對新型ISAR欺騙干擾效果仿真分析

韓國強,葉瑞芳,劉 麗,代大海

(1.中國洛陽電子裝備試驗中心,河南洛陽471003;2.國防科技大學電子科學與工程學院,湖南長沙410073)

0 引言

逆合成孔徑雷達(ISAR)能從固定或運動平臺上對飛機、導彈、艦船等運動目標進行全天候、全天時、遠距離高分辨率成像,在軍事領域具有重要的實用價值[1]。在戰術上,ISAR可配合武器系統對敵戰術目標實施攔截和攻擊;在戰略上,ISAR應用于戰略防御系統對中段和再入段目標的成像識別,使戰略進攻武器的常規突防手段基本無效[2]。隨著世界各主要軍事強國ISAR系統的部署,我軍武器裝備的戰場生存能力正面臨嚴峻考驗,對ISAR系統的干擾研究已成為電子信息對抗領域的研究熱點。

對寬帶ISAR系統的干擾不同于對一般常規體制雷達的干擾。由于ISAR處理增益較高,如果干擾信號與雷達發射信號不匹配,將無法獲得雷達高處理增益,直接導致干擾效率大大降低[3]。因此,傳統的噪聲干擾很難獲得良好的干擾效果。高逼真的欺騙式干擾信號與雷達目標回波信號特征匹配程度較高,可以獲得與目標回波信號相同的信號處理增益,一定程度上降低了干擾信號的功率,使得硬件實現難度降低[4]。因此,對ISAR的欺騙式干擾是目前研究的重點。

利用線性調頻脈沖串波形的時延和頻移間的耦合特性設計的移頻干擾,是一種有效的ISAR欺騙干擾樣式[5-7]。文獻[8]研究了對合成孔徑雷達的步進移頻干擾技術,文獻[9]研究了對合成孔徑雷達的固定移頻和隨機移頻干擾技術,文獻[10]研究了對線性調頻雷達的鋸齒波加權調頻干擾技術。然而傳統的移頻干擾技術存在一定的局限性,具體體現在：(1)只能夠形成單個欺騙或覆蓋效果,導致對分布式目標的保護效果有限;(2)大都停留在理論研究層面,未結合實測數據進行驗證;(3)未形成統一的理論平臺,直接影響硬件實現框架的可擴展性設計。

本文在已有研究成果的基礎上,針對傳統移頻干擾的局限性,提出了一種對ISAR的修正移頻干擾技術,不僅實現了多假目標干擾輸出結果從一到多的轉變,形成了更加豐富的干擾紋理,滿足了新型欺騙式干擾的現實需求,而且給出了統一的干擾理論模型,并從工程實踐角度出發,完成了干擾系統硬件實現框架的設計。最后,結合典型的戰情參數設置進行了實測數據的驗證,并根據實驗結果定性分析了新型欺騙干擾樣式的分布特性。

1 移頻干擾的機理分析

移頻干擾的實現方式總體可分為兩大類：一是脈間移頻,二是脈內移頻。雷達的模糊函數是分析時延和頻移之間耦合關系的重要理論工具。設LFM的復包絡信號形式為

式中,T為脈沖寬度,f0為載頻,kr為調頻斜率,rect(·)為矩形窗函數。

圖1為LFM信號波形的模糊度圖,可以看出時延和頻移之間存在強耦合。當快時間頻率移動Δfd時,將對應有距離向為Δτ的時延。故如果將截獲到的LFM信號移頻后再轉發出去,即可實現距離向欺騙干擾。如果將ISAR回波進行方位向多普勒頻率為Δfda的調制,將對應有方位向為Δτa的慢時間域時延,從而實現方位向的欺騙干擾。移頻干擾與延時轉發干擾最大的不同點就是,移頻干擾不僅對偵察的依賴程度比較低,而且能夠在距離向或者方位向形成更加復雜的干擾紋理,能夠更加容易滿足欺騙干擾樣式“隱真示假”的軍事需求。

圖1 LFM信號的模糊度圖

1.1 移頻干擾的理論模型

移頻干擾機主要是將截獲的雷達信號經過移頻處理后再發射出去,造成雷達接收機脈沖壓縮輸出信號的主峰中心偏移,實現圖像模糊。設ISAR發射的線性調頻信號為

式中,U為發射信號的幅度。

1.1.1 傳統理論模型

(1)固定移頻干擾

當雷達發射信號附加固定移頻量fd時,有

雷達接收機匹配濾波器的傳遞函數為

于是,匹配濾波器的輸出為

從上式可知,當fd≠0時,主峰出現在延遲τd=-2πfd/kr的時刻,并且隨著fd的增大,壓縮輸出的主峰越低,寬度增加。這表明移頻干擾具有產生假目標干擾和距離門擺動干擾的能力。移頻干擾在具體的實現過程中,可能引入一些隨機誤差,使得脈沖信號之間的相干性遭到破壞,此時方位向不能實現相干處理,成像輸出為在距離向偏移干擾機Δr的沿方位向的一條線。

(2)步進移頻干擾

步進移頻干擾指的是對移頻量在ISAR照射干擾機的合成孔徑時間內,隨著每個照射脈沖以固定步進量逐次遞增或逐次遞減變化。設合成孔徑內的照射脈沖數為N,每個脈沖步進移頻增量為Δf,起始移頻量為fd0,則合成孔徑時間內干擾信號的移頻量fd變化如圖2所示,具體理論模型為

式中,n為整數。為保證干擾功率進入雷達接收機,要求|fd|≤Br,Br為信號帶寬。

圖2 頻率步進示意圖

(3)隨機移頻干擾

隨機移頻干擾指的是對移頻量在ISAR照射干擾機的合成孔徑時間內在一定范圍內隨著每個脈沖隨機變化。隨機移頻干擾的移頻量為

式中,ξ(t)為處于[a,b](-1＜a＜b＜1)之間的隨機數。在一個合成孔徑時間內ISAR的不同方位采樣時刻,ξ(t)隨機取[a,b]間的一個值,因此為方位向時間ta的函數。

由前面分析可知,固定移頻、步進移頻及隨機移頻干擾只能在不同距離單元上形成單線假目標或單面域假目標的干擾效果,這種干擾樣式不僅對分布式目標的保護效果有限,而且容易使敵方利用移頻量和干擾偏離干擾機距離之間的對應關系進行抗干擾,從而降低其戰場威脅等級,喪失其應有的軍事應用價值。鑒于此,亟需對傳統的干擾模型進行修正,并通過移頻量的適當變化來進一步提升干擾的戰場生存能力。

1.1.2 修正理論模型

傳統固定移頻干擾、步進移頻干擾及隨機移頻干擾模式只能夠產生單一的干擾輸出結果,導致干擾紋理比較簡單,往往只能夠達到“示假”的欺騙干擾效果,卻忽略了新型欺騙干擾中“隱真”的效果。為了能夠對分布式目標形成更加有效的保護,有必要對傳統移頻干擾模式進行修正。將一個合成孔徑時間內的多個脈沖時刻分成不同時段,每個時段內移頻量采取的分段函數不同,對應的干擾效果也自然不同,具體理論模型如下所示：

式中,Ts為合成孔徑時間。通過合理調整分段間隔和分段移頻函數,可實現復雜多樣的干擾效果。當分段數N越大,分段間隔越小,產生的假目標個數通常就越多,假目標的脈壓效果就越差。此外,通過分段移頻函數的變化,能夠實現多種復雜移頻調制,圖3列舉了其中三種典型的頻率調制效果,為了能夠與傳統移頻干擾形成鮮明比較,本文將拋開組合干擾模式,重點針對修正固定移頻、修正步進移頻及修正隨機移頻干擾展開研究。

修正移頻干擾使得干擾輸出結果實現了從一到多的轉變,達到了多假欺騙或多假覆蓋的效果,這是修正移頻干擾的第一個重要價值;其次,通過分段間隔及分段移頻函數的變化,能夠實現傳統固定移頻、隨機移頻及步進移頻的干擾效果,證實修正干擾模型是傳統移頻干擾及其他更復雜移頻干擾的統一形式,體現了其第二個重要價值。

圖3 頻率調制示意圖

1.2 干擾系統設計

ISAR移頻干擾系統的工作可以分為偵收雷達脈沖、生成干擾控制字、干擾信號調制及發射實現四個步驟。干擾機在實施干擾前,為了盡可能準確地獲取作戰對象信息,干擾機需要進行一段時間的偵察工作,對作戰對象的信號進行截獲、采集、處理和分析,然后根據偵察信息和外部戰術需求對干擾信號實施調制。從物理結構組成上講,ISAR移頻干擾系統主要由偵收單元、DRFM單元、處理控制單元及發射單元等組成,其理論框架如圖4所示。

ISAR移頻干擾系統工作流程如下：

(1)偵察接收系統根據處理之后的雷達發射信號,估計截獲信號參數(帶寬、脈寬等),并結合典型戰情需要(移頻個數、跳變周期等)完成干擾參數的確定工作;

(2)信號處理系統根據干擾參數實時解算生成干擾信號的頻率控制字,并協同外部命令數據經控制器一同送至DRFM系統;

(3)DRFM模塊對接收的信號進行存儲并調制處理,通過下變頻和解調處理后送至信號處理器進行虛假目標中頻信號合成,生成的中頻信號經上變頻處理形成干擾信號,其中采樣時序、干擾參數等均由控制系統控制;

(4)干擾信號形成后,通過波束合成和增益控制后經發射系統發射出去,實現對ISAR系統的干擾?？梢钥闯?基于DRFM的干擾信號生成是干擾機實現的重要環節。

圖4 ISAR移頻干擾模塊系統框圖

2 仿真分析

為了驗證上述理論分析的正確性,本節將結合X波段某飛機實測數據進行仿真實驗,以獲得對干擾效果的直觀認識。雷達信號的帶寬B=360 M Hz,發射脈沖寬度為8 ns,寬帶回波的采樣率為fs=400 M Hz,在接收回波時,考慮到目標存在一定的尺寸而導致的脈沖展寬,每幀脈沖采樣的點數為3 400,取1 024幀回波脈沖進行成像處理。其中,干擾功率的計算將自動根據干信比要求設置,此時將忽略干擾功率和天線增益參數,因此這兩項參數不予列出。

2.1 仿真結果

在仿真實驗中,為了比較不同強度(功率)的干擾信號的干擾效果,需要得到干信比不同的干擾數據來進行實驗。在此,采用干信比(JSR)的公式為

這樣,通過調整干擾信號的強度,可以得到不同JSR的干擾效果。實驗采用經典的距離多普勒算法進行成像處理,并以10次蒙特卡羅仿真中的第1次仿真為例,得到了不同干擾樣式的仿真結果。從實驗完備性的角度出發,實驗共設置了三組模式進行仿真分析：①干擾有效性仿真驗證;②與傳統移頻干擾的仿真對比分析;③不同JSR干擾效果仿真分析。其中,目標圖像的橫軸表示方位向,縱軸表示距離向。

(1)干擾有效性仿真分析

在干擾初始條件設置相同的情況下,實驗1中選取的JSR設置為20 d B,重點針對固定移頻、步進移頻及隨機移頻干擾的修正模式進行仿真分析,得到了如圖5所示的實驗結果,實驗借助主觀評估方法對干擾的有效性能進行了驗證。

根據前面的成像結果來看,在相同的JSR條件下,圖5(c)和圖5(d)中信息丟失量比較嚴重,干擾將被保護目標全部淹沒,對自動目標識別(ATR)系統中目標檢測與識別構成一定的難度,有效保護了己方的目標飛機;而圖5(b)中形成了多個密集條紋線假目標,兼具欺騙與壓制的干擾效果。

圖5 JSR=20 dB干擾仿真實驗結果

(2)與傳統移頻干擾的仿真對比分析

在干擾初始條件設置相同的情況下,實驗2中選取的JSR設置為10 dB,并以傳統多抽頭固定移頻干擾及修正固定移頻干擾為例進行仿真對比分析,得到了圖6所示的仿真結果。

圖6 JSR=10 dB固定移頻干擾仿真實驗結果

圖7 JSR=10 dB干擾仿真實驗結果

通過仿真結果的對比分析,發現相同JSR條件下,即使采用多抽頭模式,傳統固定移頻干擾對單架目標飛機的保護效果仍然很有限,目標輪廓線仍然清晰可見,無法避開敵方ATR系統識別;而修正固定移頻干擾形成的紋理更加豐富,能量有效利用率更高,具備對分布式目標形成有效保護的潛質,是一種性價比更高的干擾樣式。

(3)不同JSR干擾效果仿真分析

在干擾初始條件設置相同的情況下,實驗3中選取的JSR設置為10 dB,并以修正隨機移頻干擾及修正步進移頻干擾為例進行仿真,得到了如圖7所示的實驗結果,通過與實驗1中20dB干擾仿真結果對比分析,得到了JSR與干擾效果的相對關系。

通過仿真結果的對比分析可以發現,在沒有先驗知識支撐的條件下,10 dB干擾已經能夠使得目標飛機的邊緣輪廓比較模糊,ATR系統已經無法對目標進行準確定位,20 dB干擾輸出則使得目標無法識別。其中,修正隨機移頻干擾主要形成了“顆粒狀”干擾效果,修正步進移頻干擾主要形成了“斑塊狀”干擾效果。

2.2 結果分析

通過對移頻干擾的仿真結果分析可以得到以下幾個結論：

(1)由于分段固定移頻量破壞了脈間相干性,所以修正固定移頻干擾形成了多個線假目標,該干擾樣式很大程度上形成的是一種“佯動”的干擾效果;修正隨機移頻及修正步進移頻干擾方位向都采用了非相干處理,所以干擾能量在整個方位向比較平滑,前者在方位向形成一種條帶似噪干擾紋理,而后者形成了多面域假目標的干擾效果;

(2)修正步進移頻及修正隨機移頻等干擾樣式兼具欺騙與壓制的干擾效果,是一種新型的欺騙干擾樣式;

(3)修正步進移頻及修正隨機移頻等干擾樣式能夠形成一定面積的似噪干擾區域,對分布式目標能夠實現較好的干擾效果;

(4)從直觀上分析可知,在相同的JSR條件下,不同干擾模式不僅形成的干擾紋理不同,而且對ISAR二維成像的干擾程度也不同,修正隨機移頻轉發與修正步進移頻轉發干擾對典型軍事目標的保護效果最好,修正固定移頻轉發干擾次之。

3 結束語

利用線性調頻脈沖串波形的時延和頻移間的耦合特性,本文引入了一種基于移頻轉發的ISAR欺騙干擾技術,并通過對傳統固定移頻、步進移頻及隨機移頻局限性的分析,提出了一種對ISAR的修正移頻干擾技術。在實際的戰術運用中,通過分段間隔的控制及分段移頻函數的變化,使得修正固定移頻干擾形成了條帶似噪干擾紋理,而修正步進移頻及修正隨機移頻干擾形成了多面域假目標干擾紋理,較之傳統移頻干擾模式完成了輸出結果從一到多的轉變,對分布式目標的保護效果更好,也更加容易滿足新型欺騙式干擾“隱真示假”的現實需求。在此基礎上,給出了統一的移頻干擾理論模型,設計實現了干擾系統的理論框架,并結合典型的戰情參數設置進行了仿真實驗,結果表明該干擾樣式不僅能夠對重要軍事目標形成有效保護,而且能夠形成更加豐富的干擾紋理,進一步證實了干擾的有效性和科學性。

當然,任何一種干擾樣式都不可能包打天下,移頻干擾也不例外。首先,由于移頻干擾是一種靈巧式的干擾,因此對大型軍事目標形成有效保護的代價比較高;其次,干擾與周圍區域紋理匹配程度比較低,容易被敵方ATR系統鎖定為ROI,存在過早暴露目標的風險;最后,干擾分布特性與先驗知識密切相關,無法擺脫對偵察的依賴性,因為如果調制信息不夠準確,就會產生噪聲的干擾效果,容易被敵方ATR系統剔除。但是,通過理論延伸發現,移頻干擾的局限性更多反映的是欺騙干擾的共性不足。因此,從整個干擾技術發展的角度出發,開展移頻干擾技術的研究也是非常具有價值的。

綜上所述,鑒于移頻干擾具有干擾機理巧妙、干擾切換靈活、干擾紋理豐富、戰場適應性強及易于工程實現等諸多優點,已成為一種很有潛質的新型欺騙干擾樣式。對抗技術與系統發展往往是相互促進,螺旋式上升的關系,相信隨著ISAR系統的進步及ISAR干擾理論的提升,將使得移頻干擾的戰場適應性更強,穩健性更高,進而發展成為更加“魯棒”的欺騙干擾樣式。

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