一种TRAD干扰下单脉冲巴克码PD雷达制导信息处理全数字仿真平台
摘 要：针对空空作战场景下单脉冲巴克码PD体制下制导雷达对抗TRAD干扰评估问题，提出一种实现制导信息处理的全数字动态仿真平台，用于典型TRAD干扰样式下飞机目标诱饵雷达回波动态生成和抗干扰算法性能的验证。基于稳态时拖曳线刚体假设，针对迎头、尾追和截击等典型空战场景，实现了飞机运动学状态动态生成及TRAD伴飞状态生成，进一步可合成目标和干扰的雷达回波。仿真结果表明，提出的仿真方法是有效的。
关键词：TRAD; 巴克码PD; 全数字仿真; 单脉冲测角; 制导雷达
中图分类号：TN95-34文献标识码：A 文章编号：1004373X(2011)21-0012-05
Alldigital Simulation Platform Processed by Monopulse Barkercoded PD Radar
Seeker Information in TRAD Interference
WU Xiaoguang1, YANG Guang1, YAN Xingwei1, ZHANG Jun1, GAO Jing2
(1. ATR Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;
2. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)
Abstract：
A novel alldigital simulation method is presented to demonstrate the antiTRAD problem with monopulse Barkercoded PD radar in airtoair combat scene. The approach can be used to generate the radar echo of airborne targets and TRAD who deploys typical jamming way, which is the basis of antijamming algorithm evaluation. Under the assumptions that the towed line can be treated as a rigid body in a steadyflying state, the method used to generate the kinematic state and radar echo of target and TRAD according to different scenarios such as noisetonoise attack, chasing attack and volley attack. Simulations validate the presented method.
Keywords： TRAD; Barkercoded PD; alldigital simulation; monopulse angle measurement; seeker radar
收稿日期：20110612
基金项目：武器装备预研基金支持
0 引 言
美国兰德公司曾在21世纪初预测，在未来的10年里，机载拖曳式有源雷达诱饵(Towed Radar Active Decoy,TRAD)将成为世界电子战设备市场上增幅最大的产品。据报道，1999年3月美国对南联盟实施的空袭中，美军在其B1B轰炸机上装备了ALE50拖曳式诱饵，致使南联盟至少有10枚地空导弹被诱偏，有效地保护了其战机的安全［1］。近年来，美英德等国更是加大了在TRAD方面的投入，完成了多种诱饵的研发、外场试验和定型等［24］，并开始大量装备其各种战机。兰德公司的预测成为了现实。
拖曳式诱饵的使用对当前空空导弹(AirtoAir Missile,AAM)制导雷达造成了很大威胁。目前，对抗TRAD干扰的主要技术手段包括采用复合制导体制［56］、具有抗欺骗能力的制导新体制和信号处理算法抗干扰［78］等，但无论是从体制上还是抗干扰算法上，其抗TRAD的有效性都缺乏一定的依据。这一方面是由于抗TRAD干扰问题本身的复杂性，另外一方面也是由于缺乏统一的验证评估平台来对这些抗干扰手段进行定量评估。
本文针对空空作战场景下单脉冲巴克码PD体制下制导雷达对抗TRAD干扰评估问题，提出了一种实现制导信息处理的全数字动态仿真平台，用于典型TRAD干扰样式下飞机目标诱饵雷达回波动态生成和抗干扰算法性能的验证。文中基于稳态时拖曳线刚体假设，针对迎头、尾追和截击等典型空战场景，实现了飞机运动学状态动态生成及TRAD伴飞状态生成，进一步可合成目标和干扰的雷达回波。通过仿真说明了文中提出仿真方法的有效性。
1 单脉冲巴克码PD雷达制导仿真平台
单脉冲巴克码PD制导雷达仿真平台的基本框图如图1所示。系统主要由实体运动特性仿真、实体雷达特性仿真、雷达信息处理过程仿真、信息显示及性能评估、框架流程控制及任务管理模块5大部分组成。其中，框架流程控制及任务管理模块(Framework Procedure Control & Task Management Module,FPC&TMM)是系统的核心，主要实现对各仿真模块的有序调用和对仿真流程进行控制(如仿真的开始、结束和暂停等)，此外该模块还用于实现对全局数据文件的操作和管理等。
2 目标诱饵运动特性生成
图2给出了战机应对来袭导弹的一般战术，因此我们的标准仿真场景将主要针对迎头和尾追场景。此外，由于战斗机大的横向机动总是在单个平面内完成的，故仿真场景设置主要针对水平和竖直平面内的目标横向机动两种情形下的迎头攻击和尾追攻击场景。截击场景和迎头场景下的情形相同。
3 目标诱饵系统雷达特性生成
在本平台目标电磁散射模型中，采用目标多散射中心模型，用于快速生成目标回波，这种方法用于验证雷达信息处理过程以及抗干扰算法的评估满足精度要求。
设雷达发射脉冲宽度为T2，码元时间宽度(子脉冲宽度)为T1(T2=PT1，P为巴克码长度)；设t为一个积累帧中以第0个发射脉冲开始时间为起点的时间变量，则制导雷达的发射信号可以表示［9］为:
e(t)=∑M－1m=0∑P－1n=0emn(t－nT1－mTp)=∑M－1m=0∑P－1n=0emn(tmn)
(1)
式中：m为发射脉冲编号；M为目标检测所需要的相参积累脉冲个数；n为发射脉冲中每个子脉冲的编号；Tp为脉冲重复周期；tmn=t－nT1－mTp为以第m个脉冲中第n个子脉冲开始时间为起点的时间变量(0≤tmn 设雷达工作频率为f0，b(n)(n=0,1,2,…,P-1)是长度为P=13的巴克码序列，则第m个脉冲中第n个子脉冲的信号形式可以表示为: emn(tmn)=Acos2πf0tmn+1－b(n)2π+φmn, 0≤tmn≤T1 0,else (2) 式中:φmn=2πf0(mTp+nT1)+φ0。显然，雷达发射信号相当于一个频率为f0的正弦连续波按Tp为周期截断成宽度为T2的脉冲串，然后将每个脉冲串与b(t)相乘后(相位调制)的结果，可以表示为: b(t)=∑M－1m=0∑P－1n=0bn(tmn) 式中：当b(n)=－1时，bn(tmn)=－1；当b(n)=1时，bn(tmn)=1。 扩展目标雷达回波可表示为: x(t)=∑M－1m=0∑P－1n=0∑Np=1Aprmn［t－nT1－mTp－ 2(Rp－vmTp－vnT1－vtmn)c\](3) rmn(u)=cos2πf0u+1－b(n)2π+ φ′mn , 0≤u≤T1 0,else (4) 式中:v为目标径向速度;t是以该接收处理帧内第0个脉冲周期的开始时间为起点的时间变量；m为一个接收帧内的脉冲编号; φ′mn =2πf0［mTp+nT1］+φ1；φ1为该接收处理帧内第0个接收脉冲的第0个子脉冲相位；S为回波脉冲幅度；tmn是以帧内第m个周期的发射脉冲中第n个子脉冲开始时刻为起点的时间变量;N表示目标散射中心个数;Ap为第p个散射中心幅度;Rp为第p个散射中心距离。此处没有考虑目标各散射中心间的转动效应，认为各散射中心的运动速度相同。 TRAD一般采用欺骗式干扰，主要包括简单转发干扰、距离拖引干扰、速度拖引干扰、距离速度组合拖引干扰及调频诱饵干扰等。它的工作机理是将载机传送过来的含有假目标的欺骗信号放大后直接发送回导弹来袭方向，在导引头雷达上的反映为一个新目标。因此，类似上述推导过程，干扰信号的形式如下所示: Jmn(k)=J•exp{j［2πfdJkΔt+2πfdJmTp－ 2πf0kJΔt+\[1－b(n)\]/2π］}(5) max(kJ,k0)≤k≤min(kJ+NT－1,kf) (6) 式中:J为干扰信号幅度，拖曳式有源诱饵一般是需要转发假目标信号，因此干扰信号的强度J大于目标回波强度S;fdJ = 2vJ/λ为速度调制后的诱饵多普勒频率，当不采用速度门拖引式时，诱饵速度和载机速度相同，即fdJ=fd，但转发诱饵会使fdJ逐渐偏离目标真实多普勒频率fd，从而在速度上将速度跟踪波束拖开;kJ为诱饵距离拖引后对应的采样起始位置，kJ=2RJ/(cΔt)。其中：RJ为诱骗距离，与导弹和诱饵的距离RTD不同；RJ主要取决于诱饵转发所加的时延。 巴克码脉冲压缩雷达的一帧数据X=［xm(k)］M×kC表示为: X=S•F(fd)•B(kT)•T(fd)+J•F(fdJ)•B(kTJ)•T(fdJ)+N•EM×kC (7) 式中: F(fd)=1000 0exp{j2πfdTp}00 00…exp{j2π(M－1)fdTp}M×M (8) B(kT)=00…b(0)…b(P－1)0…0 00…b(0)…b(P－1)0…0 00…b(0)…b(P－1)0…0M×kC(9) ↑ ↑ … ↑ 0 1 … kT T(fd)=1000 0exp{j2πfdΔt}…0 0 00…exp{j2πfdkCΔt}kC×kC (10) 式中：S为目标电磁散射矩阵；EM×kC为M行kC列高斯白噪声矩阵。图3给出了巴克码脉冲压缩雷达全数字仿真成像处理流程。经采样得到的基带信号经过巴克码脉冲压缩后，在对相同距离单元信号进行相参积累处理就得到了距离多普勒成像结果。 4 仿真分析 整个仿真过程从初始化场景参数开始，然后根据图4所示场景，对目标和诱饵的运动进行模拟，得到目标和诱饵的状态信息，再根据目标和诱饵的相对位置，结合导弹的比例制导规律得到导弹的状态信息(位置和速度等)。根据它们的绝对信息，计算出其相对位置和速度参数，再把这些参数代入到雷达信号生成模块，生成目标和诱饵系统的雷达回波信号，并得到目标和诱饵的距离多普勒图像，如表1所示。此处假定雷达工作频率为10 GHz，子脉冲宽度为0.5 μs，脉冲重复周期为25 μs，巴克码编码序列为［-1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1］，相参积累脉冲个数为256，数据处理帧周期为10 ms，干扰样式为距离速度组合干扰。 在迎头场景下,刚开始可能目标和诱饵的谱特征不太明显(每个场景下的第一幅距离多普勒图像)，但随着导弹靠近目标，目标和诱饵在距离多普勒平面逐渐分离，不管是在速度维还是在距离维上。这主要是由于迎头场景下，导弹是逐渐接近目标和诱饵系统的，两者的张角相对导弹逐渐增大，其距离特征的区别就显得比较明显。另外，迎头场景下目标和诱饵的多普勒差异也会变得比较大。图5给出了通过单脉冲测角得到的仿真场景一中弹目视线角误差在方位和俯仰平面内的值以及弹目多普勒值，目标和诱饵在距离多普勒平面上基本无法区分，这主要是由于目标诱饵系统远离导弹，其本来微小的多普勒差异更加被削弱，距离上的差异也会显得很小。这也是飞机使用战术中尽量把迎头和截击场景转变为尾追场景才比较安全的一个重要原因。 5 结 论 本文针对空空作战场景下单脉冲巴克码PD体制下制导雷达对抗TRAD干扰评估问题，提出了一种用于实现单脉冲巴克码PD制导雷达信息处理的全数字动态仿真实验平台。该平台可用于直接转发、距离拖引、速度拖引及距离速度组合拖引等典型干扰样式下飞机目标诱饵雷达回波动态生成和抗干扰算法性能的验证。在介绍TRAD干扰几种典型干扰的数学模型和单脉冲巴克码PD雷达全数字信息处理过程的基础上，提出了制导信息处理全数字仿真方法与仿真框架。文末的仿真实验表明，文中提出的仿真平台能够为抗干扰算法的评估提供数据源基础，同时仿真结果证明了文中仿真框架的有效性。 参 考 文 献 ［1］王燕．拖曳式诱饵步入前台［J］．电子战技术文选，2000(3)：36. ［2］张文俊．新一代先进诱饵发挥出巨人作用［J］．电子侦察干扰，2001(2)：3942. ［3］金兆恂，王建涛．机载牵引式复合诱饵［J］．光电对抗与无源干扰，2003(1)：2426. ［4］立平．AN/ALE55光纤拖曳式诱饵取得新进展［J］．航天电子对抗，2006,22(1)：38. ［5］李朝伟．拖曳式有源诱饵及相应对抗技术初探［J］．电子对抗，2003,19(2)：3640. ［6］李朝伟．基于数据融合抗拖曳式有源诱饵方法研究［J］．航天电子对抗，2003，19(6)：1418. ［7］TURBYFILL M E, RUDD M A, MACK J L, et al. Active noise suppression in phased array radars using an antijamming optical beamforming system \[J\]. Proceedings of SPIE, 1995, 2481(141)． ［8］PARKER P, SWINDLEHURST A. Spacetime autoregressive filtering for matched subspace STAP \[J\]. IEEE Transactions on AES, 2003, 39(2): 510520. ［9］张军.现代制导雷达离散时间信号处理［M］．长沙：国防科技大学出版社,2010. 作者简介： 吴晓光 男，1982年出生，新疆库尔勒人，硕士研究生。主要研究领域为制导雷达信息处理。 杨 光 男，1987年出生，黑龙江佳木斯人，硕士研究生。主要研究领域是制导雷达信息处理。 晏行伟 男，1985年出生，安徽含山人，博士研究生。主要研究方向为制导雷达信号处理及其抗干扰。 张 军 男，1973年出生，湖南长沙人，博士，副教授。目前研究领域是制导雷达信息处理、自动目标识别。
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