俞道濱 吳彥鴻 王宏艷 賈 鑫

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對(duì)逆合成孔徑雷達(dá)的多相位分段調(diào)制干擾方法研究

俞道濱*吳彥鴻 王宏艷 賈 鑫

(裝備學(xué)院 北京 101416)

針對(duì)逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)的干擾技術(shù)是雷達(dá)對(duì)抗領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。該文提出一種基于多相位分段調(diào)制的干擾方法，對(duì)該調(diào)制方法的基本原理及其在信號(hào)脈內(nèi)和脈間綜合調(diào)制的過程進(jìn)行詳細(xì)分析，推導(dǎo)干擾信號(hào)在成像處理后的表達(dá)式，給出在2維上分別對(duì)干擾樣式進(jìn)行精確控制的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，通過仿真驗(yàn)證相關(guān)干擾效果，說明應(yīng)用該方法能夠產(chǎn)生靈活可控的干擾樣式和遮蓋效果。

逆合成孔徑雷達(dá)；多相位分段調(diào)制；干擾控制；遮蓋效果

1 引言

逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)通過對(duì)回波信號(hào)的2維壓縮成像處理，從而具備較強(qiáng)的抗干擾能力。典型干擾樣式根據(jù)干擾效果可以分為壓制干擾和欺騙干擾，二者均具有各自的特點(diǎn)：一方面，壓制干擾的信號(hào)處理增益較低，對(duì)干擾設(shè)備的功率要求較高；另一方面，由欺騙干擾得到的虛假圖像在逼真度上往往低于真實(shí)目標(biāo)，可以由一些細(xì)小的特征判斷出目標(biāo)的真假并進(jìn)行剔除。當(dāng)前，兼具壓制干擾和欺騙干擾特點(diǎn)的部分相干干擾技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，其可以獲得高于壓制干擾的處理增益，同時(shí)可以對(duì)目標(biāo)的識(shí)別產(chǎn)生擾亂的效果，不易被剔除，是對(duì)抗2維成像雷達(dá)的有效干擾方式。

當(dāng)前針對(duì)ISAR的干擾包括無源和有源干擾技術(shù)，其中有源干擾技術(shù)大多應(yīng)用數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)結(jié)構(gòu)，對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)并處理轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾樣式的靈活控制[8,9]。另一方面，通過對(duì)干擾信號(hào)的靈活設(shè)計(jì)可以得到豐富的干擾樣式，針對(duì)包絡(luò)對(duì)齊過程的壓制干擾[10]，針對(duì)角反射器特點(diǎn)的無源干擾[11]，有源干擾中針對(duì)信號(hào)時(shí)延特性的乘機(jī)調(diào)制干擾[12]；針對(duì)信號(hào)頻率特征的附加頻率調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾[13]、混沌噪聲調(diào)頻干擾[14]；針對(duì)信號(hào)相位特征的調(diào)相干擾等[15,16]。其中，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾從設(shè)計(jì)思想上具有一定的獨(dú)特性，其通過對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行低速率的間歇采樣處理，可以產(chǎn)生逼真的相干假目標(biāo)串的干擾效果，是一種有效的部分相干干擾方式。借鑒對(duì)SAR干擾的分段調(diào)制思想，通過對(duì)信號(hào)脈內(nèi)和脈間的參數(shù)調(diào)制，可以產(chǎn)生局部區(qū)域的壓制干擾[21,22]。將該思想應(yīng)用于ISAR，可以在提高部分相干干擾功率利用率的同時(shí)，產(chǎn)生靈活可控的干擾效果。

本文在ISAR成像干擾特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，借鑒間歇采樣干擾的思想，提出一種基于多相位分段調(diào)制的干擾技術(shù)，能夠擺脫DRFM結(jié)構(gòu)的限制，產(chǎn)生兼具壓制干擾和欺騙干擾特點(diǎn)的干擾效果，在一定范圍內(nèi)能夠覆蓋被保護(hù)目標(biāo)的2維成像，破壞ISAR對(duì)目標(biāo)的成像識(shí)別。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真證明了本文方法能以較小干擾功率干擾ISAR的成像。

2　多相位分段調(diào)制的基本原理

對(duì)雷達(dá)信號(hào)的多相位分段調(diào)制，即在信號(hào)的不同時(shí)間分段上調(diào)制不同的相位值，得到相應(yīng)的干擾信號(hào)。對(duì)該干擾調(diào)制樣式作如下限定：

(1)無論雷達(dá)信號(hào)為何種樣式，調(diào)制后生成的干擾信號(hào)與原信號(hào)的時(shí)間長度相等。

(3)分段指代的信號(hào)時(shí)間長度可以是小于原信號(hào)長度的任意值，且對(duì)分段的規(guī)則可以是等分的，也可以是非等分的。

在以上信號(hào)調(diào)制處理規(guī)則的限定下，可以將該類信號(hào)調(diào)制視為一個(gè)在相位-時(shí)間平面上的2維賦值過程，其中軸表示調(diào)制相位值的大小，軸表示信號(hào)分段的長度。以三相位非等分調(diào)制為例，在相位-時(shí)間2維平面上，信號(hào)的多相位分段調(diào)制原理如圖1所示。

圖1 多相位分段調(diào)制原理示意圖

其中，

(2)

對(duì)ISAR而言，可以把雷達(dá)接收回波信號(hào)看成是目標(biāo)的散射系數(shù)通過2維線性系統(tǒng)，在信號(hào)在距離向和方位向滿足解耦的條件時(shí)，可以將該2維系統(tǒng)的處理分解為兩個(gè)1維處理的過程，因此，對(duì)干擾信號(hào)的多相位分段調(diào)制而言，信號(hào)的脈內(nèi)處理和脈間處理可以分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，干擾信號(hào)的調(diào)制原理如圖2所示。由多相位調(diào)制的原理可知，多相位分段調(diào)制為由2維參數(shù)組合控制下的干擾樣式，干擾信號(hào)表達(dá)式與信號(hào)分段的長度和數(shù)量、調(diào)制相位值的大小和順序有關(guān)。

圖2 信號(hào)的脈內(nèi)與脈間的多相位分段調(diào)制示意圖

在下文中的討論中，重點(diǎn)分析在調(diào)制相位值大小固定和信號(hào)分段長度相等的情況下，由分段長度與調(diào)制相位值順序組合變化得到的干擾樣式及其效果。設(shè)脈內(nèi)分段長度為，脈沖寬度為，則干擾信號(hào)2維調(diào)制后的表達(dá)式為

(4)

3 多相位分段調(diào)制的干擾效果分析

下面分別針對(duì)距離向和方位向進(jìn)行分析，得到最終干擾信號(hào)成像處理的結(jié)果。由于采用自衛(wèi)式干擾，干擾機(jī)置于目標(biāo)上，分析其在2維平面上的ISAR干擾結(jié)果等價(jià)于目標(biāo)上一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果，首先要將目標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)模型轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)臺(tái)模型，模型的轉(zhuǎn)化如圖3所示。

圖3 ISAR成像幾何示意圖

3.1 對(duì)距離向的分析

(7)

(9)

如果雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離遠(yuǎn)大于目標(biāo)的幾何尺寸，照射于目標(biāo)的電波可用平面波近似，且觀測時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)角較小時(shí)，滿足

因此，目標(biāo)回波信號(hào)的時(shí)延為

(11)

以上即為距離向處理結(jié)果。

3.2 對(duì)方位向的分析

對(duì)方位向而言，從對(duì)多普勒頻域分析入手，引入小轉(zhuǎn)角的假設(shè)，易知點(diǎn)相對(duì)雷達(dá)的多普勒頻率為

(14)

以上即為干擾信號(hào)處理后的最終表達(dá)式

3.3 對(duì)干擾結(jié)果的分析

對(duì)回波信號(hào)作ISAR成像處理，所得結(jié)果可表示為

(17)

對(duì)距離向而言，偏移的距離單元數(shù)與脈沖寬度和脈內(nèi)信號(hào)分段長度有關(guān)；對(duì)方位向而言，即偏移的方位單元數(shù)與成像時(shí)間和脈間信號(hào)分段長度有關(guān)。相位調(diào)制采用將以上2維參數(shù)進(jìn)行組合，即可得到多種干擾效果。

(1)當(dāng)脈內(nèi)和脈間信號(hào)分段長度相等，相鄰信號(hào)分段間調(diào)制相位差值相等，此時(shí)任一維上干擾點(diǎn)的間距相等，可以得到2維的分散點(diǎn)干擾；或變大時(shí)，即脈內(nèi)或脈間的信號(hào)分段長度提高，則干擾點(diǎn)間距縮小，可以得到2維的聚集點(diǎn)干擾。該干擾樣式與間歇采樣的干擾效果類似。

(2)當(dāng)脈內(nèi)信號(hào)分段長度相等，脈內(nèi)信號(hào)分段上的調(diào)制相位值順序變?yōu)殡S機(jī)，此時(shí)距離向上各干擾點(diǎn)出現(xiàn)散焦，出現(xiàn)線狀干擾；同理，在脈間該變化亦可產(chǎn)生方位向上的散焦。

(3)當(dāng)脈內(nèi)和脈間信號(hào)分段上的調(diào)制相位值順序均為隨機(jī)，產(chǎn)生2維散焦，出現(xiàn)遮蓋干擾。脈內(nèi)和脈間的信號(hào)分段長度決定了散焦區(qū)域的面積，可產(chǎn)生局部遮蓋和全局遮蓋的效果。

(4)在(3)中干擾樣式的前提下，當(dāng)脈間信號(hào)分段變長而脈間信號(hào)分段長度不變時(shí)，方位向散焦區(qū)域變窄，產(chǎn)生距離向條狀干擾。同理，在脈內(nèi)該變化亦可產(chǎn)生方位向條狀干擾。

由此可知，通過2維參數(shù)的變化，可以產(chǎn)生多種干擾效果，具有靈活可控的干擾樣式。

4 仿真分析

針對(duì)已有的理論分析，以應(yīng)用ISAR技術(shù)對(duì)7點(diǎn)目標(biāo)模型進(jìn)行成像為例，驗(yàn)證多相位分段調(diào)制干擾效果及其參數(shù)控制的正確性。模型及干擾點(diǎn)設(shè)置如圖4所示，干擾參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 7點(diǎn)模型及其干擾點(diǎn)設(shè)置

表1 ISAR仿真參數(shù)設(shè)置

對(duì)以上干擾效果進(jìn)行分析：

(1)對(duì)于圖5(a)中的結(jié)果，其采用了順序無延展的規(guī)律性邏輯，由公式計(jì)算可得距離向和方位向上的虛假點(diǎn)間距跨越的距離單元數(shù)和方位單元數(shù)分別為

表2 不同控制參數(shù)設(shè)置

(20)

(2)對(duì)于圖5(e)中的結(jié)果，其采用了脈內(nèi)和脈間均采用了隨機(jī)相位順序的非規(guī)律性邏輯，2維散焦而出現(xiàn)局部區(qū)域遮蓋的壓制效果，壓制區(qū)域面積為。將和分別擴(kuò)大1倍，則信號(hào)分段長度變長，區(qū)域面積縮小，此時(shí)，如圖5(f)所示。當(dāng)脈內(nèi)分段和脈間分段分別變短時(shí)，相應(yīng)維上的遮蓋長度變短，即可得到2維長短不同的條狀干擾，此時(shí)，如圖5(g)，圖5(h)中的結(jié)果所示。

需要指出的是，對(duì)局部區(qū)域遮蓋干擾而言，面積的變化會(huì)導(dǎo)致遮蓋區(qū)域亮度的變化，且面積越小遮蓋區(qū)域亮度越高，干擾的總能量保持不變。

因此，通過多相位分段調(diào)制參數(shù)的靈活設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)效果可控的成像干擾，可根據(jù)施加干擾保護(hù)的目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，可以對(duì)干擾的樣式、區(qū)域、亮度等進(jìn)行控制，避免了干擾能量在全區(qū)域的擴(kuò)散，提高了干擾能量的利用率，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)面積可控的遮蓋，從而實(shí)現(xiàn)有效的成像干擾。

圖5 干擾效果示意圖

5 結(jié)論

本文提出了一種基于多相位分段調(diào)制的ISAR成像干擾技術(shù)，在基本處理流程的基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并對(duì)其能達(dá)到的干擾效果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出信號(hào)分段長度和調(diào)制相位規(guī)律性可以影響ISAR成像2維相干性的結(jié)論。通過參數(shù)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2維成像干擾效果的靈活控制，相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所得結(jié)論。該干擾系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理是連續(xù)的，有效提高了干擾信號(hào)的功率利用率，能夠?qū)崿F(xiàn)多種自衛(wèi)式干擾效果，破壞對(duì)目標(biāo)重要特征的識(shí)別。

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ZHU Shoubao, LUO Qiang, and TONG Chuangming. A new approach of blanket jamming to SAR[J]., 2012, 40(2): 104-108.doi: 10.3969/j.issn.1009- 086x.2012.02.021.

Research on Multiple Phase Sectionalized Modulation Jamming Method for Inverse Synthetic Aperture Radar

YU Daobin WU Yanhong WANG Hongyan JIA Xin

(,101416,)

The problem of ISAR image jamming is the main stream in radar countermeasures study. This paper proposes a new jamming technique for ISAR imaging based on Multiple Phase Sectionalized Modulation (MPSM) jamming method. Its basic principle and processing in intra-pulse and inter-pulse is analyzed in details. Then the final expression of MPSM jamming signal after ISAR imaging processing is derived, and the precise control method of jamming pattern by parameters design in double dimensions is provided. Simulation is conducted to prove the related jamming effects, and it is flexible and controllable to generate different jamming patterns and overspread effects by applying this new method.

Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR); Multiple phase sectionalized modulation; Jamming control; Overspread effects

TN974

A

1009-5896(2017)02-0423-07

10.11999/JEIT160397

2016-04-22；改回日期；2016-09-09；

2016-11-14

俞道濱 ydbaidy@163.com

俞道濱： 男，1988年生，博士生，研究方向?yàn)榭臻g信息對(duì)抗理論與技術(shù).

吳彥鴻： 男，1971年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭臻g信息對(duì)抗理論與技術(shù).

王宏艷： 女，1978年生，副教授，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理.

賈 鑫： 男，1958年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娮討?zhàn)系統(tǒng)信息處理.