祝本玉 薛 磊,2 畢大平,2

(1.電子工程學院,安徽 合肥230037;2.安徽省電子制約技術重點實驗室,安徽 合肥 230037)

1. 引 言

逆合成孔徑雷達(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)是一種高分辨率的二維成像雷達，它不僅可以用于對戰(zhàn)術目標(飛機、艦船等)進行成像和識別，也可以在戰(zhàn)略防御系統(tǒng)中用于對中段和再入段的彈道導彈進行成像識別[1]。ISAR憑借著高分辨率、全天時、全天候和可以直接觀察的特點在軍事領域發(fā)揮日益重要的作用。因此，對ISAR的干擾技術研究具有十分重要的意義。

與用于檢測目標、估計目標位置及運動參數(shù)的傳統(tǒng)雷達不同，ISAR依靠距離多普勒原理可以獲得高分辨的目標二維像。因此，對ISAR的干擾，主要是通過破壞或削弱IASR圖像的質量，以阻止敵方從圖像中識別目標及有用信息[2]。欺騙干擾技術由于其能高逼真地模擬目標回波信號，具有較高的干擾功率利用率；而且利用人為制造的某些虛假目標，使雷達難辨真?zhèn)?，因而有著特殊的干擾效果。但傳統(tǒng)的直接轉發(fā)式干擾方法對IASR只能形成點目標回波，不能形成分布式的欺騙假目標。文獻[3-4]研究了基于數(shù)字圖像合成(Digital Image Synthesis, DIS)技術的ISAR假目標欺騙干擾方法，指出利用DIS技術可以合成假目標圖像對ISAR形成欺騙干擾，并完成了數(shù)字圖像合成器芯片的設計和硬件實現(xiàn)。但基于DIS的欺騙干擾方法需要利用偵察設備精確測知ISAR發(fā)射信號的形式，還要精確測得機動目標和干擾機的相對運動信息，然后根據(jù)截獲信號的特點和欲產(chǎn)生的假目標，對該信號進行幅度調制和相位調制后才能形成假目標欺騙干擾信號[3-6]。而且根據(jù)DIS技術產(chǎn)生的假目標與真實目標之間的差異性，雷達還可以識別出DIS技術產(chǎn)生的假目標[2]。因此，有必要尋找更為高效、簡便的ISAR欺騙干擾方法。

文獻[7]最早提出了針對合成孔徑雷達(SAR)的散射波干擾方法，指出散射波干擾是一種不同于傳統(tǒng)直達波的干擾方法，它將截獲的雷達信號直接轉發(fā)至被保護的目標，經(jīng)目標散射后形成散射波干擾信號，從而獲得更為豐富的干擾信息，而且實現(xiàn)簡便。目前還沒有對ISAR進行散射波干擾技術研究的相關報道，鑒于散射波干擾較傳統(tǒng)直達波轉發(fā)干擾的優(yōu)勢，考慮將散射波干擾技術應用于對ISAR成像的干擾。ISAR的工作方式不同于SAR，后者成像的場景大、范圍廣，利于對其實施散射波干擾。而ISAR是對空中非合作目標成像，成像范圍較小，因此，對ISAR的散射波干擾與對SAR的散射波干擾也有很大的不同。文章分析了對ISAR散射波干擾的機理，并從功率的角度考慮，提出了基于拖曳式干擾機的ISAR散射波干擾方法，研究了不同的轉發(fā)時延對ISAR形成的多種干擾效果，最后通過計算機仿真實驗驗證了該干擾方法的有效性。

2. 基于拖曳式干擾機的ISAR散射波干擾機理分析

同SAR的散射波干擾機理一樣，對ISAR的散射波干擾也是將截獲的雷達信號直接轉發(fā)至被保護的目標，經(jīng)目標散射后形成散射波干擾信號。散射波干擾信號較傳統(tǒng)直達波轉發(fā)干擾擁有更豐富的干擾信息，而且較基于DIS的欺騙干擾方法實現(xiàn)簡便。但考慮到經(jīng)目標散射后的功率衰減問題，而且ISAR的成像對象通常為飛機、導彈等空中運動目標。因此，提出基于拖曳式干擾機的ISAR散射波干擾方法。如圖1所示，拖曳式干擾機將偵察到的ISAR發(fā)射脈沖信號存儲在數(shù)字射頻存儲器(DRFM)中，需要時將存儲的雷達信號放大轉發(fā)至被保護目標，經(jīng)目標散射后形成散射波干擾信號。該干擾方法一方面可以獲得豐富的干擾信息，另一方面由于干擾站與目標之間的距離較近，可以獲得較大的干擾功率，因此可以對ISAR形成有效干擾。

圖1 拖曳式干擾機對ISAR實施散射波干擾示意圖

2.1 拖曳式干擾機對ISAR的散射波干擾功率分析

由于散射波干擾是通過目標散射后形成的干擾信號，干擾功率肯定較直達波干擾信號的干擾功率低，為此有必要分析散射波的干擾功率與目標回波功率的關系，這也是決定散射波干擾能否形成有效干擾的關鍵。由圖1可得飛機目標的回波信號功率為[8]

(1)

式中：Pt為ISAR發(fā)射信號功率；G為ISAR天線增益；λ為信號波長；σ為飛機目標的等效散射截面積；R0為雷達與目標之間的距離。同理可得ISAR接收到的散射波干擾信號功率為

(2)

式中：Pj為干擾機發(fā)射功率；Gj為干擾天線增益；RJ0為拖曳式干擾機與目標之間的距離。從而可得，接收機輸入端的干信比為

(3)

2.2 ISAR對散射波干擾信號的處理結果分析

對ISAR的散射波干擾的二維平面示意圖如圖2所示。假設雷達、目標和干擾站在同一平面內，聯(lián)系到雙基地IASR的工作方式，則干擾機與IASR接收機可以分別等效為雙基地ISAR的發(fā)射站與接收站，干擾機、目標和ISAR之間的夾角α為等效雙基地角。根據(jù)單雙基地ISAR成像的等效原理[9-10]可知，干擾機轉發(fā)的雷達信號經(jīng)目標散射后形成的散射波干擾信號被ISAR接收后的處理結果，可以近似于單站ISAR位于等效雙基地角α的角平分線上時對目標的成像結果。ISAR常采用雷達視線方向及其垂直方向為觀測坐標系，即圖2中xoy坐標系。假設目標除了徑向運動外，還繞o點做初始角為θ、角速度為ω的勻速旋轉運動，目標上任意一點P(xp,yp)與o點距離為rp，則可得點P與雷達的距離Rp為[6]

圖2 ISAR散射波干擾二維平面示意圖

≈R0(tm)+rpsin(θ+ωtm)

=R0(tm)+xpsin(ωtm)+ypcos(ωtm)

(4)

式中，tm為方位向慢時間，當目標轉角很小時，sin(ωtm)≈ωtm，cos(ωtm)≈1，可得點P繞o點旋轉引起的多普勒頻移fdp為

(5)

由式(5)可以看出，目標旋轉引起的多普勒頻率與其橫向坐標成比例關系，從而對方位向進行傅立葉變換即可實現(xiàn)方位向的高分辨[10]，這就是ISAR在小角度成像時實現(xiàn)方位高分辨的理論基礎。由于多普勒分辨率Δfd與合成孔徑時間T成反比，從而可得ISAR方位向分辨率為

(6)

沿等效雙基地角的角平分線方向建立等效雙基地ISAR的等效單站觀測坐標系uov，則點P(xp,yp)在uov坐標系中的坐標(up,vp)可以通過坐標變換計算得到

(7)

由圖2可知，干擾站轉發(fā)的雷達信號經(jīng)點P散射后進入ISAR接收機所經(jīng)歷的距離歷程為RJPR=RJP+RPR，其中RJP為uov坐標系下干擾站與P點之間的距離，RPR為uov坐標系下點P與雷達之間的距離。則

(8)

(9)

從而可得經(jīng)點P散射形成的散射波干擾信號因目標旋轉引起的多普勒頻移fJP為

(10)

比較式(5)與式(10)可知，散射波干擾信號因目標旋轉引起的多普勒頻移與點p在uov坐標系下的橫向坐標值up成正比，從而散射波干擾信號進入雷達接收機后經(jīng)過方位向傅立葉變換后也可以獲得方位向的高分辨。同理可得ISAR對散射波干擾信號的方位向分辨率為：

(11)

比較式(6)與式(11)可知，ISAR對散射波干擾信號形成干擾像的橫向分辨率是ISAR對目標橫向分辨率的1/cos(α/2)。由于干擾機轉發(fā)的是ISAR的發(fā)射信號，所以散射波干擾信號通過ISAR的匹配濾波器后也可以獲得距離向的高分辨率。從而可知散射波干擾信號經(jīng)ISAR接收處理后也形成了目標的二維像，只是散射波干擾信號形成的干擾像同ISAR得到的目標像相比，方位向分辨率不同，而且方向旋轉了θ-θu=α/2。

3. 基于拖曳式干擾機的ISAR散射波干擾效果分析

假設雷達發(fā)射信號的歸一化模型為

s(t)=rect(t/τ)exp[j2π(f0t+0.5kt2)]

(12)

式中： 當-τ/2≤t≤τ/2時，rect(t/τ)=1.τ為脈寬；f0為載頻；k為調頻斜率。則點P的基頻回波為[11]

(13)

式中,a(tm)為方位向門函數(shù)，可得經(jīng)過匹配濾波后目標的一維距離像的復包絡為

(14)

同理可得散射波干擾信號經(jīng)過匹配濾波后的一維距離像的復包絡為

(15)

式中,td為干擾信號的轉發(fā)時延，比較式(14)、(15)并以點P為參考點，可得目標的一維距離像與散射波干擾的一維距離像位置偏差為

ΔR=2RP(tm)-RJPR(tm)-ctd

≈R0(tm)-RJ0(tm)+

2rpsin(θu+ωtm)cos(α/2)-ctd

(16)

由式(5)和式(10)可以得出散射波干擾像與真實目標像的多普勒中心頻率差Δf為

Δf=|fJP-fdP|

(17)

根據(jù)圖2所示，并將xP=rPcos(θu+α/2)代入式(17)可得

(18)

多普勒中心頻率差決定了散射波干擾像在方位向與真實目標像的偏移量，由式(18)可知，散射波干擾像在方位向與真實目標像的偏移量和等效雙基地角有關。

綜合式(16)、(18)可知：當干擾信號的轉發(fā)時延td固定時，散射波干擾可以形成與真實目標像在距離向和方位向位置都不同的欺騙干擾像。當轉發(fā)時延td隨機變化時，由于散射波干擾的一維距離像是隨機分布的，則此時散射波干擾會對ISAR造成散焦圖像壓制干擾[12]。

4. 仿真實驗

4.1 仿真流程及參數(shù)設置

目標采用理想的飛機仿真模型，對ISAR的干擾仿真流程如圖3所示。雷達參數(shù)為：雷達載頻6 GHz，帶寬200 MHz，脈沖寬度10 μs，重頻200 Hz；飛機距離雷達100 km，偏離雷達視線角30°的方向以50 m/s的速度勻速飛行，轉動角速度為1/30 rad/s，成像脈沖個數(shù)為200個。

圖3 ISAR干擾仿真流程圖

干擾參數(shù)設置為：傳統(tǒng)直達波干擾：a)直接延時轉發(fā)干擾的延遲時間為1.4 μs; b)基于DIS的假目標欺騙干擾的假目標最大長度為100 m、最大寬度為50 m，根據(jù)文獻[5]計算得到對應的假目標模板的單元數(shù)為134×72。散射波干擾：拖曳干擾機與目標之間的距離為200 m，等效雙基地角為60°，固定時延散射波干擾的時延為2 μs，隨機時延的范圍為：1.9～2 μs。干擾信號的干信比均為1 dB。

4.2 仿真結果及分析

圖4(看202頁)給出了無干擾時ISAR對理想飛機目標散射點模型的成像結果。為了便于說明基于拖曳式干擾機的ISAR散射波干擾對ISAR成像干擾的有效性和優(yōu)越性，圖5(看202頁)給出了傳統(tǒng)直達波干擾(包括直接延時轉發(fā)和基于DIS的欺騙干擾)時的IASR成像結果?？梢钥闯觯褐苯友訒r轉發(fā)干擾在ISAR圖像中只能形成滯后于真實目標的點目標，不能對ISAR形成有效的分布式假目標欺騙干擾效果。基于DIS技術的轉發(fā)干擾方法雖然在ISAR圖像中形成了假目標欺騙干擾效果，但假目標的形狀取決于假目標模板，而實際中假目標模板又很難模擬真實目標的形狀，因此，基于DIS技術產(chǎn)生的假目標與真實目標的相似度不高，而且DIS合成假目標的過程復雜，實時性差，對引導參數(shù)的精度要求高。

圖6(看202頁)～圖7(看202頁)分別給出了固定時延散射波干擾和隨機時延散射波干擾對ISAR成像的干擾結果。由圖6可知，此時散射波干擾對ISAR形成假目標欺騙的干擾效果。由于該虛假目標也是目標自身散射形成的，因此，與IASR所得到的真實目標像具有高度的相似性。由圖6及設置的干擾參數(shù)可知，散射波形成的干擾像相對于真實目標旋轉了α/2=30°，圖6的仿真結果驗證了前文理論分析的正確性。由圖7可知，隨機時延的散射波干擾主要對ISAR形成散焦圖像壓制的干擾效果。而且此時的真實目標與散射波干擾形成的假目標都是散焦的，仿真結果驗證了前文關于散射波對ISAR干擾效果的分析結論。

5. 結 論

利用拖曳式干擾機將截獲的雷達信號轉發(fā)至目標形成散射波干擾信號，不僅提高了散射波的干擾功率，而且通過采用固定或隨機的轉發(fā)時延，可以分別實現(xiàn)對ISAR的假目標欺騙干擾或散焦圖像壓制干擾。對ISAR的散射波干擾較基于DIS技術的ISAR欺騙干擾方法實現(xiàn)簡便，而且干擾信號與目標回波信號具有高度相似性，不易被反干擾措施濾除，是一種對付ISAR成像的有效干擾手段。

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