CN108776329A - 基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统及其应用方法。该系统包括：探测器前端模块，发射上变频后的混沌编码连续波调频探测信号同时接收回波经下混频后输出目标中频信号；基于DDS的信号发生器，用于通过FPGA输出控制字DDS频率捷变线性调频连续波信号；数字射频存储器（DRFM），用于将截获的信号进行存储、复制、调制、转发，欺骗干扰信号对于线性调频连续波具有很好的干扰效果。本发明从波形设计角度，利用混沌编码初值敏感性、随机性、很好的自相关和互相关性优化线性调频连续波，对调频中心频率进行混沌编码跳频，捷变规律敌方难以截获，从而实现抗欺骗式干扰。可以从波形设计角度提高自方探测器的抗干扰能力，对于近程探测领域具有重要意义。

Description

基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及波形设计抗有源欺骗式干扰技术领域，具体地说，是一种基于混沌编码频率捷变连续波系统及抗有源欺骗干扰方法。

背景技术

雷达干扰会破坏雷达的工作性能，降低雷达的检测能力，敌方发射的干扰信号会使雷达检测到错误的目标信息。目前大多数的抗干扰措施都是针对脉冲体制的大中型雷达等，而对于广泛应用于导引头、末制导、引信等近程探测中的线性调频连续波(LFMCW)体制鲜有讨论。在众多干扰技术中，除了压制式干扰，主流的干扰方式是欺骗式干扰，干扰方往往通过侦察机侦察到的发射信号后，再通过数字射频存储技术(DRFM)进行存储、复制、调制、转发几个步骤进行干扰。其中调制主要是改变发射信号其中的某些参数，比如延时、载频等。数字射频存储器首先将接收到的射频信号经过下变频网络处理，将射频变频至高频，然后经过信号采样、实时存储、数字化处理以及目标模拟得到高中频的输出信号，再通过上变频网络变频至敌方雷达接收系统带宽以内的射频信号，输出的频率精确可控，但是存储转发时间较长。

由于转发的干扰信号是在发射信号的基础上的简单调制，对于一般的 LFMCW雷达，发射的信号波形在每个调频周期是固定不变的，即调频中心频率是不变的，根据信号处理流程，先对回波信号做混频，再滤波放大得到差频信号，再对差频信号做FFT变换，得到目标的距离和速度信息。这种处理方式对于有源欺骗式干扰，由于转发的干扰信号是在发射信号的基础上的简单调制，所以干扰信号与目标回波信号高度相似，从而产生虚假目标，破坏了雷达的检测性能。所以传统的发射波形方式并不能很好地应对有源欺骗干扰。现有的针对LFMCW 雷达抗有源欺骗式干扰，大多采用从信号处理角度根据干扰信号与真实信号在时域、频域的差异性来识别和抑制干扰信号，使输出的信噪比最大。本发明是从波形设计的角度进行抗有源欺骗式干扰，运用频率捷变技术提高LFMCW雷达抗有源欺骗式干扰的性能。

现今雷达研究者针对雷达抗有源欺骗干扰探究出的正交频分复用(OFDM) 雷达，对OFDM雷达的子载频进行相位编码、线性调频等，在信号编码的过程中对信号的参数进行合适控制，使得敌方难以截获侦测，但是此类波形设计是针对脉冲体制的大型雷达，对于导引头、末制导、引信等近程探测，存在重量、体积等条件的限制，因此该波形并不适用。从信号处理角度，在时域、频域通过算法分析虚假目标和真实目标差异，从而准确检测真实目标，抗干扰性能较好，但是复杂算法信号信号处理时间较长，在高速运作环境下存在缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混沌编码频率捷变连续波系统及其应用方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于混沌编码频率捷变连续波系统，包括连续波调频探测器前端模块、编码信号产生模块和中频信号处理模块；

编码信号产生模块，生成基于混沌序列编码的中心频率跳变的线性调频，滤波放大后将编码信号送入连续波调频探测器前端模块；

连续波调频探测器前端模块，用于将编码信号上变频至需要的射频波段，发射频率捷变线性调频探测信号同时接收回波信号，经过下混频后输出目标中频信号发送至中频信号处理模块；

中频信号处理模块，用于处理中频信号，对数据进行分析，根据判决门限给出判决信号。

一种基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统的应用方法，步骤如下：

(1)编码信号产生模块[12]产生由混沌序列编码的调频中心频率跳变的频率捷变线性调频连续波，倍频后上变频至需要的波段，再将信号通过天线发射出去；

(2)回波信号的每个调频中心频率都将和发射信号的调频中心频率保持一致时，存在真实目标，对回波信号进行混频滤波处理得到差频信号，对多个调频周期的差频信号进行FFT变换后进行距离判决，每个调频周期都能检测出目标；回波信号的每个调频中心频率都将和发射信号的调频中心频率不保持一致时，存在转发式欺骗干扰形成的虚假目标，通过多调频周期判决将虚假目标排除。

所述发射信号如下式(1)所示：

在该式中，T为调制周期，K为扫频速率，f₀起始调频中心频率，b_n为混沌跳频序列，Δf为步进频率，为前一调制周期结束时的瞬时相位，n为跳频点数。

所述回波信号如下式(2)所示：

在该式中，R为静止目标的距离，c为光速；

混频之后，得到的差频信号如下式(3)所示：

在该式中，f_n＝b_n·Δf；

当存在真实目标时，对差频信号求导变换后得到瞬时差频信号如下式(4) 所示:

在该式中，Δf_n-1＝f_n-f_n-1，当T＞＞τ时，瞬时差频近似为一个恒值，由此可以得到目标距离信息；

当存在转发式欺骗干扰时，对差频信号求导变换后得到的瞬时差频信号如下式(5)所示：

在该式中，Δf_i＝f_a-f_b a,b∈n，当差频信号远小于步进频率时，通过带通滤波器7将虚假目标的差频信号滤除，从而对抗转发式欺骗式干扰。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明在导引头、末制导、引信的重量、体积等条件的限制下从波形设计角度改变LFCW雷达抗有源欺骗式干扰，对调频中心频率采用混沌序列编码，使得LFCW|雷达信号更加灵活复杂，且距离分辨力优于脉冲体制雷达。(2)不受数字射频存储器转发的干扰信号的功率限制，信号处理算法简单，耗时短，使得弹药配合引战的能力更强，由于信号与随机噪声很相似，使得干扰很难破译发射信号序列编码，抗截获能力提高。

附图说明

图1是本发明的基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统的示意框图；

图2是本发明中产生波形的部分发射和回波信号时-频域波形示意图。

图3是本发明中该信号波形的模糊图示意图。

实施方式

下面参照附图对本发明作进一步说明。

本发明所示出的实施例，参照图1所示的一种基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统，连续波调频探测器前端模块10、编码信号产生模块12、中频信号处理模块11。

连续波调频探测器前端模块10包括收发天线1、环流器2、上变频器3、混频器6。提供上变频信号输入接口与低噪声放大器4相连，提供中频信号输出接口与带通滤波器相连接。通过上变频器使连续波调频探测器前端模块工作于X 波段，信号跳频带宽可以达到1GHz左右。

编码信号产生模块12包括有现场可编程门阵列(FPGA)、直接数字式频率合成器(DDS)、切比雪夫低通滤波器5、倍频器14、低通滤波器13、功率放大器4。

中频信号处理模块11包括带通滤波器7、功率放大器8、模数转换器、现场可编程门阵列(FPGA)。

跳频序列发生器产生混沌序列编码，再将产生的混沌序列编码存储至跳频 ROM中，随后送入DDS模块，通过控制字产生频率捷变线性调频信号。通过切比雪夫低通滤波器[5]将DDS中产生的杂散去除，再将杂散很小的信号送入倍频器[14]提高信号频段的同时扩展信号带宽，再通过低通放大后送入连续波调频探测器前端模块。最后产生的频率捷变线性调频波如图2所示，只截取了50个调频周期的波形。

在区间(0，1)上的Logistic映射定义为

x_j+1＝rx_j(1-x_j)0＜x_j＜1；j＝0,1,2,...

式中，1≤r≤4称为分形参数。

当3.5699456...＜r≤4时，Logistic映射工作在混沌状态，通过迭代产生的序列没有周期也不收敛，对于不同的初始值，无论多么接近，迭代出的轨迹都不相关。

Tent映射定义为

式中，0＜a＜1。

混沌序列由基于Tent映射和Logistic-Tent级联混沌映射采用多次迭代均匀多值量化的方法产生，这样增大了混沌跳频码的周期和非线性复杂度，汉明相关性能也有所改观，从而就能提高抗截获能力。混沌序列首先由混沌映射产生混沌时间序列，然后利用量化技术对混沌时间进行量化，最后由量化的混沌时间序列产生伪码随机跳频码。

该信号的模糊图如图3所示，频率捷变线性调频信号的模糊函数图为图钉型，没有明显的距离模糊旁瓣，是一种性能优良的信号。

带通滤波器7将差频信号波段以外的干扰和噪声滤除，功率放大器9滤波后的差频信号放大，通过模数转换器[9]送入FPGA中，通过FFT算法多调频周期检测目标，给出判决信号。

对DRFM的研究可以得到，基于DRFM的转发干扰是转发之前截获到的信号波形，对于短距离探测系统后期也可以产生虚假信号。干扰机一般对当前周期截获的波形进行存储复制进行分析，来不及转发等到之后的调频周期在转发出去。利用DRFM转发的这一机制，可以利用中心频率捷变的线性调频波很好地实现抗有源欺骗式干扰。

由于LFCW雷达是以发射信号与回波信号混频，当用混频序列对发射信号的各调频中心频率进行编码跳频，由级联混沌映射产生的混沌序列的周期可以任意长，这样可以使得中心频率跳频周期很长，对于存储空间有限的DRFM很难把整个中心频率跳频的信号都存储，只能选择截获一个调频周期或者几个调频周期。由于混沌序列的自相关和互相关与随机噪声很相似，设计出的跳频码的汉明相关特性很好。特别是利用混沌映射对初始值敏感的特点，可以设计出数量巨大的跳频码簇，适合多发弹药同时工作，彼此不相互干扰。波形的这种变化只有发射方掌握，干扰方掌握不到这种先验信息只能被动转发，从而使得转发的干扰信号最多只有一个调频周期的中心频率与当前调频周期的中心频率相同，对此可以采用多周期差频信号进行距离判决。如果当前调频周期中心频率与干扰信号的调频中心频率不同，此时调频周期与干扰信号混频后，下变频得到的差频信号频率大得多，可以通过低通滤波抑制干扰信号，由此就能避免有源欺骗式干扰对雷达检测性能的影响。

基于DRFM的转发干扰是转发之前截获到的信号波形，对于短距离探测系统后期也可以产生虚假信号。干扰机一般对当前周期截获的波形进行存储复制进行分析，来不及转发等到之后的调频周期在转发出去。基于DRFM的这一机制，差频信号进行FFT算法，再多调频周期判决，一种情况是真实存在目标，回波信号的每个调频中心频率都将和发射信号的调频中心频率保持一致，每个调频周期都能检测出目标；另一种情况是DRFM产生的干扰信号被我方接收机接收，由于混沌序列的周期很长，干扰信号很难和当前调频中心频率保持一致，即使存在个别中心频率相同，但是多调频周期判决就能将虚假目标排除。

Claims (8)

1.一种基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统，其特征在于：包括连续波调频探测器前端模块[10]、编码信号产生模块[12]和中频信号处理模块[11]；

编码信号产生模块[12]，生成基于混沌序列编码的中心频率跳变的线性调频，滤波放大后将编码信号送入连续波调频探测器前端模块[10]；

连续波调频探测器前端模块[10]，用于将编码信号上变频至需要的射频波段，发射频率捷变线性调频探测信号同时接收回波信号，经过下混频后输出目标中频信号发送至中频信号处理模块[11]；

中频信号处理模块[11]，用于处理中频信号，对数据进行分析，根据判决门限给出判决信号。

2.根据权利要求1所述的基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统，其特征在于：所述连续波调频探测器前端模块[10]包括收发天线[1]、环流器[2]、上变频器[3]、混频器[6]；提供上变频信号输入接口与编码信号产生模块[12]中的功率放大器[4]相连，提供中频信号输出接口与带通滤波器相连接。

3.根据权利要求1所述的基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统，其特征在于：所述编码信号产生模块[12]包括直接数字式频率合成器(DDS)、切比雪夫低通滤波器[5]、倍频器[14]、低通滤波器[13]、功率放大器[4]、跳频序列发生器、跳频ROM。

4.根据权利要求3所述的基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统，其特征在于：所述跳频序列发生器产生混沌序列编码，再将产生的混沌序列编码存储至跳频ROM中，随后送入DDS模块，通过控制字产生频率捷变线性调频信号；通过切比雪夫低通滤波器[5]将DDS模块中产生的杂散去除，再将杂散很小的信号送入倍频器[14]，提高信号频段的同时扩展信号带宽，最后通过低通放大后送入连续波调频探测器前端模块。

5.根据权利要求1所述的基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统，其特征在于：所述中频信号处理模块[11]包括带通滤波器[7]、功率放大器[8]、模数转换器[9]、现场可编程门阵列FPGA；混频后的信号通过带通滤波器[7]和功率放大器[8]得到信噪比较高的差频信号，通过FPGA对差频信号进行数据处理得到目标距离信息。

6.一种基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统的应用方法，其特征在于步骤如下：

(1)编码信号产生模块[12]产生由混沌序列编码的调频中心频率跳变的频率捷变线性调频连续波，倍频后上变频至需要的波段，再将信号通过天线发射出去；

(2)回波信号的每个调频中心频率都将和发射信号的调频中心频率保持一致时，存在真实目标，对回波信号进行混频滤波处理得到差频信号，对多个调频周期的差频信号进行FFT变换后进行距离判决，每个调频周期都能检测出目标；回波信号的每个调频中心频率都将和发射信号的调频中心频率不保持一致时，存在转发式欺骗干扰形成的虚假目标，通过多调频周期判决将虚假目标排除。

7.根据权利要求6所述的基于混沌编码频率捷变线性调频连续波系统的应用方法，其特征在于：所述发射信号如下式(1)所示：

在该式中，T为调制周期，K为扫频速率，f₀起始调频中心频率，b_n为混沌跳频序列，Δf为步进频率，为前一调制周期结束时的瞬时相位，n为跳频点数。

8.根据权利要求6所述的混沌编码频率捷变连续波系统的应用方法，其特征在于：所述回波信号如下式(2)所示：

在该式中，R为静止目标的距离，c为光速；

混频之后，得到的差频信号如下式(3)所示：

在该式中，f_n＝b_n·Δf；

当存在真实目标时，对差频信号求导变换后得到瞬时差频信号如下式(4)所示:

在该式中，Δf_n-1＝f_n-f_n-1，当T＞＞τ时，瞬时差频近似为一个恒值，由此可以得到目标距离信息；

当存在转发式欺骗干扰时，对差频信号求导变换后得到的瞬时差频信号如下式(5)所示：

在该式中，Δf_i＝f_a-f_b a,b∈n，当差频信号远小于步进频率时，通过带通滤波器[7]将虚假目标的差频信号滤除，从而对抗转发式欺骗式干扰。