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        基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR微動(dòng)散射波干擾方法

        2018-07-31 03:34:30唐崢釗董春曦暢鑫劉明明趙國(guó)慶
        航空學(xué)報(bào) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:干擾機(jī)發(fā)射功率微動(dòng)

        唐崢釗,董春曦,暢鑫,劉明明,趙國(guó)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(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)憑借全天時(shí)、全天候、高分辨的特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)分類(lèi)、敵我識(shí)別、武器精確制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域[1-5]。近幾年來(lái),從激光雷達(dá)中引入的微多普勒效應(yīng)為ISAR目標(biāo)的精確識(shí)別提供了重要的輔助信息[6-7]。根據(jù)目標(biāo)微動(dòng)對(duì)電磁波的調(diào)制效應(yīng)分析可知,利用先進(jìn)的時(shí)頻信號(hào)處理手段, 可以從微動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)回波中提取和估計(jì)目標(biāo)微動(dòng)信息,如速度、姿態(tài)變化等[8]。在微動(dòng)目標(biāo)的成像方面,可以綜合利用多個(gè)時(shí)刻微動(dòng)目標(biāo)的成像結(jié)果估計(jì)目標(biāo)的微動(dòng)結(jié)構(gòu)、微動(dòng)尺寸和微動(dòng)頻率等信息對(duì)雷達(dá)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別提供有效途徑,為目標(biāo)的精細(xì)描述提供技術(shù)基礎(chǔ)[9-10]。

        同時(shí)目標(biāo)微動(dòng)信息也對(duì)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(xiàn)[10]提出的基于正弦調(diào)相的干擾方法,文獻(xiàn)[11]提出的混沌噪聲調(diào)頻干擾方法,文獻(xiàn)[12]提出的一維距離像噪聲卷積的干擾方法等,均通過(guò)發(fā)射大功率干擾信號(hào)達(dá)到壓制干擾效果。非相參射頻噪聲干擾信號(hào)易被ISAR二維脈沖壓縮處理濾除,對(duì)干擾成本要求較高。而相參噪聲調(diào)制干擾信號(hào)雖可獲得二維脈壓處理增益,但需直接對(duì)ISAR接收機(jī)發(fā)射干擾信號(hào),對(duì)偵查精度要求較高,且在距離ISAR接收機(jī)較遠(yuǎn)情況下仍需較大發(fā)射功率。

        從現(xiàn)有公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)來(lái)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(jiàn)[13-22],文獻(xiàn)[13]提出通過(guò)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(gè)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(shí)現(xiàn)難度,且微動(dòng)信息固定,干擾效果無(wú)法根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整。文獻(xiàn)[14]提出了基于數(shù)字圖像合成器的微動(dòng)干擾方法,通過(guò)合成旋轉(zhuǎn)微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生ISAR欺騙干擾,該方法在調(diào)制微動(dòng)信息的同時(shí)還需進(jìn)行延遲和移頻處理,占用硬件資源較多且處理過(guò)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(jī)的ISAR微動(dòng)散射波干擾方法。該方法將ISAR發(fā)射機(jī)與拖曳式干擾機(jī)[25-27]分別等效為雙基ISAR的發(fā)射機(jī)與接收機(jī),干擾機(jī)對(duì)截獲的ISAR發(fā)射信號(hào)調(diào)制附加微動(dòng)信息相位并轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo),由目標(biāo)散射至ISAR接收機(jī)。由于干擾機(jī)與目標(biāo)距離較近,可獲得較大散射功率。同時(shí)干擾信號(hào)與真實(shí)目標(biāo)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(shí)現(xiàn)ISAR壓制干擾效果。

        1 干擾信號(hào)模型

        目標(biāo)常見(jiàn)微動(dòng)形式有飛機(jī)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)、直升機(jī)旋翼的旋轉(zhuǎn)和渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)等,不失一般性,以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行分析。

        干擾場(chǎng)景模型如圖1所示,拖曳式干擾機(jī)由被保護(hù)目標(biāo)通過(guò)拖曳線牽引而隨其一起運(yùn)動(dòng)。與SAR散射波干擾類(lèi)似,干擾機(jī)對(duì)截獲到的ISAR發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā)至被保護(hù)目標(biāo),經(jīng)目標(biāo)散射至雷達(dá)接收機(jī)。干擾機(jī)與雷達(dá)接收機(jī)可等效為雙基ISAR的發(fā)射站與接收站。以雷達(dá)視線方向?yàn)閥軸,目標(biāo)質(zhì)心O為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系xOy,同時(shí)在目標(biāo)上以O(shè)為原點(diǎn),等效雙基角平分線為v軸(以目標(biāo)質(zhì)心O為散射點(diǎn)時(shí))建立本地坐標(biāo)系uOv。假設(shè)目標(biāo)為經(jīng)過(guò)理想運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)臺(tái)模型,繞點(diǎn)O做初相為θ0、角速度為ω0的轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P(uP,vP)在目標(biāo)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(yùn)動(dòng),α為點(diǎn)P對(duì)應(yīng)等效雙基角;RO、RP、RO1分別為點(diǎn)O、點(diǎn)P和點(diǎn)O1與雷達(dá)間距離;RJO、RJP、RJO1分別為點(diǎn)O、點(diǎn)P和點(diǎn)O1與干擾機(jī)間距離;RO O1為點(diǎn)O和點(diǎn)O1間距離。

        設(shè)干擾機(jī)截獲雷達(dá)發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)為

        (1)

        設(shè)tm時(shí)刻干擾信號(hào)歷程為RJPR(tm)=RJP(tm)+RP(tm),RJP(tm)為干擾機(jī)與微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P間距離;RP(tm)為微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P與雷達(dá)接收機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為td,σP為點(diǎn)P散射系數(shù),則點(diǎn)P散射回波信號(hào)為

        (4)

        式中:

        (5)

        由式(4)與式(1)對(duì)比可知,φP(tm)為包含微動(dòng)信息的干擾機(jī)調(diào)制相位。干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波歸一化后的一維距離像為

        (6)

        進(jìn)行方位向傅里葉變換后即可獲得干擾信號(hào)二維距離-多普勒像表達(dá)式為

        (7)

        式中:Jn(·)為n階第一類(lèi)貝塞爾函數(shù);微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P引起的多普勒頻率為

        (8)

        由式(8)可知,當(dāng)微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P轉(zhuǎn)速為0時(shí),干擾信號(hào)可聚焦為二維sinc函數(shù),從而產(chǎn)生與真實(shí)目標(biāo)相似的二維假目標(biāo)圖像,但較真實(shí)目標(biāo)圖像旋轉(zhuǎn)α/2度。當(dāng)點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)速度不為0時(shí),干擾信號(hào)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。

        2 干擾參數(shù)分析

        以圖1中點(diǎn)O為參考點(diǎn),則點(diǎn)O和微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)P散射信號(hào)功率分別為

        (9)

        (10)

        式中:Pj為干擾機(jī)發(fā)射功率;Gj為干擾天線增益;σO、σP分別為點(diǎn)O、點(diǎn)P散射截面積;RJP為干擾機(jī)與點(diǎn)P距離;RP為點(diǎn)P與雷達(dá)距離;Pt為ISAR發(fā)射功率;G為ISAR天線增益;λ為信號(hào)波長(zhǎng)。

        由于RO O1?RO,RP≈RO,σP≈σO則ISAR接收機(jī)輸入端干信比(Jamming to Signal Ratio, JSR)為

        (11)

        由式(11)可知,在干擾機(jī)發(fā)射功率Pj和天線增益Gj、雷達(dá)發(fā)射功率Pt和天線增益G固定的情下,由于RJP遠(yuǎn)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(shí)ISAR接收機(jī)輸入端JSR隨RJP的變化曲線。由圖2可以看出,ISAR接收機(jī)輸入端JSR與RJP成反比,因此由于拖曳式干擾機(jī)距離目標(biāo)較近,通??色@得較大干擾功率,在隨隊(duì)支援干擾等戰(zhàn)術(shù)背景中較為適用。

        設(shè)雷達(dá)、目標(biāo)與干擾機(jī)相對(duì)位置不變情況下,干擾機(jī)先后以相同發(fā)射功率、天線增益向雷達(dá)方向發(fā)射相參干擾信號(hào)和射頻噪聲信號(hào)。設(shè)nr、na分別為雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)距離維、方位維單元數(shù),PJ為兩種干擾信號(hào)到達(dá)ISAR接收機(jī)輸入端功率。由于射頻噪聲與信號(hào)非相參,則其經(jīng)二維脈壓處理后信號(hào)處理器輸出端功率為

        PJn=PJnrna

        (12)

        相參干擾信號(hào)經(jīng)二維脈壓處理后信號(hào)處理器輸出端功率為

        (13)

        可知經(jīng)過(guò)ISAR接收機(jī)信號(hào)處理,相參干擾信號(hào)比射頻噪聲信號(hào)增益高nrna倍。

        3 仿真實(shí)驗(yàn)

        3.1 仿真流程及參數(shù)設(shè)置

        目標(biāo)采用理想散射點(diǎn)仿真模型,首先模擬干擾機(jī)截獲到的ISAR信號(hào),對(duì)其進(jìn)行微動(dòng)信息調(diào)制后延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā),經(jīng)目標(biāo)散射至ISAR接收機(jī),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(dá)及目標(biāo)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

        參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值雷達(dá)載頻/GHz 10信號(hào)帶寬/MHz200雷達(dá)發(fā)射功率/kW1 600 雷達(dá)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(gè)512目標(biāo)與雷達(dá)距離/km200轉(zhuǎn)臺(tái)模型平動(dòng)速度/(m·s-1)150轉(zhuǎn)臺(tái)模型角速度/(rad·s-1)0.02干擾機(jī)拖曳線長(zhǎng)/m200干擾機(jī)發(fā)射功率/W120干擾機(jī)天線增益/dB10等效雙基角/(°)150

        3.2 仿真結(jié)果及分析

        圖4給出了無(wú)干擾時(shí)散射點(diǎn)模型成像結(jié)果,對(duì)應(yīng)圖1中真實(shí)目標(biāo)部分。

        圖5為干擾機(jī)多次轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果,微動(dòng)點(diǎn)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(jī)輸入端干信比為16 dB??梢?jiàn)真實(shí)目標(biāo)圖像附近出現(xiàn)大量假目標(biāo),且微動(dòng)特征一致,使真實(shí)目標(biāo)淹沒(méi)于多假目中難以分辨,達(dá)到密集假目標(biāo)壓制干擾效果。

        圖6為微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)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(dòng)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角速度對(duì)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(duì)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(kuò)大微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)半徑以達(dá)到遮蓋真實(shí)目標(biāo)效果,將微動(dòng)點(diǎn)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(jī)輸入端干信比提高至18.5 dB??梢?jiàn)真實(shí)目標(biāo)圖像被方位向干擾條帶遮蓋難以分辨,達(dá)到壓制干擾效果。

        圖8為相同仿真場(chǎng)景下,將干擾樣式改為射頻噪聲干擾的仿真效果圖。此時(shí)ISAR接收機(jī)輸入端干信比為28.3 dB。對(duì)比圖7可知,達(dá)到遮蓋真實(shí)目標(biāo)圖像干擾效果時(shí),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(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中干信比高于微動(dòng)散射波干擾方法約9.8 dB。由此可知基于拖曳式干擾機(jī)的ISAR微動(dòng)散射波干擾方法能以較小成本達(dá)到壓制干擾效果。

        仿真結(jié)果驗(yàn)證了前文干擾方法理論分析的結(jié)論。

        4 結(jié) 論

        1) 干擾信號(hào)由目標(biāo)散射至雷達(dá),因此對(duì)雷達(dá)方位信息偵查精度要求較低。

        2) 干擾機(jī)與目標(biāo)距離較近,易獲得較大散射功率,且干擾信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)相參,可獲得ISAR二維脈壓處理增壓,對(duì)干擾成本要求較小。

        3) 通過(guò)控制干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)及微動(dòng)調(diào)制參數(shù)可分別實(shí)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(duì)抗ISAR目標(biāo)分辨與識(shí)別的有效手段。

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