趙宏宇，姚輝偉，李廷鵬，楊曉帆，申緒澗

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

0 引 言

逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)能夠輻射寬帶雷達(dá)信號(hào)，通過時(shí)域、頻域的信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)二維高分辨成像，進(jìn)而通過圖像處理，提取目標(biāo)的散射特性、幾何尺寸、運(yùn)動(dòng)特性等特征，實(shí)現(xiàn)空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測、定位和識(shí)別[1-3]。與此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)微運(yùn)動(dòng)特性也越來越受到重視，通過在目標(biāo)整體回波中剝離出特定部位的微動(dòng)回波分量，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)特性提取。微動(dòng)特性包含了目標(biāo)局部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征，在ISAR圖像上表現(xiàn)為特定頻率的信號(hào)特性，為目標(biāo)的精確識(shí)別提供了輔助特征，如導(dǎo)彈的自旋、近動(dòng)/章動(dòng)特性、飛機(jī)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)特性、地面雷達(dá)的天線機(jī)械掃描特性[4-5]等。

為了有效對(duì)抗ISAR雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別能力，國內(nèi)多個(gè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)針對(duì)ISAR雷達(dá)開展了干擾算法研究[6-10]。文獻(xiàn)[6]分析了ISAR雷達(dá)回波仿真方法，提出利用射頻存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)ISAR雷達(dá)假目標(biāo)欺騙干擾。文獻(xiàn)[7]通過對(duì)逆合成孔徑雷達(dá)的成像過程進(jìn)行分析，利用不同位置、不同散射特性的散射點(diǎn)陣，構(gòu)造了ISAR雷達(dá)假目標(biāo)回波，形成了連續(xù)假目標(biāo)干擾。以上方法利用了ISAR雷達(dá)與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)特性，構(gòu)建虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了假目標(biāo)欺騙干擾，但沒有考慮目標(biāo)的微動(dòng)特性帶來的目標(biāo)識(shí)別影響。在上述干擾算法的研究基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[8]利用旋轉(zhuǎn)角反射器構(gòu)建了無源假目標(biāo)的微動(dòng)特性，驗(yàn)證了ISAR雷達(dá)微動(dòng)干擾的可能性。潘曉義[4]構(gòu)建了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的散射及微動(dòng)特性，對(duì)ISAR雷達(dá)的微動(dòng)干擾算法進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[9]利用數(shù)字圖像合成器，在分析ISAR雷達(dá)微動(dòng)特征的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)目標(biāo)微動(dòng)干擾。

隨著ISAR雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)單一、特征簡單的微動(dòng)特征已能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的特征提取及目標(biāo)識(shí)別，利用單一特征的微動(dòng)欺騙干擾已能克服。針對(duì)傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)微動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)欺騙干擾容易被發(fā)現(xiàn)的缺陷，本文提出了一種多點(diǎn)非勻速旋轉(zhuǎn)的ISAR雷達(dá)干擾算法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)ISAR雷達(dá)微動(dòng)特征干擾，還使得構(gòu)建的假目標(biāo)微動(dòng)特性不易提取，進(jìn)而影響ISAR雷達(dá)的目標(biāo)微動(dòng)特征識(shí)別，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文算法的有效性。

1 旋轉(zhuǎn)微動(dòng)目標(biāo)微多普勒分析

圖1 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性示意圖

從上述論述可知，目標(biāo)的微動(dòng)主要為目標(biāo)特定部件、結(jié)構(gòu)的快速旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)。在進(jìn)行目標(biāo)微動(dòng)特性分析時(shí)，假設(shè)自旋微動(dòng)點(diǎn)Pn圍繞中心點(diǎn)o1做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，自旋半徑為r，自旋角速度為ωP，自旋中心點(diǎn)o1在以o為中心的坐標(biāo)系中坐標(biāo)為(x,y)。

ISAR雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，則發(fā)射信號(hào)可表示為：

(1)

則自旋微動(dòng)點(diǎn)Pn的基帶回波為：

(2)

式中：RPn(tm)為自旋微動(dòng)點(diǎn)Pn與雷達(dá)之間的距離；σPn為Pn的RCS散射值；ha(tm)為方位向慢時(shí)間域的窗函數(shù)。

基帶回波經(jīng)距離向脈沖壓縮處理后的一維距離向結(jié)果為：

sPn(t,tm)=σPn·sinc{B(t-2RPn(tm)/c)}·

(3)

在進(jìn)行ISAR成像過程中，目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度一般較小(θ≤10°)，且自旋半徑r?RPn，則可利用近似公式sinθ≈θ≈0,cosθ≈1展開距離計(jì)算公式:

RPn(tm)=R0+R1sin(ω0tm+θ0)+rPsin(ωptm+θP)=

R0+xsin(ω0tm)+ycos(ω0tm)+rPsin(ωptm+θP)≈

R0+y+xω0tm+rPsin(ωptm+θP)

(4)

式中:R0為目標(biāo)中心點(diǎn)o與雷達(dá)之間的直線距離。

文獻(xiàn)[10]提出了包含風(fēng)、光、儲(chǔ)和電動(dòng)汽車等的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,分析了電動(dòng)汽車對(duì)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響。文獻(xiàn)[11]給出了儲(chǔ)能充放電模型。文獻(xiàn)[12]以智能住宅內(nèi)的微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立了以發(fā)用電總成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[13]建立了電動(dòng)汽車功率需求的統(tǒng)計(jì)模型。文獻(xiàn)[14]考慮了電動(dòng)汽車能量的雙向流動(dòng),以投資成本最低為目標(biāo),同時(shí)參與電網(wǎng)的削峰填谷,分析了電動(dòng)汽車雙向充電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[15]在已有光儲(chǔ)電站儲(chǔ)能容量配置研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備選型、光儲(chǔ)電站的調(diào)度模式、容量配置方法以及光儲(chǔ)電站的全壽命周期經(jīng)濟(jì)可行性等進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

從上式可以看出，點(diǎn)Pn與雷達(dá)之間的距離RPn在慢時(shí)間域?yàn)樽兓€。在經(jīng)過脈沖壓縮處理后，若旋轉(zhuǎn)微動(dòng)半徑rP=0，則點(diǎn)Pn在方位向慢時(shí)間域內(nèi)的回波僅有多普勒差異，距離處于同一位置，這正是方位向聚焦成像的關(guān)鍵；在旋轉(zhuǎn)微動(dòng)半徑rP≠0時(shí)，距離RPn呈規(guī)則正弦變化，變化周期、半徑與旋轉(zhuǎn)速率、旋轉(zhuǎn)半徑相關(guān)。

假設(shè)自旋微動(dòng)點(diǎn)基于目標(biāo)中心對(duì)稱，微動(dòng)旋轉(zhuǎn)半徑rP分別為1 m、10 m、50 m，旋轉(zhuǎn)周期為10 rad/s，則得到的單點(diǎn)微動(dòng)、雙點(diǎn)微動(dòng)一維距離向圖像如圖2所示。

圖2 不同參數(shù)下旋轉(zhuǎn)微動(dòng)目標(biāo)一維距離像

從圖2中可以看出，隨著微動(dòng)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)半徑rP的增加，回波包絡(luò)呈現(xiàn)為正弦曲線變化，且方位向位置起伏加劇。

由公式(3)、(4)可知，ISAR雷達(dá)成像過程中，目標(biāo)回波相位為:

(5)

通過對(duì)目標(biāo)回波相位慢時(shí)間進(jìn)行微分可得目標(biāo)微多普勒為:

fd0+fd1

(6)

式中:第1項(xiàng)fd0為目標(biāo)本身繞中心點(diǎn)o自旋轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的多普勒頻移，自旋周期為ω0，該值與目標(biāo)點(diǎn)的橫坐標(biāo)x相關(guān)，這正是ISAR雷達(dá)完成方位向高分辨成像的關(guān)鍵;第2項(xiàng)fd1是由旋轉(zhuǎn)微動(dòng)點(diǎn)Pn自旋運(yùn)動(dòng)引起的多普勒變化，該值會(huì)導(dǎo)致方位向回波受到調(diào)制，進(jìn)而影響方位向聚焦成像。

2 基于旋轉(zhuǎn)微動(dòng)的ISAR雷達(dá)干擾算法

由旋轉(zhuǎn)微動(dòng)點(diǎn)所引起的方位向調(diào)制特性可知，當(dāng)在原始回波中添加旋轉(zhuǎn)微動(dòng)干擾時(shí)，會(huì)影響ISAR雷達(dá)的成像效果，ISAR雷達(dá)成像處理過程一般包含距離向脈沖壓縮、距離向散射點(diǎn)對(duì)齊、方位向相位校正、方位向IFFT處理等幾個(gè)關(guān)鍵步驟，中間可穿插不同的相位補(bǔ)償算法。

(7)

式中：Jn(·)是n階第一類貝塞爾函數(shù)；c為光速；fPn為自選微動(dòng)點(diǎn)的角頻率，經(jīng)方位向IFFT處理后可得ISAR成像時(shí)頻域圖像為：

(8)

由上式可知，旋轉(zhuǎn)微動(dòng)點(diǎn)對(duì)ISAR圖像的方位向形成調(diào)制，根據(jù)貝塞爾函數(shù)特性可知，此時(shí)方位向會(huì)形成連續(xù)尖峰，對(duì)ISAR圖像成像質(zhì)量有一定的影響。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)微動(dòng)點(diǎn)P的旋轉(zhuǎn)半徑r大于雷達(dá)距離分辨率時(shí)，由第2節(jié)分析可知，旋轉(zhuǎn)微動(dòng)點(diǎn)的回波信號(hào)經(jīng)距離向脈沖壓縮后，會(huì)形成方位向的正弦調(diào)制效果，此時(shí)ISAR雷達(dá)進(jìn)行距離向散射點(diǎn)對(duì)齊時(shí)，會(huì)影響散射點(diǎn)的對(duì)齊效果，進(jìn)而影響方位向聚焦成像。

受限于單獨(dú)散射點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)特性容易提取，在進(jìn)行ISAR成像時(shí)，可以通過時(shí)頻分析工具先提取旋轉(zhuǎn)散射點(diǎn)的微動(dòng)特性，進(jìn)而完成ISAR成像。因此，在充分考慮散射點(diǎn)微動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，本文利用多點(diǎn)非勻速運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)微動(dòng)特性進(jìn)行欺騙干擾，假設(shè)旋轉(zhuǎn)微動(dòng)散射點(diǎn)為Pi(i=1,2,n)，各散射點(diǎn)的微動(dòng)半徑分別為ri(i=1,2，…,n)，則散射點(diǎn)的基帶回波信號(hào)為:

(9)

經(jīng)前面分析可知，該基帶回波在旋轉(zhuǎn)半徑ri大于成像分辨率的情況下，會(huì)對(duì)回波信號(hào)的脈沖壓縮結(jié)果產(chǎn)生影響，在回波包絡(luò)中形成多個(gè)半徑不均勻的正弦曲線，干擾假目標(biāo)的微動(dòng)特性不易提取，最終影響ISAR圖像的成像結(jié)果，在不同信噪比下，影響最終的目標(biāo)檢測和識(shí)別。

3 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證多點(diǎn)非勻速旋轉(zhuǎn)的干擾效果，選取飛機(jī)作為ISAR雷達(dá)的跟蹤目標(biāo)，飛機(jī)模板采用圖3所示的點(diǎn)陣形式，對(duì)ISAR雷達(dá)的干擾仿真流程如圖4所示。仿真參數(shù)如下：工作頻率9.6 GHz，帶寬100 MHz，發(fā)射脈寬20 μs，重復(fù)頻率1 000 Hz，方位角旋轉(zhuǎn)角度3°，雷達(dá)到目標(biāo)的距離4 000 m，目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角速度0.05 rad/s，雷達(dá)跟蹤精度5 m。假目標(biāo)模板中，目標(biāo)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)，目標(biāo)旋轉(zhuǎn)半徑分別為2.5 m、5 m、10 m，旋轉(zhuǎn)周期為5 Hz～15 Hz，三點(diǎn)非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 飛機(jī)目標(biāo)點(diǎn)陣模型

圖4 基于旋轉(zhuǎn)微動(dòng)特性調(diào)制的ISAR干擾仿真圖

首先針對(duì)無干擾條件下的ISAR成像結(jié)果進(jìn)行分析，無干擾條件下的成像結(jié)果如圖5所示，經(jīng)去斜、距離對(duì)齊、相位校正后，ISAR雷達(dá)能夠?qū)︼w機(jī)目標(biāo)進(jìn)行成像，成像分辨率較好。

圖5 無干擾條件下的成像結(jié)果

圖6給出了目標(biāo)功率和干擾功率一致時(shí)的最終成像結(jié)果。從圖中可以看出，在完成回波信號(hào)去斜處理后，回波脈沖壓縮結(jié)果中包含沿方位向的多條不規(guī)則曲線，這些曲線正是由多個(gè)非勻速運(yùn)動(dòng)的微動(dòng)假目標(biāo)引起的，該曲線是微動(dòng)點(diǎn)在目標(biāo)圖譜中的重要信息。從圖中可以看出，多目標(biāo)的微動(dòng)特性相互交錯(cuò)，微動(dòng)特征不規(guī)則，難以提取。且從最終的干擾圖像結(jié)果可以看出，干擾信號(hào)在距離向?qū)R過程中，降低了對(duì)齊效果，使得ISAR圖像成像效果下降，信噪比的下降會(huì)影響最終識(shí)別。

圖6 干信比0 dB時(shí)雷達(dá)成像結(jié)果

圖7給出了干信比3 dB時(shí)的最終成像結(jié)果，由于干擾信號(hào)能量高，回波信號(hào)在進(jìn)行包絡(luò)對(duì)齊時(shí)受到旋轉(zhuǎn)微動(dòng)點(diǎn)的干擾影響，使得回波在進(jìn)行距離向?qū)R操作過程中，難以對(duì)目標(biāo)的特征點(diǎn)進(jìn)行有效對(duì)齊，進(jìn)而影響了后續(xù)的相位校正和最終成像結(jié)果。從最終成像結(jié)果可以看出，多點(diǎn)非勻速旋轉(zhuǎn)的干擾方法不僅使得雷達(dá)無法完成ISAR成像，同時(shí)模擬假目標(biāo)的微動(dòng)特性難以提取和剔除，仿真方法驗(yàn)證了本文算法的有效性。

圖7 干信比3 dB時(shí)雷達(dá)成像結(jié)果

4 結(jié)束語

本文深入分析了旋轉(zhuǎn)微動(dòng)目標(biāo)的微多普勒特性，并提出了一種多點(diǎn)非勻速旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)欺騙干擾算法，該算法能夠完成目標(biāo)的欺騙干擾，對(duì)目標(biāo)圖像造成污染，進(jìn)而影響最終的目標(biāo)識(shí)別，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了干擾算法的有效性。