基于電磁散射模型的ISAR空中目標欺騙干擾方法

趙 博 周 峰 保 錚

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基于電磁散射模型的ISAR空中目標欺騙干擾方法

趙 博 周 峰*保 錚

(西安電子科技大學雷達信號處理重點實驗室 西安 710071)

該文提出一種基于目標電磁散射模型的逆合成孔徑雷達(ISAR)空中目標欺騙干擾算法，利用目標電磁散射模型對雷達回波進行調制，能夠模擬遮擋、多次散射等目標散射特征，并包含目標的平動、姿態等運動特性，保證了虛假目標的逼真性。該算法計算量小，具有較強的實時性。通過仿真試驗驗證了欺騙干擾算法的有效性，并對算法的計算復雜性進行了分析。

逆合成孔徑雷達(ISAR)；欺騙干擾；姿態調制；實時性

1 引言

由于點目標的局限性，使其不能夠很好地滿足不同運動狀態、不同姿態、不同頻段的ISAR欺騙干擾需求，因此需要采用能夠更逼真地反映目標特性的虛假目標模型?？紤]到目標的寬帶雷達回波是雷達發射的電磁波在目標表面發生散射形成的，文獻[17,18]基于電磁波散射理論對目標的電磁散射特性進行了分析，文獻[19-24]在雷達回波仿真中充分考慮了目標的電磁散射特性，彌補了點目標模型的不足，使仿真模擬的雷達回波更加接近真實回波。文獻[25~27]則根據目標電磁特性對寬帶雷達成像結果進行特征提取及目標識別等處理，獲得了較好的處理結果?？梢?，目標的電磁特征是目標識別的重要依據，它已經被廣泛應用于雷達目標的歸類、識別等領域。因此ISAR欺騙干擾也需要考慮虛假目標的電磁散射特性，才能在目標識別等成像的后處理中達到以假亂真的目的。

本文首先對ISAR欺騙干擾原理進行分析，討論了目標平動的調制方法。在此基礎上，利用目標電磁散射模型對平動調制后的雷達回波進行動態調制并轉發，使欺騙干擾回波能夠較好地模擬目標的運動及雷達散射特性，從而達到逼真的干擾效果。文中通過對典型ISAR目標進行欺騙干擾仿真試驗，驗證了本文算法的有效性，并對算法的實時運算量進行了分析。

2 欺騙干擾調制原理

2.1 虛假目標姿態計算

圖1 目標姿態計算示意圖

根據俯仰角與方位角的定義，可以得到虛假目標相對于LOS的俯仰角與方位角分別為

虛假目標相對與ISAR的運動可以分為兩部分：由式(6)所示瞬時斜距決定的平動，以及由式(7)和式(8)共同決定的目標電磁散射特性及姿態變化。因此，虛假目標欺騙干擾信號的調制也相應地分為平動調制和目標電磁散射特性及姿態調制兩步進行研究。

2.2 平動調制

則有

2.3 目標散射特性模型及姿態調制

由于空中目標通常具有較復雜的結構，在不同的姿態下其散射特性是不同的。因此需要根據不同的姿態參數，選擇與之相對應的目標電磁散射模型，對平動調制后的干擾回波進行調制，使干擾回波中包含目標散射特性及姿態信息，達到預期的欺騙干擾效果。

目標電磁散射模型數據的獲取一般有兩種途徑：一是建立目標的縮比模型，通過微波暗室試驗獲得；另一種方法是利用3D建模軟件建立目標模型，并通過電磁計算軟件(Feko等)計算獲得。前者需要微波暗室場地和測試設備等作為保障，且模型制作及內部部件變動不方便，效費比低。而后一種方法則是通過計算機實現目標散射特性計算，不受試驗場地等條件的限制，并且目標建?？梢酝ㄟ^計算機輔助建立，目標內部部件可以靈活變更。根據不同的計算精度和計算效率需要，可以選擇不同的電磁特性計算方法，如適用于精確計算的矩量法(MoM)，時域有限差分法(FDTD)，及適用于高頻近似計算的幾何光學法(GO)，物理光學法(PO)，幾何繞射理論(GTD)，物理繞射理論(PTD)等[29]?？紤]到ISAR所觀測目標的尺寸通常遠大于雷達工作波長，ISAR一般工作在高頻區。因此，本文采用PO法計算目標電磁模型。

目標電磁散射模型的建立需要計算目標在不同頻率、不同方位角、不同俯仰角下的電磁散射特性，因此通過電磁計算得到的目標電磁散射數據庫可以按照計算參數設置的不同，排列成3維矩陣形式，如圖2所示。

圖2 目標散射模型數據庫

式(15)所示即為目標電磁散射模型及姿態調制后的虛假目標欺騙干擾信號。至此，完成了空中目標ISAR欺騙干擾精細調制，對目標的運動特征、電磁散射特性及姿態變化都進行了精確的模擬，從而達到以假亂真的靈巧式欺騙干擾效果。

2.4算法流程

綜上所述，基于電磁散射模型的ISAR欺騙干擾方法流程如圖3所示。

根據圖3，空中目標精細ISAR欺騙干擾調制算法流程可概述為以下步驟：

(1)電子偵察模塊對干擾機截獲的ISAR信號進行分析，獲取ISAR信號的帶寬等關鍵參數，并對ISAR進行定位；

(2)根據ISAR位置參數計算虛假目標的瞬時斜距以及俯仰角、方位角等姿態信息；

(3)利用虛假目標瞬時斜距對截獲的ISAR信號進行平動調制；

(4)根據虛假目標的俯仰角、方位角等姿態信息，以及ISAR信號的頻率參數，在預先建立的目標電磁模型數據庫中選取相對應的目標電磁散射模型；

(5)利用目標電磁散射模型對平動調制后的干擾信號進行目標電磁散射模型及姿態調制，獲得虛假目標欺騙干擾信號；

(6)對虛假目標欺騙干擾信號進行轉發，完成欺騙干擾。

3 仿真試驗

3.1 點目標模型與電磁散射模型欺騙干擾結果對比

電磁散射模型能夠更好地反映目標的結構特征，包括典型部件在不同姿態下的散射中心分布差異以及目標不同結構之間的遮擋效應、多次散射等特性。而點陣目標難以反映這些特性。因此電磁散射模型相對于點陣模型具有更大的優勢。

圖3 ISAR欺騙干擾算法流程

以A-10飛機作為仿真目標模型。分別建立點陣模型與電磁散射模型如圖4所示。

圖4(a)所示點陣模型是通過點陣排列構造出目標的基本結構，圖4(b)則是通過建立目標的精細3D模型，然后通過電磁計算獲得目標的電磁散射特征數據庫。采用距離-多普勒算法[1]對由不同模型仿真得到的回波數據進行成像處理，結果如圖5所示。

而圖5(c)和圖5(d)所示電磁散射模型成像結果在不同姿態下的強散射中心分布則存在較大差異，能夠較好地反映因目標旋轉而引起的遮擋效應，且能夠反映機翼、引擎等典型散射部件在不同姿態下的散射特征差異。相比于點陣目標模型而言，電磁散射模型能夠更好地反映目標的結構及姿態信息，更逼真地模擬ISAR目標的姿態旋轉等特征，以達到更好的欺騙干擾效果。

圖4 目標模型

圖5 不同姿態下點陣模型與電磁散射模型干擾成像結果對比

3.2 基于目標電磁散射模型的欺騙干擾仿真

利用目標電磁散射模型對欺騙干擾回波進行調制，以驗證欺騙干擾算法的有效性。仿真參數及場景設置如表1所示。

表1仿真參數設置

帶寬300 MHz 采樣率420 MHz 脈沖重復頻率300 Hz 觀測時間2.7 s 目標運動速度100 m/s 零時刻ISAR位置(0,4.3,1.0) km 干擾點位置(20,30,0) m

圖6中場景中心處為真實目標，虛假目標位于真實目標右下方。真實目標與虛假目標均能夠獲得聚焦良好的成像結果。目標的頭部和尾翼由于其結構特征，形成較明顯的強散射中心。而機翼主要為平板結構，散射較弱。本文提出的基于電磁散射模型的ISAR欺騙干擾方法能夠更真實有效地模擬目標的精細結構特征，使欺騙干擾結果更逼真更具有欺騙性。圖中真實目標與虛假目標具有相同的運動軌跡及運動姿態，具有編隊飛行的特征，能夠有效地擾亂對ISAR成像結果的分析和解讀，達到真假難辨的欺騙干擾目的。虛假目標相對于真實目標的位置可以根據不同的需要進行調整，從而對真實目標形成有效的保護。

4 算法性能分析

欺騙干擾算法的復雜性及實時可實現性是在實際工程應用中比較關注的問題。本節對基于點陣目標模型的欺騙干擾算法與本文算法的實時運算量進行對比分析。

5 結束語

本文針對點陣目標模型不能模擬目標不同結構間的遮擋、多次散射等特征的問題，提出了采用電磁散射模型代替點陣目標模型的ISAR欺騙干擾算法。該算法能夠在模擬虛假目標平動的同時，包含目標的姿態變化等信息，使虛假目標的成像結果更接近于真實目標，達到以假亂真的欺騙干擾效果。對虛假目標進行的精細延時與相位調制能夠很好地保證虛假目標的欺騙干擾質量。本文提出的欺騙干擾算法比基于點陣目標模型的ISAR欺騙干擾算法運算量小，具有更好的實時性。文中算法具有一定的工程應用價值，并可作為共性技術推廣至ISAR空間目標等目標的欺騙干擾應用領域。

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趙 博： 男，1986年生，博士生，研究方向為雷達成像和雷達對抗.

周 峰： 男，1980年生，副教授，博士生導師，主要研究方向為雷達成像和雷達對抗.

保 錚： 男，1927年生，教授，博士生導師，中國科學院院士，主要研究領域為雷達信號處理和現代信號處理等.

Deception Jamming for ISAR Aerial Target Based on Electromagnetic Scattering Model

Zhao Bo Zhou Feng Bao Zheng

(,,’710071,)

Based on the electromagnetic scattering model, an algorithm of deception jamming for Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) aerial target is proposed. The simulated data of electromagnetic model is utilized to modulate the ISAR echoes, and thus the scattering characteristics of the target, such as shading and multiple scattering, can be simulated. Besides, the motion characteristics, such as translation and attitude, are also included. These ensure the fidelity of the false target. The proposed method requires less computation amount and is capable of real-time realization. Simulation results verify the effectiveness of the algorithm, and the computation complexity of the algorithm is also analyzed.

Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR); Deception jamming; Attitude modulation; Real-time

TN958

A

1009-5896(2014)01-0194-08

10.3724/SP.J.1146.2013.00264

2013-03-04收到，2013-07-02改回

國家自然科學基金(11176022, 61201283)，基本科研業務費(K5051302047, K5051202001)，新世紀優秀人才支持計劃(NCET- 12-0916)和中國工程物理研究院太赫茲科學技術基金(CAEPTHZ 201212)資助課題

周峰 fzhou@mail.xidian.edu.cn