李尚生，王旭坤，付哲泉，張軍濤

(海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

1 引言

無人機具有低雷達散射截面(RCS)、慢速、低飛的特點，且無人機涂敷吸波材料使得隱身性增強，在電子戰(zhàn)中可以很好的完成電子偵察、電磁誘餌以及雷達干擾等工作，在進行突防掩護時被雷達探測到的概率很低[1]，故在本文中假設(shè)敵防空雷達探測到無人機的概率為零。對于無人機在電子戰(zhàn)中的使用是目前研究的熱點，文獻[2-4]對無人機在雷達電子對抗中航路、空域的規(guī)劃以及作戰(zhàn)使用方法做了研究，文獻[5]中建立了無人機壓制雷達進行空中突防的干擾模型，仿真結(jié)果為突防行動提供了具體的方法參考。文獻[6]提出將小型導引頭掛載在無人機上，對基地化訓練中提供空中來襲的目標做了研究，為無人機的應(yīng)用提供了新思路。

防空制導雷達一般為高分辨相參體制雷達，可以完成脈沖壓縮，故在模擬空中目標的回波時需將其看成擴展目標。許多學者對寬帶雷達回波進行了研究，文獻[7-9]完成了基于散射中心模型的寬帶雷達回波仿真，并對回波的一維距離像進行了驗證，說明了仿真的可靠性。數(shù)字射頻存儲器(Digital Radio Frequency Memory ，DRFM)的發(fā)展使得對相參體制雷達的干擾成為了可能，文獻[10-12]基于DRFM對相參雷達典型干擾信號的產(chǎn)生進行了研究，仿真結(jié)果表明，能夠有效的干擾相參體制雷達。

隨著雷達自動識別技術(shù)的發(fā)展，機器學習以及模式識別理論的應(yīng)用，可以在雷達回波中獲得更多目標細微特性信息，以此對目標進行識別分類?，F(xiàn)階段的距離-速度欺騙干擾沒有考慮到干擾回波與真實目標回波特性之間的逼真度，即難以欺騙具有識別能力的雷達[13-16]。本文基于無人機平臺以及空中典型目標的電磁仿真，利用數(shù)字射頻存儲技術(shù)，高逼真的完成對敵防空雷達所實施的距離-速度欺騙干擾。

2 典型空中目標電磁仿真以及數(shù)據(jù)庫的建立

2.1 某典型戰(zhàn)機模型建立

專業(yè)的建模軟件3DMAX具有其配置要求低、建模步驟可堆疊以及制作能力強的優(yōu)點[17]，本文基于3DMAX完成對某典型戰(zhàn)機模型1：1比例的建立，并利用商業(yè)電磁仿真軟件FEKO完成對復雜目標電磁散射的計算。如圖1所示為某典型戰(zhàn)機的CAD模型。

圖1 某典型戰(zhàn)機CAD模型

2.2 電網(wǎng)格劃分及電磁仿真

Hypermesh為專業(yè)的有限元網(wǎng)格處理軟件，針對不同的問題可以生成對應(yīng)的網(wǎng)格類型，相比于CADFEKO模塊自帶的網(wǎng)格劃分功能，Hypermesh具有高速度、高質(zhì)量以及耗費的內(nèi)存更少的優(yōu)點[18]，故選用Hypermesh對模型進行電網(wǎng)格剖分。如圖2所示為某典型戰(zhàn)機的三角面元網(wǎng)格模型。

圖2 某典型戰(zhàn)機三角面元網(wǎng)格模型示意圖

電磁場計算的方法主要有數(shù)值方法、高頻方法以及混合算法。商用軟件FEKO內(nèi)置了許多的算法[19]，有以矩量法(Method of Moments，MOM)為基礎(chǔ)的多層快速多極子方法(Multilevel Fast Multipole Method ，MLFMM)，在保證精度的前提下減小了運算量提高了計算效率；另外FEKO支持如物理光學法(PO)等許多高頻近似方法以及混合類算法。其中MLFMM以及高頻方法為計算電大尺寸目標的雷達散射截面(RCS)提供了途徑。Shengliang Hu[20]等人利用FEKO完成對典型復雜目標的RCS計算，其計算結(jié)果具有可信度高、效率顯著的特點，Xiaofeng Wang[21]等人基于FEKO計算了某型導彈的RCS、一維距離像(HRRP)以及ISAR圖像。在本文中采用MLFMM與高頻混合技術(shù)完成對某型戰(zhàn)機的電磁特性仿真；如圖3所示為5.6GHz時目標零俯仰，方位角為0°～180°范圍，角度間隔為1°的水平極化的單站RCS。

圖3 某典型戰(zhàn)機5.6GHz單站RCS

飛機在作戰(zhàn)時主要有突防以及巡航任務(wù)，對雷達視角而言在飛機突防過程中，飛機的鼻錐方向是最大的威脅；在巡航過程中，飛機的側(cè)面將暴露給雷達，所以對某型飛機電磁散射特性仿真的角度范圍設(shè)置如圖4所示，其中俯仰角范圍為：-40°～40°間隔1°，方位角范圍為：-180°～180°間隔1°。

圖4 某典型戰(zhàn)機電磁散射仿真角度設(shè)置

FEKO軟件可以完成單頻、步進頻以及連續(xù)頻率的設(shè)置。本文中對目標進行電磁散射仿真頻率設(shè)置為C波段，采用步進頻率，完成對目標全方位的電磁散射數(shù)據(jù)采集，建立數(shù)據(jù)庫。

2.3 目標電磁散射數(shù)據(jù)庫的建立

基于幾何繞射理論(Geometrical Theory of Diffraction，GTD)模型可以更精確地描述目標高頻段電磁散射特性[22-23]，其雷達后向散射場可以表示為

(1)

圖5 散射中心散射參數(shù)集數(shù)據(jù)庫

在已建立好的數(shù)據(jù)庫中調(diào)用0°俯仰角，0°方位角即飛機的鼻錐方向的一維散射中心參數(shù)，結(jié)果如圖6與表1所示。

圖6 某型戰(zhàn)機鼻錐方向一維散射中心分布

表1 某型戰(zhàn)機鼻錐方向散射中心參數(shù)

將表1中的散射中心參數(shù)帶入式(2)即可得到描述戰(zhàn)機在鼻錐方向散射特性的系統(tǒng)函數(shù)[8]，f代表雷達發(fā)射信號頻率，起始頻率為f0，將其與截獲的雷達信號進行頻域相乘便得到擴展目標回波信號。

(2)

3 距離-速度欺騙干擾

隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，脈沖壓縮雷達作為一種新體制雷達，通過匹配濾波技術(shù)解決了雷達探測距離與距離分辨率之間的矛盾。由于相參雷達的寬帶相參性，傳統(tǒng)的距離-速度相參干擾可以通過雷達的脈沖壓縮以及恒虛驚檢測，但是隨著識別算法以及深度學習的發(fā)展，雷達自動識別技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，可以從目標的回波信號中提取出目標結(jié)構(gòu)特性的信息，從而對目標進行分類與識別。如何使得干擾信號與真實目標回波特征逼近以達到欺騙雷達的目的是目前研究的熱點。

基于目標電磁散射特性的寬帶雷達回波仿真，真實反映了目標的特征信息，DRFM技術(shù)通過控制時間的延遲以及產(chǎn)生同步的多普勒頻率，形成虛假航跡，對雷達進行距離-速度二維欺騙干擾，將其調(diào)制上目標電磁散射特性，以達到欺騙具有識別能力的雷達的目的。

3.1 擴展目標回波產(chǎn)生及調(diào)制模型

假設(shè)偵察雷達偵測到敵方雷達發(fā)射的信號為線性調(diào)頻信號

(3)

為實現(xiàn)距離-速度的同步干擾需要滿足式(4)

(4)

其中，ri為假目標零相位點與雷達之間的初始距離，vi0為假目標相對于雷達的徑向速度，λ為信號的波長，由此可推導出假目標回波延時τi0以及多普勒頻率fd之間的關(guān)系滿足式(5)，通過控制時延與多普勒之間的關(guān)系完成距離-速度二維同步干擾。

(5)

在遠區(qū)場，目標的回波是由若干個強散射點回波相干合成，將偵測到的雷達信號通過可以表征目標的系統(tǒng)函數(shù)，得到擴展目標回波。

exp[j2π(f0+fd)(t-τi0)]exp[jπμ(t-τi0)2]}

(6)

其中，IFFT[]表示傅里葉反變換；?表示卷積運算；τi0=2Ri0/c為時間延遲，Ri0=ri+rm，Ri0為第i散射中心與敵方雷達之間的徑向距離，rm為散射中心之間的相對位置，fd為調(diào)制的多普勒頻率。

3.2 基于無人機平臺干擾仿真

圖7 假目標干擾實現(xiàn)框圖

無人機具有低RCS、長時間滯空性以及任務(wù)風險低的特性，越來越多的應(yīng)用于干擾敵方雷達以掩護空中目標的突防。如圖8所示為基于無人機平臺的距離-速度假目標干擾示意圖，無人機在B處的釋放射頻干擾信號，干擾A處的敵方雷達，由于發(fā)射的射頻干擾信號具有相參性，故可以通過敵方雷達檢測處理過程，在C處形成向雷達運動的假目標，其中包含距離ri為雷達到假目標散射中心處的距離、速度vi0以及真實目標具有的電磁散射信息。

圖8 無人機平臺欺騙干擾示意圖

按照式(5)，仿真出假目標的寬帶雷達信號，其中截獲的雷達信號參數(shù)以及假目標參數(shù)如表(2)所示，仿真結(jié)果如圖9所示。其中圖9(a)為模擬的寬帶雷達回波信號，假目標可以通過雷達的相參處理，經(jīng)過脈沖壓縮后，得到結(jié)果的如圖9(b)所示，在距離-速度空間產(chǎn)生峰值，超過檢測的門限，被雷達檢測出來，以達到距離-速度的二維欺騙干擾。

表2 截獲的雷達參數(shù)和假目標參數(shù)

圖9 假目標信號

隨著雷達自動識別技術(shù)的發(fā)展以及高分辨寬帶雷達的應(yīng)用，可以對雷達回波進行處理得到高分辨距離像，其包含了豐富的目標信息，通常用于目標識別，是目前軍事領(lǐng)域關(guān)注的重點和難點。如圖9(c)所示為模擬的假目標信號經(jīng)過雷達匹配濾波之后得到的一維高分辨距離像，其具有被探測目標的特征信息，不容易被高分辨雷達識別為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾而抑制掉。

4 結(jié)語

為逼真地模擬出對相參高分辨雷達假目標回波，本文引入了擴展目標的概念，并基于目標的電磁散射特性給出了相參雷達距離-速度欺騙干擾信號模型，將雷達采樣數(shù)據(jù)序列與模擬目標特征響應(yīng)模型相卷積，以使得假目標信號既攜帶雷達發(fā)射信號的相位信息，又攜帶探測目標特征信息?；跓o人機平臺發(fā)射假目標干擾信號進行了仿真分析，不僅起到了對高分辨雷達的距離-速度欺騙干擾，而且對雷達的識別起到了干擾效果。