果。

单元平均恒虚警检测(CA-CFAR)的原理如图1所示,在距离门上以检测单元为中心在其两侧分别选取长度分别为M的保护单元和长度为L的参考单元,之后对两侧参考单元内所存在噪声和干扰幅值求均值后与乘性因子K0相乘得到检测门限S。乘性因子K0由所设计雷达的虚警概率Pfa决定,不同用途的雷达虚警概率不同,虚警概率越小,则乘性因子的值越大,所生成的门限值也越高,以CA-CFAR为例,乘性因子的计算方法为

(1)

之后将所求得的门限与被检测单元内信号的幅值进行比较,若大于门限,则认为该检测单元中存在目标。评估干扰效果最直接的方法是当恒虚警处理方法无法检测到目标信号时则认为压制干扰有效,反之则认为无效。

图1 CA-CFAR原理图

常用的CFAR方法除单元平均CFAR外还有单元平均取小(SO-CFAR)、单元平均取大(GO-CFAR)等处理方法,这两种方法求取门限的计算公式为

(2)

2 干扰原理与效果分析

2.1 密集假目标生成原理

密集假目标干扰可以通过分段重构法实现,原理如图2所示。将长度为N的雷达信号x(t)以间隔L分为k段,对信号数据依次进行L点延时,依照所需假目标个数做M次延时,将这M次延时的数据依时间顺序排列并累加得到干扰信号xjam(t),这表明xjam(t)由(M+N-1)段信号组成,其中第一段就是对雷达信号x(t)的第一段采样,第二段为前两段采样之和,第三段为前三段采样之和,依此类推,直至最后一段采样为雷达信号x(t)的最后一段。间隔L对应假目标之间的时间间隔,M对应假目标数目,这两个参数用于控制所生成假目标的密度。

图2 分段重构法原理示意图

假设雷达发射的信号为

(3)

将x(t)延时叠加后得到干扰信号为

(4)

密集假目标干扰经过128个脉冲信号进行相参积累和脉压后的干扰效果如图3(a)所示,在距离维上生成等间隔均匀分布的假目标尖峰,经过MTI、MTD处理后的结果如图3(b)、图3(c)所示,在距离维和多普勒维上形成与目标信号一致的密集假目标。

图3 干扰效果及处理结果图

2.2 密集假目标干扰效果分析

密集假目标根据其假目标的密度可以产生压制干扰和欺骗干扰两种效果,主要取决于雷达所接收到信号的干信比或落入雷达CFAR参考单元内的假目标个数。根据恒虚警检测处理方法的原理,当落入参考单元内假目标个数足够多时,其检测门限将会被抬高,从而导致对目标信号的漏警甚至实现对假目标自身的遮蔽从而起到压制效果[4]。而当落入参考单元内的假目标个数较少时,会造成假目标和真实目标同时被雷达所检测到从而形成欺骗干扰的效果。

CFAR滑窗长度Lall可以表示为:Lall=2(L+M)+1,均匀分布的假目标之间的间距为D,当滑窗长度与假目标间隔满足一定关系时,密集假目标干扰对于检测门限的干扰效果是不同的。

1)当CFAR滑窗长度Lall小于假目标间距D时,即无论何时最多有一个假目标处于真目标两侧的任一参考单元内,则使用CA-CFAR处理方法检测门限抬高幅度有限,使用SO-CFAR处理方法时,门限仅由噪声决定,无法抬高检测门限。这种情况下也存在没有假目标落入真目标两侧参考单元的情况,如图4所示,无论使用何种处理方法检测门限仅由参考单元中的噪声决定,干扰无法抬高检测门限。

图4 Lall

2)当CFAR滑窗长度Lall大于假目标间隔D但小于两倍的假目标间隔,则无论何时都可以保证至少有一个假目标位于一侧参考单元内,如图5所示。在这种情况下,假如仅有一个假目标落入参考单元,采用SO-CFAR处理方法时,干扰无法抬高检测门限,采用其他方法时均可实现对检测门限的抬高,使真实目标无法被检测到。

图5 D≤Lall<2D示意图

3)当滑窗长度Lall大于两倍的假目标间隔D时,则无论何时真目标两侧的参考单元内都会有假目标分布,如图6所示。在这种情况下,无论采用哪一种处理方法,干扰都可以起到抬高检测门限的作用,使真实目标无法被检测到。

图6 2D

2.3 仿真分析

假设真实目标位于距离门3000处,干扰信号样式为密集假目标干扰,所生成的假目标之间的间距为30个距离单元,对三种长度不同滑窗经CA-CFAR、SO-CFAR和GA-CFAR三种方法的处理结果进行仿真。

1)仿真1:假设CFAR滑窗中单侧参考单元数量为8,保护单元数量为2,则滑窗长度Lall=21,虚警概率Pfa=1×10-4,三种处理方法的仿真结果如图7所示,其中实线为信号,虚线为所生成的恒虚警门限。

图7 三种处理方法仿真结果图

由这三种方法的处理结果图可以看到距离门3000处的真实目标尖峰与检测门限的关系,当滑窗长度小于假目标间隔时,会出现无法有效抬高检测门限,从而导致真实目标尖峰依然可以被雷达所检测到,与理论分析一致,密集假目标干扰无法实现压制效果。

2)仿真2:假设CFAR滑窗中单侧参考单元数量为16,保护单元数量为2,则滑窗长度为37,Pfa=1×10-4,三种处理方法的仿真结果如图8所示。

图8 三种处理方法仿真结果图

由三种方法的处理结果图可以看出,当滑窗长度大于一倍假目标间隔,小于两倍假目标间隔时,采用CA-CFAR、GO-CFAR处理均无法有效检测目标信号,但当采用SO-CFAR时可以有效检测到目标信号,与理论分析一致。

3)仿真3:假设CFAR滑窗中单侧参考单元数量为32,保护单元数量为2,则滑窗长度为69,Pfa=1×10-4,三种处理方法的仿真结果如图9所示。

图9 三种处理方法仿真结果图

由三种方法的处理结果图可以看出,当滑窗长度大于两倍的假目标间隔时,与理论分析相符,真实目标将无法被检测到,甚至出现密集假目标的自遮蔽效果,但CA-CFAR及SO-CFAR方法对干扰生成的第一个及最后一个假目标能够有效检测到,原因是边缘假目标的两侧检测单元中有一侧为噪声而非假目标,对检测门限的抬升有限,因此边缘假目标会被检测到。

3 优化分析与仿真

3.1 优化方向分析

通过对密集假目标干扰效果的分析可知,当滑窗长度大于两倍的假目标间隔时,压制效果稳定良好。但在实际作战中,敌方雷达的恒虚警门限不可知,无法确定合适的假目标间隔。因此需要从其他角度出发,提升密集假目标干扰的压制效果。决定恒虚警门限的因素是检测单元两侧参考单元的平均幅值,当参考单元内不存在假目标时,其平均幅值实际上仅取决于环境和系统噪声,因此可以考虑通过提升密集假目标干扰信号时宽内的噪声功率水平来提升其压制干扰效果。通过多机协同的方式可以实现,如两架干扰机同时工作,一架向雷达转发密集假目标样式干扰信号,另一架发射类噪声信号。由于现代雷达存在相干积累、脉冲压缩等一系列抑制杂波的信号处理方法,若类噪声信号采取传统噪声调频调幅等样式干扰效率较低,且面对雷达相参处理时无法享受其增益,因此考虑类噪声信号采用与雷达信号相干的干扰样式,如卷积灵巧噪声[5],时宽上略大于密集假目标干扰信号的时宽,幅度低于密集假目标信号,干扰机1,2与雷达的位置关系如图10所示,干扰机1采用卷积灵巧噪声干扰样式,干扰机2采用密集假目标干扰样式,两干扰机信号时域上的协同关系如图11所示。

图10 干扰机位置关系图

图11 信号时域协同示意图

(5)

由公式(5)可知S0主要与滑窗长度和假目标个数有关,以极限情况推算,当滑窗内不存在假目标时,即N=0,则门限全由卷积灵巧噪声功率决定,则其所生成门限可以表示为

S0=(Anoise+A0)·KCA

(6)

当卷积灵巧噪声功率较大时,则该式中的A0可忽略不计,当门限值S0大于真实目标信号幅度Atarget时则可实现对目标信号的压制效果,即卷积灵巧噪声在参考单元内的幅值与乘性因子的乘积大于真实目标信号幅值即可。随着落入参考单元假目标数量增多,对卷积灵巧噪声干扰的功率要求进一步降低。

3.2 仿真分析

假设真实目标信号位于距离门3000处,CFAR滑窗中单侧参考单元数量为8,保护单元数量为2,则滑窗长度Lall=21,Pfa=1×10-4。对脉冲信号进行相干积累、脉冲压缩后幅值为67.5dB,假目标幅值与真实目标信号幅值相近,卷积灵巧噪声的幅值为55.1dB,在乘性因子与前文一致的情况下,可求得CA-CFAR门限为77.02dB。仿真结果如图12所示,其中仿真所得CA-CFAR门限为77.45dB,与理论分析接近,能够压制目标信号。

图12 三种处理方法仿真结果图

由三种方法的处理结果图可以看出,当采用两机协同的方式,另一干扰机采用卷积灵巧噪声信号时,可以有效提高所生成的检测门限,从而达到干扰雷达使其无法有效检测真实目标的目的。当在滑窗长度小于假目标间隔的情况下,所生成门限已高于目标信号,根据理论分析和前文的仿真结果可知,随着CFAR滑窗长度的增加,落入参考单元内的假目标数目也会增多,从而进一步提升所生成的检测门限,则可判断当滑窗长度增加时也可实现压制干扰,且效果更佳。仿真的虚警概率Pfa=1×10-4,在实际雷达设计中属于较高的虚警概率,当虚警概率设计较低时,相应的乘性因子增大,则实现压制干扰所需求的卷积灵巧噪声功率可以进一步降低。

4 结束语

本文介绍了密集假目标干扰的生成原理和雷达恒虚警检测处理方法,对密集假目标样式的干扰效果进行了定量分析,通过仿真研究在不同长度参考单元和使用不同恒虚警处理方法情况下密集假目标干扰的效果。针对干信比较低时其在压制真实目标上的不足,提出一种两机协同的方法,通过采用卷积灵巧噪声与之时域叠加提升假目标间隔中的噪声功率水平,实现在面对不同长度参考单元的三种CFAR处理方法时都能较好的压制真实目标,为工程实践提供一定借鉴和参考意义。