快慢時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾生成進動錐體ISAR群陣列

王　英　　束長勇　　張生俊　　黃沛霖　　姬金祖*(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院　北京　100191)(試驗物理與計算數(shù)學(xué)重點實驗室　北京　100076）

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快慢時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾生成進動錐體ISAR群陣列

王英①束長勇①張生?、邳S沛霖①姬金祖①*
①(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院北京100191)
②(試驗物理與計算數(shù)學(xué)重點實驗室北京100076）

摘要：為了提升空間錐體目標(biāo)突防能力，該文提出一種基于快慢時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾生成沿距離向及方位向分布的空間錐體ISAR群陣列方法。首先分析了雙站情況下空間錐體目標(biāo)ISAR像成像方法；針對線性調(diào)頻波分析了快慢時間域間歇采樣生成空間錐體ISAR群陣列的基本原理及其ISAR假目標(biāo)分布特性。最后結(jié)合電磁仿真數(shù)據(jù)，分析了快慢時間域間隙采樣參數(shù)對ISAR群陣列分布的影響，可為ISAR欺騙式干擾提供參考。

關(guān)鍵詞：ISAR群陣列；間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)；快慢時間域；進動錐體目標(biāo)

1　引言

ISAR像是目標(biāo)散射源在成像平面上投影的表征，最能反映目標(biāo)的幾何特性，是現(xiàn)有彈道目標(biāo)識別的主要手段之一，隨著時頻技術(shù)的發(fā)展，彈道目標(biāo)微動特性也成為了彈道目標(biāo)識別的主要指標(biāo)之一[1，2]，連續(xù)的ISAR像序列由于同時包含了目標(biāo)的運動及幾何特征[3]，為空間目標(biāo)識別提供了更多的依據(jù)。在彈道目標(biāo)識別系統(tǒng)中，針對敵方彈道目標(biāo)的ISAR像成像識別及微動參數(shù)提取一直是研究的熱點問題[4，5]。因此能夠調(diào)制出逼真的反映目標(biāo)微動特性及電磁散射特性的ISAR像特征信號[6，7]是能否有效干擾敵方雷達識別的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)可以有效獲取含有目標(biāo)運動及電磁散射信息的雷達回波，但其通常只能形成單個超前假目標(biāo)，且干擾機響應(yīng)速度較慢[8]。相比較而言間歇采樣技術(shù)可以簡單快速地形成多個虛假目標(biāo)，且其對干擾機功率要求不高，通過調(diào)整干擾機轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)及干擾位置可以靈活調(diào)整生成的虛假目標(biāo)分布[9]，文獻[10]對間歇采樣生成距離相干多假目標(biāo)的數(shù)學(xué)機理進行了詳盡描述；文獻[9，11，12]詳細研究了間歇采樣干擾生成ISAR群目標(biāo)的方法，由于其間歇采樣周期遠小于被采樣雷達信號的脈寬，因此可把其看成快時間域間歇采樣方法，單純的在快時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾僅能沿距離向生成多個假目標(biāo)，因此本文嘗試在此基礎(chǔ)上通過慢時間域間歇采樣生成多個方位向分布的假目標(biāo)，進而得到假目標(biāo)ISAR群陣列。由于轉(zhuǎn)發(fā)干擾可等效為雙基地雷達系統(tǒng)，文中首先分析了雙站情況下進動錐體目標(biāo)ISAR像成像方法；在分析了快慢時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾生成ISAR目標(biāo)群原理的基礎(chǔ)上，簡要分析了假目標(biāo)在ISAR像平面上的分布特性。最后通過仿真對文中的分析進行了說明。

2　轉(zhuǎn)發(fā)干擾的進動錐體目標(biāo)ISAR成像分析

假設(shè)雷達、目標(biāo)及干擾機之間沒有平動分量，相應(yīng)的空間位置關(guān)系如圖1所示，以錐體目標(biāo)質(zhì)心o為原點，原點o到雷達R及干擾機J的距離矢量分別為lR及l(fā)J，以距離矢量lR及l(fā)J構(gòu)成夾角的角平分線矢量為y軸，由雙站ISAR成像機理知y軸為目標(biāo)的距離向投影軸，即等效雷達視向[13]，x軸垂直于由y軸與錐旋角速度矢量ω構(gòu)成的平面，z軸由右手螺旋法則確定。則錐體目標(biāo)上任意點Q點處在t時刻的轉(zhuǎn)發(fā)干擾電磁波的空間距離歷程可表為

圖1　雷達、目標(biāo)及干擾機的空間關(guān)系

式中，Rconi(t)為t時刻的歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣[14]，lQ(t)為t時刻Q點的空間位置矢量，rQ為Q點在錐體上的位置矢量，lRJ為雷達R到干擾機J的距離矢量，α為雙基地角，與單站情況相比，由于式(1)中多了一個系數(shù)cos(α /2)，故對雙站雷達回波數(shù)據(jù)在距離向定標(biāo)時需考慮夾角α，令調(diào)頻斜率為γ，則可據(jù)系數(shù)進行距離向定標(biāo)。由于錐體目標(biāo)旋轉(zhuǎn)對稱，繞其極軸的自旋對其散射回波沒有影響，因此歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣僅需考慮進動錐體目標(biāo)的錐旋即可，若Δt很小，那么t+Δ t時刻Q點處的轉(zhuǎn)發(fā)干擾電磁波的空間距離歷程可表為

式中，ω為錐旋角速度矢量，那么Q點處在t時刻的回波多普勒頻移為

式中，fc為載頻，c為光速，ω為錐旋角速度矢量的模值。不難發(fā)現(xiàn)錐旋角速度矢量ω只有與y軸垂直的分量ωcos β對多普勒有貢獻，該分量平行于z軸，故x軸為多普勒橫向，即平面xoy為成像平面，且目標(biāo)在成像平面上的橫向分辨率變?yōu)閱握鞠碌?/ cos(θ /2)倍，故ISAR方位向可根據(jù)進行定標(biāo)。

3　快慢時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾生成ISAR群目標(biāo)

式中，rect(·)為矩形窗函數(shù)，δ(·)為脈沖函數(shù)，*表示卷積，且快時間域間歇采樣信號脈寬及采樣周期一般遠小于雷達信號脈寬，而慢時間域間歇采樣信號脈寬及采樣周期一般大于雷達信號脈沖重復(fù)周期，圖2給出了快、慢時間域間歇采樣的脈沖采樣示意，其中黑色區(qū)域表示采樣時間段，灰色區(qū)域表示間歇時間段。

設(shè)雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號，載頻為fc，脈沖長度為τ，調(diào)頻斜率為γ，脈沖重復(fù)周期為Tpri，則雷達信號s(t)可表示為

圖2　快、慢時間域間歇采樣的脈沖采樣示意

考慮電磁波在空間傳播時延ts及干擾機轉(zhuǎn)發(fā)時延td，對于錐體目標(biāo)上任意點Q，結(jié)合快/慢時間間歇采樣知雷達接收信號sr(t)為

式中，σQ為散射源Q的電磁散射系數(shù)，取參考信號回波時延為tref，對回波信號解線頻調(diào)并在快時間域做傅里葉變換有

式中，Z1為間歇采樣信號的占空比。由上節(jié)分析知，據(jù)此可完成式(8)中的距離向定標(biāo)，得到

忽略tm對距離像域sinc包絡(luò)的影響[15]，對式(12)中的慢時間tm做傅里葉變換實現(xiàn)橫向聚焦，得到目標(biāo)散射強度幅值分布：

式中，Z2為間歇采樣信號的占空比，M為脈沖串?dāng)?shù)，Tprf為脈沖重復(fù)頻率，據(jù)可對式(13)進行橫向定標(biāo)?？梢娊?jīng)快慢時間域間歇采用轉(zhuǎn)發(fā)干擾后Q點將在距離向及橫向上生成等間距分布的假目標(biāo)，其中距離向間距為，橫向間距為2)，且其散射幅度按如下2維sinc函數(shù)分布：

4　仿真分析

首先分析文中所提快慢時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對目標(biāo)ISAR像成像效果的影響。為避免大轉(zhuǎn)角導(dǎo)致的橫向散焦，采用距離-瞬時多普勒算法生成目標(biāo)ISAR像。設(shè)錐體質(zhì)心為O，錐體錐頂為A，錐體底面中心為O1，取0.375 m，錐底半徑r =0.252 m ，進動角，初始錐旋角φ0=0°，進動周期為2 s，進動軸方向矢量為(0，sin(45°)，cos(45°))，雷達坐標(biāo)為(1120 m，4183 m，-2500 m)，干擾機坐標(biāo)為(-448 m，1673 m，1000 m)，雷達帶寬為1.875 GHz，中心頻率為10 GHz，脈沖重復(fù)頻率為3000 Hz，脈沖寬度為333 μs，距離向采樣點數(shù)為256點，信噪比為15 dB，忽略干擾機轉(zhuǎn)發(fā)時延td，采用物理光學(xué)及邊緣繞射生成目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，快時間域間歇采樣脈沖信號的采樣周期Ts1取為4 μs，占空比取為0.4；慢時間域間歇采樣脈沖信號的采樣周期Ts2取為8個脈沖重復(fù)周期，占空比取為0.5，分別考慮在直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾、快時間域間歇采樣、慢時間域間歇采樣、快慢時間域間歇采樣條件下目標(biāo)在0 s時的ISAR像，分別將成像結(jié)果繪于圖3至圖6中。從中發(fā)現(xiàn)單純的快時間或慢時間間歇采樣僅能生成沿距離向或方位向分布的假目標(biāo)，而快慢時間域聯(lián)合間歇采樣可以生成同時沿距離向及方位向分布的假目標(biāo)群陣列，由間歇采樣引起的假目標(biāo)在距離向間距及方位向間距分別為7.47 m及3.03 m，相應(yīng)的距離向及方位向的假目標(biāo)數(shù)分別為3組及7組，只是由于慢時間域間歇采樣占空比取為0.5，假目標(biāo)在n2=± 2處的散射幅值為0，圖5及圖6中的方框標(biāo)示出了目標(biāo)消隱處的位置。

為了進一步說明間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號在模擬目標(biāo)運動及電磁散射特征上的效果，選取時間為0.5 s及1.5 s時的干擾信號的距離瞬時多普勒像，分別繪于圖7，圖8中，可見隨著真實目標(biāo)的運動，干擾生成的假目標(biāo)ISAR輪廓及散射強度均會發(fā)生變化，避免了傳統(tǒng)ISAR欺騙干擾中假目標(biāo)輪廓不變或散射源強度不變的缺陷。

5　結(jié)束語

本文分析了進動錐體目標(biāo)雙站ISAR成像方法，給出了快慢時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾生成沿距離向及方位向等間距分布的ISAR假目標(biāo)群的基本原理，結(jié)合電磁仿真數(shù)據(jù)進行了驗證，并說明了ISAR群陣列的分布效果，發(fā)現(xiàn)干擾信號含有目標(biāo)運動及電磁散射特征，可為ISAR欺騙式干擾提供參考。

圖3　直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾回波ISAR像

圖4　快時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾回波ISAR像

圖5　慢時間域間歇采樣 轉(zhuǎn)發(fā)干擾回波ISAR像

圖6　快慢時間域間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾回波ISAR像

圖7　快時間域間歇采樣干擾　 回波ISAR像(t =0.5 s)

圖8　快時間域間歇采樣干擾回波ISAR像(t =1.5 s)

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王英：男，1984年生，博士生，研究方向為飛行器隱身設(shè)計、電磁計算和測試.

束長勇：男，1989年生，博士生，研究方向為信號處理與目標(biāo)識別.

張生?。耗?，1971年生，研究員，主要研究方向為新型光電材料與器材、等離子體技術(shù)等.

黃沛霖：男，1975年生，副教授，研究方向為飛行器隱身設(shè)計、飛行器總體設(shè)計.

姬金祖：男，1982年生，講師，研究方向為飛行器隱身設(shè)計、電磁計算和測試.

Array ISAR of Precessional Cone Target Generated by Intermittent Sampling Repeater Jamming in Fast and Slow Time

WANG Ying①SHU Changyong①ZHANG Shengjun②HUANG Peilin①JI Jinzu①
①(School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)
②(National Key Laboratory on Test Physics ＆ Numerical Mathematics，Beijing 100076，China)

Abstract:In order to improve the penetration ability of the cone target，a method is proposed to generate the array ISAR distributed along the range and azimuth direction by the intermittent sampling repeater jamming in fast and slow time.The ISAR imaging method of the precession cone target under binary radar is analyzed; aimed at the linear frequency modulation continuous wave，the basic theory of the array ISAR generated by intermittent sampling repeater jamming in fast and slow time is analyzed，and the distribution character，of the array ISAR false target is also analyzed.Finally，with the electromagnetic simulation data，the array ISARs distribution character influenced by the parameters of intermittent sampling repeater jamming in fast and slow time is discussed，which can provide reference for deception jamming for ISAR.

Key words:Array ISAR; Intermittent-sampling repeater jamming; Fast and slow time domain; Precession conetarget

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51307004)

*通信作者：姬金祖jijinzu@buaa.edu.cn

收稿日期：2015-04-22；改回日期：2015-10-22；網(wǎng)絡(luò)出版：2015-12-04

DOI:10.11999/JEIT150464

中圖分類號：TN958

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-5896(2016)02-0450-05

Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(51307004)