李永禎, 劉業(yè)民, 龐 晨, 黃大通

(國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

將合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)技術(shù)應(yīng)用于射頻制導(dǎo)(即SAR導(dǎo)引頭),一方面可有效提高其全天候、全天時的探測能力,另一方面可在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下提升對目標(biāo)的定位精度和識別概率。因此,SAR導(dǎo)引頭在精確制導(dǎo)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和研究[1-3]。雖然SAR導(dǎo)引頭具有諸多優(yōu)點(diǎn),但也有其自身難以克服的缺點(diǎn),即易受戰(zhàn)場電磁環(huán)境的影響[1]。箔條作為電子戰(zhàn)中典型的無源干擾手段,在空中分布取向復(fù)雜且運(yùn)動擴(kuò)散形式多變,具有不確定性,其雷達(dá)特性相當(dāng)復(fù)雜,在SAR導(dǎo)引頭圖像中表現(xiàn)為若干個強(qiáng)散射點(diǎn)組成的二維目標(biāo),與需打擊的雷達(dá)目標(biāo)難以區(qū)分真假,加之箔條制造工藝簡單且廉價,故箔條在現(xiàn)代海戰(zhàn)場中仍然得到了廣泛的應(yīng)用[1]。因此,新型SAR導(dǎo)引頭如何對抗箔條干擾是目前急需解決的前沿問題,具有非常重要的軍事意義。

目前公開報道的抗箔條干擾方法主要是針對傳統(tǒng)的雷達(dá)導(dǎo)引頭(如寬帶相參雷達(dá)導(dǎo)引頭[4-10]、脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭[11]、單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭[12-13]等),對SAR導(dǎo)引頭抗箔條干擾方法鮮見報道,若將這些傳統(tǒng)的抗箔條干擾方法直接應(yīng)用于SAR導(dǎo)引頭,其抗干擾效果也許會失效。因此,需要針對新型SAR導(dǎo)引頭研究出抗箔條干擾的新手段和新措施。

根據(jù)空氣動力學(xué)原理,釋放在空中的箔條由于自身重力、空氣阻力等原因會緩慢下降和擴(kuò)散,箔條絲的不同取向會直接影響其下降速度。具體來講,垂直取向的箔條下降速度最快,水平取向的箔條下降速度最慢,其他取向的箔條下降速度介于兩者之間[14]。此外,根據(jù)箔條的極化散射特性,水平取向的箔條水平極化回波最強(qiáng),垂直取向的箔條水平極化回波最弱。因此,隨著擴(kuò)散時間的推移,箔條云內(nèi)部的箔條絲在高度維會按著箔條絲的取向不同呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象,而艦船目標(biāo)通常不具備這種極化分層特性。

基于以上問題和背景,本文從箔條云的極化特性和空氣動力學(xué)特性入手,提出了一種基于分層極化特性的箔條干擾識別方法。論文共分為4部分:首先闡述了單根箔條的極化散射特性;在此基礎(chǔ)上,分析了箔條云的分層極化特性;然后借鑒干涉SAR(interferometric SAR, InSAR)的干涉原理獲得箔條云和艦船目標(biāo)的分層回波,根據(jù)兩者分層回波強(qiáng)度的變化規(guī)律,提出了一種箔條識別特征量;最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),為了驗(yàn)證本文所提方法的魯棒性,仿真實(shí)驗(yàn)中考慮了3類典型箔條云的分布以及船只目標(biāo)的不同姿態(tài)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提方法能夠很好地識別出箔條干擾。

1 單根箔條的極化散射特性

圖1給出了單根箔條的極化散射特性示意圖,箔條的中心位于xyz坐標(biāo)系的原點(diǎn)o,假設(shè)箔條的方向矢量為c,xoy平面與水平面平行,θc和φc分別是箔條的天頂角和方位角。為了描述箔條的后向散射電場特性,建立一個新的坐標(biāo)系ehever,其中eh和ev是在(h,v)極化基下后向散射電場的正交單位矢量,下標(biāo)h和v分別表示水平極化和垂直極化,er是后向散射電場方向的單位矢量,γs是單位矢量er和正z方向之間的夾角。

圖1 單根箔條的散射示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[15]所述,箔條的軸線方向即為箔條的極化方向。因此,若用全極化雷達(dá)從水平方向觀測箔條時,其水平取向箔條的水平極化波最強(qiáng),而垂直取向箔條的水平極化波最弱。在實(shí)際應(yīng)用中,由于作戰(zhàn)需要,其雷達(dá)導(dǎo)引頭的觀測方向通常不會是水平方向(即γs≠90°),而是存在著一個俯仰角。根據(jù)雷達(dá)極化基的定義,其水平極化基eh通常定義為平行于水平面,其與雷達(dá)的觀測方向無關(guān)[15]。因此,可以使用箔條云的水平極化回波來分析箔條云的極化分層特性。

不失一般性,例如當(dāng)γs=45°時,若用全極化雷達(dá)觀測單根箔條,可得到不同極化下箔條雷達(dá)散射截面積(radar cross section, RCS)隨天頂角θc和水平面方位角φc的變化關(guān)系,如圖2所示。通過研究表明,水平極化通道箔條的RCS強(qiáng)度不隨γs變化,即與雷達(dá)的觀測方向無關(guān),而γs的變化會直接影響垂直和交叉極化通道中箔條的RCS強(qiáng)度。因此,箔條的水平極化回波強(qiáng)度可應(yīng)用于箔條云的極化分層特性。

圖2 不同極化下單根箔條RCS隨天頂角θc和水平面方位角φc的變化關(guān)系(γs=45°)

2 箔條云的分層極化特性

在單根箔條的極化散射特性基礎(chǔ)上,考慮箔條云的分層極化特性。箔條云的擴(kuò)散模型采用文獻(xiàn)[14]所提模型,該擴(kuò)散模型是基于美國空軍航空電子實(shí)驗(yàn)室研究成果[16]基礎(chǔ)上提出來的,考慮了空氣阻力、箔條彎曲變形等因素對箔條云擴(kuò)散的影響。文獻(xiàn)[14]研究表明,箔條擴(kuò)散的運(yùn)動學(xué)特性表現(xiàn)為垂直取向的箔條下降速度最快,水平取向的箔條下降速度最慢,其他取向的箔條下降速度介于兩者之間。根據(jù)箔條這種動力學(xué)特性,隨著擴(kuò)散時間的推移,箔條云充分?jǐn)U散后其垂直取向的箔條在箔條云的底層,水平取向的箔條在箔條云的頂層,箔條云的中間部分主要由水平取向和垂直取向之間的箔條絲組成,且擴(kuò)散時間越長,這種分層效果越明顯。根據(jù)前面分析可知,與之相對應(yīng)的分層效果是箔條云在高度維的極化分層特性,即隨著箔條云高度的遞增,箔條云的水平極化波強(qiáng)度越強(qiáng)。下面用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證箔條云這一極化特性。

假設(shè)箔條云擴(kuò)散前(t=0時刻)有20 000箔條分布在一個邊長為10 m的正方體內(nèi),其初始中心位置的坐標(biāo)為(0 m, 0 m, 55 m),擴(kuò)散仿真實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計過程請參考文獻(xiàn)[16]。當(dāng)t=60 s時,假如在箔條云擴(kuò)散后高度維的中點(diǎn)處有一部全極化雷達(dá)觀測箔條云的擴(kuò)散,然后將觀測到的箔條云在高度上平分成若干層,并計算出每一層箔條云極化回波的RCS強(qiáng)度。按著這種做法,圖3給出了文獻(xiàn)[17]中3類典型分布箔條云的分層極化特性。其中,圖3(b)中θ0為情況2的分布參數(shù),該參數(shù)為天頂角的分布上限;θg和σ為圖3(c)情況3的分布參數(shù),分別表示該分布情況下(即正態(tài)分布)的均值與方差。在圖3中,設(shè)定觀測方向角γs=45°,每種情況下箔條云的分層數(shù)量為10層,圖3中水平、垂直和交叉極化通道中箔條云的RCS強(qiáng)度各自進(jìn)行了歸一化處理。從圖3中容易看出,交叉和垂直極化通道中箔條云的RCS強(qiáng)度沒有明顯規(guī)律可循,而水平極化通道中箔條云的RSC強(qiáng)度隨著高度的遞增而遞增,仿真結(jié)果驗(yàn)證了前面理論分析的正確性。下面接著分析利用箔條云這種特有的分層極化特性來實(shí)現(xiàn)箔條干擾的識別。

圖3 3類典型分布箔條云的分層極化特性(γs=45°)

3 基于干涉原理的箔條分層處理及箔條干擾識別算法

3.1 基于干涉原理的箔條分層處理

根據(jù)箔條云分層處理的要求,需要獲取到艦船目標(biāo)和箔條云的高程信息。因此,本文利用InSAR的干涉原理獲得兩者的高程信息,然后在高度維對其進(jìn)行分層處理。由于艦船目標(biāo)通常無法滿足箔條云這種特有的極化分層特性。因此,基于此特性差異,可望實(shí)現(xiàn)對箔條干擾的識別。

InSAR系統(tǒng)通常在垂直航跡面上放置兩部天線,利用兩天線間的干涉相位信息獲取目標(biāo)的高程信息[18]。在反艦應(yīng)用中,隨著天線技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,相控陣天線已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)導(dǎo)引頭中,為獲取目標(biāo)的高程信息,本文將相控陣天線在垂直航跡面上劃分兩個子天線,其工作原理如圖4所示。不失一般性,若子天線A1為主天線,負(fù)責(zé)發(fā)射雷達(dá)信號,其與地面的高度為H;子天線A2為輔天線,其與主天線的間距為B;設(shè)天線A1和A2到目標(biāo)P的瞬時斜距分別為Rm(ta)和Rs(ta),且目標(biāo)P的高程為h,其中ta為慢時間;在圖4中可以看出,面A1A2P與水平面的交線為A1D,設(shè)α為基線A1A2與A1D的夾角,斜距差ΔR=Rm(ta)-Rs(ta),則ΔR與主輔圖像真實(shí)干涉相位Δφ的關(guān)系可表示為[18]

圖4 干涉原理示意圖

ΔR=-λΔφ/2π

(1)

設(shè)β為基線A1A2與A1P之間的夾角,則在三角形A1A2P中,由余弦定理可求得角度β為

(2)

設(shè)θ為A1o與A1P之間的夾角,由于點(diǎn)A1、A2、P和o共面,則有

θ=π/2+α-β

(3)

因此,目標(biāo)點(diǎn)P的高程為

h=H-Rm(ta)cosθ=

(4)

根據(jù)InSAR的工作原理,雷達(dá)導(dǎo)引頭獲取目標(biāo)高程的流程如圖5所示,其具體實(shí)現(xiàn)步驟可參考文獻(xiàn)[18-19]。

圖5 雷達(dá)導(dǎo)引頭獲取目標(biāo)高程流程圖

3.2 箔條干擾識別特征量

在應(yīng)用中,若箔條云和艦船目標(biāo)的高程信息已經(jīng)獲得,則根據(jù)第2節(jié)所述,分別對箔條云和艦船目標(biāo)進(jìn)行分層處理,然后分別計算兩者每層中水平極化回波RCS的強(qiáng)度,從而可得到艦船目標(biāo)(或箔條云)RCS強(qiáng)度序列矢量P=[P(1),P(2),…,P(N)],其中,P(i)(i=1,2,…,N)為第i層艦船目標(biāo)(或箔條云)的RCS強(qiáng)度,N為艦船目標(biāo)(或箔條云)的分層數(shù)。根據(jù)前面的分析,箔條云的RCS強(qiáng)度,理論上可滿足以下關(guān)系:P(1)

通過分析,本文可設(shè)計如下箔條干擾識別量。

步驟1將RCS強(qiáng)度序列矢量P值分為兩部分:

(5)

步驟2求矢量P的平均RSC強(qiáng)度,記為E(P),其中符號E(·)為取平均操作符。令矢量序列(E(P)-Pf)中大于0的元素個數(shù)為Num1,序列(Pb-E(P))中大于0的元素個數(shù)為Num2,根據(jù)箔條云特有的極化分層特性,可設(shè)計識別特征量ρ如下:

(6)

該識別特征量可以很好地反映出箔條云特有的極化分層特性。具體來說,箔條云充分?jǐn)U散后且高程信息反演無誤差的理想情況下,其ρ的理論值為1,在非理想情況下,其ρ小于1且接近1;另一方面,艦船目標(biāo)通常不具備這種極化分層特性,因此其ρ值的隨機(jī)性較大,若將艦船目標(biāo)分為無限多層,其ρ值在理論上約為0.5。為此,可設(shè)定如下判決門限Th:

(7)

最后,討論一下本文所提方法的適用范圍。如前所述,本文所提方法主要是利用具備SAR功能的雷達(dá)導(dǎo)引頭對抗箔條沖淡干擾。因此,本文所提方法需要滿足以下幾個條件:①需要具備SAR導(dǎo)引頭功能,且具有提取目標(biāo)高程的能力;②僅限于抗箔條沖淡干擾情形,對于艦船目標(biāo)“包裹”在箔條云情形,或者單脈沖跟蹤階段形成箔條質(zhì)心干擾時的情形,本文所提方法將會失效;③需要箔條云充分?jǐn)U散,擴(kuò)散越充分其干擾識別性能越好;④當(dāng)箔條云落在水面上,由于缺乏了高程信息,本文所提方法將會失效。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)雷達(dá)導(dǎo)引頭的實(shí)時性要求、箔條云的擴(kuò)散程度、極化方式以及對抗場景等情況,可將本文所提方法與其他方法結(jié)合使用,以提高箔條干擾的識別率。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在仿真實(shí)驗(yàn)中,雷達(dá)導(dǎo)引頭的主要仿真參數(shù)設(shè)定如表1所示,SAR導(dǎo)引頭發(fā)射線性調(diào)頻信號,極化方式為水平極化,工作模式為前斜視成像模式。

表1 SAR導(dǎo)引頭系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖6給出了雷達(dá)導(dǎo)引頭與箔條云的幾何關(guān)系,其中z為箔條云高度,Rm(ta)為SAR導(dǎo)引頭主天線與箔條云的瞬間斜距。仿真中,假設(shè)在t=0時刻,20 000根箔條分布在一個邊長為10 m的正方體內(nèi),其中心位置坐標(biāo)為(8 000 m, 8 000 m, 55 m),主、輔通道箔條云的SAR成像處理流程可參考文獻(xiàn)[16]。

圖6 SAR導(dǎo)引頭對箔條云成像的幾何關(guān)系

箔條云擴(kuò)散60 s后,圖7給出了情況1下箔條云的分層處理結(jié)果,其中圖7(a)～圖7(f)分別給出了獲取箔條云高程具體步驟的仿真結(jié)果;本文所提方法的箔條云分層結(jié)果和理論分層結(jié)果如圖7(g)所示,其中箔條云等高度共分成10層,理論分層結(jié)果是通過直接計算觀測到的擴(kuò)散后箔條云的RCS強(qiáng)度獲得。從圖7(h)容易看出,理論分層結(jié)果隨著箔條云高度的遞增而遞增,其遞增情況比較理想。雖然本文所提方法的分層結(jié)果是波動上升的,但分層曲線較好地反映了箔條云特有的分層極化特性。

圖7 基于干涉原理的箔條云分層處理結(jié)果(情況1)

類似于圖7的處理流程,箔條云在情況2和情況3下的分層處理結(jié)果如圖8所示。圖8中給出了箔條云在情況2和情況3下配準(zhǔn)主圖像的成像圖以及分層極化處理結(jié)果圖。從圖8中可以明顯看出,在不同的分布條件下,本文所提方法的箔條分層結(jié)果總體上亦是單調(diào)遞增的,均能很好地反映箔條云特有的分層極化特性。這說明了箔條云的分層極化特性受箔條分布類型影響很小,分層極化特性穩(wěn)定。

圖8 箔條云分層處理結(jié)果(情況2和情況3)

另一方面,為了計算出船只目標(biāo)的極化散射數(shù)據(jù),圖9給出了船只目標(biāo)的空間坐標(biāo)系示意圖,其空間坐標(biāo)系與箔條云的坐標(biāo)系相同,圖中的角度γs和φs分別為船只目標(biāo)的俯仰角和方位角。在該坐標(biāo)系下,本文采用CST STUDIO SUITE軟件獲取船只目標(biāo)的極化散射數(shù)據(jù)。

圖9 船只目標(biāo)的空間坐標(biāo)系示意圖

在CST STUDIO SUITE軟件中,為了獲取船只目標(biāo)的高程信息,需要獲得主、輔圖像的極化散射數(shù)據(jù)。為此,仿真中設(shè)定兩組不同的觀測視角,其中主圖像的觀測視角設(shè)定為γs=45°,輔圖像的觀測視角設(shè)定為γs=45.02°。另外,為獲取多組散射主、輔圖像的極化散射數(shù)據(jù),固定角度γs,方位角變動,即φs分別取30°、45°和60°。船只目標(biāo)的成像結(jié)果如圖10(a)、圖10(c)、圖10(e)和圖10(g)所示。與圖7相同的處理流程,圖10(b)、圖10(d)、圖10(f)和圖10(h)給出了船只目標(biāo)的分層極化處理結(jié)果。從圖10中可以得出如下結(jié)論:船只目標(biāo)的分層極化特性沒有明顯的規(guī)律可循,其隨機(jī)性比較大,這與船只目標(biāo)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、雷達(dá)觀測視角等因素有關(guān)。

圖10 船只目標(biāo)分層處理結(jié)果

根據(jù)第3.2節(jié)給出的箔條干擾識別算法以及圖7和圖8,表2給出了箔條云的識別特征量ρ的計算結(jié)果。類似于前面的箔條云分層處理情況,表3和表4給出了箔條云擴(kuò)散時間分別為45 s和30 s情況下識別特征量ρ的計算結(jié)果。同理,根據(jù)圖10,表5給出了船只目標(biāo)的識別特征量ρ的計算結(jié)果。從表2～表5中可以看出,箔條云擴(kuò)散后的分層極化特性,其識別特征量ρ一般遠(yuǎn)大于0.5,即使在擴(kuò)散時間30 s的情形下,箔條云的識別特征量ρ也大于等于0.7,遠(yuǎn)比艦船目標(biāo)的大。此外,考慮到由于箔條云的擴(kuò)散不充分,箔條云的高度反演不完全準(zhǔn)確等因素,文中可設(shè)定門限Th=0.6,若ρ≥0.6,則判定為箔條干擾,反之則為艦船目標(biāo)。值得指出的是,門限Th可在實(shí)際應(yīng)用中去檢驗(yàn)和修正。

表2 箔條云的識別特征量ρ計算結(jié)果(60 s)

表3 箔條云的識別特征量ρ計算結(jié)果(45 s)

表4 箔條云的識別特征量ρ計算結(jié)果(30 s)

表5 船只目標(biāo)的識別特征量ρ計算結(jié)果

5 結(jié) 論

從箔條云的極化特性和空氣動力學(xué)特性入手,本文提出了一種基于分層極化特性的箔條干擾識別方法,主要用于解決SAR導(dǎo)引頭抗箔條沖淡干擾的問題。利用InSAR的干涉原理對箔條云和艦船目標(biāo)進(jìn)行分層處理,根據(jù)兩者的分層極化特征差異,提出了一種箔條識別特征量。為了驗(yàn)證該特征量識別箔條干擾的可行性,本文考慮了3類典型分布的箔條云以及不同方位角下觀測的船只目標(biāo),做了大量的仿真實(shí)驗(yàn)。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)均表明,本文所提方法可以有效地識別箔條干擾。

值得指出的是,為了進(jìn)一步提高箔條干擾的識別率,在實(shí)際應(yīng)用中,可將本文所提方法與其他箔條識別方法結(jié)合起來,如支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分類方法,這將是下一步需要深入研究的內(nèi)容。