對ＩＳＡＲ一維距離像的卷積干擾研究

摘 要：首先給出了ISAR雷達(dá)的勻速直線運(yùn)動目標(biāo)的成像模型，分析了成像原理，根據(jù)發(fā)射的LFM信號的特點(diǎn)，提出了針對距離維的卷積干擾，理論分析了卷積干擾機(jī)理，證明卷積干擾對ISAR雷達(dá)具有顯著的干擾效果。根據(jù)視頻信號的不同，干擾機(jī)能產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙干擾和噪聲覆蓋干擾兩種效果。仿真實(shí)驗(yàn)表明理論分析的正確性和實(shí)際應(yīng)用的可行性。

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關(guān)鍵詞：卷積干擾；脈沖卷積干擾；噪聲卷積干擾;ISAR

中圖分類號：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)11-015-03

Research on Convolution Jamming Technology against ISAR in Range Dimension

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TIAN Xiangfei1，SHENG Jisong2

(1.College of Electronic Information，Jiangsu University Science Technology，Zhenjiang，212003，China;

2.The 723 Institute of CSIC，Yangzhou，225001，China)

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Abstract：The article first presents the imaging model of ISAR radar objects with uniform linear motion，then analyzes the imaging principles.According tocharacteristics of the LFM signalemitted，convolution jamming against distance-dimensional is proposed.Then the articletheoretically analyzes mechanism of convolution jamming and proves it has notable jamming effects against ISAR radar.According to different video signals，jamming mechanismgeneratestwo jamming results:1 targets deception jamming and coverage noise jamming.Simulation experiments showcorrectness of theoretical analysis and feasibility of practical application.

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Keywords：convolution jamming;pulse convolution jamming;noise convolution jamming;ISAR

逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像近20年來受到廣泛的關(guān)注。ISAR具有遠(yuǎn)距離、全天候、全天時(shí)工作等優(yōu)點(diǎn)，通過ISAR成像來進(jìn)行目標(biāo)識別已在現(xiàn)代雷達(dá)中廣泛應(yīng)用。在軍事上，他可用于戰(zhàn)略防御中對飛行目標(biāo)進(jìn)行跟蹤成像，也可用于對地面運(yùn)動目標(biāo)(如車輛、坦克和艦船等)成像。在民用上，他可在無線電天文學(xué)中對各種星體進(jìn)行成像研究，還可用于民航機(jī)場的空中交通管制和港口的場面監(jiān)視等。因此，對ISAR的干擾具有重要意義，根據(jù)ISAR雷達(dá)信號處理的特點(diǎn)，本文提出一種新的干擾技術(shù)——卷積干擾。卷積干擾是一種應(yīng)答式干擾，根據(jù)在脈沖壓縮后要求的干擾效果，干擾機(jī)接收雷達(dá)照射信號后與視頻信號卷積，再經(jīng)放大后轉(zhuǎn)發(fā)。這種干擾不需要測頻就能干擾頻率捷變的脈沖壓縮雷達(dá)，還可利用脈沖壓縮的處理增益，降低干擾功率要求。通過改變視頻信號形式，可靈活產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙干擾和噪聲遮蓋干擾。

1 ISAR直線運(yùn)動目標(biāo)成像模型

ISAR成像最基本的形式是旋轉(zhuǎn)目標(biāo)成像，但實(shí)際的雷達(dá)目標(biāo)大多是機(jī)動飛行的，對飛行目標(biāo)的ISAR成像有一定的特殊性，考慮最基本運(yùn)動形式勻速直線運(yùn)動。如圖1所示，目標(biāo)以速度ω沿X軸作直線運(yùn)動，雷達(dá)處于X-Y坐標(biāo)系上的點(diǎn)q(0，－d)，雷達(dá)視線和目標(biāo)的速度矢量決定了XQY平面，u-v坐標(biāo)系固定在目標(biāo)上，其原點(diǎn)為o點(diǎn)，o點(diǎn)在X-Y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為［x(t)，0］，并且x(t)=ωt，X1-Y1坐標(biāo)系的原點(diǎn)仍為o點(diǎn)，且Y1軸與雷達(dá)視線共線，雷達(dá)到o點(diǎn)的距離qo=r0(t)，雷達(dá)到目標(biāo)上任意一點(diǎn)p的距離pq=r(t)，p點(diǎn)在u-v坐標(biāo)系中坐標(biāo)為［u，v］，d是目標(biāo)的飛行高度。 

圖1 勻速直線運(yùn)動目標(biāo)幾何示意圖

針對圖1的幾何模型，文獻(xiàn)［1］給出了具體的推導(dǎo)過程，經(jīng)過推導(dǎo)，可以得到如下結(jié)果:



fd=2uωλdr(t)d+v

(1)



式中fd為p點(diǎn)的多普勒頻移。從上式中可以看出，在ω，λ，d不變的情況下，不同u值，即不同方位(橫向)上的點(diǎn)對應(yīng)不同的多普勒頻率(在方位上存在著多普勒頻率變化)，同一方位，即等u值點(diǎn)對應(yīng)著相同的多普勒頻率，故在目標(biāo)上的等u值線即為等多普勒線。不同v值(距離)上對應(yīng)著不同的距離，相同的v值對應(yīng)著相同的距離，故在目標(biāo)上的等v值線即為等距離線。

因此可以通過對回波的多普勒頻率濾波，得到目標(biāo)的方位向信息，通過對回波進(jìn)行距離上的選通得到目標(biāo)距離向的信息，這兩個(gè)方向上的信息組合起來就可構(gòu)成目標(biāo)的二維圖像。

2 卷積干擾信號的產(chǎn)生機(jī)理

雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號，設(shè)干擾機(jī)位于目標(biāo)上，且離雷達(dá)的距離為d，接收到的雷達(dá)發(fā)射的LFM信號為:



s(t)=exp［j2π(f0t+μt2/2)］

(2)



其中f0為載頻，μ=B/Tp為調(diào)頻斜率，B為帶寬，Tp為脈寬。

設(shè)目標(biāo)為點(diǎn)目標(biāo)，反射強(qiáng)度為σ，目標(biāo)的響應(yīng)函數(shù):



c(t)=σδ(t－τ)

(3)



其中τ=2d/c，c是光速，則目標(biāo)回波信號為:



p(t)=c(t)*s(t)

(4)



干擾機(jī)接收到雷達(dá)照射信號后，用視頻函數(shù)f(t)與接收信號卷積后轉(zhuǎn)發(fā)，即干擾信號為:



J(t)=f(t)*s(t)

(5)



那么匹配濾波器的輸入信號為:



u(t)=p(t)+J(t)=［c(t)+f(t)］*s(t)

(6)



設(shè)s(t)，c(t)，u(t)和f(t)的頻譜分別為S(f)，C(f)，U(f)和F(f)，則:



U(f)=［C(f)+F(f)］S(f)

(7)



經(jīng)匹配濾波之后輸出的頻譜為:



V(f)=U(f)S*(f)=［C(f)+F(f)］|S(f)|2

(8)



對應(yīng)時(shí)域輸出為:



v(t)=c(t)*F－1［|S(f)|2］+f(t)*F－1［|S(f)|2］

(9)



式中，F－1［|S(f)|2］稱作點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)^[2]。由上式可見，脈沖壓縮輸出信號中目標(biāo)回波信號決定于目標(biāo)的反射特性c(t)，干擾信號決定于參與卷積的視頻信號f(t)。換言之，任一函數(shù)與線性調(diào)頻信號卷積，其脈沖壓縮輸出信號為該函數(shù)與點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的卷積，亦即獲得了脈沖壓縮處理增益。

根據(jù)需要，f(t)可以靈活選取為沖擊脈沖串或者視頻噪聲，二者分別可以產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙干擾和噪聲遮蓋性干擾效果。將這兩種干擾分別稱為脈沖卷積干擾和噪聲卷積干擾。

2.1 脈沖卷積干擾

設(shè)f(t)為N個(gè)幅度不同、時(shí)延不同的沖擊脈沖組成的脈沖串，表示為:



f(t)=∑Ni=1Aiδ(t－ti)

(10)



設(shè)N=1，他與接收到的雷達(dá)信號卷積，相當(dāng)于將原來的線性調(diào)頻信號移位至這個(gè)沖擊脈沖的位置，因此，卷積結(jié)果相當(dāng)于原信號與這個(gè)移位的線性調(diào)頻信號疊加。因此，脈沖卷積干擾等效于將線性調(diào)頻信號延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)的結(jié)果。每個(gè)線性調(diào)頻脈沖與回波信號有相同的時(shí)頻特性，因此他們也具有相同的處理增益。這種情況與多散射點(diǎn)構(gòu)成的目標(biāo)產(chǎn)生距離像的機(jī)理相同，也就是在真實(shí)目標(biāo)之后產(chǎn)生了幾個(gè)假的點(diǎn)目標(biāo)。

假目標(biāo)信號滯后于目標(biāo)回波，當(dāng)需要在回波前產(chǎn)生假目標(biāo)時(shí)，必須先將接收信號移頻再與f(t)卷積。這是因?yàn)榫€性調(diào)頻信號的頻移和時(shí)延間有強(qiáng)藕合，即:



fd+μτ=0

(11)



為補(bǔ)償干擾引起的時(shí)延或產(chǎn)生超前于目標(biāo)回波的信號，對線性調(diào)頻信號的頻移量可由式(11)得到。

假目標(biāo)的最大時(shí)延受線性調(diào)頻信號的時(shí)寬限制，當(dāng)干擾機(jī)中沒有射頻存貯設(shè)備時(shí)，接收信號的持續(xù)時(shí)間為線性調(diào)頻信號的時(shí)寬。當(dāng)f(t)的時(shí)延大于線性調(diào)頻信號的時(shí)寬時(shí)，由于信號不存在，卷積結(jié)果為0。

2.2 噪聲卷積干擾

設(shè)f(t)=n(t)，n(t)為視頻噪聲，可想象為幅度隨機(jī)的許多脈沖之和，實(shí)際的數(shù)字噪聲正是這種情況。其脈寬等于噪聲的取樣周期，脈內(nèi)的幅度為確定值。從脈沖卷積干擾可以推斷，噪聲卷積干擾的時(shí)頻特性也是位于目標(biāo)回波后的一系列隨機(jī)脈沖產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號。

噪聲卷積干擾利用了視頻噪聲與雷達(dá)照射信號的卷積結(jié)果作為干擾信號，干擾的頻率隨照射信號的頻率變化而變化。換言之，干擾機(jī)不需要測頻和頻率引導(dǎo)，就能自動瞄準(zhǔn)信號頻率，由于干擾信號總是滯后于回波信號，為使干擾信號的出現(xiàn)時(shí)間提前于回波信號，可將接收信號移頻后與噪聲卷積，因此能對頻率捷變雷達(dá)干擾。

由于時(shí)域卷積等效于頻域相乘，因此，從頻域來分析，可以將雷達(dá)信號視為一個(gè)頻率范圍為［fc－B/2，fc+B/2］的濾波器。設(shè)數(shù)字噪聲功率譜密度不變，當(dāng)其帶寬大于信號帶寬時(shí)，帶外能量被濾除掉，因此壓縮后的干擾功率也有所損失；當(dāng)其帶寬小于信號帶寬時(shí)，相當(dāng)于沒有被濾波，但由于其帶寬較窄，噪聲功率本身就要小許多，因此壓縮后的干擾功率也較小。因此應(yīng)使數(shù)字噪聲帶寬與雷達(dá)信號帶寬大致相等，這樣就可以最大限度利用噪聲功率。此外，噪聲卷積干擾脈壓后的干擾持續(xù)時(shí)間決定于噪聲的持續(xù)時(shí)間。回波信號經(jīng)脈壓后的時(shí)寬等于1/B，為使干擾信號覆蓋回波，干擾信號的時(shí)寬應(yīng)大于1/B，即噪聲的持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于1/B。

3 仿真結(jié)果

3.1 脈沖卷積干擾

仿真時(shí)雷達(dá)參數(shù):發(fā)射信號載頻為10 GHz，帶寬為100 MHz，脈沖寬度為5 μs。

三個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的距離向位置坐標(biāo)為［9 992.5，10 000，10 015］。視頻脈沖為一個(gè)沖擊脈沖，位置為0.5 μs，它與線性調(diào)頻信號相卷積，然后將卷積結(jié)果作為干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)出去，平均距離像和成像結(jié)果如圖2所示。

圖2 脈沖卷積干擾后的一維距離像和目標(biāo)圖像

可以看出，干擾產(chǎn)生的距離像位于目標(biāo)距離像之后，且其相對位置關(guān)系保持不變。這個(gè)結(jié)果相當(dāng)于將雷達(dá)信號延遲了0.5 μs之后轉(zhuǎn)發(fā)。由于這種方法產(chǎn)生的干擾距離像只能位于回波之后，可以對接收的雷達(dá)信號移頻之后再與視頻信號卷積。這種干擾產(chǎn)生的距離像如圖3所示，移頻量與時(shí)延之間應(yīng)滿足fd+μτ=0，此處將fd設(shè)置為10 MHz，那么時(shí)延量應(yīng)為－0.5 μs，即干擾產(chǎn)生的距離像比原來的位置提前了0.5 μs(75 m)，仿真結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

圖3 移頻后的一維距離像和目標(biāo)圖像

通過移頻的方法，使得脈沖卷積干擾的壓縮結(jié)果在目標(biāo)前后均可以產(chǎn)生，但是，移頻之后干擾壓縮峰比目標(biāo)回波壓縮峰降低了，這是因?yàn)橐祁l引起了能量損失。

3.2 噪聲卷積干擾

設(shè)數(shù)字噪聲帶寬與雷達(dá)信號帶寬相同，時(shí)寬為雷達(dá)信號的10/1，且其幅度服從均值為0，方差為1的高斯分布。根據(jù)前面的理論分析，干擾的壓縮結(jié)果應(yīng)該位于目標(biāo)回波之后，且應(yīng)該也得到一定的壓縮增益，幅度大大提高。可以看到，卷積干擾壓縮的結(jié)果全部位于圖4所示目標(biāo)回波壓縮峰之后，為了在目標(biāo)前后均產(chǎn)生覆蓋效果，可以采用移頻措施。根據(jù)前面的分析，當(dāng)移頻量為10 MHz時(shí)，干擾壓縮結(jié)果應(yīng)左移0.5 μs(75 m)，從圖5的仿真結(jié)果中看到確實(shí)如此。同脈沖卷積移頻一樣，它也有移頻帶來的能量損失，因此，幅度相對有所下降。

圖4 噪聲卷積干擾后的一維距離像和目標(biāo)圖像

圖5 移頻后的一維距離像和目標(biāo)圖像

4 結(jié) 語

卷積干擾作為ISAR雷達(dá)的一種有效而靈活的干擾樣式，既能產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙性干擾效果，又能產(chǎn)生噪聲遮蓋性干擾效果。他是一種應(yīng)答式干擾，干擾機(jī)接收到雷達(dá)照射信號之后與某視頻信號進(jìn)行卷積，再經(jīng)放大之后轉(zhuǎn)發(fā)。這種干擾僅需要測頻就能干擾頻率捷變的脈沖壓縮雷達(dá)，還可利用脈沖壓縮的處理增益，降低干擾功率要求。理論分析證明，本文提出的干擾形式對線性調(diào)頻脈壓雷達(dá)是有著顯著干擾效果的，而仿真實(shí)驗(yàn)也表明了理論分析的正確性和實(shí)際應(yīng)用的可行性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］費(fèi)智婷.機(jī)動目標(biāo)的逆合成孔徑雷達(dá)成像研究\\[D\\].成都:電子科技大學(xué)，2006.

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［2］劉永坦.雷達(dá)成像技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱大學(xué)出版社，1999.

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［3］趙國慶.雷達(dá)對抗原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

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［4］劉鈺英，尚朝軒，何強(qiáng)，等.基于SPW平臺的逆合成孔徑雷達(dá)成像［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(5):1-3.

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［5］王偉，陳黎霞，賀英英.基于DCT的雷達(dá)距離像譜分析［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(9):48-49.

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作者簡介 田向飛 男，1981年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)干擾與抗干擾技術(shù)。

盛驥松 男，1968年出生，研究員，中船重工集團(tuán)723所研究員。主要研究方向?yàn)殡娮訉梗走_(dá)系統(tǒng)總體。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。