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(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)憑借全天時、全天候、高分辨的特點,已被廣泛應(yīng)用于目標分類、敵我識別、武器精確制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域[1-5]。近幾年來,從激光雷達中引入的微多普勒效應(yīng)為ISAR目標的精確識別提供了重要的輔助信息[6-7]。根據(jù)目標微動對電磁波的調(diào)制效應(yīng)分析可知,利用先進的時頻信號處理手段, 可以從微動目標的雷達回波中提取和估計目標微動信息,如速度、姿態(tài)變化等[8]。在微動目標的成像方面,可以綜合利用多個時刻微動目標的成像結(jié)果估計目標的微動結(jié)構(gòu)、微動尺寸和微動頻率等信息對雷達目標的探測和識別提供有效途徑,為目標的精細描述提供技術(shù)基礎(chǔ)[9-10]。
同時目標微動信息也對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[10]提出的基于正弦調(diào)相的干擾方法,文獻[11]提出的混沌噪聲調(diào)頻干擾方法,文獻[12]提出的一維距離像噪聲卷積的干擾方法等,均通過發(fā)射大功率干擾信號達到壓制干擾效果。非相參射頻噪聲干擾信號易被ISAR二維脈沖壓縮處理濾除,對干擾成本要求較高。而相參噪聲調(diào)制干擾信號雖可獲得二維脈壓處理增益,但需直接對ISAR接收機發(fā)射干擾信號,對偵查精度要求較高,且在距離ISAR接收機較遠情況下仍需較大發(fā)射功率。
從現(xiàn)有公開發(fā)表文獻來看,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[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,這就加大了工程實現(xiàn)難度,且微動信息固定,干擾效果無法根據(jù)需要實時調(diào)整。文獻[14]提出了基于數(shù)字圖像合成器的微動干擾方法,通過合成旋轉(zhuǎn)微動假目標點產(chǎn)生ISAR欺騙干擾,該方法在調(diào)制微動信息的同時還需進行延遲和移頻處理,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的ISAR微動散射波干擾方法。該方法將ISAR發(fā)射機與拖曳式干擾機[25-27]分別等效為雙基ISAR的發(fā)射機與接收機,干擾機對截獲的ISAR發(fā)射信號調(diào)制附加微動信息相位并轉(zhuǎn)發(fā)至目標,由目標散射至ISAR接收機。由于干擾機與目標距離較近,可獲得較大散射功率。同時干擾信號與真實目標回波相參,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現(xiàn)ISAR壓制干擾效果。
目標常見微動形式有飛機螺旋槳的旋轉(zhuǎn)、直升機旋翼的旋轉(zhuǎn)和渦輪式發(fā)動機葉片的旋轉(zhuǎn)等,不失一般性,以旋轉(zhuǎn)運動為例進行分析。
干擾場景模型如圖1所示,拖曳式干擾機由被保護目標通過拖曳線牽引而隨其一起運動。與SAR散射波干擾類似,干擾機對截獲到的ISAR發(fā)射信號進行相位調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā)至被保護目標,經(jīng)目標散射至雷達接收機。干擾機與雷達接收機可等效為雙基ISAR的發(fā)射站與接收站。以雷達視線方向為y軸,目標質(zhì)心O為原點建立坐標系xOy,同時在目標上以O(shè)為原點,等效雙基角平分線為v軸(以目標質(zhì)心O為散射點時)建立本地坐標系uOv。假設(shè)目標為經(jīng)過理想運動補償?shù)霓D(zhuǎn)臺模型,繞點O做初相為θ0、角速度為ω0的轉(zhuǎn)動。假設(shè)微動假目標點P(uP,vP)在目標上,且繞其旋轉(zhuǎn)中心O1做半徑為rP、初相為θP、角速度為ωP的勻速圓周運動,α為點P對應(yīng)等效雙基角;RO、RP、RO1分別為點O、點P和點O1與雷達間距離;RJO、RJP、RJO1分別為點O、點P和點O1與干擾機間距離;RO O1為點O和點O1間距離。
設(shè)干擾機截獲雷達發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖信號為
(1)
設(shè)tm時刻干擾信號歷程為RJPR(tm)=RJP(tm)+RP(tm),RJP(tm)為干擾機與微動假目標點P間距離;RP(tm)為微動假目標點P與雷達接收機間距離。則由圖1得
RP(tm)=RO+RO O1+rPsin(θP+ωPtm)+
(2)
RJP(tm)=RJO1+rPsin(θP+ωPtm)+
(3)
設(shè)干擾機轉(zhuǎn)發(fā)時延為td,σP為點P散射系數(shù),則點P散射回波信號為
(4)
式中:
(5)
由式(4)與式(1)對比可知,φP(tm)為包含微動信息的干擾機調(diào)制相位。干擾信號經(jīng)過匹配濾波歸一化后的一維距離像為
(6)
進行方位向傅里葉變換后即可獲得干擾信號二維距離-多普勒像表達式為
(7)
式中:Jn(·)為n階第一類貝塞爾函數(shù);微動假目標點P引起的多普勒頻率為
(8)
由式(8)可知,當(dāng)微動假目標點P轉(zhuǎn)速為0時,干擾信號可聚焦為二維sinc函數(shù),從而產(chǎn)生與真實目標相似的二維假目標圖像,但較真實目標圖像旋轉(zhuǎn)α/2度。當(dāng)點P旋轉(zhuǎn)速度不為0時,干擾信號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。
以圖1中點O為參考點,則點O和微動假目標點P散射信號功率分別為
(9)
(10)
式中:Pj為干擾機發(fā)射功率;Gj為干擾天線增益;σO、σP分別為點O、點P散射截面積;RJP為干擾機與點P距離;RP為點P與雷達距離;Pt為ISAR發(fā)射功率;G為ISAR天線增益;λ為信號波長。
由于RO O1?RO,RP≈RO,σP≈σO則ISAR接收機輸入端干信比(Jamming to Signal Ratio, JSR)為
(11)
由式(11)可知,在干擾機發(fā)射功率Pj和天線增益Gj、雷達發(fā)射功率Pt和天線增益G固定的情下,由于RJP遠小于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ISAR接收機輸入端JSR隨RJP的變化曲線。由圖2可以看出,ISAR接收機輸入端JSR與RJP成反比,因此由于拖曳式干擾機距離目標較近,通常可獲得較大干擾功率,在隨隊支援干擾等戰(zhàn)術(shù)背景中較為適用。
設(shè)雷達、目標與干擾機相對位置不變情況下,干擾機先后以相同發(fā)射功率、天線增益向雷達方向發(fā)射相參干擾信號和射頻噪聲信號。設(shè)nr、na分別為雷達信號處理機距離維、方位維單元數(shù),PJ為兩種干擾信號到達ISAR接收機輸入端功率。由于射頻噪聲與信號非相參,則其經(jīng)二維脈壓處理后信號處理器輸出端功率為
PJn=PJnrna
(12)
相參干擾信號經(jīng)二維脈壓處理后信號處理器輸出端功率為
(13)
可知經(jīng)過ISAR接收機信號處理,相參干擾信號比射頻噪聲信號增益高nrna倍。
目標采用理想散射點仿真模型,首先模擬干擾機截獲到的ISAR信號,對其進行微動信息調(diào)制后延時轉(zhuǎn)發(fā),經(jīng)目標散射至ISAR接收機,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。仿真雷達及目標參數(shù)設(shè)置如表1所示。
參數(shù)名稱參數(shù)值雷達載頻/GHz 10信號帶寬/MHz200雷達發(fā)射功率/kW1 600 雷達天線增益/dB30脈沖寬度/μs10脈沖重復(fù)頻率/Hz200脈沖積累數(shù)/個512目標與雷達距離/km200轉(zhuǎn)臺模型平動速度/(m·s-1)150轉(zhuǎn)臺模型角速度/(rad·s-1)0.02干擾機拖曳線長/m200干擾機發(fā)射功率/W120干擾機天線增益/dB10等效雙基角/(°)150
圖4給出了無干擾時散射點模型成像結(jié)果,對應(yīng)圖1中真實目標部分。
圖5為干擾機多次轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果,微動點旋轉(zhuǎn)半徑均為3.5 m,旋轉(zhuǎn)角速度均為20 rad/s,ISAR接收機輸入端干信比為16 dB??梢娬鎸嵞繕藞D像附近出現(xiàn)大量假目標,且微動特征一致,使真實目標淹沒于多假目中難以分辨,達到密集假目標壓制干擾效果。
圖6為微動假目標點角速度降為10 rad/s,其他參數(shù)不變條件下干擾效果,可以看出微動點旋轉(zhuǎn)角速度對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。為擴大微動假目標點運動半徑以達到遮蓋真實目標效果,將微動點旋轉(zhuǎn)半徑增大至7 m,旋轉(zhuǎn)角速度均為20 rad/s,ISAR接收機輸入端干信比提高至18.5 dB??梢娬鎸嵞繕藞D像被方位向干擾條帶遮蓋難以分辨,達到壓制干擾效果。
圖8為相同仿真場景下,將干擾樣式改為射頻噪聲干擾的仿真效果圖。此時ISAR接收機輸入端干信比為28.3 dB。對比圖7可知,達到遮蓋真實目標圖像干擾效果時,傳統(tǒng)射頻噪聲壓制干擾方法需更大的干信比,在本次仿真實驗場景中干信比高于微動散射波干擾方法約9.8 dB。由此可知基于拖曳式干擾機的ISAR微動散射波干擾方法能以較小成本達到壓制干擾效果。
仿真結(jié)果驗證了前文干擾方法理論分析的結(jié)論。
1) 干擾信號由目標散射至雷達,因此對雷達方位信息偵查精度要求較低。
2) 干擾機與目標距離較近,易獲得較大散射功率,且干擾信號與雷達信號相參,可獲得ISAR二維脈壓處理增壓,對干擾成本要求較小。
3) 通過控制干擾機轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)及微動調(diào)制參數(shù)可分別實現(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,是一種對抗ISAR目標分辨與識別的有效手段。