基于微多普勒特性的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的ISAR干擾技術(shù)

李 征，王 超，袁乃昌

(國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073)

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基于微多普勒特性的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的ISAR干擾技術(shù)

李 征，王 超，袁乃昌

(國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073)

從旋轉(zhuǎn)對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性出發(fā)，給出了一種生成逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)欺騙式干擾信號(hào)的新方法。干擾機(jī)根據(jù)這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)模型實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)的微動(dòng)量和強(qiáng)散射點(diǎn)的RCS，并依次對(duì)接收到的雷達(dá)信號(hào)在頻率域進(jìn)行調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)，生成具有微多普勒特征的虛假目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方雷達(dá)系統(tǒng)的欺騙干擾。根據(jù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)目標(biāo)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算干擾機(jī)和虛假目標(biāo)的位置，產(chǎn)生具有真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡平面虛假目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基于軌跡平面識(shí)別真假目標(biāo)雷達(dá)的有效對(duì)抗。仿真結(jié)果表明，該方法能夠逼真地生成ISAR欺騙式干擾信號(hào)。

空中進(jìn)動(dòng)目標(biāo)；微多普勒特性；ISAR；RCS

0 引言

彈道導(dǎo)彈在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中具有威懾力作用，彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的研究得到了越來越多的關(guān)注，而有效解決目標(biāo)識(shí)別技術(shù)一直是其核心問題之一。逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行二維高分辨成像，獲得目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特性和散射中心分布特性，因此ISAR被廣泛地應(yīng)用于彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中。為了保護(hù)彈道導(dǎo)彈目標(biāo)，如何有效地對(duì)ISAR系統(tǒng)進(jìn)行干擾逐漸成為電子對(duì)抗的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。

針對(duì)ISAR的有源干擾可分為壓制式干擾和欺騙式干擾。壓制式干擾直接向雷達(dá)發(fā)射噪聲信號(hào)，其原理簡(jiǎn)單，但是由于ISAR本身具有很高的信號(hào)處理增益，過低的干擾功率難以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的有效覆蓋，因此對(duì)于彈道導(dǎo)彈的伴飛式干擾機(jī)，多采用欺騙式干擾。文獻(xiàn)[1]提出了基于數(shù)字圖像合成(DIS)技術(shù)的ISAR假目標(biāo)干擾生成方法；有些文獻(xiàn)對(duì)多假目標(biāo)的產(chǎn)生方法進(jìn)行了研究；還有文獻(xiàn)提出了基于干擾機(jī)接收的ISAR信號(hào)和目標(biāo)實(shí)時(shí)回波信號(hào)之間的相位關(guān)系，采用補(bǔ)償調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)ISAR欺騙干擾。在干擾機(jī)與目標(biāo)開始分離時(shí)，其位置與目標(biāo)相同，其姿態(tài)和速度參數(shù)已知，根據(jù)空中目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算得到干擾機(jī)位置。對(duì)于空中目標(biāo)，其不僅具有整體的平動(dòng)，還具有由于進(jìn)動(dòng)引起的微動(dòng)特性[2]。微動(dòng)對(duì)雷達(dá)回波的調(diào)制效應(yīng)可體現(xiàn)在RCS序列、回波多普勒譜、回波功率譜以及高分辨成像結(jié)果中。結(jié)構(gòu)不同的目標(biāo)擁有不同的微動(dòng)特性，目標(biāo)的微多普勒在雷達(dá)回波中是唯一的。

1 欺騙干擾信號(hào)生成原理

假設(shè)ISAR雷達(dá)發(fā)射LFM信號(hào)

(1)

式中，tr是快時(shí)間，T是脈寬，fc是發(fā)射信號(hào)載頻，K=B/T是LFM信號(hào)調(diào)頻率，B是發(fā)射信號(hào)帶寬。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)ISAR雷達(dá)有效的欺騙干擾，需要在空中產(chǎn)生K個(gè)假目標(biāo)，且第k個(gè)假目標(biāo)含有Pk個(gè)散射點(diǎn)。假設(shè)第k個(gè)假目標(biāo)的第p個(gè)散射點(diǎn)與雷達(dá)之間的瞬時(shí)斜距為Rk,p(ta)，如果干擾機(jī)與雷達(dá)之間的瞬時(shí)斜距為RJ(ta)，其假目標(biāo)各個(gè)散射點(diǎn)與雷達(dá)之間的瞬時(shí)距離Rk,p(ta)與RJ(ta)之差為ΔRk,p(ta)。

干擾機(jī)截獲的雷達(dá)信號(hào)為：

exp(-j(4π/λ)RJ(ta))

(2)

雷達(dá)接收到的K個(gè)假目標(biāo)的回波信號(hào)為：

ST(tr,ta)=SJ(tr,ta)?hJ(tr,ta)

(3)

式中，hJ(tr,ta)為調(diào)制函數(shù)。

根據(jù)卷積性質(zhì)，干擾信號(hào)ST(tr,ta)的傅里葉變換可以表示為：

ST(fr,ta)=SJ(fr,ta)HJ(fr,ta)

(4)

通過對(duì)式(4)進(jìn)行逆傅里葉變換，就可以得到含有多個(gè)欺騙假目標(biāo)的干擾信號(hào)ST(tr,ta)。

要實(shí)時(shí)產(chǎn)生干擾信號(hào)，關(guān)鍵之一是要實(shí)時(shí)計(jì)算得到瞬時(shí)距離差ΔRk,p(ta)和散射系數(shù)σk,p。

2 空中進(jìn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型[3-4]

空中剛體目標(biāo)的進(jìn)動(dòng)可以分解為兩部分：目標(biāo)繞某旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)及該中心的平動(dòng)。第k個(gè)目標(biāo)上單個(gè)散射中心p而言，在時(shí)刻ta，其到雷達(dá)的距離為：

(5)

ΔRk,p(ta)=ΔRk,o(ta)+rk,p(ta)

(6)

式中，ΔRk,o(ta)表示目標(biāo)平動(dòng)引起的距離差。根據(jù)式(6)可知，可以分兩部分計(jì)算得到距離差ΔRk,p(ta)：平動(dòng)調(diào)制ΔRk,p(ta)和微動(dòng)調(diào)制rk,p(ta)。

2.1 平動(dòng)調(diào)制

建立如圖1所示坐標(biāo)系，OxIyIzI為地心慣性(ECI)坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)在地心O，OxI軸在赤道平面內(nèi)指向平春分點(diǎn)，OzI軸垂直于赤道平面，與地球自轉(zhuǎn)軸重合，指向北極，OyI軸的方向是使得該坐標(biāo)系成為右手直角坐標(biāo)系的方向。OxFyFzF為地心(EC)坐標(biāo)系，EC坐標(biāo)系是一個(gè)相對(duì)地球固定的坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)在地心O，OzF在赤道平面內(nèi)指向格林威治天文臺(tái)所在的子午線，OzF軸垂直于赤道平面指向北極，OxFyFzF組成右手直角坐標(biāo)系。

圖1 ECI與EC坐標(biāo)系

在任何時(shí)刻ta，干擾機(jī)到雷達(dá)的距離為：

(7)

第k個(gè)假目標(biāo)質(zhì)心到雷達(dá)的距離為：

(8)

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)制

首先討論只有一個(gè)假目標(biāo)的情況。許多空中目標(biāo)都有規(guī)則的形狀，比如球形、圓柱形和圓錐形。在本文中把空中目標(biāo)等效為平底錐柱體[5]，其模型如圖2所示。理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量表明，在高頻區(qū)，目標(biāo)的電磁散射可以等效為某些局部位置上的多散射中心的電磁散射。

圖2 假目標(biāo)模型

以干擾機(jī)為原點(diǎn)，建立如圖3所示空間坐標(biāo)系，Oxyz為假目標(biāo)速度坐標(biāo)系，Oy軸為飛行方向，且為假目標(biāo)進(jìn)動(dòng)軸，OXYZ為假目標(biāo)本體坐標(biāo)系。

圖3 干擾機(jī)、假目標(biāo)與雷達(dá)的幾何關(guān)系

(9)

(10)

OY軸和視線方向的夾角φ為：

(11)

根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)，可以得到：

(12)

散射中心S1、S2S4、S3S5在LOS上的微動(dòng)調(diào)制為：

(13)

3 散射點(diǎn)RCS計(jì)算

當(dāng)π>φ>0時(shí)，各個(gè)散射點(diǎn)的RCS可以根據(jù)下式[6]計(jì)算：

(14)

式中，k0=2π/λ是波速，λ是波長，d1=1+χ/π，d2=3/2。從式(14)中，可以看出錐頂散射點(diǎn)S1的RCS是固定不變的，其他散射點(diǎn)的RCS隨著入射角φ的變化而變化?？梢愿鶕?jù)式(11)得到入射角，然后實(shí)時(shí)計(jì)算各散射點(diǎn)的RCS。

4 仿真驗(yàn)證

圖4和圖5分別展示了干擾機(jī)和假目標(biāo)的高程和在ENU坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖6展示了干擾機(jī)與雷達(dá)和假目標(biāo)與雷達(dá)的距離之差與時(shí)間關(guān)系，可以看出，兩者的距離差并非固定不變，是隨時(shí)間變化而變化。因此在模擬產(chǎn)生ISAR干擾回波時(shí)，采用一個(gè)固定延時(shí)來調(diào)制偵收到的雷達(dá)信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)形成干擾目標(biāo)，通常情況下欺騙假目標(biāo)形成的雷達(dá)軌跡會(huì)偏離地心的真實(shí)軌跡平面。

圖4 高程

圖5 運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 距離之差與時(shí)間關(guān)系

圖7是假目標(biāo)進(jìn)動(dòng)軸與雷達(dá)視線方向的夾角隨時(shí)間的變化曲線。可以看出，由于假目標(biāo)在做周期性的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，夾角也隨著時(shí)間出現(xiàn)周期性的變化。圖8和圖9分別是假目標(biāo)各散射點(diǎn)的微動(dòng)和RCS隨時(shí)間的變化曲線。從圖8中可以看出，假目標(biāo)各散射點(diǎn)的微動(dòng)隨著時(shí)間的周期變化的同時(shí)，其大小隨著時(shí)間也出現(xiàn)變化，這是由于假目標(biāo)進(jìn)動(dòng)軸與雷達(dá)視線方向的夾角的變化引起的。在圖9中可以看出散射點(diǎn)S1的RCS是固定的，不隨時(shí)間變化而發(fā)生變化，其他散射點(diǎn)的RCS會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，特別是對(duì)于散射點(diǎn)S3和S5而言，在一段時(shí)間內(nèi)為零。以上仿真結(jié)果與理論分析相符合。

圖7 進(jìn)動(dòng)軸與雷達(dá)視線夾角

圖8 假目標(biāo)散射點(diǎn)微動(dòng)變化

圖9 假目標(biāo)散射點(diǎn)的RCS變化

圖10～12分別是對(duì)61s、122s和184s的產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)的ISAR成像結(jié)果。從中可以看出不同時(shí)刻對(duì)假目標(biāo)的ISAR成像結(jié)果是不同的，在61s時(shí)，雷達(dá)只能照射到散射點(diǎn)S1、S2和S3；在122s時(shí)，雷達(dá)只能照射到散射點(diǎn)S1、S2、S3和S4；在184s時(shí)，雷達(dá)只能照射到散射點(diǎn)S1、S4和S5。

圖10 61s時(shí)成像結(jié)果

圖12 184s時(shí)成像結(jié)果

5 結(jié)束語

本文針對(duì)基于微多普勒特征和運(yùn)動(dòng)軌跡特征識(shí)別空中真假目標(biāo)的雷達(dá)，提出了一種新的ISAR欺騙干擾信號(hào)產(chǎn)生方法。根據(jù)空中目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算干擾機(jī)和假目標(biāo)的空間位置，同時(shí)利用假目標(biāo)模型和進(jìn)動(dòng)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算假目標(biāo)的微動(dòng)量和強(qiáng)散射點(diǎn)的RCS，根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算得到的參數(shù)，依次將接收到的雷達(dá)信號(hào)在頻率域進(jìn)行調(diào)制處理后轉(zhuǎn)發(fā)，產(chǎn)生同時(shí)具有微動(dòng)特性和真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的假目標(biāo)的雷達(dá)回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ISAR的欺騙式干擾。仿真結(jié)果表明，該方法有效可行。■

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ISAR jamming techniques based on micro-Doppler characteristics of rotational symmetrical precession targets

Li Zheng, Wang Chao, Yuan Naichang

(National University of Defense Technology, School of Electronic Science, Changsha 410073, Hunan, China)

From the target motion characteristics of rotational symmetrical precession, a new method of the generation of inverse synthetic aperture radar (ISAR) of deception jamming signal is provided. The jammer according to the rotational symmetrical precession target model, the strong scattering points of the RCS are real-time calculated,and sequentially

radar signal for forwarding modulation in frequency domain, the false targets are generated with micro-Doppler characteristics,the jamming to enemy ISAR radar system are implemented. According to the rotational precession of the target model, the jamming and false target position are real-time calculated, which has the real trajectory of planar false targets, thus realizing the effective against radar target recognition based on trajectory plane. The simulation results show that the proposed method can generate ISAR deceptive jamming signal.

rotational symetrical precession target; micro-Doppler characteristics; ISAR; RCS

2017-05-16；2017-07-06修回。

李征(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞ㄖ茖?dǎo)與對(duì)抗。

TN974

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