ISAR 基帶干擾系統設計與實現

趙忠凱，陳通

哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

逆合成孔徑雷達是一種二維成像雷達[1?5]，不僅能夠提供目標的距離、方位數據，還可以獲取運動目標的距離?多普勒二維圖像，在軍事領域中有非常重要的應用[6]。因此，對ISAR 的成像干擾已成為電子對抗領域的一個熱點問題，具有十分重要的軍事價值。其中，有源欺騙干擾是ISAR干擾領域中的重要組成部分，它能夠形成聚焦良好的二維假目標成像結果，使得對方ISAR 雷達無法對虛假目標和真實目標的ISAR 圖像做出正確地分析和辨識，實現對真實目標的隱藏與保護[7]。圖像合成技術[8?9]在假目標欺騙干擾方面有很好的優勢，能夠很好地實現ISAR 成像基帶干擾。在傳統的圖像合成技術基礎上，許多學者進行了優化和改進。文獻[10]改進了DIS 技術中的調制系數，降低了其復雜程度。文獻[11]提出一種T-DIS 方法，簡化了傳統DIS 方法的相位調制，提高了運行速度。文獻[12]嘗試在DIS 模板中添加微動特性，從而實現條帶式或者點斑的干擾樣式。文獻[13]提出了3 種生成多假目標信號的圖像合成技術方案，最終生成了含多假目標信息的信號。文獻[14]中由于有19 600 個散射點，在圖像合成技術的硬件實現中，需要大量的數字控制振蕩器(numerically controlled oscillator，NCO)、DDS等硬件資源。因此采用基于快速傅里葉逆變換(inverse fast Fourier transform，IFFT)的DIS 方 法，將大量的NCO 運算簡化為一次IFFT 運算，大大減少了計算量，節約了大量的硬件資源。但是，由于IFFT 運算存在頻率分辨率的原因，不能產生任意頻率信號，只能盡可能地接近，導致最終生成的信號頻率并不十分精確，從而使得ISAR 成像干擾產生一定的誤差。

針對基于IFFT 的DIS 方法最終生成的信號頻率不十分精確的問題，本文對多個散射點圖像模板的ISAR 成像干擾，采用改進的基于DDS 的DIS 方法，設計了一種ISAR 成像基帶干擾系統。推導出了ISAR 成像基帶干擾信號數學模型，并通過MATLAB 仿真驗證了其理論的正確性。

1 ISAR 成像的基帶干擾

比較經典的ISAR 成像模型是ISAR 轉臺成像模型，如圖1 所示。左邊是雷達，右邊是目標，目標僅圍繞雷達做旋轉運動。其中， R0是目標中心O 點到雷達的距離； P(x0,y0)是目標上的散射點；R(t)是 目標上的散射點到雷達的距離； ω是目標轉動的角速度； Vr是目標平動速度； ρ 是散射點P(x0,y0)到目標中心的距離； θ是目標上散射點 P(x0,y0)與平面坐標系的夾角。

圖1 ISAR 轉臺成像模型

ISAR 雷達發射的信號為

式中： A為信號幅度； T 為脈寬； K為調頻斜率，且K=B/T ， B 為 帶寬； f0為載頻。

回波去除載頻后，作距離向脈壓為

式中： t? 是指每個雷達回波采集的時間歷程；tm=mTPRI用 以計量發射脈沖時刻，其中 TPRI為發射信號的周期； tdm為 反射時延； t0=2R0/c為參考延時。作傅里葉變化，可以得到一維距離像：

式中i 為散射點。

散射點在方位向的回波為

最后將包絡置于同一個距離單元內，得到的ISAR 二維像為

式中： r 為散射點中心點到散射點的距離； f為散射點的頻率； Ai為 信號幅度； c 為 光速； tr為包絡校正后的量； fd為多普勒頻率。

由此可見，距離峰值為

接下來在ISAR 轉臺成像模型的基礎上進行ISAR 干擾。首先，干擾機接收到雷達信號之后，對其進行干擾處理，然后發射出去，其發射信號形式上應該與目標回波相同，因此求得ISAR 干擾信號為

式中： k×l 是 散射點總個數； τdi=2Ri/c是第i 個散射點的延時。ISAR 干擾信號的相位是

可以發現ISAR 干擾信號的相位由雷達信號的相位和ISAR 基帶干擾信號相位所組成。本文中ISAR 基帶干擾方式采用參數引導體制，利用已知的雷達信號先驗參數，然后將ISAR 干擾信號與接收雷達信號混頻，濾除載頻，可以得到：

同時，幅度增益為 Ai， 時間延時 td和多普勒頻率 fd分別為

從式(1)～(3)可知，可以用數字圖像合成技術生成特定的ISAR 基帶干擾信號，也就是ISAR 成像模板中的每個點都對應于一個單頻信號，其信號幅度由該散射點的幅度增益決定，其頻率由該散射點相對中心點的延時決定，調制相位由該散射點的多普勒頻率決定。因此，在ISAR 干擾硬件實現中，僅需要計算出所有成像模板中散射點對應的延時以及多普勒頻率，采用數字圖像合成技術，即可生成ISAR 基帶信號，然后與接收雷達采樣信號混頻，可以得到最終的ISAR 干擾信號。

對ISAR 基帶干擾進行MATLAB 仿真，仿真條件設置為：采樣頻率1.2 GHz，信號帶寬1 GHz，雷達信號中心頻率10 GHz，則距離分辨率為0.15 m ，脈寬20 μs，周期500 μs，目標旋轉速度為0.78 (°)/s，采用64 個脈沖積累成像，ISAR 成像模板如圖2所示。模板大小為 64×64，其中一共32 個成像點，整體形狀為“漸變色五角星”，散射點增益強度從上往下依次加強，也就是散射點灰度顏色從上往下依次加深。

圖2 ISAR 成像模板

由該ISAR 成像模板求解得到的幅度增益、時間延時和多普勒頻率如圖3 所示。

圖3 幅度增益、時間延時和多普勒頻率

ISAR 基帶干擾MATLAB 仿真結果的等高線灰度圖如圖4 所示，每個散射點中心的顏色從上往下由深灰色到淺灰色變化。由顏色條可知，散射點增益強度從上往下依次加強，最終32 個散射點目標集合成“漸變色五角星”。ISAR 成像模板與ISAR 基帶干擾MATLAB 仿真結果對比，可以看到，基帶干擾信號能夠呈現近似成像模板的假目標圖像，驗證了ISAR 基帶干擾系統設計思路的正確性。

圖4 ISAR 基帶干擾MATLAB 仿真結果

2 FPGA 硬件實現

ISAR 基帶干擾系統在型號為XC7VX690T 的Virtex-7 系列FPGA 平臺上實現。

在本設計中，雷達信號采樣頻率1.2 GHz，由于頻率過高，在FPGA 上直接運算不太容易。因此，本文將1 路雷達采樣信號分成8 路并行信號，然后采用150 MHz 時鐘，同時處理分成的8 路并行信號，大大降低了硬件實現的難度。

ISAR 基帶干擾系統具體的硬件實現框圖如圖5 所示，其中虛線框內即為基帶干擾信號產生模塊，該模塊是依據文獻[7,10]提出的DIS 方法實現的。本設計采用的模板大小為 64×64，成像模板為32 點模板。根據欺騙圖像模板中的相關信息，實時計算得到每個散射點的頻率字、相位字和增益，利用DDS 模塊產生滿足一定頻率和相位條件的正弦信號，附加散射點增益后，即可得到每個散射點對應的基帶干擾信號。將多個散射點信息合成后，得到欺騙圖像模板所對應的ISAR 基帶干擾信號，然后與接收到的雷達信號調制后，便可得到最終的ISAR 干擾信號。

圖5 ISAR 基帶干擾實現框圖

由于本設計中成像模板為32 點模板，產生正弦信號時需要32 路信號并行處理，就需要32 個DDS IP 核，硬件資源占用率比較高。本設計將32 路信號并行處理轉換成1 路信號流水線處理，如圖6 所示，采用32 點模板共用1 個DDS IP 核的方法，降低了硬件資源占用率。

圖6 ISAR 基帶干擾高效實現框圖

對于ISAR 基帶干擾信號FPGA 程序實現，首先要選擇成像模板 M，然后針對該成像模板的所有散射點，需要記錄它們每個散射點的3 個參數，分別是距離、相位和增益(R 、 ?、 G)，它們的集合分別 記 為 M(1) 、 M(2) 、 M(3)，然 后 把 它 們 存 儲 到FPGA 的ROM 里。接下來根據存儲的數據計算每個散射點的時間延時 td和多普勒頻率 fd：式 中： td的 單 位 是ns； Ru=δR為 距 離 單 位 量；δR=c/2B為距離分辨率。

在設計中，雷達信號帶寬1 GHz、中心頻率10 GHz、目標旋轉速度為0.1(°)/s。對 td和 fd進行化簡得

接下來，利用FPGA 實現 td和 fd計算，求解過程如圖7 所示。其中， td_reg1為 最終的 td輸出，fd_reg1為最終 fd輸出。

圖7 延時與多普勒頻率求解流程

以上ISAR 基帶干擾高效實現、延時與多普勒頻率求解的ModelSim 仿真結果如圖8 所示。其中32 個散射點moban_data_0 到moban_data_31 合并為1 路moban_data；m1_reg 是距離；m2_reg 是相位，也就是頻率字相位字；m3_reg 是增益；dout_cos是DDS 產生的余弦信號；dout_sin 是DDS 產生的正弦信號；td_reg1 為最終的 td輸出，fd_reg1 為最終輸出。

圖8 ISAR 基帶干擾ModelSim 仿真結果

根據計算得到的 td和 fd，分別準確地生成每個散射點的同相和正交分量的單頻信號。然而在采用基于IFFT 的DIS 方法生成單頻信號時，由于IFFT運算的特性，只能產生逼近 td和 fd的單頻信號，因此本文采用改進的基于DDS 的DIS 方法，解決了最終生成的信號頻率可能不十分精確的問題。

生成每個散射點的同相和正交分量的單頻信號后，接下來將32 散射點所對應的單頻信號相加，即可得到ISAR 基帶干擾信號的同相和正交分量。最后將其與雷達采樣信號相乘，再將此信號送至延時疊加模塊，延時疊加模塊的大致結構如圖9 所示。根據延時時間和疊加次數的不同，能夠產生不同距離信息的假目標信號，從而得到不同干擾樣式的ISAR 干擾信號。

圖9 延時疊加結構

利用MATLAB 生成線性調頻信號并導入ModelSim 進行仿真，然后讀取ModelSim 生成的干擾信號txt 文件，將干擾信號與接收雷達信號混頻，進行解線調處理，得到模板基帶信號，如圖10所示。之后將64 個脈沖積累周期的信號排列為時間采樣點乘脈沖數的矩陣，進行二維傅里葉變換即可得到干擾信號的成像結果，其結果的等高線灰度圖如圖11 所示。可以看到32 個散射點的大小從上往下由小變大，每個散射點中心的顏色從上往下由深灰色到淺灰色變化，由顏色條可知散射點增益強度從上往下依次加強，最終32 個散射點目標集合成“漸變色五角星”。同時由于實際硬件中存在的相位計算誤差以及噪聲等因素，FPGA 輸出的干擾信號成像將會存在誤差，總體上與MATLAB 仿真結果一致。

3 硬件測試

完成前面的MATLAB 和ModelSim 仿真工作后，最后對ISAR 基帶干擾系統的干擾效果進行物理測試。

ISAR 干擾在線性調頻信號下可以成像，需要先設定輸入信號參數，即信號源參數。參數設置為：中心頻率1.75 GHz，脈沖寬度20 μs，重復周期2 ms，信號功率0 dB·m，信號源生成信號時域波形如圖12 所示。

圖12 信號源生成信號時域波形

成像模板大小為 64×64，其中共32 個成像點，整體形狀為“漸變色五角星”，散射點增益強度從上往下依次加強。系統工作后即可產生ISAR 干擾信號。通過信號源發送信號進入系統，然后通過示波器觀察最終輸出ISAR 干擾信號的時域，如圖13 所示；通過頻譜儀觀察其頻譜，如圖14所示。

圖13 ISAR 干擾信號的時域波形

圖11 ISAR 基帶干擾ModelSim 結果

圖10 模板基帶信號仿真結果

其中高速采樣示波器采集干擾信號的時域數據，共采集64 個脈沖的干擾信號，然后通過MATLAB對采集的數據進行ISAR 成像處理。ISAR 干擾測試結果的等高線灰度圖如圖15 所示，可以看出散射點的大小從上往下大致由小變大，每個散射點中心的顏色從上往下由深灰色到淺灰色變化，散射點增益強度從上往下依次加強，最終32 個散射點成像結果仍為“漸變色五角星”，表明該系統能夠很好地實現ISAR 干擾。

圖14 ISAR 干擾信號頻譜

圖15 ISAR 干擾測試結果

4 結論

本文主要研究了多個散射點圖像模板的ISAR成像干擾，并設計了一種ISAR 基帶干擾系統。得到結論如下：

1)本文設計的ISAR 基帶干擾系統在MATLAB、Vivado 和ModelSim 平臺完成建模仿真和硬件實現，最后使用信號源等儀器進行測試，測試結果表明，該系統能夠很好地實現ISAR 干擾。

2)本文設計的ISAR 基帶干擾系統在硬件實現中，采用改進的基于DDS 的DIS 方法，得到信號頻率十分精確的基帶干擾信號，同時降低了硬件資源占用率。

在ISAR 成像干擾中，本文設計的ISAR 基帶干擾系統降低了ISAR 成像干擾工程實現的復雜度和硬件資源占用率，具有廣泛的適用性，同時硬件測試結果表明了該系統的正確性。本文的研究內容對ISAR 成像干擾的實現有著一定的工程指導意義。