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(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙410073)

0 引言

逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)能從固定或運動平臺上對飛機、導(dǎo)彈、艦船等運動目標(biāo)進(jìn)行全天候、全天時、遠(yuǎn)距離高分辨率成像,在軍事領(lǐng)域具有重要的實用價值[1]。在戰(zhàn)術(shù)上,ISAR可配合武器系統(tǒng)對敵戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)實施攔截和攻擊;在戰(zhàn)略上,ISAR應(yīng)用于戰(zhàn)略防御系統(tǒng)對中段和再入段目標(biāo)的成像識別,使戰(zhàn)略進(jìn)攻武器的常規(guī)突防手段基本無效[2]。隨著世界各主要軍事強國ISAR系統(tǒng)的部署,我軍武器裝備的戰(zhàn)場生存能力正面臨嚴(yán)峻考驗,對ISAR系統(tǒng)的干擾研究已成為電子信息對抗領(lǐng)域的研究熱點。

對寬帶ISAR系統(tǒng)的干擾不同于對一般常規(guī)體制雷達(dá)的干擾。由于ISAR處理增益較高,如果干擾信號與雷達(dá)發(fā)射信號不匹配,將無法獲得雷達(dá)高處理增益,直接導(dǎo)致干擾效率大大降低[3]。因此,傳統(tǒng)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(dá)目標(biāo)回波信號特征匹配程度較高,可以獲得與目標(biāo)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(xiàn)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(diào)頻脈沖串波形的時延和頻移間的耦合特性設(shè)計的移頻干擾,是一種有效的ISAR欺騙干擾樣式[5-7]。文獻(xiàn)[8]研究了對合成孔徑雷達(dá)的步進(jìn)移頻干擾技術(shù),文獻(xiàn)[9]研究了對合成孔徑雷達(dá)的固定移頻和隨機移頻干擾技術(shù),文獻(xiàn)[10]研究了對線性調(diào)頻雷達(dá)的鋸齒波加權(quán)調(diào)頻干擾技術(shù)。然而傳統(tǒng)的移頻干擾技術(shù)存在一定的局限性,具體體現(xiàn)在：(1)只能夠形成單個欺騙或覆蓋效果,導(dǎo)致對分布式目標(biāo)的保護(hù)效果有限;(2)大都停留在理論研究層面,未結(jié)合實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證;(3)未形成統(tǒng)一的理論平臺,直接影響硬件實現(xiàn)框架的可擴(kuò)展性設(shè)計。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,針對傳統(tǒng)移頻干擾的局限性,提出了一種對ISAR的修正移頻干擾技術(shù),不僅實現(xiàn)了多假目標(biāo)干擾輸出結(jié)果從一到多的轉(zhuǎn)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(xiàn)實需求,而且給出了統(tǒng)一的干擾理論模型,并從工程實踐角度出發(fā),完成了干擾系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框架的設(shè)計。最后,結(jié)合典型的戰(zhàn)情參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了實測數(shù)據(jù)的驗證,并根據(jù)實驗結(jié)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(xiàn)方式總體可分為兩大類：一是脈間移頻,二是脈內(nèi)移頻。雷達(dá)的模糊函數(shù)是分析時延和頻移之間耦合關(guān)系的重要理論工具。設(shè)LFM的復(fù)包絡(luò)信號形式為

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

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(dāng)快時間頻率移動Δfd時,將對應(yīng)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(zhuǎn)發(fā)出去,即可實現(xiàn)距離向欺騙干擾。如果將ISAR回波進(jìn)行方位向多普勒頻率為Δfda的調(diào)制,將對應(yīng)有方位向為Δτa的慢時間域時延,從而實現(xiàn)方位向的欺騙干擾。移頻干擾與延時轉(zhuǎn)發(fā)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(fù)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(dá)信號經(jīng)過移頻處理后再發(fā)射出去,造成雷達(dá)接收機脈沖壓縮輸出信號的主峰中心偏移,實現(xiàn)圖像模糊。設(shè)ISAR發(fā)射的線性調(diào)頻信號為

式中,U為發(fā)射信號的幅度。

1.1.1 傳統(tǒng)理論模型

(1)固定移頻干擾

當(dāng)雷達(dá)發(fā)射信號附加固定移頻量fd時,有

雷達(dá)接收機匹配濾波器的傳遞函數(shù)為

于是,匹配濾波器的輸出為

從上式可知,當(dāng)fd≠0時,主峰出現(xiàn)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(chǎn)生假目標(biāo)干擾和距離門擺動干擾的能力。移頻干擾在具體的實現(xiàn)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(xiàn)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(jìn)移頻干擾

步進(jìn)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(nèi),隨著每個照射脈沖以固定步進(jìn)量逐次遞增或逐次遞減變化。設(shè)合成孔徑內(nèi)的照射脈沖數(shù)為N,每個脈沖步進(jìn)移頻增量為Δf,起始移頻量為fd0,則合成孔徑時間內(nèi)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(shù)。為保證干擾功率進(jìn)入雷達(dá)接收機,要求|fd|≤Br,Br為信號帶寬。

圖2 頻率步進(jìn)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(nèi)在一定范圍內(nèi)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(shù)。在一個合成孔徑時間內(nèi)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(shù)。

由前面分析可知,固定移頻、步進(jìn)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(biāo)或單面域假目標(biāo)的干擾效果,這種干擾樣式不僅對分布式目標(biāo)的保護(hù)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(yīng)關(guān)系進(jìn)行抗干擾,從而降低其戰(zhàn)場威脅等級,喪失其應(yīng)有的軍事應(yīng)用價值。鑒于此,亟需對傳統(tǒng)的干擾模型進(jìn)行修正,并通過移頻量的適當(dāng)變化來進(jìn)一步提升干擾的戰(zhàn)場生存能力。

1.1.2 修正理論模型

傳統(tǒng)固定移頻干擾、步進(jìn)移頻干擾及隨機移頻干擾模式只能夠產(chǎn)生單一的干擾輸出結(jié)果,導(dǎo)致干擾紋理比較簡單,往往只能夠達(dá)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?qū)Ψ植际侥繕?biāo)形成更加有效的保護(hù),有必要對傳統(tǒng)移頻干擾模式進(jìn)行修正。將一個合成孔徑時間內(nèi)的多個脈沖時刻分成不同時段,每個時段內(nèi)移頻量采取的分段函數(shù)不同,對應(yīng)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(diào)整分段間隔和分段移頻函數(shù),可實現(xiàn)復(fù)雜多樣的干擾效果。當(dāng)分段數(shù)N越大,分段間隔越小,產(chǎn)生的假目標(biāo)個數(shù)通常就越多,假目標(biāo)的脈壓效果就越差。此外,通過分段移頻函數(shù)的變化,能夠?qū)崿F(xiàn)多種復(fù)雜移頻調(diào)制,圖3列舉了其中三種典型的頻率調(diào)制效果,為了能夠與傳統(tǒng)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(jìn)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(jié)果實現(xiàn)了從一到多的轉(zhuǎn)變,達(dá)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(shù)的變化,能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)固定移頻、隨機移頻及步進(jìn)移頻的干擾效果,證實修正干擾模型是傳統(tǒng)移頻干擾及其他更復(fù)雜移頻干擾的統(tǒng)一形式,體現(xiàn)了其第二個重要價值。

圖3 頻率調(diào)制示意圖

1.2 干擾系統(tǒng)設(shè)計

ISAR移頻干擾系統(tǒng)的工作可以分為偵收雷達(dá)脈沖、生成干擾控制字、干擾信號調(diào)制及發(fā)射實現(xiàn)四個步驟。干擾機在實施干擾前,為了盡可能準(zhǔn)確地獲取作戰(zhàn)對象信息,干擾機需要進(jìn)行一段時間的偵察工作,對作戰(zhàn)對象的信號進(jìn)行截獲、采集、處理和分析,然后根據(jù)偵察信息和外部戰(zhàn)術(shù)需求對干擾信號實施調(diào)制。從物理結(jié)構(gòu)組成上講,ISAR移頻干擾系統(tǒng)主要由偵收單元、DRFM單元、處理控制單元及發(fā)射單元等組成,其理論框架如圖4所示。

ISAR移頻干擾系統(tǒng)工作流程如下：

(1)偵察接收系統(tǒng)根據(jù)處理之后的雷達(dá)發(fā)射信號,估計截獲信號參數(shù)(帶寬、脈寬等),并結(jié)合典型戰(zhàn)情需要(移頻個數(shù)、跳變周期等)完成干擾參數(shù)的確定工作;

(2)信號處理系統(tǒng)根據(jù)干擾參數(shù)實時解算生成干擾信號的頻率控制字,并協(xié)同外部命令數(shù)據(jù)經(jīng)控制器一同送至DRFM系統(tǒng);

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

(4)干擾信號形成后,通過波束合成和增益控制后經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出去,實現(xiàn)對ISAR系統(tǒng)的干擾?？梢钥闯?基于DRFM的干擾信號生成是干擾機實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。

圖4 ISAR移頻干擾模塊系統(tǒng)框圖

2 仿真分析

為了驗證上述理論分析的正確性,本節(jié)將結(jié)合X波段某飛機實測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實驗,以獲得對干擾效果的直觀認(rèn)識。雷達(dá)信號的帶寬B=360 M Hz,發(fā)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(biāo)存在一定的尺寸而導(dǎo)致的脈沖展寬,每幀脈沖采樣的點數(shù)為3 400,取1 024幀回波脈沖進(jìn)行成像處理。其中,干擾功率的計算將自動根據(jù)干信比要求設(shè)置,此時將忽略干擾功率和天線增益參數(shù),因此這兩項參數(shù)不予列出。

2.1 仿真結(jié)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(shù)據(jù)來進(jìn)行實驗。在此,采用干信比(JSR)的公式為

這樣,通過調(diào)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(jīng)典的距離多普勒算法進(jìn)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(jié)果。從實驗完備性的角度出發(fā),實驗共設(shè)置了三組模式進(jìn)行仿真分析：①干擾有效性仿真驗證;②與傳統(tǒng)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(biāo)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(shè)置相同的情況下,實驗1中選取的JSR設(shè)置為20 d B,重點針對固定移頻、步進(jìn)移頻及隨機移頻干擾的修正模式進(jìn)行仿真分析,得到了如圖5所示的實驗結(jié)果,實驗借助主觀評估方法對干擾的有效性能進(jìn)行了驗證。

根據(jù)前面的成像結(jié)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(yán)重,干擾將被保護(hù)目標(biāo)全部淹沒,對自動目標(biāo)識別(ATR)系統(tǒng)中目標(biāo)檢測與識別構(gòu)成一定的難度,有效保護(hù)了己方的目標(biāo)飛機;而圖5(b)中形成了多個密集條紋線假目標(biāo),兼具欺騙與壓制的干擾效果。

圖5 JSR=20 dB干擾仿真實驗結(jié)果

(2)與傳統(tǒng)移頻干擾的仿真對比分析

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

圖6 JSR=10 dB固定移頻干擾仿真實驗結(jié)果

圖7 JSR=10 dB干擾仿真實驗結(jié)果

通過仿真結(jié)果的對比分析,發(fā)現(xiàn)相同JSR條件下,即使采用多抽頭模式,傳統(tǒng)固定移頻干擾對單架目標(biāo)飛機的保護(hù)效果仍然很有限,目標(biāo)輪廓線仍然清晰可見,無法避開敵方ATR系統(tǒng)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(biāo)形成有效保護(hù)的潛質(zhì),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(shè)置相同的情況下,實驗3中選取的JSR設(shè)置為10 dB,并以修正隨機移頻干擾及修正步進(jìn)移頻干擾為例進(jìn)行仿真,得到了如圖7所示的實驗結(jié)果,通過與實驗1中20dB干擾仿真結(jié)果對比分析,得到了JSR與干擾效果的相對關(guān)系。

通過仿真結(jié)果的對比分析可以發(fā)現(xiàn),在沒有先驗知識支撐的條件下,10 dB干擾已經(jīng)能夠使得目標(biāo)飛機的邊緣輪廓比較模糊,ATR系統(tǒng)已經(jīng)無法對目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,20 dB干擾輸出則使得目標(biāo)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(jìn)移頻干擾主要形成了“斑塊狀”干擾效果。

2.2 結(jié)果分析

通過對移頻干擾的仿真結(jié)果分析可以得到以下幾個結(jié)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(biāo),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(jìn)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(biāo)的干擾效果;

(2)修正步進(jìn)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(jìn)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(qū)域,對分布式目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)發(fā)與修正步進(jìn)移頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾對典型軍事目標(biāo)的保護(hù)效果最好,修正固定移頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾次之。

3 結(jié)束語

利用線性調(diào)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(zhuǎn)發(fā)的ISAR欺騙干擾技術(shù),并通過對傳統(tǒng)固定移頻、步進(jìn)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(shù)。在實際的戰(zhàn)術(shù)運用中,通過分段間隔的控制及分段移頻函數(shù)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(jìn)移頻及修正隨機移頻干擾形成了多面域假目標(biāo)干擾紋理,較之傳統(tǒng)移頻干擾模式完成了輸出結(jié)果從一到多的轉(zhuǎn)變,對分布式目標(biāo)的保護(hù)效果更好,也更加容易滿足新型欺騙式干擾“隱真示假”的現(xiàn)實需求。在此基礎(chǔ)上,給出了統(tǒng)一的移頻干擾理論模型,設(shè)計實現(xiàn)了干擾系統(tǒng)的理論框架,并結(jié)合典型的戰(zhàn)情參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了仿真實驗,結(jié)果表明該干擾樣式不僅能夠?qū)χ匾娛履繕?biāo)形成有效保護(hù),而且能夠形成更加豐富的干擾紋理,進(jìn)一步證實了干擾的有效性和科學(xué)性。

當(dāng)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(biāo)形成有效保護(hù)的代價比較高;其次,干擾與周圍區(qū)域紋理匹配程度比較低,容易被敵方ATR系統(tǒng)鎖定為ROI,存在過早暴露目標(biāo)的風(fēng)險;最后,干擾分布特性與先驗知識密切相關(guān),無法擺脫對偵察的依賴性,因為如果調(diào)制信息不夠準(zhǔn)確,就會產(chǎn)生噪聲的干擾效果,容易被敵方ATR系統(tǒng)剔除。但是,通過理論延伸發(fā)現(xiàn),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(shù)發(fā)展的角度出發(fā),開展移頻干擾技術(shù)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(zhàn)場適應(yīng)性強及易于工程實現(xiàn)等諸多優(yōu)點,已成為一種很有潛質(zhì)的新型欺騙干擾樣式。對抗技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展往往是相互促進(jìn),螺旋式上升的關(guān)系,相信隨著ISAR系統(tǒng)的進(jìn)步及ISAR干擾理論的提升,將使得移頻干擾的戰(zhàn)場適應(yīng)性更強,穩(wěn)健性更高,進(jìn)而發(fā)展成為更加“魯棒”的欺騙干擾樣式。

[1]李文臣,陸洪濤,宋勝利,等.SAR圖像質(zhì)量外場試驗與評估技術(shù)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2012,10(6)：613-617.LI Wen-chen,LU Hong-tao,SONG Sheng-li,et al.Outfield Experimentation and Evaluation Techniques of SAR Image Quality[J].Radar Science and Technology,2012,10(6)：613-617.(in Chinese)

[2]柏仲干,謝虹,馬孝尊,等.SAR干擾/抗干擾技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電光與控制,2012,19(2)：47-53.

[3]GOJ W W.Synthetic Aperture Radar and Electronic Warfare[M].Boston：Artech House Inc,1993.

[4]REIGBER A,FERRO-FAMIL L.Interference Suppression in Synthesized SAR Images[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2005,2(1)：45-50.

[5]SOUMEKH M.SAR-ECCM Using Phase-Perturbed LFM Chirp Signals and DRFM Repeat Jammer Penalization[J].IEEE Trans on AES,2006,42(1)：191-205.

[6]李田,彭世蕤,王廣學(xué),等.機載SAR有源干擾分析與比較[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,11(5)：486-491.LI Tian,PENG Shi-rui,WANG Guang-xue,et al.Comparative Analysis of Active Jamming to Airborne SAR[J].Radar Science and Technology,2013,11(5)：486-491.(in Chinese)

[7]鄧彬.合成孔徑雷達(dá)微動目標(biāo)指示(SAR/MMTI)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

[8]黃洪旭,黃知濤,吳京,等.對合成孔徑雷達(dá)的步進(jìn)移頻干擾[J].宇航學(xué)報,2011,32(4)：898-902.

[9]吳曉芳.對SAR-GMTI的動目標(biāo)干擾技術(shù)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009.

[10]魏青.合成孔徑雷達(dá)成像方法與對合成孔徑雷達(dá)干擾方法的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2006.