孟維澤,田潤坤,張靜克,邢世其,申緒澗

(1.國防科技大學(xué),湖南 長沙 410073;2.CEMEE國家重點實驗室,河南 洛陽 471003)

0 引 言

隨著雷達系統(tǒng)的發(fā)展,雷達的分辨率也隨之提高,高分辨率雷達甚至可以從對回波特征的分析中獲取目標(biāo)的散射點分布,進而實現(xiàn)成像和目標(biāo)識別。針對這些雷達,學(xué)者們提出了許多干擾樣式,并已有學(xué)者通過仿真和實驗的手段驗證了這些干擾手段能對高分辨率雷達產(chǎn)生效果。其中得到廣泛應(yīng)用的是相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

但與此同時,很多國家和地區(qū)目前仍主要采用低分辨率的雷達作為預(yù)警探測手段。因此探尋這些被大量使用的相干干擾樣式對于低分辨率雷達的影響效果十分必要。

近些年來,不少學(xué)者提出用不同方法提取低分辨率雷達的回波特征,以期采用新的方法提升現(xiàn)有列裝裝備的性能,實現(xiàn)對目標(biāo)的粗分類識別。但未見有學(xué)者考慮新出現(xiàn)的干擾樣式會對低分辨率雷達回波產(chǎn)生什么樣的影響。羅宏等人[1]率先提出使用反卷積法獲得雷達目標(biāo)回波的波形特征,并探索建立起利用低分辨率的視頻回波逆推到近似的高分辨率波形的數(shù)學(xué)模型,豐富了波形特征,為進一步的目標(biāo)識別奠定了可能。但該模型是建立在“目標(biāo)的散射分布特性在高分辨和低分辨時一致”的假設(shè)成立的前提下的,原文并未提到這個設(shè)定是否成立,仍需要進一步的實驗來驗證。

王偉等人[2]通過直接利用3種低分辨率回波的動態(tài)特征提出目標(biāo)分類算法,可以進行簡單的目標(biāo)分類。此后,張漢華等人[3]將“使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為分類器”這一方法引入了低分辨率雷達目標(biāo)識別中,并利用模糊極大極小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FMM)得到了良好的分類效果。此后,采用機器學(xué)習(xí)的方法成為了該領(lǐng)域的主流方向,絕大多數(shù)都采用“兩步走”辦法,即先提取出回波的特征參數(shù),然后使用機器學(xué)習(xí)的方法進行分類識別。目前國內(nèi)外已有十?dāng)?shù)篇文獻[4-13]利用不同的特征提取增強方法和機器學(xué)習(xí)分類方法取得不同的效果?？梢钥闯?絕大部分研究只集中于使用各種方式提升特征提取和目標(biāo)識別的效率及準(zhǔn)確率,并沒有考慮到干擾對低分辨雷達回波特征提取的影響,此方向的研究仍存在大量空白。

1 低分辨率雷達回波的仿真與分析

在實際戰(zhàn)術(shù)運用環(huán)境中,雷達操作員通過操作臺對雷達回波的“A顯”或“三維顯”觀察分析,對目標(biāo)的類型和狀態(tài)進行判斷。對此,下文對低分辨率目標(biāo)回波波形特征的提取與分析進行研究。

1.1 低分辨率雷達回波模型

在低分辨率雷達的回波研究過程中,通常將單個長度小于雷達分辨率的目標(biāo)視為一個散射點。此時若將整個回波產(chǎn)生過程視為一個線性時不變系統(tǒng),其中目標(biāo)的沖激響應(yīng)用h(t)來表示,雷達的發(fā)射信號用p(t)來表示,n(t)表示噪聲,*代表卷積運算,則雷達的回波s(t)可由下述公式表示:

s(t)=p(t)*h(t)+n(t)

(1)

目前,國內(nèi)關(guān)于低分辨率雷達回波仿真方面的研究都基于視頻回波層面進行直接仿真[14-15],容易造成波形失真和細(xì)節(jié)的丟失。本文進行最基本的采樣點級別的仿真,以確?；夭ǚ抡娴臄M真度。一般情況下低分辨率雷達都為脈沖多普勒體制,采用線性調(diào)頻(LFM)信號作為發(fā)射信號。對應(yīng)公式(1)中的變量,其具體表達式為:

p(t)=A·exp(j2πf0t+jπkt2)

(2)

h(t)=σ·δ(t-t0)

(3)

s(t)=A·L·σ·exp(j2πf0(t-t0)+

jπk(t-t0)2)+n(t)

(4)

k=B/Tp

(5)

式中:A表示發(fā)射信號的幅值;exp(·)表示取以e為底的指數(shù);k表示調(diào)頻率;t表示時間;σ表示散射截面積(RCS);δ(·)表示沖擊響應(yīng);t0表示由傳播距離帶來的時延;L表示由傳播距離帶來的衰減;B表示LFM信號的帶寬;Tp表示單次脈沖的時寬。

當(dāng)目標(biāo)體型尺寸較大時(如大型船舶),或相距間隔較大的數(shù)個尺寸較小的目標(biāo)時(如飛機梯隊),低分辨雷達可以將其視為多個距離不同的散射點。一般可用N個散射中心函數(shù)分權(quán)疊加進行模擬,其得到的總回波信號s′(t)為:

(6)

式中:N的取值與目標(biāo)的尺寸及姿態(tài)有關(guān);下標(biāo)i表示第i個散射點,對應(yīng)參數(shù)與該點的位置和其本身散射特性有關(guān)。

1.2 目標(biāo)回波仿真

按照表1所示的參數(shù)設(shè)置,分別對擴展目標(biāo)和多目標(biāo)2種目標(biāo)狀態(tài)進行雷達“A顯”和“三維顯”的回波仿真。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

首先進行擴展目標(biāo)仿真,設(shè)目標(biāo)的散射點位于距離雷達的第4 000、4 001、4 002個分辨單元中。由LFM信號處理理論可計算求得表1參數(shù)對應(yīng)的雷達分辨率,公式如下:

(7)

式中:c表示光速,代入表1的值可求得分辨單元為15 m。

以這3個緊密靠近的散射點作為擴展目標(biāo)(長度約45 m的大目標(biāo))的仿真,對其回波進行200個點的均方根包絡(luò)檢波,其回波顯示效果如圖1所示。

圖1 擴展目標(biāo)雷達回波仿真效果

可以看出,擴展目標(biāo)的回波主要呈現(xiàn)一個波峰的狀態(tài),數(shù)個脈沖之間略有微小的起伏,與文獻[14]～[15]中給出的真實雷達回波數(shù)據(jù)形狀基本一致。

對于有一定間隔的多個小目標(biāo),低分辨雷達可以將其視為有一定間距的多個散射點模型,利用公式(6)的多個散射中心回波疊加可以對小目標(biāo)群進行回波仿真。

同樣使用表1中的參數(shù)設(shè)置,且對其回波進行200個點的均方根包絡(luò)檢波。此時分別將小目標(biāo)群中的2個目標(biāo)位置分別設(shè)置在第4 000、4 030個(間距較小)分辨單元處和第4 000、4 200個(間距較大)分辨單元處,顯示效果如圖2所示。

圖2 小目標(biāo)群雷達回波仿真效果

在一般情況下,可以通過回波波形的主峰數(shù)目對目標(biāo)數(shù)量進行粗略判斷。但對比圖2結(jié)果,目標(biāo)散射點間距較小時,由于波形疊加,會出現(xiàn)多個目標(biāo)回波疊加為一個主峰。對比擴展目標(biāo)和間距較小的目標(biāo)群,可以看到在波形的細(xì)微特征上仍有較為明顯的區(qū)別,因此有了波形特征提取和雷達操作員觀察分析的空間。

1.3 目標(biāo)回波特征分析

在高分辨率雷達中,由于目標(biāo)散射點細(xì)節(jié)極為豐富,不同類型的目標(biāo)有各自極為明顯的特點。因此可以依據(jù)目標(biāo)散射點成像結(jié)果和算法進行精準(zhǔn)識別,如確定飛機、艦船的具體型號等。低分辨率雷達在對目標(biāo)的探測中,往往會損失大量目標(biāo)細(xì)節(jié),無法從回波中提取出高分辨率的散射點分布和其他信息。有經(jīng)驗的操作員可以通過低分辨率雷達回波的波形特征對目標(biāo)進行快速的分析和判斷,有效提高了低分辨率雷達的辨識能力。比如不同數(shù)量(單個或多個)、不同類別(直升機、固定翼飛機等)的目標(biāo)就在回波強度、波形寬度、波色上有明顯區(qū)別,因此具有研究分析的空間。

因此,采納文獻[2]中部分定義的時域波形特征參數(shù)并結(jié)合部分新提出的參數(shù),來描述回波經(jīng)包絡(luò)檢波后的特征,表征雷達操作員對波形細(xì)節(jié)特征的觀察角度,并對1.2節(jié)中的3組回波進行了計算?？紤]到隨機噪聲因素的影響,取其1 000次脈沖的均值,其回波特征如表2所示。

表2 回波特征值

由表2可以看出,不同類型目標(biāo)回波的特征值之間有一定的差異,為雷達操作員判別目標(biāo)給出了空間。

2 不同相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾對回波特征的影響

近些年來,雷達干擾樣式快速發(fā)展,產(chǎn)生了不少新型干擾體制。數(shù)字射頻存儲器(DRFM)這種干擾設(shè)備得到了極為廣泛的應(yīng)用,它能采用轉(zhuǎn)發(fā)截獲雷達信號的方式輕松生成干擾信號,并讓干擾獲得雷達的系統(tǒng)增益。

2.1 典型相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾

學(xué)者們基于DRFM提出了多種相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾,本文選取其中3個典型的樣式進行分析,類型分別為:基于噪聲、脈內(nèi)干擾、脈間干擾。

靈巧噪聲干擾是代表性的基于噪聲產(chǎn)生的相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾,需要產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲,并將其調(diào)制到雷達回波信號上,再將其發(fā)射回雷達接收天線處。這里選取靈巧噪聲干擾是為了與經(jīng)典的噪聲干擾對比體現(xiàn)不同,靈巧噪聲干擾利用了雷達系統(tǒng)本身的相干性質(zhì),獲得了較大的系統(tǒng)增益,其干擾效果比經(jīng)典噪聲干擾更加明顯。

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾[16]是轉(zhuǎn)發(fā)干擾中一種代表性的脈內(nèi)干擾手段,需要先對雷達信號低速率間歇采樣,然后將其轉(zhuǎn)發(fā)回雷達接收天線處,最終可以生成逼真的相干假目標(biāo)串,能對單次脈沖產(chǎn)生較大的影響。

多普勒微調(diào)干擾是一種代表性的脈間干擾手段。需要在目標(biāo)處接收到雷達的發(fā)射信號,再對回波頻率進行微小的隨機調(diào)制,且每個脈沖內(nèi)的頻率微動量互不相關(guān)。這種方式會破壞回波的相干性,使其匹配濾波的性能下降,令波形發(fā)生變化,尤其會對雷達的“三維顯”產(chǎn)生顯著的影響。

2.2 3種干擾對回波顯示的影響

首先進行靈巧噪聲干擾的回波顯示仿真,使用瑞利分布的噪聲,并將噪聲的瑞利分布參數(shù)設(shè)為1,干信比設(shè)為0 dB,將噪聲加入單個大目標(biāo)的回波后,獲得的顯示效果如圖3所示。

圖3 引入靈巧噪聲干擾回波仿真效果

通過對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn),引入的相干噪聲獲得了雷達本身的增益效果。在同等條件下,靈巧噪聲干擾比普通的噪聲干擾對波形特征的影響更大。

圖4 同等條件普通噪聲干擾回波仿真效果

盡管顯示效果受到了一定的破壞,卻仍能從圖4的顯示中看出有目標(biāo)的存在,僅波形細(xì)節(jié)受到了一定的損失,下一節(jié)將進行具體分析。

其次,進行間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的回波顯示仿真,為能更好地展示間歇采樣的效果,將采樣率提高至200 MHz。設(shè)置采樣脈沖周期為2 μs,間歇采樣干擾信號采樣周期為4 μs,干信比設(shè)為0 dB,可以獲得顯示效果如圖5所示。

圖5 引入間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾回波仿真效果

從圖5中可以看到,在原本目標(biāo)的回波基礎(chǔ)上出現(xiàn)了新的波峰,可以作為假目標(biāo)存在。且各個脈沖間的波形相對穩(wěn)定,與上一個干擾樣式相比更不容易判斷出有干擾存在,但波形細(xì)節(jié)得到了一定的保留。

最后進行多普勒微調(diào)干擾的回波顯示仿真,設(shè)置頻率微動范圍為-0.5～0.5 MHz,干信比為0 dB,得到回波顯示效果如圖6所示。

圖6 引入多普勒微調(diào)干擾回波仿真效果

從圖6中可以看到,波形仍呈現(xiàn)為單個脈沖,但波形細(xì)節(jié)受到了很大的破壞。在“三維顯”的展示下,回波主脈沖外信號較為干凈平滑,脈沖內(nèi)產(chǎn)生了一個極大的尖峰,且脈內(nèi)具有一定的起伏波動。

2.3 3種干擾對回波特征值的影響

依據(jù)2.2節(jié)中3種干擾的參數(shù)設(shè)置,分別對1.2節(jié)中設(shè)置的3類目標(biāo)回波(擴展目標(biāo)、間距較小的小目標(biāo)群、間距較大的小目標(biāo)群)進行加入干擾的仿真。

首先對比擴展目標(biāo)的回波特征值在引入干擾后的變化,如表3所示;其次是間距較小的小目標(biāo)群的回波特征值在引入干擾后的變化,如表4所示;最后是間距較大的小目標(biāo)群的回波特征值在引入干擾后的變化,如表5所示。

表3 擴展目標(biāo)引入干擾后的回波特征值

表4 間距較小的小目標(biāo)群引入干擾后的回波特征值

表5 間距較大的小目標(biāo)群引入干擾后的回波特征值

由表3～表5可知,2.2節(jié)中對于干擾效果的分析與其相對應(yīng)的回波特征值的變化匹配,可以部分影響對回波的判讀結(jié)果。

3 結(jié)束語

本文基于信號級仿真分析了3種代表性的相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾方式對廣泛應(yīng)用的低分辨率雷達的回波波形的影響,并基于此驗證了這些干擾方式會對雷達回波的部分特征產(chǎn)生較大的影響。目前本文為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)支撐,可以進一步研究的方向有:豐富低分辨率雷達種類和細(xì)節(jié),探究更為復(fù)雜的干擾樣式和目標(biāo)類型,引入具體的雷達常用目標(biāo)分類算法,引入低分辨率雷達常用的抗干擾方式等手段等。