第6章-遮盖性干扰-雷达对抗原理-教学课件

第6章遮盖性干扰雷达对抗原理教学课件第6章遮盖性干扰第6章遮盖性干扰6.1概述6.2射频噪声干扰6.3噪声调幅干扰6.4噪声调频干扰6.5噪声调相干扰6.6脉冲干扰第6章遮盖性干扰6.1概述雷达是通过对回波信号的检测发现目标的存在并测量其参数信息的而干扰的目的就是破坏或阻碍雷达发现目标、测量目标参数。号sTt。当该空间存在目标时该信号会受到目标距离、角度、速度和其它参数的调制成为回波sRt。在接收机中通过对接收信号的分析解调可得到有关目标的距离、角度、速度等信息。第6章遮盖性干扰图中增加的信号t是因为雷达接收的信号中除了目标回波外还不可避免地存在各种噪声如多径回波、天线噪声、宇宙射电等正是由于这些噪声的存在才影响了雷达对目标的检测能力。可见如果在sRt中人为引入噪声和干扰信号或利用吸收材料等措施减弱目标回波都可以阻碍雷达对目标信息的正常检测达到干扰的目的。第6章遮盖性干扰图6―1雷达获取目标信息的过程第6章遮盖性干扰6.1.1遮盖性干扰的作用和分类1.遮盖性干扰的作用遮盖性干扰就是用噪声或类似噪声的干扰信号遮盖或淹没有用信号阻止雷达检测目标信息。它的基本原理是:任何一部雷达都有外部噪声和内部噪声雷达对目标的检测是在这些噪声中进行的其检测又是基于一定的概率准则的。一般来说如果目标信号能量S与噪声能量N相比信噪比S/N超过检测门限D则可以保证在一定虚警概率Pfa的条件下达到一定的检测概率Pd简单称为可发现目标否则便认为不可发现目标。遮盖干扰就是使强干扰功率进入雷达接收机尽可能降低信噪比S/N造成雷达对目标检测的困难。第6章遮盖性干扰2.遮盖性干扰的分类按照干扰信号中心频率fj、谱宽Δfj相对于雷达接收机中心频率fs、带宽Δfr的关系遮盖性干扰可以分为瞄准式干扰、阻塞式干扰和扫频式干扰。1瞄准式干扰瞄准式干扰一般满足25jsjrffff第6章遮盖性干扰采用瞄准式干扰必须首先测得雷达信号频率fs然后把干扰机频率fj调整到雷达的频率上保证以较窄的Δfj覆盖Δfr这一过程称为频率引导。瞄准式干扰的主要优点是在Δfr内的干扰功率强是遮盖干扰的首选方式缺点是对频率引导的要求高有时甚至是难以实现的。第6章遮盖性干扰2阻塞式干扰阻塞式干扰一般满足Δfj5Δfrfs?fj-Δfj/2fjΔfj/2由于阻塞式干扰Δfj相对较宽对频率引导精度的要求低频率引导设备简单。此外由于其Δfj宽便于同时干扰频率分集雷达、频率捷变雷达和多部不同工作频率的雷达。其缺点是在Δfr内的干扰功率密度低。第6章遮盖性干扰3扫频式干扰扫频式干扰一般满足Δfj25Δfrfsfjtt?0T即干扰的中心频率为连续、以T为周期的函数。扫频干扰可对雷达造成周期性间断的强干扰扫频的范围较宽也能够干扰频率分集雷达、频率捷变雷达和多部不同工作频率的雷达。应当指出的是实际干扰机可以根据具体雷达的载频调制情况对上述基本形式进行组合如多频率点瞄准式干扰、分段阻塞式干扰、扫频锁定式干扰等。第6章遮盖性干扰6.1.2遮盖性干扰的效果度量干扰效果表现为:雷达或含有雷达的作战系统由于受到干扰而造成的作战性能的下降。以某种合理、定量的方法描述此作战性能的下降称为干扰的效果度量。因此干扰的效果度量是作战双方都十分关心的重要问题。第6章遮盖性干扰选择何种指标衡量雷达或含有雷达的作战系统在电磁环境下的作战性能一直是人们讨论的热点。根据遮盖性干扰的原理目前对雷达本身作战性能的度量指标主要确定为检测概率Pd即在保持虚警概率不变的情况下实施遮盖性干扰前后Pd的绝对值和相对变化。由于Pd是信噪比的函数所以也将这种遮盖性干扰的效果度量方法简称为功率准则。含有雷达的作战系统很多对它的干扰效果度量方法统称为作战效能准则它还需要根据具体作战系统、作战目的进行指标的具体化如空袭作战的突防概率、攻击有效概率、飞机生存概率等。本书着重讨论功率准则。第6章遮盖性干扰根据聂曼—皮尔逊检测准则Pd是信噪比S/N的单调函数其中S和N分别表示雷达接收机线性系统输出端通常为中放输出端的目标回波信号功率和高斯噪声功率功率谱对应于线性系统响应。当进入雷达接收机线性系统的干扰信号为非高斯噪声时只需进行噪声质量因子的等效修订。此外可以通过一定的技术手段和设备对Pd进行实际的统计测量也可以通过对S、N的功率调整对Pd进行控制因此功率准则具有良好的合理性、可测性和可控性。第6章遮盖性干扰根据检测原理S/N越低Pd越小有时尽管N已经很大但只要Pd?0在理论上雷达对目标总有一定的发现可能。因此从遮盖性干扰机设计的观点要求Pd0显然是不合理的。根据作战实际国内外普遍将Pd?0.1作为遮盖性干扰有效的标准并将此时在雷达接收机线性系统输出端干扰信号功率Pj与目标回波信号功率Ps的比值定义为压制系数Ka0.1djapsPKP6―1第6章遮盖性干扰Ka是干扰信号调制样式、干扰信号质量、接收机响应特性、信号处理方式等的综合性函数。将功率准则应用于雷达的威力范围则将干扰机能够有效干扰的区域称为有效干扰区Vj并以对Vj的综合评价函数EVj作为干扰系统综合干扰效果的考核标准:jjVEVWVdV6―2式中的WV为空间评价因子以表现对于不同空间位置有效干扰的重要性。第6章遮盖性干扰6.1.3最佳遮盖干扰波形雷达对目标的检测是在噪声中进行的对于接收信号作出有无目标的两种假设检验具有不确定性即后验不确定性。因此最佳干扰波形就是随机性最强或不确定性最大的波形。衡量随机变量不确定性的量是熵Entropy也称为信息量对于离散型随机变量来说其平均信息量定义为1logmiaiiHxPP6―3第6章遮盖性干扰其中随机变量的可能取值为x1x2…xm其对应的概率为P1P2…Pm。对于连续型随机变量来说11miiPlogaHxpxpxdx6―4第6章遮盖性干扰式中px为连续型随机变量的概率分布密度函数。熵的单位根据a的取值而变化当a2时H的单位为比特当ae时H的单位为奈特当a10时H的单位为哈特莱。a的选取一般视Hx的计算方便在下面的讨论中选取ae。对于相同的a熵值越大则不确定性越强同时随机变量的方差平均功率越大熵值也越大。由此说明:在相同功率的条件下雷达接收机线性系统中具有最大熵的干扰波形为最佳干扰波形。这样最佳干扰波形的设计问题就是在给定平均功率条件下求解具有最大熵的干扰信号的概率分布问题。第6章遮盖性干扰根据拉格朗日常数变易法已知函数方程:baFxpdx6―5和m个函数方程的限制条件:1122bababmmaxpdxCxpdxCxpdxC6―6第6章遮盖性干扰式中υ1υ2…υm为限制条件中给定的函数则6―5式的极值可以由上面m个方程和下式决定:12120mmFpppp6―7其中λ1λ2…λm是拉格朗日常数。代入最大熵函数求解则已知:22ln1Hxpxpxdxpxdxxpxdx第6章遮盖性干扰从而有2121221lnxFpxpxpxxpxpxe再利用限制条件可以得到2222max12lnln2xpxeHxpxpxdxe6―8第6章遮盖性干扰这样我们就得到了在平均功率限制条件下噪声为正态分布时其熵值最大为最佳遮盖干扰波形。研究最佳干扰信号的目的是建立比较各种干扰信号优劣的标准。实际干扰信号可能有偏于最佳干扰信号如果能计算或测量出它们相对于最佳干扰信号在遮盖性能上的损失便可以判断各种实际的干扰信号在遮盖性能上的优劣。衡量实际干扰信号质量的量是噪声质量因素ηn。其定义为:在相同的遮盖效果条件相同熵Hj0Hj下理想干扰信号所需的功率Pj0和实际干扰信号所需的干扰功率Pj之比即00jjjnHHjPP6―9第6章遮盖性干扰通常ηn?1。这样只要知道正态噪声干扰时所要求的干扰功率再乘以一个修正因子便可以得到有效干扰时所需的实际干扰信号的功率。应当指出一般情况下的实际干扰信号的概率密度难以用数学公式描述或者难以计算它们的熵故常用实验的方法确定噪声质量因素。第6章遮盖性干扰6.2射频噪声干扰窄带高斯过程:JtUntcosωjtυt6―10称为射频噪声干扰。其中包络函数Unt服从瑞利分布相位函数υt服从02π均匀分布且与Unt相互独立载频ωj为常数且远大于Jt的谱宽。由于Jt的制取一般是对低功率噪声的滤波和放大所以又称为直接放大的噪声DINA。第6章遮盖性干扰图6―2雷达接收机示意图a雷达接收机b物理模型第6章遮盖性干扰6.2.1射频噪声干扰对雷达接收机的作用典型的雷达接收机如图6―2a所示它由混频器、中放、检波器和视频放大器组成其工作原理可用图6―2b的模型来描述。这里线性系统I代表混频器和中放。虽然混频器本身是非线性器件但由于中放的选择性混频器不会改变输入信号的时间特性以及频谱间的相对关系它只是把射频信号包括干扰变成中频。线性系统I的带宽决定于中放的带宽。检波器是非线性系统它对中放输出的包络进行变换。线性系统II表示接收机的视放。为了分析方便假设输入干扰信号Jt的功率谱Gjf与线性系统I的频率响应Hif都具有矩形特性。我们先考虑只有干扰时的情况。第6章遮盖性干扰式中fjfi分别为干扰和中放的中心频率ΔfjΔfr分别称为干扰带宽和雷达接收机带宽Δfj比Δfr大得多σ2j为Jt的平均功率。2201/20jjjjjjriffffGffffHf其它f其它f6―116―12第6章遮盖性干扰根据线性系统理论中放输出的干扰信号仍为窄带高斯噪声其功率谱Gif为22020iririijiffffGfHfGfff6―13其它第6章遮盖性干扰由Gif可以求得中放输出的干扰信号的相关函数Biτ它是Gif的傅立叶反变换:20sincos2cos2riiiirfBGffdfff6―14中放输出的干扰信号的包络Ui服从瑞利分布22220iiUiiiiiUpUeU6―15第6章遮盖性干扰检波器的工作状态取决于输入信号的大小输入信号大时检波特性近似为线性即000diiiKUUUU6―16当信号较小时检波特性为平方律特性即20200iiiUUUU6―17第6章遮盖性干扰式中UvUi分别为检波器输出和输入信号的包络Kdα分别为与检波器特性有关的常数。以线性检波器为例当窄带高斯噪声作用于线性检波器时输出的噪声概率分布可由6―15式的雅可比变换求得即22220UiiiiiddUpUUpUpUeUdUK6―18其中222diK第6章遮盖性干扰由此可见高斯噪声经过线性检波器其输出分布为瑞利分布并且输出干扰信号包络的直流分量和起伏功率分别为直流分量:222022dtUUUpUdUPUUPUdU6―196―20总功率:第6章遮盖性干扰起伏功率:222220.432PUU6―21检波器输出噪声的相关函数Bvτ与输入噪声的相关函数Biτ之间存在如下关系:222411122224diiiiKBrrr6―22式中σ2i为检波器输入噪声的平均功率riτ为输入噪声的相关系数。第6章遮盖性干扰由6―14式得:020sincos2cos2siniriiiirrrBfrfrfffrf6―236―24取6―22式前三项作近似计算则222200011coscos22424diiiiKrBrr6―25第6章遮盖性干扰式中第一项为直流分量第二项为展宽的基频分量后两项为高频谐波分量由于检波器负载的低通作用后两项将被滤除不会影响信号检测。220124rB6―26相应的功率谱:22204rrGfffffff6―27第6章遮盖性干扰如图6―3所示图中三角形面积表示噪声的起伏功率等于0.39σ2v虚线为检波器输出噪声频谱特性的精确曲线当6―22式所取项数足够多时虚线所包含的面积为0.43σ2v。第6章遮盖性干扰图6―3检波器输出的功率谱密度第6章遮盖性干扰严格地说在接收机输出的信号中还含有内噪声分量它是与干扰信号独立的窄带高斯噪声与干扰信号合成后并不改变上述分析的性质只是此时的σ2i将是进入雷达接收机线性系统I的干扰信号平均功率与接收机内噪声功率的和。在一般情况下前者远大于后者所以常常将后者忽略不计。第6章遮盖性干扰下面我们考虑干扰和信号同时存在的情况。设目标回波信号为:stUScosω0t当st与Jt同时输入到线性系统I时根据线性系统的叠加定理它的输出应为两信号单独作用时的响应之和其中噪声输出为coscosniSiJtUtttstUtt信号输出为第6章遮盖性干扰其合成电压为coscossinsincosnsiniiiJtstUttUtUtttUttt6―28式中Uit为合成信号的包络其概率分布为莱斯分布即22220220isiUUiisiiiiiUUUpUeIU6―29第6章遮盖性干扰I0x为一类零阶Bessel函数。υt为合成信号的相位其分布为222222sin2201coscos2212ssiiUUssiiitxUUpeFeFxedt6―30分布如图6―4所示。第6章遮盖性干扰图6―4信号加噪声的包络概率分布和相位概率分布曲线a包络概率分布b相位概率分布第6章遮盖性干扰图6―4信