一文看懂:LFM 脉冲雷达六类典型干扰的仿真与对抗分析

本文基于复基带 LFM(线性调频)脉冲雷达体制,系统介绍六类典型雷达干扰的数学模型、仿真实现与距离-多普勒(RD)效果分析。文章力求用清晰的理论公式与仿真结果,帮助读者建立起对雷达干扰机制的直观理解。
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1. 引言

现代雷达面临的电磁环境日益复杂,各类有意干扰严重威胁雷达的目标检测性能。干扰信号可大致分为两大类——压制干扰(通过大功率噪声淹没真实目标回波)和欺骗干扰(产生虚假目标,诱导雷达做出错误判决)。

本文以 LFM 脉冲雷达 为对象,构建了以下六类典型干扰的复基带仿真模型:

序号 干扰类型 分类 核心原理
1 噪声调幅干扰(AM Noise) 压制干扰 带限噪声调制载波幅度
2 噪声调频干扰(FM Noise) 压制干扰 带限噪声积分形成随机相位
3 梳状谱干扰(Comb Spectrum) 欺骗干扰 等间隔频移产生距离向多假目标
4 移频转发干扰(Frequency Shift) 欺骗干扰 快时间+慢时间频移同步欺骗
5 间歇采样转发干扰(ISRJ) 欺骗干扰 周期门控采样+相干转发
6 余弦调相干扰(Cosine Phase) 欺骗干扰 余弦相位调制产生贝塞尔边带

同时,本文仿真构建了 无干扰基线(baseline) 场景作为对照。所有仿真在统一配置下运行,便于横向比较各类干扰的压制/欺骗效果。


2. 雷达系统与信号模型

2.1 LFM 发射信号

发射波形采用复基带形式的线性调频脉冲信号。对于单个脉冲,其时域表达式为:

s ( t ) = rect ( t T p ) ⋅ exp ⁡ [ j π K ( t − T p 2 ) 2 ] s(t) = \text{rect}\left(\frac{t}{T_p}\right) \cdot \exp\left[j\pi K\left(t - \frac{T_p}{2}\right)^2\right] s(t)=rect(Tpt)exp[jπK(t2Tp)2]

其中:

  • T p T_p Tp —— 脉冲宽度(默认 10   μ s 10\ \mu\text{s} 10 μs
  • B B B —— LFM 信号带宽(默认 10  MHz 10\ \text{MHz} 10 MHz
  • K K K —— 调频斜率,满足:

K = B T p K = \frac{B}{T_p} K=TpB

  • rect ( ⋅ ) \text{rect}(\cdot) rect() —— 矩形窗函数,在区间 [ 0 , T p ] [0, T_p] [0,Tp] 内取值为 1 1 1,否则为 0 0 0

2.2 点目标回波模型

目标回波采用窄带-停跳(Stop-and-Hop)模型。假设点目标位于距离 R R R、径向速度为 v v v,则第 p p p 个脉冲快时间 t t t 处的回波为:

x target ( p , t ) = A ⋅ s ( t − τ ) ⋅ exp ⁡ [ j ⋅ 2 π f d ( t + p PRF ) ] x_{\text{target}}(p, t) = A \cdot s(t - \tau) \cdot \exp\left[j \cdot 2\pi f_d \left(t + \frac{p}{\text{PRF}}\right)\right] xtarget(p,t)=As(tτ)exp[j2πfd(t+PRFp)]

其中时延 τ \tau τ 和多普勒频率 f d f_d fd 分别为:

τ = 2 R c , f d = 2 v λ \tau = \frac{2R}{c}, \qquad f_d = \frac{2v}{\lambda} τ=c2R,fd=λ2v

其中 c = 3 × 10 8  m/s c = 3 \times 10^8\ \text{m/s} c=3×108 m/s 为光速, λ = c / f c \lambda = c / f_c λ=c/fc 为雷达工作波长(默认 f c = 10  GHz f_c = 10\ \text{GHz} fc=10 GHz,对应 λ ≈ 3  cm \lambda \approx 3\ \text{cm} λ3 cm)。

2.3 接收信号合成

接收信号由目标回波、干扰信号和接收机噪声三部分叠加构成:

x receive ( p , t ) = x target ( p , t ) + x jammer ( p , t ) + w ( p , t ) x_{\text{receive}}(p, t) = x_{\text{target}}(p, t) + x_{\text{jammer}}(p, t) + w(p, t) xreceive(p,t)=xtarget(p,t)+xjammer(p,t)+w(p,t)

其中 w ( p , t ) w(p, t) w(p,t) 为复加性高斯白噪声(AWGN),其功率由输入信噪比 SNR dB \text{SNR}_{\text{dB}} SNRdB 确定:

σ w 2 = A 2 10 SNR dB / 10 \sigma_w^2 = \frac{A^2}{10^{\text{SNR}_{\text{dB}}/10}} σw2=10SNRdB/10A2

2.4 距离-多普勒二维信号处理

信号处理流程分为两步:

第一步:匹配滤波(距离压缩)

对每个脉冲,用发射波形的共轭反转作为匹配滤波器进行卷积:

y ( p , t ) = x receive ( p , t ) ∗ h MF ( t ) , h MF ( t ) = s ∗ ( − t ) y(p, t) = x_{\text{receive}}(p, t) \ast h_{\text{MF}}(t), \qquad h_{\text{MF}}(t) = s^*(-t) y(p,t)=xreceive(p,t)hMF(t),hMF(t)=s(t)

LFM 信号匹配滤波后输出近似为 sinc \text{sinc} sinc 函数,其距离分辨率约为:

Δ R ≈ c 2 B \Delta R \approx \frac{c}{2B} ΔR2Bc

默认带宽 10  MHz 10\ \text{MHz} 10 MHz 下,距离分辨率约 15  m 15\ \text{m} 15 m

第二步:慢时间 FFT(多普勒处理)

对距离压缩后的数据沿脉冲维(慢时间)加窗并做 FFT,得到距离-多普勒(RD)二维结果:

Z ( R , f d ) = F 慢时间 { y ( p , R ) ⋅ w Doppler ( p ) } Z(R, f_d) = \mathcal{F}_{\text{慢时间}}\left\{ y(p, R) \cdot w_{\text{Doppler}}(p) \right\} Z(R,fd)=F慢时间{y(p,R)wDoppler(p)}

速度轴由多普勒频率换算得到:

v = λ ⋅ f d 2 v = \frac{\lambda \cdot f_d}{2} v=2λfd

默认参数下,最大不模糊距离约 30  km 30\ \text{km} 30 km,最大不模糊速度约 ± 37.5  m/s \pm 37.5\ \text{m/s} ±37.5 m/s


3. 仿真配置参数一览

为便于读者重现,以下列出本文的主要仿真参数:

参数 符号 取值
雷达载频 f c f_c fc 10  GHz 10\ \text{GHz} 10 GHz
LFM 带宽 B B B 10  MHz 10\ \text{MHz} 10 MHz
脉冲宽度 T p T_p Tp 10   μ s 10\ \mu\text{s} 10 μs
采样率 f s f_s fs 20  MHz 20\ \text{MHz} 20 MHz
脉冲重复频率 PRF \text{PRF} PRF 5  kHz 5\ \text{kHz} 5 kHz
相干脉冲数 N N N 64 64 64
目标距离 R R R 8  km 8\ \text{km} 8 km
目标速度 v v v 15  m/s 15\ \text{m/s} 15 m/s
输入信噪比 SNR \text{SNR} SNR 20  dB 20\ \text{dB} 20 dB
距离窗 Blackman-Harris
多普勒窗 Blackman-Harris

4. 六类干扰信号的理论模型与公式详解

4.1 噪声调幅干扰(AM Noise)

原理: 利用带限高斯噪声调制载波幅度,使干扰能量在距离和多普勒两维扩展,形成压制性噪声背景。

信号模型:

j AM ( p , t ) = A JSR ⋅ [ L + m ⋅ n B ( p , t ) ] ⋅ exp ⁡ [ j ⋅ 2 π f 0 ( t + p PRF ) ] j_{\text{AM}}(p, t) = A_{\text{JSR}} \cdot \left[L + m \cdot n_B(p, t)\right] \cdot \exp\left[j \cdot 2\pi f_0\left(t + \frac{p}{\text{PRF}}\right)\right] jAM(p,t)=AJSR[L+mnB(p,t)]exp[j2πf0(t+PRFp)]

其中各参数含义如下:

  • n B ( p , t ) n_B(p, t) nB(p,t) —— 带限高斯噪声,由白噪声经低通滤波器生成,带宽默认 8  MHz 8\ \text{MHz} 8 MHz
  • m m m —— 调幅深度调制指数,控制噪声调制强度,默认 1.0 1.0 1.0
  • L L L —— 残余载波泄漏,默认 0.0 0.0 0.0(即采用抑制载波模型,纯噪声调制)
  • f 0 f_0 f0 —— 载波频偏,默认 0  Hz 0\ \text{Hz} 0 Hz(对准雷达中心频率)
  • A JSR A_{\text{JSR}} AJSR —— 干扰幅度缩放因子,满足 JSR dB = 30  dB \text{JSR}_{\text{dB}} = 30\ \text{dB} JSRdB=30 dB

理论分析:

噪声调幅干扰的特点在于其频谱形状由调制噪声的带宽决定。6 阶巴特沃斯低通滤波使带外衰减较陡,干扰能量集中在设定带宽内。抑制载波( L = 0 L = 0 L=0)时,干扰信号的包络为噪声的绝对值(经整流),频谱在载波附近呈双边带形式。

匹配滤波后,因噪声的宽带特性,干扰能量分布在距离向的每一段和多普勒向的全部相干窗内,表现为 RD 图中整体噪声底抬升 JSR = 30  dB \text{JSR} = 30\ \text{dB} JSR=30 dB 的配置下,噪声调幅干扰足以淹没真实目标峰值。

> **⚠️ 插图位 1:** 请在下方插入噪声调幅干扰的 RD 二维图()

默认效果:

  • 目标被深入噪声中,无法从 RD 图中辨识
  • 全局峰值坐标不再对应真实目标位置
  • 实测噪声底(rd_floor_db)显著抬高

4.2 噪声调频干扰(FM Noise)

原理: 先由带限噪声积分获得随机相位,再通过复指数映射生成恒包络干扰信号。因相位变化率(瞬时频率)受噪声驱动,频谱在频偏范围内扩展。

信号模型:

j FM ( p , t ) = A JSR ⋅ exp ⁡ [ j ⋅ ϕ ( p , t ) ] ϕ ( p , t ) = 2 π f 0 ( t + p PRF ) + 2 π Δ f ⋅ ∫ 0 t n B ( τ )   d τ \begin{aligned} j_{\text{FM}}(p, t) &= A_{\text{JSR}} \cdot \exp\left[j \cdot \phi(p, t)\right] \\ \phi(p, t) &= 2\pi f_0 \left(t + \frac{p}{\text{PRF}}\right) + 2\pi \Delta f \cdot \int_0^t n_B(\tau) \, d\tau \end{aligned} jFM(p,t)ϕ(p,t)=AJSRexp[jϕ(p,t)]=2πf0(t+PRFp)+2πΔf0tnB(τ)dτ

其中:

  • n B ( t ) n_B(t) nB(t) —— 窄带低频噪声,带宽默认 200  kHz 200\ \text{kHz} 200 kHz,控制调频速率
  • Δ f \Delta f Δf —— RMS 频偏尺度,默认 4  MHz 4\ \text{MHz} 4 MHz,决定频谱扩展宽度
  • f 0 f_0 f0 —— 载波频偏,默认 0  Hz 0\ \text{Hz} 0 Hz
  • 积分操作 ∫ n B ( τ ) d τ \int n_B(\tau) d\tau nB(τ)dτ 在离散域通过累积和实现

理论分析:

噪声调频信号具有恒包络特性( ∣ j FM ∣ = A JSR |j_{\text{FM}}| = A_{\text{JSR}} jFM=AJSR),即 PAPR 为 1 1 1 0  dB 0\ \text{dB} 0 dB),因而功率放大器在峰值不受限时可以持续输出满功率。

从相位噪声角度理解:瞬时频率 f ( t ) = 1 2 π d ϕ d t = f 0 + Δ f ⋅ n B ( t ) f(t) = \frac{1}{2\pi}\frac{d\phi}{dt} = f_0 + \Delta f \cdot n_B(t) f(t)=2π1dtdϕ=f0+ΔfnB(t),瞬时频率的功率谱密度由 n B ( t ) n_B(t) nB(t) 的频谱决定。由于低频噪声的频谱集中在 200  kHz 200\ \text{kHz} 200 kHz 以内,瞬时频率在 ± 4  MHz \pm 4\ \text{MHz} ±4 MHz 范围内的变化相对平缓,调频信号频谱呈近似的钟形扩展,边带衰减较慢。

匹配滤波后:FM 干扰在 RD 图上的表现为整体的噪声底抬升,但由于默认 JSR = 20  dB \text{JSR} = 20\ \text{dB} JSR=20 dB 且频谱有一定集中度,压制效果通常略逊于同功率的噪声调幅干扰。


4.3 梳状谱干扰(Comb Spectrum)

原理: 截获敌方 LFM 脉冲后,生成 N N N 个等间隔频移的相干转发副本,经匹配滤波后映射为距离向等间隔的假目标阵列。

信号模型:

j comb ( p , t ) = A JSR N ∑ k = 0 N − 1 [ s ( t − τ 0 − τ R ) ⋅ exp ⁡ ( j ⋅ ( 2 π f k ( t − τ 0 − τ R ) + ϕ k ) ) ] × exp ⁡ [ j ⋅ 2 π ( f d + f d , shift ) p PRF ] f k = ( k − N − 1 2 ) ⋅ Δ f + f center \begin{aligned} j_{\text{comb}}(p, t) &= \frac{A_{\text{JSR}}}{\sqrt{N}} \sum_{k=0}^{N-1} \left[ s(t - \tau_0 - \tau_R) \cdot \exp\left(j\cdot \left(2\pi f_k (t - \tau_0 - \tau_R) + \phi_k\right)\right) \right] \\ &\quad \times \exp\left[j \cdot 2\pi (f_d + f_{d,\text{shift}}) \frac{p}{\text{PRF}}\right] \\[8pt] f_k &= \left(k - \frac{N-1}{2}\right) \cdot \Delta f + f_{\text{center}} \end{aligned} jcomb(p,t)fk=N AJSRk=0N1[s(tτ0τR)exp(j(2πfk(tτ0τR)+ϕk))]×exp[j2π(fd+fd,shift)PRFp]=(k2N1)Δf+fcenter

参数说明:

  • N N N —— 频移副本数量(tone_count),默认 17 17 17
  • Δ f \Delta f Δf —— 相邻频移间隔,默认 500  kHz 500\ \text{kHz} 500 kHz
  • f center f_{\text{center}} fcenter —— 整组中心频偏,默认 0  Hz 0\ \text{Hz} 0 Hz
  • τ R \tau_R τR —— 转发附加延迟,默认 10   μ s 10\ \mu\text{s} 10 μs
  • ϕ k \phi_k ϕk —— 第 k k k 个副本的初相,由 phase_mode 决定:
    • coherent ϕ k = 0 \phi_k = 0 ϕk=0(同相叠加,假目标峰最锐利)
    • random ϕ k \phi_k ϕk 为固定随机相位
  • 因子 1 / N 1/\sqrt{N} 1/N —— 功率归一化,保证 N N N 个假目标总功率与 JSR \text{JSR} JSR 一致
  • f d , shift f_{d,\text{shift}} fd,shift —— 共用慢时间多普勒偏移,默认 0 0 0,使所有假目标在同一速度线上

核心机制——距离-频率耦合:

LFM 信号的一个显著特性是频移-距离耦合。对 LFM 回波施加 Δ f \Delta f Δf 的频移,匹配滤波后峰值在距离向上产生偏移:

Δ R ≈ c ⋅ Δ f 2 K \boxed{\Delta R \approx \frac{c \cdot \Delta f}{2K}} ΔR2KcΔf

其中 K = B / T p = 10 7 / 10 − 5 = 10 12  Hz/s K = B / T_p = 10^7 / 10^{-5} = 10^{12}\ \text{Hz/s} K=B/Tp=107/105=1012 Hz/s 为调频斜率。

以默认 Δ f = 500  kHz \Delta f = 500\ \text{kHz} Δf=500 kHz 代入:

Δ R ≈ 3 × 10 8 × 5 × 10 5 2 × 10 12 ≈ 74.95  m \Delta R \approx \frac{3 \times 10^8 \times 5 \times 10^5}{2 \times 10^{12}} \approx 74.95\ \text{m} ΔR2×10123×108×5×10574.95 m

因此 17 17 17 个频移副本经匹配滤波后,在距离向上呈现 17 17 17 个等间隔假目标,间距约 74.95  m 74.95\ \text{m} 74.95 m,总跨度约 1.2  km 1.2\ \text{km} 1.2 km

距离-多普勒二维效果:

  • 所有假目标共享同一个慢时间多普勒相位,排布在同一条速度线上
  • 使用 coherent 模式时,各假目标的距离峰形清晰、旁瓣规整
  • 转发延迟 τ R = 10   μ s \tau_R = 10\ \mu\text{s} τR=10 μs 将整组假目标整体后移约 1.5  km 1.5\ \text{km} 1.5 km

![> ⚠️ 插图位 2: 请在下方插入梳状谱干扰 RD 二维图(outputs/comb_spectrum/range_doppler_2d.png

⚠️ 插图位 3: 请在下方插入梳状谱干扰 RD 放大图(outputs/comb_spectrum/range_doppler_zoom.png)](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/dbc5b3e82f4b4f9889046962c9269fc5.png)


4.4 移频转发干扰(Frequency Shift)

原理: 生成一个延迟的相干 LFM 副本,同时叠加快时间频移(改变距离)和慢时间频移(改变速度),产生一个在距离-速度二维都被搬移的单个强假目标。

信号模型:

j FS ( p , t ) = A JSR ⋅ s ( t − τ 0 − τ R ) × exp ⁡ [ j ⋅ 2 π Δ f fast ( t − τ 0 − τ R ) ] × exp ⁡ [ j ⋅ 2 π ( f d + Δ f d , slow ) p PRF ] \begin{aligned} j_{\text{FS}}(p, t) &= A_{\text{JSR}} \cdot s(t - \tau_0 - \tau_R) \\ &\quad \times \exp\left[j \cdot 2\pi \Delta f_{\text{fast}} (t - \tau_0 - \tau_R)\right] \\ &\quad \times \exp\left[j \cdot 2\pi (f_d + \Delta f_{d,\text{slow}}) \frac{p}{\text{PRF}}\right] \end{aligned} jFS(p,t)=AJSRs(tτ0τR)×exp[j2πΔffast(tτ0τR)]×exp[j2π(fd+Δfd,slow)PRFp]

参数说明:

  • τ R \tau_R τR —— 转发延迟,默认 10   μ s 10\ \mu\text{s} 10 μs,决定假目标基础距离
  • Δ f fast \Delta f_{\text{fast}} Δffast —— 脉内快时间频移,默认 1  MHz 1\ \text{MHz} 1 MHz,借助距离-频率耦合改变假目标距离
  • Δ f d , slow \Delta f_{d,\text{slow}} Δfd,slow —— 脉间慢时间多普勒频移,默认 600  Hz 600\ \text{Hz} 600 Hz,改变假目标速度

距离和速度偏移分析:

距离偏移(由快时间频移引起):

Δ R FS ≈ c ⋅ Δ f fast 2 K \boxed{\Delta R_{\text{FS}} \approx \frac{c \cdot \Delta f_{\text{fast}}}{2K}} ΔRFS2KcΔffast

代入默认值 Δ f fast = 1  MHz \Delta f_{\text{fast}} = 1\ \text{MHz} Δffast=1 MHz

Δ R FS ≈ 3 × 10 8 × 1 × 10 6 2 × 10 12 ≈ 150  m \Delta R_{\text{FS}} \approx \frac{3 \times 10^8 \times 1 \times 10^6}{2 \times 10^{12}} \approx 150\ \text{m} ΔRFS2×10123×108×1×106150 m

速度偏移(由慢时间频移引起):

Δ v FS ≈ λ ⋅ Δ f d , slow 2 \boxed{\Delta v_{\text{FS}} \approx \frac{\lambda \cdot \Delta f_{d,\text{slow}}}{2}} ΔvFS2λΔfd,slow

代入 λ = 0.03  m \lambda = 0.03\ \text{m} λ=0.03 m Δ f d , slow = 600  Hz \Delta f_{d,\text{slow}} = 600\ \text{Hz} Δfd,slow=600 Hz

Δ v FS ≈ 0.03 × 600 2 ≈ 9  m/s \Delta v_{\text{FS}} \approx \frac{0.03 \times 600}{2} \approx 9\ \text{m/s} ΔvFS20.03×6009 m/s

因此,假目标出现在距离 R + Δ R FS R + \Delta R_{\text{FS}} R+ΔRFS、速度 v + Δ v FS v + \Delta v_{\text{FS}} v+ΔvFS 的位置,即约 8.15  km 8.15\ \text{km} 8.15 km 24  m/s 24\ \text{m/s} 24 m/s 处形成单个强假目标。仿真结果中全局峰值落在该假目标位置,验证了这一理论分析。

> **⚠️ 插图位 4:** 请在下方插入移频转发干扰 RD 二维图()


4.5 间歇采样转发干扰(ISRJ)

原理: 干扰机以固定周期对截获的 LFM 脉冲进行开关门控采样(间歇采样),将截取到的脉冲片段相干转发,可选多次重复。经匹配滤波后,周期性采样结构在距离向产生多个假目标。

信号模型:

g ( t ) = { 1 , t   m o d   T s < T w 0 , otherwise j ISRJ ( p , t ) = A JSR M ∑ m = 0 M − 1 [ s ( t − τ 0 − τ R − m Δ τ ) ⋅ g ( t − τ 0 − τ R − m Δ τ ) ] × exp ⁡ [ j ⋅ 2 π ( f d + f d , shift ) p PRF ] \begin{aligned} g(t) &= \begin{cases} 1, & t \bmod T_s < T_w \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases} \\[8pt] j_{\text{ISRJ}}(p, t) &= \frac{A_{\text{JSR}}}{\sqrt{M}} \sum_{m=0}^{M-1} \left[ s\left(t - \tau_0 - \tau_R - m \Delta\tau\right) \cdot g\left(t - \tau_0 - \tau_R - m \Delta\tau\right) \right] \\ &\quad \times \exp\left[j \cdot 2\pi (f_d + f_{d,\text{shift}}) \frac{p}{\text{PRF}}\right] \end{aligned} g(t)jISRJ(p,t)={1,0,tmodTs<Twotherwise=M AJSRm=0M1[s(tτ0τRmΔτ)g(tτ0τRmΔτ)]×exp[j2π(fd+fd,shift)PRFp]

参数说明:

  • T s T_s Ts —— 采样周期sampling_period_s),默认 1   μ s 1\ \mu\text{s} 1 μs
  • T w T_w Tw —— 采样切片宽度slice_width_s),默认 0.2   μ s 0.2\ \mu\text{s} 0.2 μs,占空比 20 % 20\% 20%
  • M M M —— 重复转发次数repeat_count),默认 1 1 1(直接转发)
  • Δ τ \Delta\tau Δτ —— 相邻重复副本的转发间隔,当 M > 1 M > 1 M>1 时启用
  • τ R \tau_R τR —— 转发延迟,默认 10   μ s 10\ \mu\text{s} 10 μs
  • 1 / M 1/\sqrt{M} 1/M —— 功率归一化因子

频谱与假目标间距分析:

采样函数 g ( t ) g(t) g(t) 为周期 T s T_s Ts、占空比 T w / T s T_w / T_s Tw/Ts 的矩形脉冲串,其傅里叶级数包含频率为 n / T s n/T_s n/Ts 的各次谐波。 g ( t ) g(t) g(t) 与 LFM 脉冲 s ( t ) s(t) s(t) 相乘后,在频域等效为 LFM 频谱与周期谐波的卷积,经匹配滤波后在距离维呈现梳状结构。

假目标的理论间距近似为:

Δ R ISRJ ≈ c 2 K ⋅ T s \boxed{\Delta R_{\text{ISRJ}} \approx \frac{c}{2K \cdot T_s}} ΔRISRJ2KTsc

代入默认值 T s = 1   μ s T_s = 1\ \mu\text{s} Ts=1 μs K = 10 12  Hz/s K = 10^{12}\ \text{Hz/s} K=1012 Hz/s

Δ R ISRJ ≈ 3 × 10 8 2 × 10 12 × 10 − 6 ≈ 149.9  m \Delta R_{\text{ISRJ}} \approx \frac{3 \times 10^8}{2 \times 10^{12} \times 10^{-6}} \approx 149.9\ \text{m} ΔRISRJ2×1012×1063×108149.9 m

各假目标幅度由采样占空比和转发参数共同决定。默认占空比 20 % 20\% 20% 使主瓣能量约损失 14  dB 14\ \text{dB} 14 dB,但假目标间距清晰可辨。

ISRJ 的核心特征:

  • 采样占空比越小,产生的假目标数量越多、幅度分布越宽
  • 增大采样周期 T s T_s Ts 反而减小假目标间距
  • M > 1 M > 1 M>1 时,重复转发可填补间隙,增强欺骗密度

> **⚠️ 插图位 5:** 请在下方插入 ISRJ 干扰 RD 放大图()


4.6 余弦调相干扰(Cosine Phase)

原理: 对截获的 LFM 脉冲相干转发副本施加余弦相位调制。通过贝塞尔函数展开,调制产生按调制频率等间隔分布的边带假目标,关于真实目标距离对称排列。

信号模型:

j CP ( p , t ) = A JSR ⋅ s ( t − τ 0 − τ R ) × exp ⁡ [ j ⋅ β cos ⁡ ( 2 π f m ( t − τ 0 − τ R ) + ϕ 0 ) ] × exp ⁡ [ j ⋅ 2 π f d p PRF ] \begin{aligned} j_{\text{CP}}(p, t) &= A_{\text{JSR}} \cdot s(t - \tau_0 - \tau_R) \\ &\quad \times \exp\left[j \cdot \beta \cos\left(2\pi f_m (t - \tau_0 - \tau_R) + \phi_0\right)\right] \\ &\quad \times \exp\left[j \cdot 2\pi f_d \frac{p}{\text{PRF}}\right] \end{aligned} jCP(p,t)=AJSRs(tτ0τR)×exp[jβcos(2πfm(tτ0τR)+ϕ0)]×exp[j2πfdPRFp]

参数说明:

  • β \beta β —— 相位调制指数modulation_index_rad),默认 2.4  rad 2.4\ \text{rad} 2.4 rad
  • f m f_m fm —— 调制频率modulation_frequency_hz),默认 1  MHz 1\ \text{MHz} 1 MHz
  • ϕ 0 \phi_0 ϕ0 —— 调制初相,默认 0 0 0
  • τ R \tau_R τR —— 转发延迟,默认 0   μ s 0\ \mu\text{s} 0 μs(对称于真实目标)

贝塞尔展开与边带结构:

利用贝塞尔函数的雅可比-安格尔展开:

exp ⁡  ⁣ [ j β cos ⁡ ( 2 π f m t ) ] = ∑ n = − ∞ ∞ j n J n ( β ) ⋅ exp ⁡  ⁣ ( j ⋅ 2 π n f m t ) \boxed{\exp\!\left[j\beta \cos(2\pi f_m t)\right] = \sum_{n=-\infty}^{\infty} j^n J_n(\beta) \cdot \exp\!\left(j \cdot 2\pi n f_m t\right)} exp[jβcos(2πfmt)]=n=jnJn(β)exp(j2πnfmt)

其中 J n ( β ) J_n(\beta) Jn(β) 为第一类 n n n 阶贝塞尔函数。这一展开的关键意义在于:

  1. 余弦调相后,信号等价于无穷多个 f m f_m fm 间隔排列的频移副本,各阶幅度为 ∣ J n ( β ) ∣ |J_n(\beta)| Jn(β)
  2. n n n 阶边带经匹配滤波后在距离维产生偏移:

Δ R n ≈ c ⋅ n ⋅ f m 2 K \boxed{\Delta R_n \approx \frac{c \cdot n \cdot f_m}{2K}} ΔRn2Kcnfm

代入 f m = 1  MHz f_m = 1\ \text{MHz} fm=1 MHz K = 10 12  Hz/s K = 10^{12}\ \text{Hz/s} K=1012 Hz/s

Δ R 1 ≈ 3 × 10 8 × 1 × 10 6 2 × 10 12 ≈ 149.9  m \Delta R_1 \approx \frac{3 \times 10^8 \times 1 \times 10^6}{2 \times 10^{12}} \approx 149.9\ \text{m} ΔR12×10123×108×1×106149.9 m

β = 2.4 \beta = 2.4 β=2.4 的特例分析:

贝塞尔函数 J 0 ( β ) J_0(\beta) J0(β) 的第一个零点出现在 β ≈ 2.4048 \beta \approx 2.4048 β2.4048。本文默认 β = 2.4 \beta = 2.4 β=2.4 恰好接近该零点,因此 J 0 ( 2.4 ) ≈ 0 J_0(2.4) \approx 0 J0(2.4)0,即 0 0 0 阶(中心)干扰被抑制

各阶贝塞尔幅度(近似值):

∣ J 0 ( 2.4 ) ∣ ≈ 0.00 (被抑制) ∣ J ± 1 ( 2.4 ) ∣ ≈ 0.52 (最强边带) ∣ J ± 2 ( 2.4 ) ∣ ≈ 0.43 ∣ J ± 3 ( 2.4 ) ∣ ≈ 0.20 ∣ J ± 4 ( 2.4 ) ∣ ≈ 0.06 (可忽略) \begin{aligned} |J_0(2.4)| &\approx 0.00 \quad \text{(被抑制)} \\ |J_{\pm 1}(2.4)| &\approx 0.52 \quad \text{(最强边带)} \\ |J_{\pm 2}(2.4)| &\approx 0.43 \\ |J_{\pm 3}(2.4)| &\approx 0.20 \\ |J_{\pm 4}(2.4)| &\approx 0.06 \quad \text{(可忽略)} \end{aligned} J0(2.4)J±1(2.4)J±2(2.4)J±3(2.4)J±4(2.4)0.00(被抑制)0.52(最强边带)0.430.200.06(可忽略)

因此 RD 图中主要显示距离向 ±1、±2、±3 阶共 6 个明显的假目标点,关于真实目标距离位置对称分布,间距均为 149.9  m 149.9\ \text{m} 149.9 m

与梳状谱干扰的区别:

  • 梳状谱的 N N N 个副本为人工直接合成, N N N 是有限且可选的
  • 余弦调相的边带在理论上是无穷阶,实际可观测阶数由 β \beta β 决定
  • 余弦调相是连续调制产生的物理效应,而梳状谱是参数化的分频合成

> **⚠️ 插图位 6:** 请在下方插入余弦调相干扰 RD 放大图()


5. 基线对照:无干扰场景

为评估各类干扰的效果,首先需要建立无干扰基线。在仅有目标回波 + + + 接收机噪声的条件下:

  • 目标清晰可见,全局峰值位置 ≈ ( 8  km ,   15  m/s ) \approx (8\ \text{km},\ 15\ \text{m/s}) (8 km, 15 m/s)
  • 距离-多普勒图中的峰值旁瓣比(PSLR)由匹配滤波的加窗效果决定
  • 采用 Blackman-Harris 窗可获得约 − 60  dB -60\ \text{dB} 60 dB 以上的噪声底

> **⚠️ 插图位 7:** 请在下方插入无干扰基线 RD 二维图()


6. 仿真结果与数值指标对比

下表汇总了各场景的关键数值指标。所有数据基于统一配置生成,具有直接可比性:

场景 JSR (dB) 全局峰值距离 (m) 全局峰值速度 (m/s) 目标单元 (dB) 最强假目标 (dB) PSLR (dB)
baseline 7997 15.2 −0.01 −11.1 −11.1
am_noise 30 14143 −28.1 −13.3 +9.7 +23.0
fm_noise 20 7997 15.2 +0.03 −0.79 −0.82
comb_spectrum 15 9421 15.2 +0.001 +2.7 +2.7
frequency_shift 10 9346 23.4 −0.001 +9.3 +9.3
isrj 15 9496 15.2 −0.01 +1.0 +1.0
cosine_phase 10 7847 15.2 +0.06 +4.3 +4.2

指标解读

  • target_cell_db:真实目标单元的幅度(以理想目标峰值为参考 0 dB)。负值表示目标被干扰压制,正值表示干扰加强了该位置的能量。
  • strongest_false_peak_db:排除真实目标邻域后的最强峰值。正值表示存在比真实目标更强的假目标。
  • peak_sidelobe_ratio_db (PSLR):最强假目标相对于真实目标单元的强度比。正值意味着假目标能量已超过真实目标,雷达将被欺骗。

几点关键发现

  1. 噪声调幅干扰(JSR=30 dB):对目标压制最深(target_cell_db = −13.3 dB),假目标最强(+9.7 dB),全局峰值被干扰信号夺走,目标完全被淹没。

  2. 移频转发干扰(JSR=10 dB):仅 10  dB 10\ \text{dB} 10 dB 的输入干信比就产生了 + 9.3  dB +9.3\ \text{dB} +9.3 dB 的假目标优势,且全局峰值被搬移至新位置( 9.35  km 9.35\ \text{km} 9.35 km 23.4  m/s 23.4\ \text{m/s} 23.4 m/s),说明其在 RD 域的距离-速度二维同步欺骗非常高效。

  3. 噪声调频干扰(JSR=20 dB):不如同功率的噪声调幅压制效果明显,原因是恒包络信号经匹配滤波后能量分布相对集中。

  4. 梳状谱与 ISRJ:均产生了多个假目标,但假目标幅度适中( + 1 ∼ + 3  dB +1 \sim +3\ \text{dB} +1+3 dB),不足以单独压倒真实目标,但多假目标的存在会显著增加雷达虚警概率。

  5. 余弦调相干扰(JSR=10 dB) β = 2.4 \beta = 2.4 β=2.4 使中心阶被抑制,最强边带为 ± 1 \pm 1 ±1 阶,相对真实目标约 + 4.3  dB +4.3\ \text{dB} +4.3 dB


7. 抗干扰策略探讨(基于仿真启示)

基于上述仿真分析,可以总结出针对不同干扰的对抗思路:

干扰类型 可利用的脆弱性 可能的对抗方法
噪声调幅 恒包络雷达信号与噪声的幅度分布差异 恒虚警(CFAR)检测、脉冲积累增强 SNR
噪声调频 频谱具有特定调制速率 多站组网、波形捷变破坏截获
梳状谱 假目标间距由频移决定且排列规则 特征提取识别、变调频斜率波形
移频转发 快慢频移耦合规律固定 波形分集(不同脉冲不同 K K K)打破距离-多普勒耦合
ISRJ 采样占空比与转发时延的结构化特征 时-频联合分析、认知波形设计
余弦调相 贝塞尔边带幅度受 β \beta β 控制 利用调制识别技术检测相位规律性

8. 总结

本文系统介绍了基于 LFM 脉冲雷达的六类典型干扰的数学模型、物理机理与仿真效果。核心要点包括:

  1. 两类压制干扰(AM/FM 噪声)通过宽带噪声分布淹没目标,其中噪声调幅在默认参数下压制效果更强
  2. 四类欺骗干扰(梳状谱、移频转发、ISRJ、余弦调相)均利用了 LFM 信号的距离-频率耦合特性,通过频移操作在距离维产生假目标
  3. 移频转发干扰兼具快慢时间频移能力,可在 RD 二维实现同步欺骗,是欺骗效率最高的单点假目标产生方式
  4. 余弦调相干扰的理论基础是贝塞尔展开,选 β = 2.4 \beta = 2.4 β=2.4 可实现中心阶抑制,产生对称分布的多假目标

仿真代码开源,参数高度可调。读者可自行修改配置参数,探索不同 JSR \text{JSR} JSR、带宽、调制参数下干扰效果的动态变化,亦可在此框架上快速扩展新的干扰模型。


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