基于一維距離像的抗干擾方法研究

郝曉軍,趙宏宇,李廷鵬,陸科宇

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室, 河南 洛陽 471003)

0 引 言

雷達目標(biāo)探測,通過匹配濾波,只要回波信號超過檢測門限[1],就認(rèn)為當(dāng)前天線波束指向空中目標(biāo)。隨著射頻技術(shù)的日益成熟,存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式干擾[2-3],尤其是靈巧干擾對單體制雷達探測帶來了極大威脅[4-5],如何有效應(yīng)對此類干擾成為當(dāng)下雷達設(shè)計工程師主要思考的問題。傳統(tǒng)雷達目標(biāo)檢測,僅僅考慮了回波能量與門限之間的關(guān)系,可以說沒有利用任何雷達目標(biāo)回波的細(xì)微特征信息,籠統(tǒng)說屬于空間盲探測,這也是存儲轉(zhuǎn)發(fā)式干擾能夠大行其道的原因。

當(dāng)然,雷達組網(wǎng)是一個很好的抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的方法[6],通過多部雷達組網(wǎng)協(xié)同,依據(jù)目標(biāo)信息共享,可以較為容易地剔除虛假目標(biāo)。但是,組網(wǎng)雷達硬件成本昂貴,基于回波信息點跡的相關(guān)性,判斷其是否可以生成連續(xù)航跡也是一種能夠很好剔除虛假目標(biāo)的方法[7-9]。但是此類抗干擾措施已被大家所熟知,逼真的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機基本都可以實現(xiàn)虛假航跡的模擬。要想找到對抗欺騙式轉(zhuǎn)發(fā)干擾的措施,還需要另辟蹊徑。

對于特定的雷達目標(biāo),由于其外形、材質(zhì)等參數(shù)相對固定,因此其回波特征固定,所以基于一維距離像進行目標(biāo)識別是一個很好的方法[10-11]。通過大量的先驗信息讓雷達去很好地學(xué)習(xí),就可以使雷達獲得不對等優(yōu)勢,極大提高雷達目標(biāo)探測抗干擾能力,簡單的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾,或者粗暴的噪聲調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā)將不能對偵察雷達造成任何威脅[12-13]。本文希望通過采用映射網(wǎng)絡(luò),以及調(diào)參的方法,實現(xiàn)單部雷達有效對抗各類欺騙干擾。

1 雷達脈沖激勵信號時-頻域變換

時域與頻域波形可以相互轉(zhuǎn)化,對于時域波形難以直接測試獲取的情況下,可以先通過穩(wěn)態(tài)的方法得到頻域數(shù)據(jù),然后通過逆傅里葉變換(IFFT)進而獲取時域波形。

在仿真過程中,設(shè)置雷達脈沖激勵信號的時長為100 ns,脈沖重復(fù)周期為200 ns,占空比為0.5。中心頻率設(shè)置為6 GHz,一個完整時域周期設(shè)置10個采用點,因此時間采樣間隔為1.667e-11s。脈沖時域、頻域波形如圖1所示。

圖1 脈沖激勵信號時域、頻域分布

仿真過程中設(shè)置脈沖重復(fù)周期為200 ns,因此頻率分辨率對應(yīng)為5 MHz。根據(jù)圖1可知,信號頻譜能量主要集中于載頻6 GHz附近。通常進行信號處理過程中,不可能對頻譜全域進行處理,這里考慮1 GHz的計算帶寬,在保證仿真精度的前提下,提高后續(xù)CST軟件在進行雷達目標(biāo)特征計算時的效率。選擇脈沖激勵信號載頻6 GHz左右各500 MHz帶寬,對脈沖頻域數(shù)據(jù)進行IFFT變換,時域脈沖激勵信號恢復(fù)效果如圖2所示。

圖2 頻域截斷后恢復(fù)的脈沖包絡(luò)信號

由圖2可見,通過合理的頻譜截斷后,恢復(fù)原始時域波形可行。由于頻譜進行了截斷處理,因此時域波形較原始時域波形有小的波紋抖動。

2 雷達目標(biāo)特征調(diào)制函數(shù)

電磁波照射到雷達目標(biāo)后反射,可以看做是雷達目標(biāo)對照射電磁波進行了調(diào)制,這個調(diào)制函數(shù)H(t)可以通過仿真、實測等多種手段獲取,本文應(yīng)用CST Studio 2020進行仿真計算。仿真中,設(shè)置工作中心頻率為6 GHz,帶寬1 GHz,從5.5 GHz～6.5 GHz,頻率掃描間隔為5 MHz,共計201個點;計算角度考慮雷達波從機頭下腹部直接照射,因此設(shè)置為120°～150°,間隔1°,共計31個點;VV發(fā)射與接收。仿真設(shè)置及計算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 戰(zhàn)機三維建模仿真

圖4 戰(zhàn)機RCS以及角度計算示意圖

由于戰(zhàn)機物理尺寸對于計算的工作波長而言屬于電大尺寸,在求解器的選擇上放棄了原計劃的時域有限差分法(FDTD)方法,雖然該方法可以直接獲取雷達目標(biāo)的時域響應(yīng)波形,但是由于該方法為六面體網(wǎng)格刨分,對于戰(zhàn)機這類大型目標(biāo),未知數(shù)的數(shù)量巨大,一般運算服務(wù)器無法完成此類仿真運算,這里采用頻域穩(wěn)態(tài)計算方法。通過頻域仿真數(shù)據(jù),利用IFFT變換,最終得到時域目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。

將CST掃頻計算戰(zhàn)機寬帶雷達反射截面積(RCS)數(shù)據(jù)進行IFFT變換,可以得到戰(zhàn)機的一維距離像,如圖5所示。

圖5 戰(zhàn)機不同照射角度一維距離像

由圖5中可以看出回波起伏基本在0.5 s～1×10-7s,隨著照射角度的不斷增大,起伏間距變小。依據(jù)圖4的計算示意,照射角度越大,電磁波的照射方向越趨近于機腹位置,強散射點的間距相對靠近,因此一維距離像的距離范圍壓縮;不同照射角度,一維距離像都會有一個明顯的強散射點突出于其他距離位置的回波,根據(jù)戰(zhàn)機的外形尺寸分析,很可能是戰(zhàn)機左右對稱分布的進氣口;當(dāng)電磁波120°照射時(近似機頭方向入射),強散射點的間距估計1×10-7s,粗算該機長度應(yīng)該略大于15 m(戰(zhàn)機實際尺寸大于強散射點的分布),實際戰(zhàn)機長度為18.9 m。

3 雷達目標(biāo)回波基帶波形

具備雷達目標(biāo)回波特性參數(shù)的前提下,可以通過時域卷積或者頻域相乘的方法,得到電磁波照射情況下的戰(zhàn)機雷達照射回波數(shù)據(jù)。假設(shè)電磁波照射信號為Sig(t),戰(zhàn)機特性參數(shù)為H(t),經(jīng)過雷達目標(biāo)對照射電磁波信號的調(diào)制,雷達目標(biāo)回波時域波形Echo(t)為

Echo(t)=Sig(t)?H(t)

(1)

變換到頻域則為

Echo(f)=Sig(f)×H(f)

(2)

兩個信號在頻域相乘后,通過IFFT變換到時域,可得電磁脈沖照射戰(zhàn)機后的時域回波如圖6所示。

圖6 不同角度雷達目標(biāo)回波信號包絡(luò)

不同角度的雷達目標(biāo)回波作為后期深度學(xué)習(xí)的樣本,進行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)訓(xùn)練。實際操作時,還需要在上述仿真雷達目標(biāo)回波樣本的基礎(chǔ)上增加微小的擾動,以增強訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

4 存儲轉(zhuǎn)發(fā)假目標(biāo)設(shè)計

在開始訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時,還需要大量的虛假目標(biāo),輸入網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時標(biāo)記為假目標(biāo),以便網(wǎng)絡(luò)具有更強的目標(biāo)識別能力。

對于雷達脈沖信號,為了增加存儲轉(zhuǎn)發(fā)假目標(biāo)回波的逼真度,轉(zhuǎn)發(fā)干擾機對接收到的脈沖信號進行多種調(diào)制,如幅度調(diào)制以及相位調(diào)制等。利用rand(·)隨機函數(shù)對原始的雷達脈沖信號(見圖1)進行相應(yīng)調(diào)制,構(gòu)建干擾信號樣本集,這里仿真了100組幅度噪聲調(diào)制信號與100組相位噪聲調(diào)制信號。信號波形及其包絡(luò)如圖7所示。

圖7 脈沖回波幅度、相位調(diào)制假目標(biāo)

為了增強訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)假目標(biāo)的識別能力,除了對幅度、相位進行調(diào)制外,還對假目標(biāo)脈沖時長做了調(diào)整,脈沖時長100 ns～200 ns。

5 基于CNN網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)提取

構(gòu)建仿真雷達目標(biāo)不同照射角度的回波基帶包絡(luò)數(shù)據(jù),定義為T_Library_i(i=1…N),生成的假目標(biāo)基帶包絡(luò)數(shù)據(jù)定義為F_Library_j(j=1…M)。

采用CNN網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練,目標(biāo)函數(shù)取為Max_Distance(T_Library_i,F_Library_j)(i=1…N,j=1…M)、Min_Distance(T_Library_i,T_Library_j)(i≠j)。

第一條規(guī)則考慮網(wǎng)絡(luò)映射后,真目標(biāo)與虛假目標(biāo)的特征距離盡可能遠(yuǎn)離;第二條規(guī)則考慮網(wǎng)絡(luò)映射后,真實雷達目標(biāo)彼此的特征距離應(yīng)該盡可能靠近。

對于測試數(shù)據(jù)Test_data,如Min_Distance(T_Library_i,Test_data)(i=1…N)≤δ,則認(rèn)為是真實雷達目標(biāo)回波,否則判斷虛假目標(biāo)不予處理。δ是程序單獨設(shè)置的一個判斷閾值。

通過該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,可以很好地從假目標(biāo)中識別該型戰(zhàn)機的真實回波,且該戰(zhàn)機的空中姿態(tài)一目了然。

目前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計僅對該特定一型空中目標(biāo)具有較好的識別率,如果希望識別多型目標(biāo),則需要更多的訓(xùn)練樣本,網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)也需要做相應(yīng)調(diào)整。

6 結(jié)束語

本文探討了深度映射網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在雷達探測中的應(yīng)用,核心是真實雷達目標(biāo)回波的獲取。然而真實場景下,由于雷達工作場景不同(多徑),雷達工作狀態(tài)的不穩(wěn)定,可能真實目標(biāo)回波的基帶數(shù)據(jù)隨目標(biāo)姿態(tài)變化很大,這就需要大量前期數(shù)據(jù)進行積累。

在仿真的過程中也發(fā)現(xiàn),當(dāng)雷達采用窄脈沖激勵時,比如脈沖50 ns,或者更短,雷達目標(biāo)回波的特征極為明顯。回波包絡(luò)起伏隨目標(biāo)強散射點位置變化清晰可見。因此基于特征的雷達目標(biāo)檢測對于雷達的發(fā)射波形要求嚴(yán)格,可以考慮大帶寬的線性調(diào)頻信號作為激勵。