0 引言
本文提出了一种以数字调制方式OFDM 为脉冲信号源的新体制雷达，与传统的以矩形脉冲作为信号源的PD 雷达相比，具有更好的抗干扰能力、更高的安全性，数字方法在频率、幅度以及信号的信噪比等方面均表现出优势，超过了传统的模拟方法［1］。另外，DRFM 作为电子对抗系统中的关键组成部分得到了广泛的应用，本文所设计的雷达系统中也加入了DRFM 干扰，并且在System-Vue 软件平台中验证了新体制雷达系统的可行性及DRFM干扰效果［2］。
1 新体制雷达系统结构
新体制雷达系统主要包括OFDM 信号源、发射模块、环境模块、接收模块和信号处理模块五个基本组成部分。系统的总体框图如图1所示：首先由数据源产生二进制数字信号，然后经过OFDM数字调制方式调制之后作为雷达系统的信号源，信号源产生的信号经过发射机后成为一个大功率的射频信号，即发射信号，之后辐射到空间，遇到环境中的目标后返回到接收机，过程中难免会受到地物杂波、大气噪声等干扰［3］。接收机收到回波信号后，经过一系列处理还原成基带信号，从而获得目标信息。
图1 系统总体框图
2 信号处理过程
雷达信号处理是指对接收机处理后的信号进行更进一步的处理，主要处理过程包括脉冲压缩、动目标显示（MTI）、动目标检测（MTD）、恒虚警检测（CFAR）等一系列信号处理步骤，最终可以从回波信号中提取出目标的距离和速度等相关信息。其结构如图1信号处理模块所示。
2.1 脉冲压缩
脉冲压缩，主要作用是解决距离分辨率和接收信号信噪比之间存在的矛盾［4］。通过将源信号经过一个数据反向器，将其取复共轭之后再进行FFT 变换就可以生成匹配的脉冲压缩源信号。将其与回波信号的FFT 相乘，再进行IFFT 变换，就完成了脉冲压缩的过程。通常情况下，此时被各种干扰淹没的目标位置就可以大致分辨出来了。
2.2 动目标显示和动目标检测
MTI 技术的主要作用是抑制由地物、海面、云雨等物体反射的类似目标的回波，同时也要让动目标回波通过后的损失尽量小［5］。在一个相干解调的时间窗口内，连续M 个脉冲回波被处理，并以基带数据的形式组成了一个二维数据矩阵。这个矩阵反映了脉冲回波的特征和信息。在二维数据矩阵中，每一列（在快时间域）都表示了相应脉冲回波中连续采样的数据点，对应于连续的距离单元。每列中的每个元素都是一个复数，包含了距离单元的I 和Q 分量。因此，二维数据矩阵中的每一行（在慢时间域）代表了对同一距离单元进行的一系列脉冲测量［6］。换句话说，每一行包含了该距离单元在不同时间点的回波测量结果。
MTD 处理过程就是对二维数组矩阵的慢时间域进行谱分析，从而代替滤波处理。通过对慢时间域进行离散傅里叶变换，可以构建一组频率上相邻且部分重叠的窄带多普勒滤波器。这些滤波器用于对动目标回波脉冲序列进行匹配滤波处理。匹配滤波可以通过与目标的多普勒频率特征相匹配，增强目标信号的能量，并抑制其他不相关信号的干扰。通过这种方式，可以提取出动目标的多普勒频率相关信息，并进一步分析和识别目标。多普勒滤波器组覆盖的频率范围为0～f（r脉冲重复频率），确定目标出现在第几个多普勒滤波器就可以确定对应的多普勒频率。
2.3 恒虚警检测
恒虚警检测（CFAR），即恒定概率下的检测器，其功能是判断目标是否存在。CFAR 算法首先对输入信号中的噪声进行处理，以确定一个适当的门限。然后将该门限与输入信号进行比较，如果输入信号的能量超过了门限值，则判定存在目标，否则，判定为无目标［6］。通过这种方式，CFAR算法能够在保证一定虚警率的同时，实现对目标的可靠检测。假设杂波的幅度为x，标准差为δ，噪声概率密度函数f（0x）服从瑞利分布，则
假设我们使用门限值x0来判断目标信号是否存在，目标信号存在的条件是输入信号的能量超过门限值x0。根据公式（1），可以计算出误判杂波为目标信号的概率：
目前应用最广泛的CFAR 是单元平均恒虚警，即CA-CFAR，它能在均匀干扰环境中表现出最佳的性能。具体检测流程为：假设输入信号被传送到一个由（M+N+1）个延迟单元组成的延迟线上，其中M 为参考单元数量，N 为守卫单元数量，则检测单元的两侧分别有M/2 个参考单元和N/2 个守卫单元。为了进行检测，将检测单元两侧的参考单元值进行求和，然后除以M/2，将两边求得的结果相加就能得到杂波背景下的均值Z。检测门限U0=K0Z。其中K0为门限因子，其计算过程比较复杂，具体可参考文献［7］，通过比较检测单元的值和检测门限U0的大小即可判断出是否存在目标，如果检测单元大于检测门限U0则存在目标，反之不存在［8］。CFAR的原理如图2所示。
图2 CFAR原理图
3 DRFM系统
发射信号在到达目标之前被DRFM 系统截获，并保存在存储器中，在需要的时候可以调制成为各种不同的干扰样式发出，与雷达回波信号一起被敌方接收机接收，以达到干扰的目的［9］。其结构如图1 DRFM模块所示。
3.1 基本工作原理
DRFM 系统首先对截获的雷达信号进行下变频为基带信号，接着进行AD 转换，输出为I/Q 两路数字信号，保存在存储器中。在需要的时候，从数字射频存储器中读取数据，并将其转换为模拟信号输出。这些模拟信号经过DA 模块处理后，通过将I/Q 两路信号合成为复信号，然后进行复信号到包络信号的类型转换。最后，通过上变频操作，完成整个信号复制的过程。通过控制器还可以使DRFM 输出不同的干扰类型以完成不同的应用需求。由于是对雷达原信号的复制，所以干扰信号与雷达信号匹配，更容易达到干扰的目的。
设本振信号为cos（wt+ψ），DRFM 系统截获的雷达信号为
则下变频后得到的基带信号为
接着对该基带信号进行AD 转换，需要先进行采样：
AD变换后得到I路和Q路两路正交信号：
将以上得到的两路信号分别进行DA 变换后合并为一路信号，最后经过上变频就完成了整个的复制过程。即DRFM 干扰是一个量化、重构、转发的过程。
量化的比特数越高，量化精度也就越高，对输入信号的复制越不容易失真，但是对于低信噪比的输入信号来说，一味地追求过高的比特数是没有意义的。另外，在实际中高比特数的AD 变换器制取是非常困难的，成本也相当高。
3.2 假目标干扰
根据干扰需求，控制器可以对截获的雷达信号作进一步调制。根据对截获雷达信号的时间、多普勒频率或者转发部分的调制方式的不同，可以分为假目标干扰、射频噪声干扰、间歇采样转发干扰等干扰样式。其中假目标干扰可以通过控制转发时延来实现，若假目标的幅度合适，且假目标和真目标距离的绝对值大于雷达的距离分辨率，则雷达接收机在处理过程中会将假目标也当作真目标，从而达到干扰的目的。DRFM 假目标时延由转发时延和干扰机与雷达之间的距离产生的传播时延组成。即在时域上偏离了接收脉冲的位置，产生的假目标滞后于真目标，从而在距离上达到欺骗的目的［10］，如果进行多次调制转发即可形成多个假目标。
4 仿真方案设计
根据以上分析，在SystemVue 平台上对新体制雷达系统以及DRFM干扰系统进行模型搭建。
本文仿真采用OFDM 数字调制方式作为脉冲信号源。在SystemVue 中生成OFDM 调制信号的过程是：首先由DataPattern 模块产生二进制数，接着对其进行QAM 映射后，再由OFDM_Subcarrier-Mux 模块对映射序列进行串并转换，以及过采样，仿真中采用32 个子载波以及8 倍的过采样，接着进行256 位的IFFT 运算完成子载波在空中的叠加，最后再由AddGuard 模块添加64 点的循环前缀，即一个OFDM 符号含有320 个采样点，这样就完成了OFDM 信号的调制过程，最后把OFDM 信号调制成脉冲信号并完成封装，完成新体制雷达OFDM 信号源的调制过程。OFDM 信号源的仿真模型如图3所示。
图3 OFDM信号源模型
信号处理模块主要由脉冲压缩、MTI 和MTD、恒虚警三部分组成。RADAR_PC 模块负责脉冲压缩部分，之后由RADAR_PD 模块完成MTI 和MTD部分以提取出动目标回波，最后再经过RADAR_CFAR 模块完成CFAR 过程。信号处理模块的仿真模型如图4所示。
图4 信号处理模型
在DRFM 系统中，首先将截获的射频信号下变频后为基带信号，再经过AD 转换，输出I/Q 两路信号，分别储存在Chop 模块中，用来模拟复制、读出的过程，之后经过DA 转换，由RectToCx 模块将两路信号合并为复数信号，再上变频为射频信号，最后经过恒定增益器Gain 模块和延迟模块Delay-Env来模拟传输过程中的损耗和时延，其仿真模型如图5所示。
图5 DRFM模型
5 仿真实验
以OFDM 调制信号作为信号源的新体制雷达系统仿真的参数众多，包括系统各个模块的参数，这里仅列出主要参数如表1所示。
表1 主要参数
产生的OFDM源信号的实部如图6所示。
图6 OFDM源信号实部
MTD处理后的结果如图7所示，目标出现在第8 730 个采样点。根据之前的分析可知，在10 MHz的采样率下，500 μs 的脉冲重复周期所需的采样点个数PN=5 000，且选择16 个脉冲重复周期作为相参处理时间，即二维数据矩阵的大小为5 000×16。对二维数据矩阵的慢时间域进行16 位的FFT变换，即可得到一个由16 个部分重叠的多普勒滤波器组成的多普勒滤波器组，由于脉冲重复频率为脉冲重复周期的倒数，即2 000 Hz，所以相邻滤波器的中心频率相隔2 000/16=125 Hz。目标出现在第8 730 个采样点意味着目标位于二维数据矩阵中的第2 列，第3 730 行。也就是位于第2 个滤波器，所以目标的多普勒频率fd=125 Hz，再根据公式（8）即可求得目标的径向速度［10］：
图7 MTD处理结果
代入数值求得目标径向速度V=18.75 m/s，也即雷达的速度分辨率就是18.75 m/s，当然也可以通过增加二维数据矩阵慢时间域的宽度来提高速度分辨率，但是这就意味要牺牲更多的回波信号，在实际应用中需要根据雷达的应用场景和具体需求来做出取舍。
确定目标出现在二维数据矩阵中的第3 730行后，可以根据公式（9）计算出目标的距离：
式中r 为目标所在的行数，代入数值后，求得目标的距离为55 950 m。接着在新体制雷达系统中加入DRFM 假目标干扰，测试DRFM 的干扰效果，根据截获的射频信号设置好DRFM 系统的转发延迟时间及干扰信号幅度后转发出去，并且可以通过控制DRFM 系统的延迟时间来控制假目标出现的位置。另外也可以通过在Chop 模块后添加Matlab模块进行不同干扰样式的调制，例如对复制的射频雷达信号进行重复转发就会产生多个假目标。为方便计算对比，本文仅以单个假目标为例，MTD和CFAR处理后结果分别如图8、图9所示。
图8 MTD处理结果
图9 CFAR处理结果
画出PD 处理的三维结果图如图10所示，可以清楚地看到真目标和假目标的幅度、速度和距离的关系，其中幅度较高的是假目标，幅度较低的是真目标。
图10 PD处理后的三维结果图
可以看到，MTD 处理后确实出现了假目标，并且假目标的幅值比真目标的幅值更高，更容易被敌方雷达当成真目标，并且经过CFAR 处理后，假目标已经完全取代了真目标。假目标的位置出现在第3 956 个采样点，也就是二维数据矩阵中的第一列，第3 956行，经计算得到假目标的速度为0 m/s，距离为59 340 m。
将测得的真目标参数、假目标参数与实际目标参数进行对比，测得的真目标距离与实际距离相差390 m，速度相差0.25 m/s；测得的假目标距离与实际距离相差3 780 m，速度相差19 m/s。
6 结束语
本文设计了一个以数字调制方式OFDM 为信号源的新体制雷达系统，用此系统验证了DRFM干扰的有效性，并且在SystemVue 软件中完成了整个过程的仿真实验。通过对比实验结果得知，新体制雷达测得的目标距离和速度与实际目标的距离和速度相比是非常接近的，测量结果虽然存在误差，但是误差在可接受范围之内，证明了新体制雷达测量的准确性及其可行性。同时DRFM 干扰产生的假目标通过了一系列的雷达信号处理过程，并且与实际参数差距较大，验证了DRFM 干扰的有效性。为将来建立起一套更完善的新体制雷达系统及更有效的DRFM 干扰体制提供了数据支撑，具有重要的意义。
［1］MERCIER S,ROQUE D,BIDON S.Study of the Target Self-Interference in a Low-Complexity OFDM-Based Radar Receiver［J］.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems,2019,55（3）:1200-1212.
［2］刘利民，程呈，韩壮志.基于SystemVue的雷达信号环境建模与实现［J］.系统仿真学报，2017，29（6）:1317-1326.
［3］尹园威，刘月航，解辉，等.杂波环境下雷达信号处理的SystemVue 建模与仿真方法研究［J］.计算机测量与控制，2020，28（1）:141-146.
［4］张涛，幸涛，潘璠.脉冲压缩及相参积累在激光雷达中的应用［J］.激光与红外，2022，52（8）:1143-1146.
［5］马书笛.雷达回波信号MTI 与脉冲压缩研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2019.
［6］LUTingkun,HEFeng,YULei,etal.AVariable-ScaleCoherent Integration Method for Moving Target Detection in Wideband Rada［rJ］.Remote Sensing,2022,14（13）:3156-3175.
［7］张裕昕.复杂背景下的自适应恒虚警率检测技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，2021.
［8］徐丽.脉冲多普勒雷达信号处理并行技术研究［D］.成都:电子科技大学，2019.
［9］张皓然.基于DRFM 的干扰技术研究与实现［D］.成都:电子科技大学，2023.
［10］LIU Wei,MENG Jin,ZHOU Liang.Impact Analysis of DRFM-Based Active Jamming to Radar Detection Efficiency［J］.The Journal of Engineering,2019（10）:6856-6858.
［11］吴佳宁，葛俊祥，杨帆.基于调频傅里叶变换的改进型鉴相测速［J］.雷达科学与技术，2022，20（4）:457-463.