基于信号结构特点的外源雷达干扰方法研究

万显荣 吕敏 谢德强 胡仕波

万显荣, 吕敏, 谢德强, 等. 基于信号结构特点的外源雷达干扰方法研究[J]. 雷达学报, 待出版. doi:  10.12000/JR20124
引用本文: 万显荣, 吕敏, 谢德强, 等. 基于信号结构特点的外源雷达干扰方法研究[J]. 雷达学报, 待出版. doi:  10.12000/JR20124
WAN Xianrong, LYU Min, XIE Deqiang, et al. Jamming method of passive radar systems based on characteristics of signal structure[J]. Journal of Radars, in press. doi:  10.12000/JR20124
Citation: WAN Xianrong, LYU Min, XIE Deqiang, et al. Jamming method of passive radar systems based on characteristics of signal structure[J]. Journal of Radars, in press. doi:  10.12000/JR20124

基于信号结构特点的外源雷达干扰方法研究

doi: 10.12000/JR20124
基金项目: 国家自然科学基金(61931015, 61701350),国家重点研发计划(2016YFB0502403),湖北省科技创新项目(2019AAA061),中国博士后创新人才支持计划(BX201600117),中央高校基础研究项目(2042019kf1001)
详细信息
    作者简介:

    万显荣(1975–),男,湖北天门人,教授,博士生导师。2005年在武汉大学获得博士学位,现担任武汉大学电子信息学院教授、博士生导师,主要研究方向为新体制雷达设计,如外辐射源雷达系统、高频天波雷达系统及阵列信号处理。E-mail: xrwan@whu.edu.cn

    吕 敏(1991–),男,安徽宣城人,博士研究生,主要研究方向为外辐射源雷达信号处理、目标跟踪和信息融合。E-mail: mlv@whu.edu.cn

    谢德强(1995–),男,贵州平塘人,博士研究生,主要研究方向为外辐射源雷达系统设计和雷达信号处理。E-mail: xdq2013@whu.edu.cn

    胡仕波(1996–),男,贵州遵义人,博士研究生,主要研究方向为外辐射源雷达系统设计和雷达信号处理。E-mail: hushibo@whu.edu.cn

    通讯作者:

    万显荣 xrwan@whu.edu.cn

  • 责任主编:王俊 Corresponding Editor: WANG Jun
  • 中图分类号: TN958.57

Jamming Method of Passive Radar Systems Based on Characteristics of Signal Structure

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61931015, 61701350), The National Key Research and Development Plan of China (2016YFB0502403), The Technological Innovation Project of Hubei Province of China (2019AAA061), The Postdoctoral Innovative Talent Support Program of China (BX201600117), The Fundamental Research Funds for the Central Universities (2042019kf1001)
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  • 摘要: 雷达及其对抗技术在雷达系统发展道路上相互促进,不断进步。近年来,外辐射源雷达凭借其优异的性能受到了国内外研究机构的广泛关注,相关技术得到飞速发展,部分设备已投入使用,但针对该新型雷达的干扰技术研究较少。该文基于辐射源信号结构,分析其信号组成,提出了一种基于信号结构特点的外辐射源雷达干扰方法。以数字广播电视外辐射源雷达为例,结合外辐射源雷达干扰模型,在所提方法下,干扰信号将在距离多普勒谱上形成干扰峰或干扰条带,可有效遮蔽目标,并形成虚假航迹,实现了对外辐射源雷达的干扰目的。仿真结果表明了干扰信号的特性和对目标干扰的有效性,为所提干扰方法在外辐射源雷达中的实际应用奠定基础。所提方法不仅适用于国内外数字广播电视外辐射源雷达,同时可扩展应用于其他类型的外辐射源雷达。
  • 图  1  DTMB信号结构示意图

    Figure  1.  The sketch of signal structure for DTMB

    图  2  DVB-T信号帧结构示意图

    Figure  2.  The sketch of signal structure for DVB-T

    图  3  CMMB信号结构示意图

    Figure  3.  The sketch of signal structure for CMMB

    图  4  帧头干扰下DTMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

    Figure  4.  The range-Doppler map for DTMB-based passive radar under the jamming of the frame header

    图  5  系统信息干扰下DTMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

    Figure  5.  The range-Doppler map for DTMB-based passive radar under the jamming of the system information

    图  6  帧头&系统信息干扰下DTMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

    Figure  6.  The range-Doppler map for DTMB-based passive radar under the jamming of the frame header and the system information

    图  7  离散导频干扰下DVB-T外辐射源雷达的距离多普勒谱

    Figure  7.  The range-Doppler map for DVB-T-based passive radar under the jamming of the scatter pilot

    图  8  连续导频干扰下DVB-T外辐射源雷达的距离多普勒谱

    Figure  8.  The range-Doppler map for DVB-T-based passive radar under the jamming of the continuous pilot

    图  9  导频干扰下DVB-T外辐射源雷达的距离多普勒谱

    Figure  9.  The range-Doppler map for DVB-T-based passive radar under the jamming of the pilot

    图  10  信标干扰下CMMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

    Figure  10.  The range-Doppler map for CMMB-based passive radar under the jamming of the beacon

    图  11  导频干扰下CMMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

    Figure  11.  The range-Doppler map for CMMB-based passive radar under the jamming of the pilot

    图  12  控制信道干扰下CMMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

    Figure  12.  The range-Doppler map for CMMB-based passive radar under the jamming of the control channel

    图  13  干扰存在情况下距离多普勒谱多场数据累积结果

    Figure  13.  The cumulative results of multiple-frame data of the range-Doppler map with the jamming

    图  14  干扰存在情况下外辐射源雷达目标跟踪结果

    Figure  14.  The target tracking results of passive radar with the jamming

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-02
  • 修回日期:  2020-11-08
  • 网络出版日期:  2020-11-23

基于信号结构特点的外源雷达干扰方法研究

doi: 10.12000/JR20124
    基金项目:  国家自然科学基金(61931015, 61701350),国家重点研发计划(2016YFB0502403),湖北省科技创新项目(2019AAA061),中国博士后创新人才支持计划(BX201600117),中央高校基础研究项目(2042019kf1001)
    作者简介:

    万显荣(1975–),男,湖北天门人,教授,博士生导师。2005年在武汉大学获得博士学位,现担任武汉大学电子信息学院教授、博士生导师,主要研究方向为新体制雷达设计,如外辐射源雷达系统、高频天波雷达系统及阵列信号处理。E-mail: xrwan@whu.edu.cn

    吕 敏(1991–),男,安徽宣城人,博士研究生,主要研究方向为外辐射源雷达信号处理、目标跟踪和信息融合。E-mail: mlv@whu.edu.cn

    谢德强(1995–),男,贵州平塘人,博士研究生,主要研究方向为外辐射源雷达系统设计和雷达信号处理。E-mail: xdq2013@whu.edu.cn

    胡仕波(1996–),男,贵州遵义人,博士研究生,主要研究方向为外辐射源雷达系统设计和雷达信号处理。E-mail: hushibo@whu.edu.cn

    通讯作者: 万显荣 xrwan@whu.edu.cn
  • 责任主编:王俊 Corresponding Editor: WANG Jun
  • 中图分类号: TN958.57

摘要: 雷达及其对抗技术在雷达系统发展道路上相互促进,不断进步。近年来,外辐射源雷达凭借其优异的性能受到了国内外研究机构的广泛关注,相关技术得到飞速发展,部分设备已投入使用,但针对该新型雷达的干扰技术研究较少。该文基于辐射源信号结构,分析其信号组成,提出了一种基于信号结构特点的外辐射源雷达干扰方法。以数字广播电视外辐射源雷达为例,结合外辐射源雷达干扰模型,在所提方法下,干扰信号将在距离多普勒谱上形成干扰峰或干扰条带,可有效遮蔽目标,并形成虚假航迹,实现了对外辐射源雷达的干扰目的。仿真结果表明了干扰信号的特性和对目标干扰的有效性,为所提干扰方法在外辐射源雷达中的实际应用奠定基础。所提方法不仅适用于国内外数字广播电视外辐射源雷达,同时可扩展应用于其他类型的外辐射源雷达。

注释:
1)  责任主编:王俊 Corresponding Editor: WANG Jun

English Abstract

万显荣, 吕敏, 谢德强, 等. 基于信号结构特点的外源雷达干扰方法研究[J]. 雷达学报, 待出版. doi:  10.12000/JR20124
引用本文: 万显荣, 吕敏, 谢德强, 等. 基于信号结构特点的外源雷达干扰方法研究[J]. 雷达学报, 待出版. doi:  10.12000/JR20124
WAN Xianrong, LYU Min, XIE Deqiang, et al. Jamming method of passive radar systems based on characteristics of signal structure[J]. Journal of Radars, in press. doi:  10.12000/JR20124
Citation: WAN Xianrong, LYU Min, XIE Deqiang, et al. Jamming method of passive radar systems based on characteristics of signal structure[J]. Journal of Radars, in press. doi:  10.12000/JR20124
    • 近年来,随着新技术和新方案的不断应用,雷达及其对抗技术相互促进,不断进步[1-3]。研究雷达工作原理、采用有针对性的雷达干扰技术和方法,不仅能干扰同类型雷达,同时可改进和提高雷达相关技术。外辐射源雷达[4-6],即外源雷达,作为一种新体制雷达,是一种利用第三方辐射源信号进行目标探测的双/多基地雷达系统,其凭借绿色环保、安全隐蔽、节约频谱和军民两用等诸多优势,得到了迅速的发展。基于调频广播、地面电视等民用辐射源的外辐射源雷达更是成为研究的主流,多家单位成功研究出相应的设备。随着外辐射源雷达在军民领域的广泛应用,对其干扰方法的研究将逐渐发展为一个新的研究方向。

      基于民用辐射源的外辐射源雷达,其辐射源信号标准一般是公开的,依据其信号结构开展干扰方法研究是一种基本思路。其中,文献[7]针对基于调频(Frequency Modulation, FM)、数字音频广播(Digital Audio Broadcasting, DAB)和数字地面视频广播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial, DVB-T)信号的外辐射源雷达,提出了相应的电子攻击策略,即干扰方法。利用噪声干扰攻击FM外辐射源雷达,提升雷达噪声基底,淹没目标。利用已知相位的参考符号部分攻击DAB外辐射源雷达,形成带状干扰,掩盖目标。利用导频信号攻击DVB-T外辐射源雷达,形成干扰峰,增加虚警。文献[8]提出了多种针对DVB-T外辐射源雷达的电子攻击方法,具体包括连续导频干扰和离散导频干扰,并提出了基于脉冲重复的导频干扰方法。除了直接对外辐射源雷达干扰方法开展研究[9-11],另有部分文献对外辐射源雷达应用过程中遇到的同频干扰进行研究[12-16],相关成果可为干扰方法研究提供思路。文献[12]针对基于美国的先进电视系统委员会(Advanced Television System Committee, ATSC)辐射源信号的外辐射源雷达,对该型外辐射源雷达的同频干扰进行了量化评估,并提出了分阶段的干扰抑制方法。文献[13]针对基于中国数字电视地面广播(Digital television Terrestrial Multimedia Broadcasting, DTMB)信号的外辐射源雷达,重点分析了该型外辐射源雷达同频干扰形成机理和干扰特性,并提出了简易的干扰消除方法。文献[14]针对基于FM信号的机载外辐射源雷达的同频干扰问题,提出了一种基于独立分量分析的干扰抑制方法,将辐射源信号和同频干扰信号视为不同的统计独立的源信号,基于快速独立分量分析方法实现不同源直达波信号的分离,并利用空间快时间自适应滤波器实现杂波和干扰抑制。文献[15]针对基于民用通信信号的外辐射源雷达同频干扰问题,考虑了参考通道与监测通道同时受干扰影响的情况,提出了一种基于卷积混合模型的多通道盲反卷积算法的干扰抑制方法,通过多通道盲反卷积算法估计各个辐射源直达波,利用估计的直达波信号依次完成杂波和干扰对消。

      外辐射源雷达的干扰形式与其辐射源信号结构息息相关,因此,本文以数字广播电视为例,基于其信号结构,开展外辐射源雷达干扰方法研究,从干扰模型出发,分析信号结构特点,研究可能的干扰类型和方法,并通过仿真验证干扰方法的可行性。需要说明的是,本文所提基于信号结构特点的外辐射源雷达干扰方法,不仅适用于数字广播电视外辐射源雷达,同样适用于任何含有一定已知固定成分的辐射源的外辐射源雷达,如基于4G/5G等通信信号的外辐射源雷达。

    • 以单发单收外辐射源雷达为例,建立外辐射源雷达干扰模型,模型中包括两个发射站和一个接收站,两个发射站分别为主发射站和干扰发射站,其中,主发射站和接收站构成一个单发单收外辐射源雷达系统。接收站将同时收到来自主发射站和干扰发射站的信号,即辐射源信号和干扰信号。现假设辐射源信号为${s_{\rm{d}}}(t)$,干扰信号为${s_{\rm{g}}}(t)$,外辐射源雷达通常包括参考通道和监测通道,则外辐射源雷达系统接收到的监测通道信号可表示为

      $$ \begin{split} {s_{{\rm{surv}}}}(t) =\,& {c_1}{s_{\rm{d}}}(t) + \sum\limits_{l = 2}^{{L_{\rm{c}}}} {{c_l}{s_{\rm{d}}}(t - \tau _l^{\rm{c}})} \\ \,&+ \sum\limits_{p = 1}^P {{\alpha _p}{s_{\rm{d}}}(t - {\tau _p}){{\rm{e}}^{{\rm{j}}2\pi {f_{{\rm{D}},p}}t}}} \\ \,& + \sum\limits_{k = 1}^{{K_i}} {{b_k}{s_{\rm{g}}}(t - \tau _k^i)} \\ \,&+ \sum\limits_{q = 1}^Q {{\beta _q}{s_{\rm{g}}}(t - {\tau _q}){{\rm{e}}^{{\rm{j}}2\pi {f_{{\rm{D}},q}}t}}} + {w_{{\rm{surv}}}}(t) \end{split} $$ (1)

      式中,${s_{\rm{d}}}(t)$表示来自主发射站的直达波信号;$\displaystyle\sum\nolimits_{l = 2}^{{L_{\rm{c}}}} {{c_l}{s_{\rm{d}}}(t - \tau _l^{\rm{c}})} $表示来自主发射站的杂波成分;$\displaystyle\sum\nolimits_{p = 1}^P {{\alpha _p}{s_{\rm{d}}}(t - {\tau _p}){{\rm{e}}^{{\rm{j}}2\pi {f_{{\rm{D}},p}}t}}}$表示来自主发射站的目标回波信号;${s_{\rm{g}}}(t)$表示来自干扰发射站的干扰信号;$\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{{K_i}} {{b_k}{s_{\rm{g}}}(t - \tau _k^i)} $表示来自干扰发射站的干扰信号直达波和干扰信号多径;$\displaystyle\sum\nolimits_{q = 1}^Q {\beta _q}{s_{\rm{g}}}(t - {\tau _q}) {{\rm{e}}^{{\rm{j}}2\pi {f_{{\rm{D}},q}}t}}$表示来自干扰发射站的目标回波信号;${w_{{\rm{surv}}}}(t)$为高斯白噪声。${c_l}$, ${\alpha _p}$, ${b_k}$${\beta _q}$分别表示各信号成分的复幅度,$\tau _l^{\rm{c}}$, ${\tau _p}$, $\tau _k^i$${\tau _q}$分别表示各信号成分的时延,${f_{{\rm{D}},p}}$${f_{{\rm{D}},q}}$分别表示来自主发射站和干扰发射站的目标回波的多普勒频率。

      外辐射源雷达中,为减小杂波与干扰对参考信号的影响,参考天线多为方向性较强的定向天线,且参考天线指向主发射站方向,当干扰发射站与主发射站在接收站的不同方位上时,参考通道中的目标回波信号和干扰信号较弱,这里不予考虑,则外辐射源雷达系统收到的参考通道信号可表示为

      $$ {s_{{\rm{ref}}}}(t) = {c'_1}{s_{\rm{d}}}(t) + \sum\limits_{l = 2}^{{L'_{\rm{c}}}} {{c'_l}{s_{\rm{d}}}(t - \tilde \tau _l^{\rm{c}})} + {w_{{\rm{ref}}}}(t) $$ (2)

      式中,${c'_1}$, ${c'_l}$, $\tilde \tau _l^{\rm{c}}$${w_{{\rm{ref}}}}(t)$的定义类似于式(1)中的${c_1}$, ${c_l}$, $\tau _l^{\rm{c}}$${w_{{\rm{surv}}}}(t)$

      外辐射源雷达系统中,直接收到的参考信号中包含多径和噪声等成分,不利于后续信号处理,因此需要对其进行提纯以获取纯净的原始发射信号,现有的提纯方法包括:恒模算法和“解调-再调制”的重构算法等。对于数字广播电视外辐射源雷达而言,基于“解调-再调制”的重构算法被广泛应用于参考信号提纯。为便于后续分析,假设重构后的参考信号与原始发射信号完全相同,可表示为

      $$ {s'_{{\rm{ref}}}}(t) = {s_{\rm{d}}}(t) $$ (3)

      上述重构的参考信号将作为杂波样本,用于监测信号中的直达波和多径杂波抑制,因此,经杂波抑制后的监测信号可表示为

      $$ \begin{split} {s'_{{\rm{surv}}}}(t) = \,&\sum\limits_{p = 1}^P {{\alpha _p}{s_{\rm{d}}}(t - {\tau _p}){{\rm{e}}^{{\rm{j}}2\pi {f_{{\rm{D}},p}}t}}} + \sum\limits_{k = 1}^{{K_i}} {{b_k}{s_{\rm{g}}}(t - \tau _k^i)} \\ \,&+ \sum\limits_{q = 1}^Q {{\beta _q}{s_{\rm{g}}}(t - {\tau _q}){{\rm{e}}^{{\rm{j}}2\pi {f_{{\rm{D}},q}}t}}} + {w_{{\rm{surv}}}}(t) \\[-21pt] \end{split} $$ (4)

      式(4)表明,经杂波抑制后的监测信号中包含来自主发射站的目标回波信号,来自干扰发射站的直达波、多径杂波和目标回波信号,以及高斯白噪声信号。杂波抑制后的监测信号与重构的参考信号进行匹配滤波,可得到含有目标峰和干扰峰的距离多普勒谱,从谱中可以观察到干扰信号的特性和效果,具体地,该距离多普勒谱可表示为

      $$ \begin{split} \psi (\tau ,{f_{\rm{d}}}) =\,& \int {{s'_{{\rm{surv}}}}(t)[{s'_{{\rm{ref}}}}(t - \tau )} {]^ * }{{\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2\pi {f_{\rm{d}}}t}}{\rm{d}}t \\ =\,& \!\int {\sum\limits_{p = 1}^P {{\alpha _p}{s_{\rm{d}}}(t \!-\! {\tau _p}){{\rm{e}}^{{\rm{j}}2\pi {f_{{\rm{D}},p}}t}}} {s^*_{\rm{d}}}(t \!-\! \tau ){{\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2\pi {f_{\rm{d}}}t}}{\rm{d}}t} \\ \,&+ \int {\sum\limits_{k = 1}^{{K_i}} {{b_k}{s_{\rm{g}}}(t - \tau _k^i)} {s^*_{\rm{d}}}(t - \tau ){{\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2\pi {f_{\rm{d}}}t}}{\rm{d}}t} \\ \,& + \!\!\int\!\! {\sum\limits_{q = 1}^Q \!{{\beta _q}{s_{\rm{g}}}(t \!-\! {\tau _q}){{\rm{e}}^{{\rm{j}}2\pi {f_{{\rm{D}},q}}t}}} {s^*_{\rm{d}}}\!(t \!-\! \tau ){{\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2\pi {f_{\rm{d}}}t}}{\rm{d}}t} \\ \,&+ \int {{w_{{\rm{surv}}}}(t){s^*_{\rm{d}}}(t - \tau ){{\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2\pi {f_{\rm{d}}}t}}{\rm{d}}t} \\ =\,& {\psi _1} + {\psi _2} + {\psi _3} + {\psi _4} \\[-10pt] \end{split} $$ (5)

      式中,${s^*_{\rm{d}}}(t)$为原始发射信号${s_{\rm{d}}}(t)$的共轭信号。式(5)共包含4项,分别为主发射站目标回波峰${\psi _1}$、干扰发射站直达波和多径杂波峰${\psi _2}$、干扰发射站目标回波峰${\psi _3}$和噪声项${\psi _4}$。干扰发射站的多径杂波峰和目标回波峰通常远低于干扰发射站的直达波峰,因此,干扰信号对主发射站目标回波峰的影响主要体现在干扰发射站的直达波峰上。式(5)表明计算距离多普勒谱过程中,存在干扰信号与参考信号的互相关积累,若干扰信号与参考信号之间存在较强的相关性,则较小强度的干扰信号也可以通过相干积累获得较强的干扰峰。为此,本文基于数字广播电视信号结构,对干扰信号的结构进行设计,使得干扰信号直达波在距离多普勒谱上的形态最大限度遮盖主发射站的目标回波峰。

      外辐射源雷达的信号处理增益通常可表述为

      $$G = B \cdot T$$ (6)

      式中,$B$表示辐射源信号中参与信号处理的有效带宽,$T$表示积累时间。当干扰信号与发射信号间存在部分相关性时,可通过式(6)计算得到相应的处理增益。当相关性较强时,即使干扰信号功率较小,依然可以通过积累增益获得可观的干扰效果。

    • 雷达干扰方法多样,但本文以数字广播电视外辐射源雷达这一特殊体制的雷达为例,开展与其辐射源结构特点相关的干扰方法研究。数字广播电视信号标准为公开的民用标准,其结构中包含了一定的固定成分,用于信号同步、解调和纠错等,本文正是基于这部分固定成分信号的分析,设计了干扰信号结构,在距离多普勒谱上呈现各种形态的峰值,并形成虚假航迹,实现对数字广播电视外辐射源雷达的干扰。数字广播电视信号从调制模式分析,包括两大类技术,即循环前缀正交频分复用技术(Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing, CP-OFDM)和时域同步正交频分复用技术(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency Division Multiplexing, TDS-OFDM)。其中,中国移动多媒体广播(China Mobile Multimedia Broadcasting, CMMB)和欧洲的DVB-T采用CP-OFDM技术,利用循环前缀作为OFDM的保护间隔,而数字电视地面广播(DTMB)采用TDS-OFDM技术,利用时域同步信号实现信号同步和信道估计。下面就这两种技术类型的数字广播电视信号,研究可行的外辐射源雷达干扰信号结构。

      数字广播电视外辐射源雷达包括参考通道和监测通道两种类型,参考通道多为定向天线,指向辐射源发射站,其方向性强,增益高,且参考通道多采用“解调-再调制”的重构方法获取辐射源发射信号,因此,对参考通道进行干扰,难度较大。而监测通道为获取观测范围的目标回波信号,其方向性覆盖面更广,更容易被干扰,因此,下面主要讨论外辐射源雷达监测通道的干扰方法。

    • 以DTMB信号为代表,分析基于TDS-OFDM信号的外辐射源雷达干扰技术。DTMB信号的最基本组成结构为信号帧,每一个信号帧包括帧头和帧体两部分,其信号帧结构如图1所示。其中,帧头有3种结构可选,分别称为PN420, PN595和PN945,都是由PN (Pseudo Noise)序列及其循环扩展序列组成的,但帧头内容已知,可作为训练序列完成信号同步和频偏估计等。因此,DTMB信号结构中不存在导频信号。帧体部分包含36个符号的系统信息和3744个符号的数据,其中,对于同一系统,其系统信息相同,指示帧体模式,包括符号星座映射模式、LDPC编码码率、交织模式和帧体信息模式等[17]

      图  1  DTMB信号结构示意图

      Figure 1.  The sketch of signal structure for DTMB

      因此,DTMB信号结构中的固定成分包括帧头和帧体中那36个指示系统信息的符号。对于同一发射站,在较长时间内,这些信息并不会发生改变,基于这些固定成分构造的同频干扰信号,可用于干扰以此发射站为辐射源的外辐射源雷达。这些固定成分的干扰形式将在后续仿真结果中展示。

      现假设辐射源信号时域表达式为$d(t)$,频域表达式为$D(f)$,则干扰信号时域表达式为

      $$ g(t)\left\{ \begin{aligned} & =d(t),t{\text{为帧头时刻}}\\ & \ne d(t),t{\text{为帧体时刻}}\end{aligned} \right. $$

      且频域表达式为

      $$ G(f)\left\{ \begin{aligned} & =D(f),f{\text{为低频}}36{\text{个子载波}}\\ & \ne D(f),f{\text{为其他子载波}}\end{aligned} \right. $$

      上述表达式体现出干扰信号与辐射源信号的联系与区别,其对外辐射源雷达探测的影响将在后续仿真结果中展示。

      以帧头结构1为例,基于该帧头结构的DTMB信号设计干扰信号,此时干扰信号与发射信号间的相关性体现在帧头和系统信息。信号标准中,帧头长度为420个符号,帧体长度为3780个符号,共包含3780个子载波。假设两发射信号间的相干积累增益为${G_{\rm{F}}}$,则干扰信号与发射信号间的相干积累增益约为${G_{\rm{F}}}{\rm{ + 10}} \cdot {\rm{lg}}\left(\left({{420 + 36}}\right)/{{4200}}\right) \approx {G_{\rm{F}}} - {\rm{9}}{\rm{.64\; dB}}$。可以看出,较小强度的干扰信号功率,也可获得较大增益的干扰效果,相关结果可通过后续仿真进行验证。

    • 以DVB-T信号和CMMB信号为代表,分析两种基于CP-OFDM信号的外辐射源雷达的干扰技术,其中DVB-T信号为典型的CP-OFDM信号,而CMMB信号为改进的CP-OFDM信号,其信号结构中除了循环前缀,还加入了信标和同步信号,大大缩短了信号同步时间。对CMMB外辐射源雷达干扰技术的分析,同时适用于其他类型的改进型CP-OFDM信号外辐射源雷达。

      DVB-T信号以OFDM符号为基本组成单元,每68个OFDM符号为1帧,每4帧构成一个超级帧,每2个超级帧构成一个巨级帧,信号结构如图2所示。每一个OFDM符号组成包括2k模式和8k模式两种情况,其中,2k模式下包含1705个有效子载波,8k模式下包含6817个有效子载波。每个OFDM符号由两部分构成,一部分为有用的OFDM数据,另一部分为保护间隔。有用的OFDM数据中包括数字电视数据、导频(连续导频和离散导频)和传输参数信令。其中,导频信号可用于帧同步、时间同步、频率同步、信道估计和传输模式识别等,每个符号在2k模式下插入45个连续导频和131个离散导频,在8k模式下插入177个连续导频和524个离散导频。传输参数信令用于传输与信道编码和调制有关的参数,但每个符号只有17个(2k模式)或者68个(8k模式)载波用于传输这部分信息[18]

      图  2  DVB-T信号帧结构示意图

      Figure 2.  The sketch of signal structure for DVB-T

      因此,DVB-T信号中的固定成分包括离散导频、连续导频和传输参数信令。对于同一发射站而言,这些成分在一定时间内不会变化,可基于这些固定成分设计同频干扰信号,用于干扰以此发射站为辐射源的外辐射源雷达。相应的干扰形式将在后续仿真结果中展示。

      现假设辐射源信号频域表达式为$D(f)$,则干扰信号频域表达式为 $G(f)\left\{ \begin{aligned}& =D(f),f{\text{为导频子载波或参数信念子载波}}\\ & \ne D(f),f{\text{为其他子载波}}\end{aligned} \right.$上述表达式体现出干扰信号与辐射源信号的联系与区别,其对外辐射源雷达探测的影响将在后续仿真结果中展示。

      以8k模式的DVB-T信号为例,基于DVB-T信号结构设计干扰信号,此时,干扰信号与发射信号间的相关性体现在导频信息和传输参数信令等。DVB-T标准中,每个符号中共有6817个有效子载波,其中包含177个连续导频、524个离散导频和68个子载波传输参数信令。假设两发射信号间的相干积累增益为${G_{\rm{F}}}$,则干扰信号与发射信号间的相干积累增益约为${G_{\rm{F}}} + 10 \cdot \lg \left(\left({{177 + 524 + 68}}\right)/{{6817}}\right) \approx {G_{\rm{F}}} - 10\;{\rm{dB}}$。可以看出,较小强度的干扰信号功率,也可获得较大增益的干扰效果,相关结果可通过后续仿真进行验证。

    • 以CMMB信号为代表,分析基于改进型CP-OFDM信号的外辐射源雷达的干扰技术。CMMB信号的基本结构为信号帧,1 s为1帧,分为40个时隙,每个时隙又包含1个信标和53个OFDM数据符号,具体地,信标中包含发射机标识信号和2个同步信号,且所有OFDM符号数据长度相同。其信号帧结构如图3所示[19]。对于同一发射站,其发射机标识信号是不变的。而同步信号用于其信号同步,因此其内容也是固定不变的。53个OFDM数据符号中包括离散导频和连续导频两种形式的导频,用于信道估计,辅助信号的解调。CMMB通过复用帧的方式实现音频、视频、数据、电子业务指南等信息的封装和排列,使其能够在广播信道中传送[20]。每个复用帧包括一个或几个时隙的数据,音/视频等数据封装在同一复用子帧中,控制信道封装在专用的复用帧中,其中,控制信道复用帧用于承载控制信息。对于同一发射站而言,其控制信道复用帧在较长时间内并不会变化。

      图  3  CMMB信号结构示意图

      Figure 3.  The sketch of signal structure for CMMB

      因此,CMMB信号中的固定成分包括发射机标识信号、同步信号、离散导频、连续导频和控制信道复用帧。对于同一发射站而言,这些成分在较长时间内并不会发生变化,可基于这些固定成分设计同频干扰信号,用于干扰以此发射站为辐射源的外辐射源雷达。相应的干扰形式将在后续仿真结果中展示。

      现假设辐射源信号时域表达式为$d(t)$,频域表达式为$D(f)$,则干扰信号时域表达式为

      $$ g(t)\left\{ \begin{aligned} & =d(t),t{\text{为信标时刻或控制信道时刻}}\\ & \ne d(t),t{\text{为}}{\rm{OFDM}}{\text{符号时刻}}\end{aligned} \right. $$

      且频域表达式为

      $$ G(f)\left\{ \begin{aligned} & =D(f),f{\text{为导频子载波}}\\ &\ne D(f),f{\text{为其他子载波}}\end{aligned} \right. $$

      上述表达式体现出干扰信号与辐射源信号的联系和区别,其对外辐射源雷达探测的影响将在后续仿真结果中展示。

      基于CMMB信号结构设计干扰信号,此时,干扰信号与发射信号间的相关性体现在发射机标识信号、同步信号、离散导频、连续导频和控制信道复用帧。为方便计算,这里仅考虑导频信息引起的相干积累增益,CMMB信号标准中,每个OFDM符号共4096个子载波,其中包含连续导频82个,离散导频384个。假设两发射信号间的相干积累增益为${G_{\rm{F}}}$,则干扰信号与发射信号间的相干积累增益约为${G_{\rm{F}}} + 10 \cdot \lg \left(\left({{82 + 384}}\right)/{{4096}}\right) \approx {G_{\rm{F}}} - 10\;{\rm{dB}}$。可以看出,较小强度的干扰信号功率,也可获得较大增益的干扰效果,相关结果可通过后续仿真进行验证。

      基于上述方法得到的干扰峰多为固定峰,其检测后的双基地距离和多普勒值并不会随时间变化,仅能遮蔽目标峰,无法形成虚假航迹。为使干扰峰在距离多普勒谱上随时间移动,进而形成虚假航迹。本文基于信号标准中的标称采样率,给生成的干扰信号添加一定的采样率偏差,由于外辐射源雷达接收系统无法补偿干扰信号中的采样率偏差,因此会使得距离多普勒谱上的干扰峰随时间以固定速度沿距离维运动[13]。当干扰峰的移动速度和其多普勒对应的双基地速度接近时,加之干扰峰检测所得方位角固定,则干扰峰将会形成一条沿固定方向运动的虚假航迹。

    • 结合第3节的分析可知,TDS-OFDM信号和CP-OFDM信号中都包含有固定成分,本节基于这些固定成分设计了干扰信号结构,依据干扰信号模型,对含有干扰的监测信号与参考信号之间的互相关过程进行仿真,通过互相关得到的距离多普勒谱,分别展示了基于TDS-OFDM信号外辐射源雷达和基于CP-OFDM信号外辐射源雷达的干扰形式,其中,基于TDS-OFDM信号外辐射源雷达以DTMB外辐射源雷达为例,基于CP-OFDM信号外辐射源雷达以DVB-T外辐射源雷达和CMMB外辐射源雷达为例。这里,为方便描述干扰特性,假设监测信号中的辐射源直达波和多径杂波已被抑制干净,不考虑其影响,而来源于干扰信号的目标回波信号强度较弱,也不予考虑,因此,监测信号中只考虑干扰信号和目标回波信号,即式(5)中仅考虑辐射源目标回波峰${\psi _1}$、干扰信号直达波峰${\psi _2}(k = 1)$以及噪声项${\psi _4}$

    • TDS-OFDM信号外辐射源雷达,以DTMB外辐射源雷达为代表。基于DTMB信号中的固定成分,构造了3种干扰信号结构。结构1中,干扰信号与辐射源信号拥有相同的帧头结构,不同的帧体结构,称为帧头干扰;结构2中,干扰信号与辐射源信号拥有不同的帧头结构,帧体中的系统信息部分是相同的,但其余部分并不相同,称为系统信息干扰;结构3中,干扰信号与辐射源信号拥有相同的帧头结构和相同的系统信息,称为帧头&系统信息干扰。辐射源发射站和干扰信号发射站拥有不同的载波频偏,而接收站只能补偿辐射源发射站的载波频偏,因此,干扰信号会存在一固定的载波频偏,同时,该载波频偏大小可根据预设进行调整。下面通过距离多普勒谱展示上述3种干扰信号的特性。

      仿真中,存在一个干扰信号和两个目标信号,其中,干扰信号强度(即干噪比)为0,时延为350距离单元,多普勒为400 Hz,两个目标信号强度(即信噪比)分别为–30 dB和–27 dB,时延分别为369距离单元和148距离单元,多普勒分别为110 Hz和–230 Hz。仿真中数据处理长度为1280个信号帧。

      图4展示了存在帧头干扰情况下DTMB外辐射源雷达的距离多普勒谱,其中,红色圆圈标示出目标峰,其余峰为干扰峰。经相干积累后,干扰峰强度与目标峰强度相当,且干扰主峰和目标峰位置与仿真参数保持一致。从图中可以看出,帧头干扰产生了多个干扰峰,其中包括两个干扰主峰和若干个干扰副峰,其具体分布位置与帧头结构息息相关,本文对其分布特性不做详细讨论,干扰峰分布特性相关内容可参考文献[13]。从仿真中可以看出,帧头干扰可产生大量干扰峰,可在一定程度上遮蔽目标峰,同时产生大量虚警,甚至引起虚假航迹。

      图  4  帧头干扰下DTMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

      Figure 4.  The range-Doppler map for DTMB-based passive radar under the jamming of the frame header

      图5展示了存在系统信息干扰情况下DTMB外辐射源雷达的距离多普勒谱,其中,红色圆圈标示出目标峰,其余为干扰信号引起的峰和条带。经相干积累后,干扰峰凸显,其强度接近目标峰强度,且干扰峰中心位置和目标峰位置与仿真参数保持一致。但由于干扰信号的特殊性,干扰峰分辨率下降,表现为主瓣较宽的峰值,近似于带状分布。这是因为帧体频域OFDM符号中的36个低频符号用于传输固定的系统信息,即干扰信号与辐射源信号在频域部分存在部分相同结构,正是此部分的固定成分引起了干扰峰。

      图  5  系统信息干扰下DTMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

      Figure 5.  The range-Doppler map for DTMB-based passive radar under the jamming of the system information

      图6展示了存在帧头&系统信息干扰情况下DTMB外辐射源雷达的距离多普勒谱,其中,红色圆圈标示出目标峰,其余为干扰引起的峰和条带。从图中可以看出,这是帧头干扰和系统信息干扰两者叠加的结果,此干扰下,产生了更多的干扰峰和条带,使得目标峰更易被遮挡,增加了更多的虚警。

      图  6  帧头&系统信息干扰下DTMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

      Figure 6.  The range-Doppler map for DTMB-based passive radar under the jamming of the frame header and the system information

    • CP-OFDM信号外辐射源雷达,以DVB-T外辐射源雷达为代表。基于DVB-T信号中的固定成分,构造了3种干扰信号结构。其中,传输参数信令虽然固定,但其所用有效子载波较少,难以形成干扰峰,因此,这里没有分析单独利用传输参数信令设计的干扰信号。结构1中,干扰信号与辐射源信号仅拥有相同的离散导频结构,称为离散导频干扰;结构2中,干扰信号与辐射源信号仅拥有相同的连续导频结构,称为连续导频干扰;结构3中,干扰信号与辐射源信号拥有相同的导频结构,称为导频干扰。下面通过距离多普勒谱展示上述3种结构的干扰信号特性。

      仿真中,存在一个干扰信号和两个目标信号,其中,干扰信号强度(即干噪比)为0,时延为350距离单元,多普勒为200 Hz;两个目标信号强度(即信噪比)分别为–20 dB和–17 dB,时延分别为1000距离单元和500距离单元,多普勒分别为110 Hz和–150 Hz。仿真中数据处理长度为512个OFDM符号,DVB-T信号采用8k模式,循环前缀为1/4模式,且循环前缀不参与距离多普勒谱计算。为充分表现干扰信号中固定成分的影响,这里适当提高了固定成分的幅度。

      图7展示了离散导频干扰情况下DVB-T外辐射源雷达的距离多普勒谱,其中,红色圆圈标示出目标峰,其余为干扰引起的峰和条带。经相干积累后,干扰峰凸显,其强度高于目标峰强度,且干扰主峰和目标峰位置与仿真参数保持一致。除干扰主峰外,离散导频干扰还形成了2个较强的干扰峰和4个跨越整个距离维的干扰条带,其中3个干扰条带与对应的干扰峰拥有相同的多普勒大小。

      图  7  离散导频干扰下DVB-T外辐射源雷达的距离多普勒谱

      Figure 7.  The range-Doppler map for DVB-T-based passive radar under the jamming of the scatter pilot

      图8展示了存在连续导频干扰情况下DVB-T外辐射源雷达的距离多普勒谱,其中,红色圆圈标示出目标峰,其余为干扰引起的峰和条带。经相干积累后,干扰凸显,其强度接近目标峰强度,且干扰主峰和目标峰位置与仿真参数保持一致。连续导频干扰引起了一个干扰主峰和四个跨越整个距离维的干扰条带,其中一个干扰条带位于干扰主峰所在多普勒维,且该干扰条带强度明显高于其他干扰条带。

      图  8  连续导频干扰下DVB-T外辐射源雷达的距离多普勒谱

      Figure 8.  The range-Doppler map for DVB-T-based passive radar under the jamming of the continuous pilot

      图9展示了同时存在离散导频干扰与连续导频干扰情况下DVB-T外辐射源雷达的距离多普勒谱,其中,红色圆圈标示出目标峰,其余为干扰引起的峰和条带。经相干积累后,干扰凸显,其强度高于目标峰强度,且干扰主峰和目标峰位置与仿真参数保持一致。从图中可以看出,这是离散导频干扰和连续导频干扰两者叠加的结果,此干扰下,距离多普勒谱上出现了大量有效的干扰峰和条带,增加了遮蔽目标峰的概率,提高了虚警率。上述结果与文献[8]中的结果基本一致,但本文所提方法可扩展至任意辐射源信号,且在本文所提方法下,干扰峰并非静止不动的,而是在距离多普勒谱上移动的,这增加了干扰的复杂性,并能形成虚假航迹。

      图  9  导频干扰下DVB-T外辐射源雷达的距离多普勒谱

      Figure 9.  The range-Doppler map for DVB-T-based passive radar under the jamming of the pilot

    • 改进型CP-OFDM信号外辐射雷达,以CMMB外辐射源雷达为代表。与常规CP-OFDM信号相比,改进型CP-OFDM信号,除了循环前缀,还在信号中加入了同步信号,这会给该型外辐射源雷达干扰带来新的特性。这里,基于CMMB信号中的固定成分,构造了3种干扰信号结构。结构1中,干扰信号与辐射源信号仅拥有相同的信标结构,称为信标干扰;结构2中,干扰信号与辐射源信号仅拥有相同的导频结构,称为导频干扰;结构3中,干扰信号与辐射源信号仅拥有相同的控制信道复用帧,称为控制信道干扰。下面通过距离多普勒谱展示上述3种结构的干扰信号特性。

      仿真中,存在一个干扰信号和两个目标信号,其中,干扰信号强度(即干噪比)为0,时延为500距离单元,多普勒为400 Hz;两个目标信号强度(即信噪比)分别为–30 dB和–27 dB,时延分别为369距离单元和148距离单元,多普勒分别为110 Hz和–230 Hz。仿真中数据处理长度为8个时隙。

      图10展示了存在信标干扰情况下CMMB外辐射源雷达的距离多普勒谱,其中,红色圆圈标示出目标峰,其余为干扰引起的峰。经相干积累后,干扰峰凸显,主峰强度高于目标峰强度,且干扰主峰和目标峰位置与仿真参数保持一致。干扰峰在固定距离单元沿多普勒维离散分布,这是信标仅存在每个时隙的开端的特殊结构引起的。

      图  10  信标干扰下CMMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

      Figure 10.  The range-Doppler map for CMMB-based passive radar under the jamming of the beacon

      图11展示了存在导频干扰情况下CMMB外辐射源雷达的距离多普勒谱,其中,红色圆圈标示出目标峰,其余为干扰引起的峰和条带。经相干积累后,干扰峰凸显,其强度高于目标峰强度,且干扰主峰和目标峰位置与仿真参数保持一致。干扰信号不仅在固定多普勒大小处沿距离维形成了带状干扰,还在干扰主峰所在多普勒维形成若干的干扰副峰。

      图  11  导频干扰下CMMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

      Figure 11.  The range-Doppler map for CMMB-based passive radar under the jamming of the pilot

      图12展示了存在控制信道干扰情况下CMMB外辐射源雷达的距离多普勒谱,其中,红色圆圈标示出目标峰,其余为干扰引起的峰和条带。经相干积累后,干扰峰凸显,其强度高于目标峰强度,且干扰主峰和目标峰位置与仿真参数保持一致。除了干扰主峰,距离多普勒谱上还存在离散的干扰副峰,且部分干扰峰多普勒主瓣较宽。从图中可以看出,控制信道干扰形成了有效的干扰峰,增加了遮蔽目标峰的概率,提高了虚警率。

      图  12  控制信道干扰下CMMB外辐射源雷达的距离多普勒谱

      Figure 12.  The range-Doppler map for CMMB-based passive radar under the jamming of the control channel

      根据TDS-OFDM信号外辐射源雷达干扰和CP-OFDM信号外辐射源雷达干扰的仿真结果可以发现:基于数字广播电视信号的固定成分设计的干扰信号,由于其与辐射源信号间存在一定的相关性,可通过相干积累实现干扰峰的增强,因此干扰信号的强度并不高,有利于干扰源的隐蔽。上述仿真仅展示了单个干扰信号在距离多普勒谱上的形态与特性,实际应用过程中,可以通过将不同时延和多普勒的干扰信号叠加,形成复合干扰信号,从而实现干扰峰对整个距离多普勒谱的有效覆盖,显著提高雷达的虚警率,干扰雷达的正常工作。

    • 以DTMB外辐射源雷达为例,仿真该型雷达下的虚假航迹,对应的方法可推广至其他类型外辐射源雷达。仿真中,包含2个目标回波信号和1个帧头干扰信号,其中,起始时刻,两个目标信号强度(即信噪比)分别为–30 dB和–27 dB,时延分别为369距离单元和148距离单元,多普勒分别为110 Hz和–230 Hz,且目标运动采用匀加速模型;干扰信号强度(即干噪比)为0,时延为350距离单元,多普勒为400 Hz,干扰信号对应的采样率偏差为6 Hz。在此仿真条件下,仿真50场数据,获得距离多普勒谱多场数据累积结果和目标跟踪结果如图13图14所示。

      图  13  干扰存在情况下距离多普勒谱多场数据累积结果

      Figure 13.  The cumulative results of multiple-frame data of the range-Doppler map with the jamming

      图  14  干扰存在情况下外辐射源雷达目标跟踪结果

      Figure 14.  The target tracking results of passive radar with the jamming

      图13展示了干扰存在情况下外辐射源雷达距离多普勒谱50场数据累积结果图,从图中可以看出,除了两个运动目标在距离多普勒谱上形成的点迹外,还存在多条沿距离维移动的干扰峰形成的点迹,其干扰峰位置分布规律与图4保持一致,且图13中在目标的前后255个距离单元处存在着由帧头前后同步信号产生的虚假目标。图14展示了干扰存在情况下外辐射源雷达目标跟踪结果,从图中可以看出,除了两个真实目标轨迹外,还存在多条干扰信号形成的虚假航迹。虚假航迹是多条以固定速度由远及近向接收站运动的轨迹,且轨迹完全重合,这些虚假航迹是由图13中多普勒为正的那些干扰峰引起的。这些多普勒为正的干扰峰,其多普勒对应的双基地速度大小与干扰峰移动速度相当,与真实目标运动规律一致,因此在跟踪结果中形成了相应的虚假航迹。实际应用过程中,通过将不同时延、多普勒和采样率偏差的干扰信号叠加,形成复合干扰信号,将可以形成更多的虚假航迹。这里的仿真实验是针对DTMB外辐射源雷达开展的,但其方法同样适用于其他类型的外辐射源雷达。

    • 基于辐射源信号结构和外辐射源雷达干扰模型,本文研究了基于信号结构特点的外辐射源雷达干扰方法,并以国内外数字广播电视外辐射源雷达为例,详细阐述了干扰方法和干扰特性,其中,数字广播电视信号中的帧头和导频等用于同步和信道均衡的固定成分,十分适合设计成外辐射源雷达的干扰信号。基于此类固定成分而构造的干扰信号,可在距离多普勒谱上形成干扰峰或条带,有效遮蔽目标峰,造成虚警率升高,甚至引起虚假航迹,干扰外辐射源雷达的正常工作。由于干扰信号与参考信号间存在相关性,可通过相干积累提高干扰峰强度,因此,基于辐射源信号结构特点设计出的干扰信号,其强度较小,可有效隐藏于辐射源信号之下,有利于干扰源的隐蔽,同时,由于干扰信号强度很弱,并不会影响辐射源信号的正常接收。仿真结果表明,通过利用帧头和导频等固定成分构造的干扰信号,可在距离多普勒谱上形成干扰峰或干扰条带,并形成虚假航迹,有效干扰数字广播电视外辐射源雷达的正常工作。本文所提基于信号结构特点的外辐射源雷达干扰方法,不仅适用于国内外各型数字广播电视外辐射源雷达,也适用于其他类型的外辐射源雷达,如基于4G/5G通信信号的外辐射源雷达等。

参考文献 (20)

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