對調(diào)頻步進ISAR雷達兩種干擾效果的比較分析*

周志增，劉 朋，丁桂強，王永海

(中國洛陽電子裝備試驗中心， 河南孟州 454750)

0 引言

調(diào)頻步進信號通過發(fā)射瞬時的窄帶信號來合成寬帶信號，得到高分辨雷達信號。線性調(diào)頻步進雷達信號屬于調(diào)頻步進信號的一種，不同之處在于子脈沖采用CHIRP信號，與脈內(nèi)采用簡單脈沖信號的常規(guī)步進雷達相比，一方面可以采用較少的子脈沖實現(xiàn)合成高分辨，另一方面相比于采用寬帶成像雷達來說又降低了對系統(tǒng)瞬時帶寬的要求[1]。對于調(diào)頻步進雷達干擾技術(shù)來說，分為噪聲壓制和假目標(biāo)欺騙兩種。由于調(diào)頻步進雷達成像過程會獲取較大的積累增益，加上脈間信號變化時間快，給窄帶瞄頻帶來一定的困難，而寬帶由于能量不能集中，同樣不能起到很好的壓制效果[2]。

目前，對調(diào)頻步進雷達信號處理的研究主要集中在信號參數(shù)選取[3-4]以及對成像算法優(yōu)化上[5]，對調(diào)頻步進雷達的干擾研究較少，部分成果僅停留在理論層次，缺少實體雷達受干擾數(shù)據(jù)的支持。為此，文中結(jié)合卷積干擾原理，針對調(diào)頻步進成像中典型的時域波形綜合成像方法，對比分析了窄帶卷積干擾的效果及優(yōu)勢，并通過采集中頻數(shù)據(jù)，對理論分析進行驗證。

1 調(diào)頻步進雷達成像

調(diào)頻步進雷達信號的時域表示式為：

(1)

脈內(nèi)壓縮和脈間相參合成是調(diào)頻步進信號通過獲得高距離分辨率的兩個步驟，具體為首先對單個子脈沖進行的脈壓處理，得到中分辨信號，然后進行脈間的IDFT處理合成距離高分辨。假設(shè)混頻后的視頻回波幅度不變，位于距離R處的單個靜止點目標(biāo)回波經(jīng)IDFT處理后輸出結(jié)果為：

(2)

可以看出，IDFT處理的輸出是一離散sinc函數(shù)，其時間分辨率為1/(NΔf)[7-8]。

根據(jù)調(diào)頻步進ISAR雷達成像原理，處理方法分為數(shù)據(jù)采集、速度補償、子脈沖壓縮、目標(biāo)抽取、合成距離像、包絡(luò)對齊、相位補償以及最后的二維成像等步驟過程，其處理流程如圖1所示。

圖1 頻率捷變ISAR成像信號處理流程

2 調(diào)頻步進雷達抗干擾能力分析

設(shè)調(diào)頻步進雷達具有N個調(diào)頻步進脈沖，信號處理時對N個脈沖信號進行處理得到一維目標(biāo)高分辨距離像。

1)窄帶噪聲干擾。假設(shè)雷達在N個頻率點受到窄帶噪聲干擾，由于測頻、信號匹配等原因，只有M個干擾信號能起作用，干擾脈沖比例為M/N。在這M個脈沖時間內(nèi)起作用的干擾功率占1/M。因此總的干擾能量只有1/N起作用，這大大增強了雷達的抗干擾性能。對于具有128個步進頻率的調(diào)頻步進雷達來說，信號處理在頻域可使干信比降低 21dB，極大增強了雷達的抗干擾能力。

此外，調(diào)頻步進雷達在成像過程中，出現(xiàn)部分脈沖丟失或者受到干擾，對整體成像質(zhì)量影響不大。假設(shè)M個脈沖受到干擾，利用(N-M)個脈沖可以對散射點進行高分辨成像，有利于進一步降低干擾的作用。帶來的不足是雷達分辨率和探測能力受影響，分辨率下降到N/(N-M)。由于脈壓后主瓣出現(xiàn)展寬，信號幅度降低為(N-M)/N,由脈沖數(shù)減少引起的能量損失為(N-M)/N。因此，探測距離縮小到((N-M) /N)0.5·R,其中R是雷達未受到干擾時的作用距離。

2)寬帶噪聲干擾。如果干擾機采用寬帶干擾，設(shè)干擾功率為PJ，雷達瞬時頻率帶寬為B(中頻帶寬),則單個雷達脈沖受到的干擾功率為B·PJ/(N·Δf)，假設(shè)B≈Δf，則進入單個脈沖的功率為PJ/N，與窄帶瞄頻噪聲的干擾功率損失相當(dāng)。因此調(diào)頻步進雷達對一般寬帶壓制干擾的抗干擾性能是常規(guī)窄帶雷達的N倍。但是，如果干擾機能干擾到每個雷達脈沖，則調(diào)頻步進率將失去頻率變化帶來的抗干擾優(yōu)勢，但是前提條件是干擾機能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測頻，并且在極短的時間里發(fā)送出干擾信號。

3)相參處理抗干擾性能。由調(diào)頻步進雷達成像原理可知，雷達信號處理增益為GN。對非相參干擾，干擾信號無處理增益。因此對于相參干擾，調(diào)頻步進雷達的抗干擾能力是非相參積累雷達的N倍。

根據(jù)以上分析，對于一般的窄帶瞄頻噪聲干擾，調(diào)頻步進雷達在頻域信干比提升N倍， 在相參處理上信干比提升N倍，因此雷達信號處理后的信干比相對信號處理前提N2倍，即總抗干擾能力提升N2倍。例如對于128個頻率點的調(diào)頻步進雷達，如果雷達信號處理前的干信比為 20 dB，在雷達信號處理后的干信比只有-22 dB。

3 干擾原理

ISAR雷達與一般雷達最重要的區(qū)別在于ISAR有較大的距離像和方位像處理增益。要降低ISAR雷達的處理增益，可以從兩方面入手。首先，ISAR雷達成像必須經(jīng)過運動補償，其目的是為了獲取方位像增益，而干擾會導(dǎo)致包絡(luò)無法對齊將直接影響運動補償效果。其次，得到方位像的前提是獲取相關(guān)性較好的多組一維距離像，干擾只要破壞其中的部分距離像就能達到干擾目的[9]。

要破壞一維距離像，就是要破壞目標(biāo)抽取。影響目標(biāo)抽取的因素有很多，比如采樣間隔、步進頻率間隔、速度誤差、相位關(guān)系等，都會不同程度導(dǎo)致一維距離像出現(xiàn)冗余、亂序和偽峰等。相位作為影響成像的關(guān)鍵因素之一，相比于其他因素，可在干擾過程中直接作為被破壞因素。對頻率步進信號作IFFT處理時，要求信號在各脈沖之間具有嚴格的相位關(guān)系。通過對回波卷積噪聲干擾，可以達到破壞其相位關(guān)系，進一步影響一維距離像合成[10]。

4 干擾驗證

雷達中頻信號信噪比為15 dB，一組脈沖中共有128個脈沖，子脈沖帶寬為5 MHz，脈寬為13 μs，步進間隔為4 MHz，共用64組信號來進行二維像合成，干信比為15 dB，干擾分為窄帶干擾和卷積干擾兩種。

1)部分脈沖受窄帶干擾。假設(shè)每組脈沖中128個脈沖中隨機有32個受到干擾，未受干擾信號脈壓后如圖2(a)所示，理論計算脈沖壓縮后信噪比為33 dB，與計算結(jié)果相一致。圖2(b)為對一次像的距離對齊圖，對齊效果較好，目標(biāo)散射點集中。圖3為一維距離像和二維像，從結(jié)果中可以看出，干擾不影響一維距離像合成，其特征散射點分布明顯，最終合成的飛機二維像在距離像和方位像都沒有出現(xiàn)散焦問題，說明部分脈沖隨機受到窄帶干擾不會影響調(diào)頻步進雷達成像。

圖2 回波脈壓及距離對齊

2)全脈沖受窄帶干擾。假設(shè)每組脈沖中128個脈沖均受到干擾，信號脈壓后如圖4(a)所示。未受干擾時，理論計算脈沖壓縮后信噪比為33 dB，受干擾后，信噪比降為18 dB左右，與計算結(jié)果相一致。圖4(b)為對一維像的距離對齊圖，從結(jié)果中可以看出，對齊效果較好，沒有出現(xiàn)散亂情況。圖5為一維距離像和二維像，從結(jié)果中可以看出，干擾對一維距離像基本沒有影響，其特征散射點明顯，且信噪比較大。而對二維像有一定影響，二維像出現(xiàn)散焦，在方位向出現(xiàn)一定的模糊區(qū)，說明散射點相位補償受到干擾影響，但整體上能分辨出目標(biāo)輪廓。相比于部分脈沖受干擾來說，全部脈沖受干擾后對成像影響更大，但不影響辨識目標(biāo)整體輪廓。

圖3 一維距離像及二維成像

圖4 回波脈壓及距離對齊

圖5 一維距離像及二維成像

圖6 回波脈壓及距離對齊

3)全脈沖受卷積干擾。假設(shè)卷積干擾使用的窄帶干擾干信比和第2節(jié)中一樣，圖6(a)為脈壓后的結(jié)果，從中可以看出，脈壓后峰值部分明顯展寬，并具有多個峰值，直接導(dǎo)致無法有效進行距離單元對齊。采用同樣算法進行包絡(luò)對齊后，散射點出現(xiàn)散亂，且存在很多偽散射點。可見，峰值一旦出現(xiàn)多個，就導(dǎo)致一維像無法有效進行抽取，一維距離像的散射點明顯被噪聲淹沒，二維像在距離維和方向維都出現(xiàn)大范圍內(nèi)散焦，二維像無法合成。相比于第2節(jié)中的窄帶干擾來說，卷積干擾效果更好，由于卷積干擾是直接對脈沖回波信號進行卷積運算，不需要測頻，實時性強，能實現(xiàn)干擾到每一個調(diào)頻步進雷達脈沖。另外，對于同樣的干擾效果，卷積干擾對干擾功率要求更低。

圖7 一維距離像及二維成像

4)相關(guān)性分析。對ISAR成像來說，一般情況下，視角變化不大，散射點在目標(biāo)上的位置和強度變化比較緩慢，一維距離像之間的相關(guān)性較強。受到干擾之后，由于信噪比下降、峰值出現(xiàn)偏移等原因，必然影響到期相關(guān)性變?nèi)酢?/p>

對全脈沖受窄帶干擾和全脈沖受卷積干擾兩種情況下的距離像相關(guān)性進行分析，結(jié)果如圖8所示。上面的曲線為窄帶干擾后一維距離像之間的相關(guān)性，下面的曲線為卷積干擾后距離像之間的相關(guān)性?？梢园l(fā)現(xiàn)，在同樣干信比條件下，卷積干擾后一維像之間的相關(guān)性要小于窄帶干擾，進一步說明了卷積干擾效果要優(yōu)于窄帶干擾。

圖8 一維像相關(guān)性比較

5 結(jié)束語

針對常規(guī)窄帶干擾難以干擾調(diào)頻步進雷達成像問題，分析了調(diào)頻步進雷達的抗干擾性能以及成像原理。由理論分析和中頻數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，利用噪聲卷積干擾可有效破壞調(diào)頻步進雷達一維像合成環(huán)節(jié)，達到干擾效果。另外，在相同干信比的條件下，卷積干擾干擾效果要優(yōu)于常規(guī)窄帶噪聲干擾。文中所得結(jié)果均是采集中頻數(shù)據(jù)事后分析所得，下一步可進一步對分析結(jié)果進行驗證。