一種有效的逆合成孔徑雷達(dá)散射波干擾方法

祝本玉 薛 磊,2 畢大平,2

(1.電子工程學(xué)院,安徽 合肥230037;2.安徽省電子制約技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230037)

1. 引 言

逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)是一種高分辨率的二維成像雷達(dá)，它不僅可以用于對戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)(飛機(jī)、艦船等)進(jìn)行成像和識別，也可以在戰(zhàn)略防御系統(tǒng)中用于對中段和再入段的彈道導(dǎo)彈進(jìn)行成像識別[1]。ISAR憑借著高分辨率、全天時、全天候和可以直接觀察的特點(diǎn)在軍事領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用。因此，對ISAR的干擾技術(shù)研究具有十分重要的意義。

與用于檢測目標(biāo)、估計(jì)目標(biāo)位置及運(yùn)動參數(shù)的傳統(tǒng)雷達(dá)不同，ISAR依靠距離多普勒原理可以獲得高分辨的目標(biāo)二維像。因此，對ISAR的干擾，主要是通過破壞或削弱IASR圖像的質(zhì)量，以阻止敵方從圖像中識別目標(biāo)及有用信息[2]。欺騙干擾技術(shù)由于其能高逼真地模擬目標(biāo)回波信號，具有較高的干擾功率利用率；而且利用人為制造的某些虛假目標(biāo)，使雷達(dá)難辨真?zhèn)?，因而有著特殊的干擾效果。但傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)發(fā)式干擾方法對IASR只能形成點(diǎn)目標(biāo)回波，不能形成分布式的欺騙假目標(biāo)。文獻(xiàn)[3-4]研究了基于數(shù)字圖像合成(Digital Image Synthesis, DIS)技術(shù)的ISAR假目標(biāo)欺騙干擾方法，指出利用DIS技術(shù)可以合成假目標(biāo)圖像對ISAR形成欺騙干擾，并完成了數(shù)字圖像合成器芯片的設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)。但基于DIS的欺騙干擾方法需要利用偵察設(shè)備精確測知ISAR發(fā)射信號的形式，還要精確測得機(jī)動目標(biāo)和干擾機(jī)的相對運(yùn)動信息，然后根據(jù)截獲信號的特點(diǎn)和欲產(chǎn)生的假目標(biāo)，對該信號進(jìn)行幅度調(diào)制和相位調(diào)制后才能形成假目標(biāo)欺騙干擾信號[3-6]。而且根據(jù)DIS技術(shù)產(chǎn)生的假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)之間的差異性，雷達(dá)還可以識別出DIS技術(shù)產(chǎn)生的假目標(biāo)[2]。因此，有必要尋找更為高效、簡便的ISAR欺騙干擾方法。

文獻(xiàn)[7]最早提出了針對合成孔徑雷達(dá)(SAR)的散射波干擾方法，指出散射波干擾是一種不同于傳統(tǒng)直達(dá)波的干擾方法，它將截獲的雷達(dá)信號直接轉(zhuǎn)發(fā)至被保護(hù)的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)散射后形成散射波干擾信號，從而獲得更為豐富的干擾信息，而且實(shí)現(xiàn)簡便。目前還沒有對ISAR進(jìn)行散射波干擾技術(shù)研究的相關(guān)報道，鑒于散射波干擾較傳統(tǒng)直達(dá)波轉(zhuǎn)發(fā)干擾的優(yōu)勢，考慮將散射波干擾技術(shù)應(yīng)用于對ISAR成像的干擾。ISAR的工作方式不同于SAR，后者成像的場景大、范圍廣，利于對其實(shí)施散射波干擾。而ISAR是對空中非合作目標(biāo)成像，成像范圍較小，因此，對ISAR的散射波干擾與對SAR的散射波干擾也有很大的不同。文章分析了對ISAR散射波干擾的機(jī)理，并從功率的角度考慮，提出了基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR散射波干擾方法，研究了不同的轉(zhuǎn)發(fā)時延對ISAR形成的多種干擾效果，最后通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該干擾方法的有效性。

2. 基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR散射波干擾機(jī)理分析

同SAR的散射波干擾機(jī)理一樣，對ISAR的散射波干擾也是將截獲的雷達(dá)信號直接轉(zhuǎn)發(fā)至被保護(hù)的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)散射后形成散射波干擾信號。散射波干擾信號較傳統(tǒng)直達(dá)波轉(zhuǎn)發(fā)干擾擁有更豐富的干擾信息，而且較基于DIS的欺騙干擾方法實(shí)現(xiàn)簡便。但考慮到經(jīng)目標(biāo)散射后的功率衰減問題，而且ISAR的成像對象通常為飛機(jī)、導(dǎo)彈等空中運(yùn)動目標(biāo)。因此，提出基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR散射波干擾方法。如圖1所示，拖曳式干擾機(jī)將偵察到的ISAR發(fā)射脈沖信號存儲在數(shù)字射頻存儲器(DRFM)中，需要時將存儲的雷達(dá)信號放大轉(zhuǎn)發(fā)至被保護(hù)目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)散射后形成散射波干擾信號。該干擾方法一方面可以獲得豐富的干擾信息，另一方面由于干擾站與目標(biāo)之間的距離較近，可以獲得較大的干擾功率，因此可以對ISAR形成有效干擾。

圖1 拖曳式干擾機(jī)對ISAR實(shí)施散射波干擾示意圖

2.1 拖曳式干擾機(jī)對ISAR的散射波干擾功率分析

由于散射波干擾是通過目標(biāo)散射后形成的干擾信號，干擾功率肯定較直達(dá)波干擾信號的干擾功率低，為此有必要分析散射波的干擾功率與目標(biāo)回波功率的關(guān)系，這也是決定散射波干擾能否形成有效干擾的關(guān)鍵。由圖1可得飛機(jī)目標(biāo)的回波信號功率為[8]

(1)

式中：Pt為ISAR發(fā)射信號功率；G為ISAR天線增益；λ為信號波長；σ為飛機(jī)目標(biāo)的等效散射截面積；R0為雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離。同理可得ISAR接收到的散射波干擾信號功率為

(2)

式中：Pj為干擾機(jī)發(fā)射功率；Gj為干擾天線增益；RJ0為拖曳式干擾機(jī)與目標(biāo)之間的距離。從而可得，接收機(jī)輸入端的干信比為

(3)

2.2 ISAR對散射波干擾信號的處理結(jié)果分析

對ISAR的散射波干擾的二維平面示意圖如圖2所示。假設(shè)雷達(dá)、目標(biāo)和干擾站在同一平面內(nèi)，聯(lián)系到雙基地IASR的工作方式，則干擾機(jī)與IASR接收機(jī)可以分別等效為雙基地ISAR的發(fā)射站與接收站，干擾機(jī)、目標(biāo)和ISAR之間的夾角α為等效雙基地角。根據(jù)單雙基地ISAR成像的等效原理[9-10]可知，干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的雷達(dá)信號經(jīng)目標(biāo)散射后形成的散射波干擾信號被ISAR接收后的處理結(jié)果，可以近似于單站ISAR位于等效雙基地角α的角平分線上時對目標(biāo)的成像結(jié)果。ISAR常采用雷達(dá)視線方向及其垂直方向?yàn)橛^測坐標(biāo)系，即圖2中xoy坐標(biāo)系。假設(shè)目標(biāo)除了徑向運(yùn)動外，還繞o點(diǎn)做初始角為θ、角速度為ω的勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，目標(biāo)上任意一點(diǎn)P(xp,yp)與o點(diǎn)距離為rp，則可得點(diǎn)P與雷達(dá)的距離Rp為[6]

圖2 ISAR散射波干擾二維平面示意圖

≈R0(tm)+rpsin(θ+ωtm)

=R0(tm)+xpsin(ωtm)+ypcos(ωtm)

(4)

式中，tm為方位向慢時間，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)角很小時，sin(ωtm)≈ωtm，cos(ωtm)≈1，可得點(diǎn)P繞o點(diǎn)旋轉(zhuǎn)引起的多普勒頻移fdp為

(5)

由式(5)可以看出，目標(biāo)旋轉(zhuǎn)引起的多普勒頻率與其橫向坐標(biāo)成比例關(guān)系，從而對方位向進(jìn)行傅立葉變換即可實(shí)現(xiàn)方位向的高分辨[10]，這就是ISAR在小角度成像時實(shí)現(xiàn)方位高分辨的理論基礎(chǔ)。由于多普勒分辨率Δfd與合成孔徑時間T成反比，從而可得ISAR方位向分辨率為

(6)

沿等效雙基地角的角平分線方向建立等效雙基地ISAR的等效單站觀測坐標(biāo)系uov，則點(diǎn)P(xp,yp)在uov坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(up,vp)可以通過坐標(biāo)變換計(jì)算得到

(7)

由圖2可知，干擾站轉(zhuǎn)發(fā)的雷達(dá)信號經(jīng)點(diǎn)P散射后進(jìn)入ISAR接收機(jī)所經(jīng)歷的距離歷程為RJPR=RJP+RPR，其中RJP為uov坐標(biāo)系下干擾站與P點(diǎn)之間的距離，RPR為uov坐標(biāo)系下點(diǎn)P與雷達(dá)之間的距離。則

(8)

(9)

從而可得經(jīng)點(diǎn)P散射形成的散射波干擾信號因目標(biāo)旋轉(zhuǎn)引起的多普勒頻移fJP為

(10)

比較式(5)與式(10)可知，散射波干擾信號因目標(biāo)旋轉(zhuǎn)引起的多普勒頻移與點(diǎn)p在uov坐標(biāo)系下的橫向坐標(biāo)值up成正比，從而散射波干擾信號進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)后經(jīng)過方位向傅立葉變換后也可以獲得方位向的高分辨。同理可得ISAR對散射波干擾信號的方位向分辨率為：

(11)

比較式(6)與式(11)可知，ISAR對散射波干擾信號形成干擾像的橫向分辨率是ISAR對目標(biāo)橫向分辨率的1/cos(α/2)。由于干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的是ISAR的發(fā)射信號，所以散射波干擾信號通過ISAR的匹配濾波器后也可以獲得距離向的高分辨率。從而可知散射波干擾信號經(jīng)ISAR接收處理后也形成了目標(biāo)的二維像，只是散射波干擾信號形成的干擾像同ISAR得到的目標(biāo)像相比，方位向分辨率不同，而且方向旋轉(zhuǎn)了θ-θu=α/2。

3. 基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR散射波干擾效果分析

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號的歸一化模型為

s(t)=rect(t/τ)exp[j2π(f0t+0.5kt2)]

(12)

式中： 當(dāng)-τ/2≤t≤τ/2時，rect(t/τ)=1.τ為脈寬；f0為載頻；k為調(diào)頻斜率。則點(diǎn)P的基頻回波為[11]

(13)

式中,a(tm)為方位向門函數(shù)，可得經(jīng)過匹配濾波后目標(biāo)的一維距離像的復(fù)包絡(luò)為

(14)

同理可得散射波干擾信號經(jīng)過匹配濾波后的一維距離像的復(fù)包絡(luò)為

(15)

式中,td為干擾信號的轉(zhuǎn)發(fā)時延，比較式(14)、(15)并以點(diǎn)P為參考點(diǎn)，可得目標(biāo)的一維距離像與散射波干擾的一維距離像位置偏差為

ΔR=2RP(tm)-RJPR(tm)-ctd

≈R0(tm)-RJ0(tm)+

2rpsin(θu+ωtm)cos(α/2)-ctd

(16)

由式(5)和式(10)可以得出散射波干擾像與真實(shí)目標(biāo)像的多普勒中心頻率差Δf為

Δf=|fJP-fdP|

(17)

根據(jù)圖2所示，并將xP=rPcos(θu+α/2)代入式(17)可得

(18)

多普勒中心頻率差決定了散射波干擾像在方位向與真實(shí)目標(biāo)像的偏移量，由式(18)可知，散射波干擾像在方位向與真實(shí)目標(biāo)像的偏移量和等效雙基地角有關(guān)。

綜合式(16)、(18)可知：當(dāng)干擾信號的轉(zhuǎn)發(fā)時延td固定時，散射波干擾可以形成與真實(shí)目標(biāo)像在距離向和方位向位置都不同的欺騙干擾像。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)時延td隨機(jī)變化時，由于散射波干擾的一維距離像是隨機(jī)分布的，則此時散射波干擾會對ISAR造成散焦圖像壓制干擾[12]。

4. 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真流程及參數(shù)設(shè)置

目標(biāo)采用理想的飛機(jī)仿真模型，對ISAR的干擾仿真流程如圖3所示。雷達(dá)參數(shù)為：雷達(dá)載頻6 GHz，帶寬200 MHz，脈沖寬度10 μs，重頻200 Hz；飛機(jī)距離雷達(dá)100 km，偏離雷達(dá)視線角30°的方向以50 m/s的速度勻速飛行，轉(zhuǎn)動角速度為1/30 rad/s，成像脈沖個數(shù)為200個。

圖3 ISAR干擾仿真流程圖

干擾參數(shù)設(shè)置為：傳統(tǒng)直達(dá)波干擾：a)直接延時轉(zhuǎn)發(fā)干擾的延遲時間為1.4 μs; b)基于DIS的假目標(biāo)欺騙干擾的假目標(biāo)最大長度為100 m、最大寬度為50 m，根據(jù)文獻(xiàn)[5]計(jì)算得到對應(yīng)的假目標(biāo)模板的單元數(shù)為134×72。散射波干擾：拖曳干擾機(jī)與目標(biāo)之間的距離為200 m，等效雙基地角為60°，固定時延散射波干擾的時延為2 μs，隨機(jī)時延的范圍為：1.9～2 μs。干擾信號的干信比均為1 dB。

4.2 仿真結(jié)果及分析

圖4(看202頁)給出了無干擾時ISAR對理想飛機(jī)目標(biāo)散射點(diǎn)模型的成像結(jié)果。為了便于說明基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR散射波干擾對ISAR成像干擾的有效性和優(yōu)越性，圖5(看202頁)給出了傳統(tǒng)直達(dá)波干擾(包括直接延時轉(zhuǎn)發(fā)和基于DIS的欺騙干擾)時的IASR成像結(jié)果。可以看出：直接延時轉(zhuǎn)發(fā)干擾在ISAR圖像中只能形成滯后于真實(shí)目標(biāo)的點(diǎn)目標(biāo)，不能對ISAR形成有效的分布式假目標(biāo)欺騙干擾效果?；贒IS技術(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法雖然在ISAR圖像中形成了假目標(biāo)欺騙干擾效果，但假目標(biāo)的形狀取決于假目標(biāo)模板，而實(shí)際中假目標(biāo)模板又很難模擬真實(shí)目標(biāo)的形狀，因此，基于DIS技術(shù)產(chǎn)生的假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)的相似度不高，而且DIS合成假目標(biāo)的過程復(fù)雜，實(shí)時性差，對引導(dǎo)參數(shù)的精度要求高。

圖6(看202頁)～圖7(看202頁)分別給出了固定時延散射波干擾和隨機(jī)時延散射波干擾對ISAR成像的干擾結(jié)果。由圖6可知，此時散射波干擾對ISAR形成假目標(biāo)欺騙的干擾效果。由于該虛假目標(biāo)也是目標(biāo)自身散射形成的，因此，與IASR所得到的真實(shí)目標(biāo)像具有高度的相似性。由圖6及設(shè)置的干擾參數(shù)可知，散射波形成的干擾像相對于真實(shí)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)了α/2=30°，圖6的仿真結(jié)果驗(yàn)證了前文理論分析的正確性。由圖7可知，隨機(jī)時延的散射波干擾主要對ISAR形成散焦圖像壓制的干擾效果。而且此時的真實(shí)目標(biāo)與散射波干擾形成的假目標(biāo)都是散焦的，仿真結(jié)果驗(yàn)證了前文關(guān)于散射波對ISAR干擾效果的分析結(jié)論。

5. 結(jié) 論

利用拖曳式干擾機(jī)將截獲的雷達(dá)信號轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)形成散射波干擾信號，不僅提高了散射波的干擾功率，而且通過采用固定或隨機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)時延，可以分別實(shí)現(xiàn)對ISAR的假目標(biāo)欺騙干擾或散焦圖像壓制干擾。對ISAR的散射波干擾較基于DIS技術(shù)的ISAR欺騙干擾方法實(shí)現(xiàn)簡便，而且干擾信號與目標(biāo)回波信號具有高度相似性，不易被反干擾措施濾除，是一種對付ISAR成像的有效干擾手段。

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