基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR微動(dòng)散射波干擾方法

唐崢釗，董春曦，暢鑫，劉明明，趙國慶

西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710071

逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)憑借全天時(shí)、全天候、高分辨的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)分類、敵我識(shí)別、武器精確制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域[1-5]。近幾年來，從激光雷達(dá)中引入的微多普勒效應(yīng)為ISAR目標(biāo)的精確識(shí)別提供了重要的輔助信息[6-7]。根據(jù)目標(biāo)微動(dòng)對(duì)電磁波的調(diào)制效應(yīng)分析可知，利用先進(jìn)的時(shí)頻信號(hào)處理手段, 可以從微動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)回波中提取和估計(jì)目標(biāo)微動(dòng)信息，如速度、姿態(tài)變化等[8]。在微動(dòng)目標(biāo)的成像方面，可以綜合利用多個(gè)時(shí)刻微動(dòng)目標(biāo)的成像結(jié)果估計(jì)目標(biāo)的微動(dòng)結(jié)構(gòu)、微動(dòng)尺寸和微動(dòng)頻率等信息對(duì)雷達(dá)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別提供有效途徑，為目標(biāo)的精細(xì)描述提供技術(shù)基礎(chǔ)[9-10]。

同時(shí)目標(biāo)微動(dòng)信息也對(duì)ISAR壓制干擾技術(shù)產(chǎn)生一定影響。傳統(tǒng)ISAR壓制干擾方法包括：射頻噪聲壓制干擾,文獻(xiàn)[10]提出的基于正弦調(diào)相的干擾方法,文獻(xiàn)[11]提出的混沌噪聲調(diào)頻干擾方法,文獻(xiàn)[12]提出的一維距離像噪聲卷積的干擾方法等，均通過發(fā)射大功率干擾信號(hào)達(dá)到壓制干擾效果。非相參射頻噪聲干擾信號(hào)易被ISAR二維脈沖壓縮處理濾除，對(duì)干擾成本要求較高。而相參噪聲調(diào)制干擾信號(hào)雖可獲得二維脈壓處理增益，但需直接對(duì)ISAR接收機(jī)發(fā)射干擾信號(hào)，對(duì)偵查精度要求較高，且在距離ISAR接收機(jī)較遠(yuǎn)情況下仍需較大發(fā)射功率。

從現(xiàn)有公開發(fā)表文獻(xiàn)來看，目前基于微多普勒效應(yīng)的ISAR干擾技術(shù)研究成果并不多見[13-22]，文獻(xiàn)[13]提出通過放置旋轉(zhuǎn)角反射器產(chǎn)生微多普勒效應(yīng)的ISAR干擾方法，該方法需要多個(gè)旋轉(zhuǎn)角反射器距離向布陣，且旋轉(zhuǎn)半徑、旋轉(zhuǎn)速度必須綜合考慮，這就加大了工程實(shí)現(xiàn)難度，且微動(dòng)信息固定，干擾效果無法根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整。文獻(xiàn)[14]提出了基于數(shù)字圖像合成器的微動(dòng)干擾方法，通過合成旋轉(zhuǎn)微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生ISAR欺騙干擾，該方法在調(diào)制微動(dòng)信息的同時(shí)還需進(jìn)行延遲和移頻處理，占用硬件資源較多且處理過程較為復(fù)雜，干擾效率受限。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，參考雙基ISAR工作原理[23-24]，提出了基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR微動(dòng)散射波干擾方法。該方法將ISAR發(fā)射機(jī)與拖曳式干擾機(jī)[25-27]分別等效為雙基ISAR的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，干擾機(jī)對(duì)截獲的ISAR發(fā)射信號(hào)調(diào)制附加微動(dòng)信息相位并轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)，由目標(biāo)散射至ISAR接收機(jī)。由于干擾機(jī)與目標(biāo)距離較近，可獲得較大散射功率。同時(shí)干擾信號(hào)與真實(shí)目標(biāo)回波相參，可獲得ISAR二維脈沖壓縮處理增益，因此該干擾方法能以較小功率實(shí)現(xiàn)ISAR壓制干擾效果。

1 干擾信號(hào)模型

目標(biāo)常見微動(dòng)形式有飛機(jī)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)、直升機(jī)旋翼的旋轉(zhuǎn)和渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)等，不失一般性，以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行分析。

干擾場(chǎng)景模型如圖1所示，拖曳式干擾機(jī)由被保護(hù)目標(biāo)通過拖曳線牽引而隨其一起運(yùn)動(dòng)。與SAR散射波干擾類似，干擾機(jī)對(duì)截獲到的ISAR發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā)至被保護(hù)目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)散射至雷達(dá)接收機(jī)。干擾機(jī)與雷達(dá)接收機(jī)可等效為雙基ISAR的發(fā)射站與接收站。以雷達(dá)視線方向?yàn)閥軸，目標(biāo)質(zhì)心O為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系xOy，同時(shí)在目標(biāo)上以O(shè)為原點(diǎn)，等效雙基角平分線為v軸(以目標(biāo)質(zhì)心O為散射點(diǎn)時(shí))建立本地坐標(biāo)系uOv。假設(shè)目標(biāo)為經(jīng)過理想運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)臺(tái)模型，繞點(diǎn)O做初相為θ0、角速度為ω0的轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P(uP,vP)在目標(biāo)上，且繞其旋轉(zhuǎn)中心O1做半徑為rP、初相為θP、角速度為ωP的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，α為點(diǎn)P對(duì)應(yīng)等效雙基角；RO、RP、RO1分別為點(diǎn)O、點(diǎn)P和點(diǎn)O1與雷達(dá)間距離；RJO、RJP、RJO1分別為點(diǎn)O、點(diǎn)P和點(diǎn)O1與干擾機(jī)間距離；RO O1為點(diǎn)O和點(diǎn)O1間距離。

設(shè)干擾機(jī)截獲雷達(dá)發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)為

(1)

設(shè)tm時(shí)刻干擾信號(hào)歷程為RJPR(tm)=RJP(tm)+RP(tm),RJP(tm)為干擾機(jī)與微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P間距離；RP(tm)為微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P與雷達(dá)接收機(jī)間距離。則由圖1得

RP(tm)=RO+RO O1+rPsin(θP+ωPtm)+

(2)

RJP(tm)=RJO1+rPsin(θP+ωPtm)+

(3)

設(shè)干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為td,σP為點(diǎn)P散射系數(shù)，則點(diǎn)P散射回波信號(hào)為

(4)

式中：

(5)

由式(4)與式(1)對(duì)比可知，φP(tm)為包含微動(dòng)信息的干擾機(jī)調(diào)制相位。干擾信號(hào)經(jīng)過匹配濾波歸一化后的一維距離像為

(6)

進(jìn)行方位向傅里葉變換后即可獲得干擾信號(hào)二維距離-多普勒像表達(dá)式為

(7)

式中：Jn(·)為n階第一類貝塞爾函數(shù)；微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P引起的多普勒頻率為

(8)

由式(8)可知，當(dāng)微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P轉(zhuǎn)速為0時(shí)，干擾信號(hào)可聚焦為二維sinc函數(shù)，從而產(chǎn)生與真實(shí)目標(biāo)相似的二維假目標(biāo)圖像，但較真實(shí)目標(biāo)圖像旋轉(zhuǎn)α/2度。當(dāng)點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)速度不為0時(shí)，干擾信號(hào)由于方位向受到頻率調(diào)制而展寬，其ISAR圖像出現(xiàn)干擾條帶。

2 干擾參數(shù)分析

以圖1中點(diǎn)O為參考點(diǎn)，則點(diǎn)O和微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P散射信號(hào)功率分別為

(9)

(10)

式中：Pj為干擾機(jī)發(fā)射功率；Gj為干擾天線增益；σO、σP分別為點(diǎn)O、點(diǎn)P散射截面積；RJP為干擾機(jī)與點(diǎn)P距離；RP為點(diǎn)P與雷達(dá)距離；Pt為ISAR發(fā)射功率；G為ISAR天線增益；λ為信號(hào)波長(zhǎng)。

由于RO O1?RO,RP≈RO,σP≈σO則ISAR接收機(jī)輸入端干信比(Jamming to Signal Ratio, JSR)為

(11)

由式(11)可知，在干擾機(jī)發(fā)射功率Pj和天線增益Gj、雷達(dá)發(fā)射功率Pt和天線增益G固定的情下，由于RJP遠(yuǎn)小于R0，可獲得較高干信比。

圖2給出了Pj=120 W，Gj=10 dB，Pt=1 600 KW，G=30 dB，RO分別為200、500、800 km時(shí)ISAR接收機(jī)輸入端JSR隨RJP的變化曲線。由圖2可以看出，ISAR接收機(jī)輸入端JSR與RJP成反比，因此由于拖曳式干擾機(jī)距離目標(biāo)較近，通常可獲得較大干擾功率，在隨隊(duì)支援干擾等戰(zhàn)術(shù)背景中較為適用。

設(shè)雷達(dá)、目標(biāo)與干擾機(jī)相對(duì)位置不變情況下，干擾機(jī)先后以相同發(fā)射功率、天線增益向雷達(dá)方向發(fā)射相參干擾信號(hào)和射頻噪聲信號(hào)。設(shè)nr、na分別為雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)距離維、方位維單元數(shù)，PJ為兩種干擾信號(hào)到達(dá)ISAR接收機(jī)輸入端功率。由于射頻噪聲與信號(hào)非相參，則其經(jīng)二維脈壓處理后信號(hào)處理器輸出端功率為

PJn=PJnrna

(12)

相參干擾信號(hào)經(jīng)二維脈壓處理后信號(hào)處理器輸出端功率為

(13)

可知經(jīng)過ISAR接收機(jī)信號(hào)處理,相參干擾信號(hào)比射頻噪聲信號(hào)增益高nrna倍。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真流程及參數(shù)設(shè)置

目標(biāo)采用理想散射點(diǎn)仿真模型，首先模擬干擾機(jī)截獲到的ISAR信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行微動(dòng)信息調(diào)制后延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)目標(biāo)散射至ISAR接收機(jī)，經(jīng)二維Range-Dopplor(R-D)成像處理后形成距離-多普勒頻率。仿真流程如圖3所示。仿真雷達(dá)及目標(biāo)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

參數(shù)名稱參數(shù)值雷達(dá)載頻/GHz 10信號(hào)帶寬/MHz200雷達(dá)發(fā)射功率/kW1 600 雷達(dá)天線增益/dB30脈沖寬度/μs10脈沖重復(fù)頻率/Hz200脈沖積累數(shù)/個(gè)512目標(biāo)與雷達(dá)距離/km200轉(zhuǎn)臺(tái)模型平動(dòng)速度/(m·s-1)150轉(zhuǎn)臺(tái)模型角速度/(rad·s-1)0.02干擾機(jī)拖曳線長(zhǎng)/m200干擾機(jī)發(fā)射功率/W120干擾機(jī)天線增益/dB10等效雙基角/(°)150

3.2 仿真結(jié)果及分析

圖4給出了無干擾時(shí)散射點(diǎn)模型成像結(jié)果，對(duì)應(yīng)圖1中真實(shí)目標(biāo)部分。

圖5為干擾機(jī)多次轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果，微動(dòng)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑均為3.5 m，旋轉(zhuǎn)角速度均為20 rad/s，ISAR接收機(jī)輸入端干信比為16 dB。可見真實(shí)目標(biāo)圖像附近出現(xiàn)大量假目標(biāo)，且微動(dòng)特征一致，使真實(shí)目標(biāo)淹沒于多假目中難以分辨，達(dá)到密集假目標(biāo)壓制干擾效果。

圖6為微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)角速度降為10 rad/s，其他參數(shù)不變條件下干擾效果，可以看出微動(dòng)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角速度對(duì)方位向干擾條帶疏密程度造成影響，旋轉(zhuǎn)角速度越大則對(duì)應(yīng)干擾條帶密集程度越高。圖7給出了壓制干擾效果。為擴(kuò)大微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)半徑以達(dá)到遮蓋真實(shí)目標(biāo)效果，將微動(dòng)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑增大至7 m，旋轉(zhuǎn)角速度均為20 rad/s，ISAR接收機(jī)輸入端干信比提高至18.5 dB。可見真實(shí)目標(biāo)圖像被方位向干擾條帶遮蓋難以分辨，達(dá)到壓制干擾效果。

圖8為相同仿真場(chǎng)景下，將干擾樣式改為射頻噪聲干擾的仿真效果圖。此時(shí)ISAR接收機(jī)輸入端干信比為28.3 dB。對(duì)比圖7可知，達(dá)到遮蓋真實(shí)目標(biāo)圖像干擾效果時(shí)，傳統(tǒng)射頻噪聲壓制干擾方法需更大的干信比，在本次仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中干信比高于微動(dòng)散射波干擾方法約9.8 dB。由此可知基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR微動(dòng)散射波干擾方法能以較小成本達(dá)到壓制干擾效果。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了前文干擾方法理論分析的結(jié)論。

4 結(jié) 論

1) 干擾信號(hào)由目標(biāo)散射至雷達(dá)，因此對(duì)雷達(dá)方位信息偵查精度要求較低。

2) 干擾機(jī)與目標(biāo)距離較近，易獲得較大散射功率，且干擾信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)相參，可獲得ISAR二維脈壓處理增壓，對(duì)干擾成本要求較小。

3) 通過控制干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)及微動(dòng)調(diào)制參數(shù)可分別實(shí)現(xiàn)不同的壓制干擾效果，與傳統(tǒng)壓制干擾方法相比干擾效果較為靈活可控，是一種對(duì)抗ISAR目標(biāo)分辨與識(shí)別的有效手段。