基于單脈沖三維成像的抗交叉眼干擾方法

胡艷芳, 陳伯孝, 吳傳章

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710071)

0 引 言

在單脈沖雷達(dá)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,尤其是精確制導(dǎo)領(lǐng)域時(shí),干擾單脈沖雷達(dá)一度成為電子戰(zhàn)的研究熱點(diǎn)。交叉眼干擾是目前為止對(duì)抗單脈沖雷達(dá)最有效的方式。它是一種通過(guò)發(fā)射兩路幅度比趨近于1,相位接近180°的信號(hào)來(lái)對(duì)抗單脈沖雷達(dá)的主瓣相干干擾,使得單脈沖雷達(dá)形成嚴(yán)重的相位波前畸變，從而測(cè)得錯(cuò)誤的目標(biāo)角度信息。交叉眼干擾識(shí)別和對(duì)抗一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要討論了交叉眼干擾的干擾原理及干擾性能分析,伴隨著理論研究的深入與硬件技術(shù)的發(fā)展,交叉眼干擾技術(shù)開(kāi)始逐步應(yīng)用到不同裝備平臺(tái)。在交叉眼干擾的識(shí)別對(duì)抗方面,目前的公開(kāi)文獻(xiàn)較少,且主要是利用極化信息進(jìn)行識(shí)別研究。文獻(xiàn)[25-26]通過(guò)分析目標(biāo)回波信號(hào)與相干干擾信號(hào)在主極化、交叉極化分量中的強(qiáng)度對(duì)比,對(duì)相干兩點(diǎn)源進(jìn)行識(shí)別。文獻(xiàn)[27]利用變極化發(fā)射來(lái)調(diào)制目標(biāo)回波的極化分布,并結(jié)合極化空間譜特征,可實(shí)現(xiàn)在多個(gè)主瓣干擾中識(shí)別目標(biāo)。然而,在交叉眼干擾的對(duì)抗方面,目前仍缺少較為有效的方法。

基于上述問(wèn)題,本文提出一種基于單脈沖三維成像的抗交叉眼干擾方法。單脈沖三維成像方法通過(guò)利用高分辨的一維距離像和單脈沖測(cè)角技術(shù)可以得到目標(biāo)各散射點(diǎn)的空間位置,即目標(biāo)的三維像。在交叉眼干擾的幅相特性、干信比等干擾參數(shù)發(fā)生變化時(shí),雷達(dá)方仍可以通過(guò)三維像對(duì)干擾進(jìn)行識(shí)別,并利用真實(shí)目標(biāo)的團(tuán)聚效應(yīng)剔除由交叉眼干擾引起的目標(biāo)尺寸之外的奇異點(diǎn),從而有效地實(shí)施對(duì)抗。

1 交叉眼干擾機(jī)理

圖1 交叉眼干擾機(jī)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of cross-eye jammer

圖2 交叉眼干擾信號(hào)傳輸路徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of cross-eye jamming signal transmission path

假設(shè)兩干擾天線與雷達(dá)天線波束中心指向的夾角分別為1和2,為干擾源相對(duì)于目標(biāo)中心的半張角,為目標(biāo)與波束中心指向的夾角(即目標(biāo)角度),為單脈沖鑒角曲線的斜率。在理想情況下,若不考慮雷達(dá)信號(hào)幅度的衰減,也不考慮目標(biāo)回波,則單脈沖雷達(dá)接收兩干擾源的和、差通道信號(hào)為

(1)

由于1,2=±,可計(jì)算比幅單脈沖指示角

(2)

式中：為鑒角曲線的斜率；Re(·)表示取實(shí)部。

(3)

由式(3)可知,當(dāng)幅度比→1,相位差Δ→180°時(shí),交叉眼增益趨于無(wú)窮大,將會(huì)對(duì)單脈沖雷達(dá)產(chǎn)生極大的角度誘偏,達(dá)到非常理想的干擾效果。

2 基于ISAR技術(shù)的回波信號(hào)模型

2.1 ISAR距離-多普勒成像原理

為使得單脈沖雷達(dá)在距離維和多普勒維同時(shí)形成高分辨并分開(kāi)目標(biāo)各散射點(diǎn),本文引入逆合成孔徑雷達(dá)(inverse synthetic aperture radar,ISAR)技術(shù)。為方便說(shuō)明,僅對(duì)二維平面的轉(zhuǎn)臺(tái)成像原理進(jìn)行分析。目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度為。設(shè)目標(biāo)圍繞目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)中心以角速度轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)平面為-平面,雷達(dá)到中心的初始距離為。設(shè)在= 0時(shí)刻目標(biāo)上有點(diǎn)(,),為目標(biāo)與軸(即距離向)的初始夾角。在時(shí)刻,點(diǎn)旋轉(zhuǎn)了角度,此時(shí)散射點(diǎn)與軸的夾角為()=+。雷達(dá)成像的示意圖如圖3所示。

圖3 雷達(dá)成像幾何平面Fig.3 Geometric plane of radar imaging

在時(shí)刻,點(diǎn)的坐標(biāo)值(,)為

(4)

在時(shí)刻,點(diǎn)與雷達(dá)之間的距離為

(5)

在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下,式(5)可近似為

()≈++cos()-sin()

(6)

目標(biāo)的多普勒頻移為

(7)

式中：為波長(zhǎng)。

可見(jiàn),多普勒頻率由兩部分組成,其中，為目標(biāo)平動(dòng)引起的多普勒頻移,為目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)引起的頻移。在實(shí)際ISAR成像中,目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)可分為兩部分:第一部分是目標(biāo)沿雷達(dá)視線方向的平動(dòng);第二部分是目標(biāo)相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中,第一部分的平動(dòng)會(huì)使得目標(biāo)距離像出現(xiàn)距離走動(dòng),因此必須對(duì)平動(dòng)分量進(jìn)行補(bǔ)償。第二部分中雷達(dá)與目標(biāo)之間存在方位角的變化,使得可以分辨方位向的散射點(diǎn)。

2.2 多散射點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)模型

交叉眼干擾信號(hào)傳輸路徑示意圖(三維)如圖4所示。假設(shè)真實(shí)目標(biāo)有個(gè)散射點(diǎn),散射點(diǎn)均位于主瓣內(nèi),雷達(dá)一個(gè)相干處理時(shí)間內(nèi)發(fā)射個(gè)脈沖。目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度為。設(shè)單脈沖雷達(dá)天線和方向圖為(,),方位差方向圖為Δ(,),俯仰差方向圖為Δ(,)。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為,雷達(dá)天線增益為,波長(zhǎng)為,雷達(dá)發(fā)射功率為,(=1,2,…,)為第個(gè)目標(biāo)散射點(diǎn)的目標(biāo)反射截面積。兩干擾增益分別為和。為雷達(dá)發(fā)射第個(gè)脈沖時(shí)第個(gè)目標(biāo)散射點(diǎn)與雷達(dá)的距離,=1,2,…,,=1,2,…,,目標(biāo)散射點(diǎn)與單脈沖雷達(dá)天線波束中心的方位維和俯仰維夾角分別是、。兩干擾機(jī)與雷達(dá)的距離分別為1和2。兩干擾分別置于機(jī)翼兩側(cè),且相距為。兩干擾機(jī)與天線波束中心的方位維和俯仰維夾角分別為1、2和1、2。

圖4 交叉眼干擾信號(hào)傳輸路徑示意圖(三維)Fig.4 Schematic diagram of cross-eye jamming signal transmission path (3-D)

為清楚地分析信號(hào)的衰減過(guò)程,先考慮接收的第個(gè)脈沖僅含干擾的回波信號(hào),假設(shè)單脈沖雷達(dá)與交叉眼干擾設(shè)備的收發(fā)天線均為全向天線。

由圖4中的傳輸路徑可知,第個(gè)脈沖僅含干擾的和、方位差、俯仰差信號(hào):

(8)

式中:

=(1,1)(2,2)

(9)

Δ=(1+2+)c

Δ為第個(gè)脈沖的干擾回路的時(shí)延,為脈沖重復(fù)周期,1、1與2、2分別為兩個(gè)干擾機(jī)在轉(zhuǎn)臺(tái)上的坐標(biāo)。

第個(gè)脈沖的和、方位差、俯仰差通道總回波信號(hào)為

(10)

式中：()、()、()分別為第個(gè)脈沖僅含干擾的和、方位差、俯仰差信號(hào);()、()、()為第個(gè)目標(biāo)散射點(diǎn)的第個(gè)脈沖的和、方位差、俯仰差信號(hào),可分別表示為

(11)

其中，Δ= 2c為第個(gè)目標(biāo)散射點(diǎn)的第個(gè)脈沖的時(shí)延。

由式(11)可知：

=+(-1)+cos[(-1)]-sin[(-1)]

(12)

式中：為初始時(shí)刻轉(zhuǎn)臺(tái)中心與雷達(dá)的距離；、為目標(biāo)散射點(diǎn)在轉(zhuǎn)臺(tái)上的坐標(biāo)值。

3 單脈沖三維成像對(duì)抗交叉眼干擾的方法

單脈沖三維成像對(duì)抗交叉眼干擾方法流程圖如圖5所示。單脈沖雷達(dá)接收到和、方位差、俯仰差3個(gè)通道信號(hào)后,結(jié)合ISAR技術(shù)并運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,在距離維和多普勒維同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高分辨處理,此時(shí)各散射點(diǎn)得以分辨。然后對(duì)各散射點(diǎn)進(jìn)行單脈沖測(cè)角,可得到各散射點(diǎn)的方位角和俯仰角。一般目標(biāo)與雷達(dá)的距離是可測(cè)的,結(jié)合測(cè)得的方位角和俯仰角,可得到單脈沖三維成像的關(guān)鍵信息,即方位面相對(duì)距離和俯仰面相對(duì)距離。利用距離、方位面相對(duì)距離、俯仰面相對(duì)距離3個(gè)維度的信息可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行單脈沖三維成像。通過(guò)所得目標(biāo)的三維像,利用目標(biāo)團(tuán)聚效應(yīng)給定合理的閾值選取準(zhǔn)則來(lái)劃分有、無(wú)干擾區(qū)域,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)抗。剔除由交叉眼干擾引起的閾值之外的奇異點(diǎn),從而提取出干擾對(duì)抗后的目標(biāo)角度。

圖5 單脈沖三維成像對(duì)抗交叉眼干擾方法流程圖Fig.5 Flow chart of an anti-cross-eye jamming method based on monopulse radar 3D imaging

假設(shè)目標(biāo)與雷達(dá)的距離為,方位角為,俯仰角為(={},={},=1,2,…，,為超過(guò)檢測(cè)電平的散射點(diǎn)數(shù)目)。方位面相對(duì)距離、俯仰面相對(duì)距離分別為

(13)

式中：={}；={}；={}。

方位角與俯仰角中存在干擾引起的角度奇異值,導(dǎo)致方位面相對(duì)距離與俯仰面相對(duì)距離這兩參數(shù)中出現(xiàn)成像奇異值。可以通過(guò)以下準(zhǔn)則找到與中對(duì)應(yīng)無(wú)干擾區(qū)域元素下標(biāo)：

(14)

式中：∩為交集運(yùn)算;是在方位面相對(duì)距離中選取的閾值(簡(jiǎn)稱方位面閾值);是在俯仰面相對(duì)距離中選取的閾值(簡(jiǎn)稱俯仰面閾值)。

由于目標(biāo)散射點(diǎn)主要集中在目標(biāo)的尺寸范圍之內(nèi),而干擾引起的奇異點(diǎn)在目標(biāo)的尺寸范圍之外,可以利用目標(biāo)的團(tuán)聚效應(yīng)選取合適閾值來(lái)劃分有、無(wú)干擾區(qū)域。方位面閾值如下:

(15)

同理,俯仰面閾值的選取準(zhǔn)則為

(16)

因此,無(wú)干擾區(qū)域的方位維相對(duì)距離與俯仰維相對(duì)距離可表示為

(17)

與之對(duì)應(yīng)地,無(wú)干擾的方位角、俯仰角為

(18)

4 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

假設(shè)目標(biāo)的三視圖模型如圖6所示,兩個(gè)干擾機(jī)被放置于飛機(jī)機(jī)翼兩側(cè),單脈沖雷達(dá)在一個(gè)相干處理時(shí)間內(nèi)發(fā)射2 048個(gè)LFM脈沖信號(hào)。仿真參數(shù)如表1所示。

圖6 目標(biāo)三視圖Fig.6 Three views of the target

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖7給出了交叉眼干擾后目標(biāo)的方位角、俯仰角結(jié)果,可以看出方位維與俯仰維測(cè)角結(jié)果都出現(xiàn)了干擾奇異值。交叉眼干擾后的目標(biāo)三視圖如圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)所示,明顯可以看出目標(biāo)尺寸之外存在干擾奇異點(diǎn)。圖8(d)為交叉眼干擾后的ISAR像,目標(biāo)附近存在干擾強(qiáng)散射點(diǎn)。

圖7 交叉眼干擾后的方位角、俯仰角Fig.7 Azimuth and pitch angles after cross-eye jamming

圖8 交叉眼干擾后的目標(biāo)三視圖、ISAR像Fig.8 Three views and ISAR image of the target after cross-eye jamming

根據(jù)第3節(jié)的閾值選取準(zhǔn)則,分別設(shè)定圖8(a)、圖8(b)的閾值為34.1 m、4.6 m。對(duì)奇異點(diǎn)進(jìn)行剔除,對(duì)無(wú)干擾的點(diǎn)予以保留,即實(shí)現(xiàn)了對(duì)抗交叉眼干擾?？垢蓴_后的方位角、俯仰角和目標(biāo)三視圖如圖9、圖10所示,可以看出抗交叉眼干擾后的目標(biāo)三視圖與原始目標(biāo)三視圖一致。

圖9 抗交叉眼干擾后的目標(biāo)三視圖Fig.9 Three views of the target after anti-cross-eye jamming

圖10 抗交叉眼干擾后的方位角、俯仰角Fig.10 Azimuth and pitch angle after anti-cross-eye jamming

5 結(jié) 論

本文提出一種基于單脈沖三維成像的抗交叉眼干擾方法。該方法通過(guò)ISAR技術(shù),對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)距離-多普勒兩個(gè)維度的高分辨處理,再利用單脈沖雷達(dá)測(cè)到的方位角和俯仰角計(jì)算得到方位面相對(duì)距離和俯仰面相對(duì)距離,結(jié)合距離信息,實(shí)現(xiàn)單脈沖三維成像。利用三維像的目標(biāo)團(tuán)聚現(xiàn)象,剔除閾值之外的交叉眼干擾引起的奇異點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了抗交叉眼干擾。