相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)低分辨率雷達(dá)回波特征的影響

孟維澤,田潤(rùn)坤,張靜克,邢世其,申緒澗

(1.國(guó)防科技大學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 410073;2.CEMEE國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引 言

隨著雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展,雷達(dá)的分辨率也隨之提高,高分辨率雷達(dá)甚至可以從對(duì)回波特征的分析中獲取目標(biāo)的散射點(diǎn)分布,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成像和目標(biāo)識(shí)別。針對(duì)這些雷達(dá),學(xué)者們提出了許多干擾樣式,并已有學(xué)者通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)的手段驗(yàn)證了這些干擾手段能對(duì)高分辨率雷達(dá)產(chǎn)生效果。其中得到廣泛應(yīng)用的是相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

但與此同時(shí),很多國(guó)家和地區(qū)目前仍主要采用低分辨率的雷達(dá)作為預(yù)警探測(cè)手段。因此探尋這些被大量使用的相干干擾樣式對(duì)于低分辨率雷達(dá)的影響效果十分必要。

近些年來(lái),不少學(xué)者提出用不同方法提取低分辨率雷達(dá)的回波特征,以期采用新的方法提升現(xiàn)有列裝裝備的性能,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的粗分類(lèi)識(shí)別。但未見(jiàn)有學(xué)者考慮新出現(xiàn)的干擾樣式會(huì)對(duì)低分辨率雷達(dá)回波產(chǎn)生什么樣的影響。羅宏等人[1]率先提出使用反卷積法獲得雷達(dá)目標(biāo)回波的波形特征,并探索建立起利用低分辨率的視頻回波逆推到近似的高分辨率波形的數(shù)學(xué)模型,豐富了波形特征,為進(jìn)一步的目標(biāo)識(shí)別奠定了可能。但該模型是建立在“目標(biāo)的散射分布特性在高分辨和低分辨時(shí)一致”的假設(shè)成立的前提下的,原文并未提到這個(gè)設(shè)定是否成立,仍需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

王偉等人[2]通過(guò)直接利用3種低分辨率回波的動(dòng)態(tài)特征提出目標(biāo)分類(lèi)算法,可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的目標(biāo)分類(lèi)。此后,張漢華等人[3]將“使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為分類(lèi)器”這一方法引入了低分辨率雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別中,并利用模糊極大極小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FMM)得到了良好的分類(lèi)效果。此后,采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法成為了該領(lǐng)域的主流方向,絕大多數(shù)都采用“兩步走”辦法,即先提取出回波的特征參數(shù),然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。目前國(guó)內(nèi)外已有十?dāng)?shù)篇文獻(xiàn)[4-13]利用不同的特征提取增強(qiáng)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)方法取得不同的效果?？梢钥闯?絕大部分研究只集中于使用各種方式提升特征提取和目標(biāo)識(shí)別的效率及準(zhǔn)確率,并沒(méi)有考慮到干擾對(duì)低分辨雷達(dá)回波特征提取的影響,此方向的研究仍存在大量空白。

1 低分辨率雷達(dá)回波的仿真與分析

在實(shí)際戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用環(huán)境中,雷達(dá)操作員通過(guò)操作臺(tái)對(duì)雷達(dá)回波的“A顯”或“三維顯”觀(guān)察分析,對(duì)目標(biāo)的類(lèi)型和狀態(tài)進(jìn)行判斷。對(duì)此,下文對(duì)低分辨率目標(biāo)回波波形特征的提取與分析進(jìn)行研究。

1.1 低分辨率雷達(dá)回波模型

在低分辨率雷達(dá)的回波研究過(guò)程中,通常將單個(gè)長(zhǎng)度小于雷達(dá)分辨率的目標(biāo)視為一個(gè)散射點(diǎn)。此時(shí)若將整個(gè)回波產(chǎn)生過(guò)程視為一個(gè)線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng),其中目標(biāo)的沖激響應(yīng)用h(t)來(lái)表示,雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)用p(t)來(lái)表示,n(t)表示噪聲,*代表卷積運(yùn)算,則雷達(dá)的回波s(t)可由下述公式表示:

s(t)=p(t)*h(t)+n(t)

(1)

目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于低分辨率雷達(dá)回波仿真方面的研究都基于視頻回波層面進(jìn)行直接仿真[14-15],容易造成波形失真和細(xì)節(jié)的丟失。本文進(jìn)行最基本的采樣點(diǎn)級(jí)別的仿真,以確?；夭ǚ抡娴臄M真度。一般情況下低分辨率雷達(dá)都為脈沖多普勒體制,采用線(xiàn)性調(diào)頻(LFM)信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)。對(duì)應(yīng)公式(1)中的變量,其具體表達(dá)式為:

p(t)=A·exp(j2πf0t+jπkt2)

(2)

h(t)=σ·δ(t-t0)

(3)

s(t)=A·L·σ·exp(j2πf0(t-t0)+

jπk(t-t0)2)+n(t)

(4)

k=B/Tp

(5)

式中:A表示發(fā)射信號(hào)的幅值;exp(·)表示取以e為底的指數(shù);k表示調(diào)頻率;t表示時(shí)間;σ表示散射截面積(RCS);δ(·)表示沖擊響應(yīng);t0表示由傳播距離帶來(lái)的時(shí)延;L表示由傳播距離帶來(lái)的衰減;B表示LFM信號(hào)的帶寬;Tp表示單次脈沖的時(shí)寬。

當(dāng)目標(biāo)體型尺寸較大時(shí)(如大型船舶),或相距間隔較大的數(shù)個(gè)尺寸較小的目標(biāo)時(shí)(如飛機(jī)梯隊(duì)),低分辨雷達(dá)可以將其視為多個(gè)距離不同的散射點(diǎn)。一般可用N個(gè)散射中心函數(shù)分權(quán)疊加進(jìn)行模擬,其得到的總回波信號(hào)s′(t)為:

(6)

式中:N的取值與目標(biāo)的尺寸及姿態(tài)有關(guān);下標(biāo)i表示第i個(gè)散射點(diǎn),對(duì)應(yīng)參數(shù)與該點(diǎn)的位置和其本身散射特性有關(guān)。

1.2 目標(biāo)回波仿真

按照表1所示的參數(shù)設(shè)置,分別對(duì)擴(kuò)展目標(biāo)和多目標(biāo)2種目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行雷達(dá)“A顯”和“三維顯”的回波仿真。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

首先進(jìn)行擴(kuò)展目標(biāo)仿真,設(shè)目標(biāo)的散射點(diǎn)位于距離雷達(dá)的第4 000、4 001、4 002個(gè)分辨單元中。由LFM信號(hào)處理理論可計(jì)算求得表1參數(shù)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)分辨率,公式如下:

(7)

式中:c表示光速,代入表1的值可求得分辨單元為15 m。

以這3個(gè)緊密靠近的散射點(diǎn)作為擴(kuò)展目標(biāo)(長(zhǎng)度約45 m的大目標(biāo))的仿真,對(duì)其回波進(jìn)行200個(gè)點(diǎn)的均方根包絡(luò)檢波,其回波顯示效果如圖1所示。

圖1 擴(kuò)展目標(biāo)雷達(dá)回波仿真效果

可以看出,擴(kuò)展目標(biāo)的回波主要呈現(xiàn)一個(gè)波峰的狀態(tài),數(shù)個(gè)脈沖之間略有微小的起伏,與文獻(xiàn)[14]～[15]中給出的真實(shí)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)形狀基本一致。

對(duì)于有一定間隔的多個(gè)小目標(biāo),低分辨雷達(dá)可以將其視為有一定間距的多個(gè)散射點(diǎn)模型,利用公式(6)的多個(gè)散射中心回波疊加可以對(duì)小目標(biāo)群進(jìn)行回波仿真。

同樣使用表1中的參數(shù)設(shè)置,且對(duì)其回波進(jìn)行200個(gè)點(diǎn)的均方根包絡(luò)檢波。此時(shí)分別將小目標(biāo)群中的2個(gè)目標(biāo)位置分別設(shè)置在第4 000、4 030個(gè)(間距較小)分辨單元處和第4 000、4 200個(gè)(間距較大)分辨單元處,顯示效果如圖2所示。

圖2 小目標(biāo)群雷達(dá)回波仿真效果

在一般情況下,可以通過(guò)回波波形的主峰數(shù)目對(duì)目標(biāo)數(shù)量進(jìn)行粗略判斷。但對(duì)比圖2結(jié)果,目標(biāo)散射點(diǎn)間距較小時(shí),由于波形疊加,會(huì)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)回波疊加為一個(gè)主峰。對(duì)比擴(kuò)展目標(biāo)和間距較小的目標(biāo)群,可以看到在波形的細(xì)微特征上仍有較為明顯的區(qū)別,因此有了波形特征提取和雷達(dá)操作員觀(guān)察分析的空間。

1.3 目標(biāo)回波特征分析

在高分辨率雷達(dá)中,由于目標(biāo)散射點(diǎn)細(xì)節(jié)極為豐富,不同類(lèi)型的目標(biāo)有各自極為明顯的特點(diǎn)。因此可以依據(jù)目標(biāo)散射點(diǎn)成像結(jié)果和算法進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別,如確定飛機(jī)、艦船的具體型號(hào)等。低分辨率雷達(dá)在對(duì)目標(biāo)的探測(cè)中,往往會(huì)損失大量目標(biāo)細(xì)節(jié),無(wú)法從回波中提取出高分辨率的散射點(diǎn)分布和其他信息。有經(jīng)驗(yàn)的操作員可以通過(guò)低分辨率雷達(dá)回波的波形特征對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速的分析和判斷,有效提高了低分辨率雷達(dá)的辨識(shí)能力。比如不同數(shù)量(單個(gè)或多個(gè))、不同類(lèi)別(直升機(jī)、固定翼飛機(jī)等)的目標(biāo)就在回波強(qiáng)度、波形寬度、波色上有明顯區(qū)別,因此具有研究分析的空間。

因此,采納文獻(xiàn)[2]中部分定義的時(shí)域波形特征參數(shù)并結(jié)合部分新提出的參數(shù),來(lái)描述回波經(jīng)包絡(luò)檢波后的特征,表征雷達(dá)操作員對(duì)波形細(xì)節(jié)特征的觀(guān)察角度,并對(duì)1.2節(jié)中的3組回波進(jìn)行了計(jì)算?？紤]到隨機(jī)噪聲因素的影響,取其1 000次脈沖的均值,其回波特征如表2所示。

表2 回波特征值

由表2可以看出,不同類(lèi)型目標(biāo)回波的特征值之間有一定的差異,為雷達(dá)操作員判別目標(biāo)給出了空間。

2 不同相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)回波特征的影響

近些年來(lái),雷達(dá)干擾樣式快速發(fā)展,產(chǎn)生了不少新型干擾體制。數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)這種干擾設(shè)備得到了極為廣泛的應(yīng)用,它能采用轉(zhuǎn)發(fā)截獲雷達(dá)信號(hào)的方式輕松生成干擾信號(hào),并讓干擾獲得雷達(dá)的系統(tǒng)增益。

2.1 典型相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾

學(xué)者們基于DRFM提出了多種相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾,本文選取其中3個(gè)典型的樣式進(jìn)行分析,類(lèi)型分別為:基于噪聲、脈內(nèi)干擾、脈間干擾。

靈巧噪聲干擾是代表性的基于噪聲產(chǎn)生的相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾,需要產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲,并將其調(diào)制到雷達(dá)回波信號(hào)上,再將其發(fā)射回雷達(dá)接收天線(xiàn)處。這里選取靈巧噪聲干擾是為了與經(jīng)典的噪聲干擾對(duì)比體現(xiàn)不同,靈巧噪聲干擾利用了雷達(dá)系統(tǒng)本身的相干性質(zhì),獲得了較大的系統(tǒng)增益,其干擾效果比經(jīng)典噪聲干擾更加明顯。

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾[16]是轉(zhuǎn)發(fā)干擾中一種代表性的脈內(nèi)干擾手段,需要先對(duì)雷達(dá)信號(hào)低速率間歇采樣,然后將其轉(zhuǎn)發(fā)回雷達(dá)接收天線(xiàn)處,最終可以生成逼真的相干假目標(biāo)串,能對(duì)單次脈沖產(chǎn)生較大的影響。

多普勒微調(diào)干擾是一種代表性的脈間干擾手段。需要在目標(biāo)處接收到雷達(dá)的發(fā)射信號(hào),再對(duì)回波頻率進(jìn)行微小的隨機(jī)調(diào)制,且每個(gè)脈沖內(nèi)的頻率微動(dòng)量互不相關(guān)。這種方式會(huì)破壞回波的相干性,使其匹配濾波的性能下降,令波形發(fā)生變化,尤其會(huì)對(duì)雷達(dá)的“三維顯”產(chǎn)生顯著的影響。

2.2 3種干擾對(duì)回波顯示的影響

首先進(jìn)行靈巧噪聲干擾的回波顯示仿真,使用瑞利分布的噪聲,并將噪聲的瑞利分布參數(shù)設(shè)為1,干信比設(shè)為0 dB,將噪聲加入單個(gè)大目標(biāo)的回波后,獲得的顯示效果如圖3所示。

圖3 引入靈巧噪聲干擾回波仿真效果

通過(guò)對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn),引入的相干噪聲獲得了雷達(dá)本身的增益效果。在同等條件下,靈巧噪聲干擾比普通的噪聲干擾對(duì)波形特征的影響更大。

圖4 同等條件普通噪聲干擾回波仿真效果

盡管顯示效果受到了一定的破壞,卻仍能從圖4的顯示中看出有目標(biāo)的存在,僅波形細(xì)節(jié)受到了一定的損失,下一節(jié)將進(jìn)行具體分析。

其次,進(jìn)行間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的回波顯示仿真,為能更好地展示間歇采樣的效果,將采樣率提高至200 MHz。設(shè)置采樣脈沖周期為2 μs,間歇采樣干擾信號(hào)采樣周期為4 μs,干信比設(shè)為0 dB,可以獲得顯示效果如圖5所示。

圖5 引入間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾回波仿真效果

從圖5中可以看到,在原本目標(biāo)的回波基礎(chǔ)上出現(xiàn)了新的波峰,可以作為假目標(biāo)存在。且各個(gè)脈沖間的波形相對(duì)穩(wěn)定,與上一個(gè)干擾樣式相比更不容易判斷出有干擾存在,但波形細(xì)節(jié)得到了一定的保留。

最后進(jìn)行多普勒微調(diào)干擾的回波顯示仿真,設(shè)置頻率微動(dòng)范圍為-0.5～0.5 MHz,干信比為0 dB,得到回波顯示效果如圖6所示。

圖6 引入多普勒微調(diào)干擾回波仿真效果

從圖6中可以看到,波形仍呈現(xiàn)為單個(gè)脈沖,但波形細(xì)節(jié)受到了很大的破壞。在“三維顯”的展示下,回波主脈沖外信號(hào)較為干凈平滑,脈沖內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)極大的尖峰,且脈內(nèi)具有一定的起伏波動(dòng)。

2.3 3種干擾對(duì)回波特征值的影響

依據(jù)2.2節(jié)中3種干擾的參數(shù)設(shè)置,分別對(duì)1.2節(jié)中設(shè)置的3類(lèi)目標(biāo)回波(擴(kuò)展目標(biāo)、間距較小的小目標(biāo)群、間距較大的小目標(biāo)群)進(jìn)行加入干擾的仿真。

首先對(duì)比擴(kuò)展目標(biāo)的回波特征值在引入干擾后的變化,如表3所示;其次是間距較小的小目標(biāo)群的回波特征值在引入干擾后的變化,如表4所示;最后是間距較大的小目標(biāo)群的回波特征值在引入干擾后的變化,如表5所示。

表3 擴(kuò)展目標(biāo)引入干擾后的回波特征值

表4 間距較小的小目標(biāo)群引入干擾后的回波特征值

表5 間距較大的小目標(biāo)群引入干擾后的回波特征值

由表3～表5可知,2.2節(jié)中對(duì)于干擾效果的分析與其相對(duì)應(yīng)的回波特征值的變化匹配,可以部分影響對(duì)回波的判讀結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于信號(hào)級(jí)仿真分析了3種代表性的相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾方式對(duì)廣泛應(yīng)用的低分辨率雷達(dá)的回波波形的影響,并基于此驗(yàn)證了這些干擾方式會(huì)對(duì)雷達(dá)回波的部分特征產(chǎn)生較大的影響。目前本文為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)支撐,可以進(jìn)一步研究的方向有:豐富低分辨率雷達(dá)種類(lèi)和細(xì)節(jié),探究更為復(fù)雜的干擾樣式和目標(biāo)類(lèi)型,引入具體的雷達(dá)常用目標(biāo)分類(lèi)算法,引入低分辨率雷達(dá)常用的抗干擾方式等手段等。