对新型ISAR欺骗干扰效果仿真分析

韩国强,叶瑞芳,刘 丽,代大海

(1.中国洛阳电子装备试验中心,河南洛阳471003;2.国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)

0 引言

逆合成孔径雷达(ISAR)能从固定或运动平台上对飞机、导弹、舰船等运动目标进行全天候、全天时、远距离高分辨率成像,在军事领域具有重要的实用价值[1]。在战术上,ISAR可配合武器系统对敌战术目标实施拦截和攻击;在战略上,ISAR应用于战略防御系统对中段和再入段目标的成像识别,使战略进攻武器的常规突防手段基本无效[2]。随着世界各主要军事强国ISAR系统的部署,我军武器装备的战场生存能力正面临严峻考验,对ISAR系统的干扰研究已成为电子信息对抗领域的研究热点。

对宽带ISAR系统的干扰不同于对一般常规体制雷达的干扰。由于ISAR处理增益较高,如果干扰信号与雷达发射信号不匹配,将无法获得雷达高处理增益,直接导致干扰效率大大降低[3]。因此,传统的噪声干扰很难获得良好的干扰效果。高逼真的欺骗式干扰信号与雷达目标回波信号特征匹配程度较高,可以获得与目标回波信号相同的信号处理增益,一定程度上降低了干扰信号的功率,使得硬件实现难度降低[4]。因此,对ISAR的欺骗式干扰是目前研究的重点。

利用线性调频脉冲串波形的时延和频移间的耦合特性设计的移频干扰,是一种有效的ISAR欺骗干扰样式[5-7]。文献[8]研究了对合成孔径雷达的步进移频干扰技术,文献[9]研究了对合成孔径雷达的固定移频和随机移频干扰技术,文献[10]研究了对线性调频雷达的锯齿波加权调频干扰技术。然而传统的移频干扰技术存在一定的局限性,具体体现在：(1)只能够形成单个欺骗或覆盖效果,导致对分布式目标的保护效果有限;(2)大都停留在理论研究层面,未结合实测数据进行验证;(3)未形成统一的理论平台,直接影响硬件实现框架的可扩展性设计。

本文在已有研究成果的基础上,针对传统移频干扰的局限性,提出了一种对ISAR的修正移频干扰技术,不仅实现了多假目标干扰输出结果从一到多的转变,形成了更加丰富的干扰纹理,满足了新型欺骗式干扰的现实需求,而且给出了统一的干扰理论模型,并从工程实践角度出发,完成了干扰系统硬件实现框架的设计。最后,结合典型的战情参数设置进行了实测数据的验证,并根据实验结果定性分析了新型欺骗干扰样式的分布特性。

1 移频干扰的机理分析

移频干扰的实现方式总体可分为两大类：一是脉间移频,二是脉内移频。雷达的模糊函数是分析时延和频移之间耦合关系的重要理论工具。设LFM的复包络信号形式为

式中,T为脉冲宽度,f0为载频,kr为调频斜率,rect(·)为矩形窗函数。

图1为LFM信号波形的模糊度图,可以看出时延和频移之间存在强耦合。当快时间频率移动Δfd时,将对应有距离向为Δτ的时延。故如果将截获到的LFM信号移频后再转发出去,即可实现距离向欺骗干扰。如果将ISAR回波进行方位向多普勒频率为Δfda的调制,将对应有方位向为Δτa的慢时间域时延,从而实现方位向的欺骗干扰。移频干扰与延时转发干扰最大的不同点就是,移频干扰不仅对侦察的依赖程度比较低,而且能够在距离向或者方位向形成更加复杂的干扰纹理,能够更加容易满足欺骗干扰样式“隐真示假”的军事需求。

图1 LFM信号的模糊度图

1.1 移频干扰的理论模型

移频干扰机主要是将截获的雷达信号经过移频处理后再发射出去,造成雷达接收机脉冲压缩输出信号的主峰中心偏移,实现图像模糊。设ISAR发射的线性调频信号为

式中,U为发射信号的幅度。

1.1.1 传统理论模型

(1)固定移频干扰

当雷达发射信号附加固定移频量fd时,有

雷达接收机匹配滤波器的传递函数为

于是,匹配滤波器的输出为

从上式可知,当fd≠0时,主峰出现在延迟τd=-2πfd/kr的时刻,并且随着fd的增大,压缩输出的主峰越低,宽度增加。这表明移频干扰具有产生假目标干扰和距离门摆动干扰的能力。移频干扰在具体的实现过程中,可能引入一些随机误差,使得脉冲信号之间的相干性遭到破坏,此时方位向不能实现相干处理,成像输出为在距离向偏移干扰机Δr的沿方位向的一条线。

(2)步进移频干扰

步进移频干扰指的是对移频量在ISAR照射干扰机的合成孔径时间内,随着每个照射脉冲以固定步进量逐次递增或逐次递减变化。设合成孔径内的照射脉冲数为N,每个脉冲步进移频增量为Δf,起始移频量为fd0,则合成孔径时间内干扰信号的移频量fd变化如图2所示,具体理论模型为

式中,n为整数。为保证干扰功率进入雷达接收机,要求|fd|≤Br,Br为信号带宽。

图2 频率步进示意图

(3)随机移频干扰

随机移频干扰指的是对移频量在ISAR照射干扰机的合成孔径时间内在一定范围内随着每个脉冲随机变化。随机移频干扰的移频量为

式中,ξ(t)为处于[a,b](-1＜a＜b＜1)之间的随机数。在一个合成孔径时间内ISAR的不同方位采样时刻,ξ(t)随机取[a,b]间的一个值,因此为方位向时间ta的函数。

由前面分析可知,固定移频、步进移频及随机移频干扰只能在不同距离单元上形成单线假目标或单面域假目标的干扰效果,这种干扰样式不仅对分布式目标的保护效果有限,而且容易使敌方利用移频量和干扰偏离干扰机距离之间的对应关系进行抗干扰,从而降低其战场威胁等级,丧失其应有的军事应用价值。鉴于此,亟需对传统的干扰模型进行修正,并通过移频量的适当变化来进一步提升干扰的战场生存能力。

1.1.2 修正理论模型

传统固定移频干扰、步进移频干扰及随机移频干扰模式只能够产生单一的干扰输出结果,导致干扰纹理比较简单,往往只能够达到“示假”的欺骗干扰效果,却忽略了新型欺骗干扰中“隐真”的效果。为了能够对分布式目标形成更加有效的保护,有必要对传统移频干扰模式进行修正。将一个合成孔径时间内的多个脉冲时刻分成不同时段,每个时段内移频量采取的分段函数不同,对应的干扰效果也自然不同,具体理论模型如下所示：

式中,Ts为合成孔径时间。通过合理调整分段间隔和分段移频函数,可实现复杂多样的干扰效果。当分段数N越大,分段间隔越小,产生的假目标个数通常就越多,假目标的脉压效果就越差。此外,通过分段移频函数的变化,能够实现多种复杂移频调制,图3列举了其中三种典型的频率调制效果,为了能够与传统移频干扰形成鲜明比较,本文将抛开组合干扰模式,重点针对修正固定移频、修正步进移频及修正随机移频干扰展开研究。

修正移频干扰使得干扰输出结果实现了从一到多的转变,达到了多假欺骗或多假覆盖的效果,这是修正移频干扰的第一个重要价值;其次,通过分段间隔及分段移频函数的变化,能够实现传统固定移频、随机移频及步进移频的干扰效果,证实修正干扰模型是传统移频干扰及其他更复杂移频干扰的统一形式,体现了其第二个重要价值。

图3 频率调制示意图

1.2 干扰系统设计

ISAR移频干扰系统的工作可以分为侦收雷达脉冲、生成干扰控制字、干扰信号调制及发射实现四个步骤。干扰机在实施干扰前,为了尽可能准确地获取作战对象信息,干扰机需要进行一段时间的侦察工作,对作战对象的信号进行截获、采集、处理和分析,然后根据侦察信息和外部战术需求对干扰信号实施调制。从物理结构组成上讲,ISAR移频干扰系统主要由侦收单元、DRFM单元、处理控制单元及发射单元等组成,其理论框架如图4所示。

ISAR移频干扰系统工作流程如下：

(1)侦察接收系统根据处理之后的雷达发射信号,估计截获信号参数(带宽、脉宽等),并结合典型战情需要(移频个数、跳变周期等)完成干扰参数的确定工作;

(2)信号处理系统根据干扰参数实时解算生成干扰信号的频率控制字,并协同外部命令数据经控制器一同送至DRFM系统;

(3)DRFM模块对接收的信号进行存储并调制处理,通过下变频和解调处理后送至信号处理器进行虚假目标中频信号合成,生成的中频信号经上变频处理形成干扰信号,其中采样时序、干扰参数等均由控制系统控制;

(4)干扰信号形成后,通过波束合成和增益控制后经发射系统发射出去,实现对ISAR系统的干扰。可以看出,基于DRFM的干扰信号生成是干扰机实现的重要环节。

图4 ISAR移频干扰模块系统框图

2 仿真分析

为了验证上述理论分析的正确性,本节将结合X波段某飞机实测数据进行仿真实验,以获得对干扰效果的直观认识。雷达信号的带宽B=360 M Hz,发射脉冲宽度为8 ns,宽带回波的采样率为fs=400 M Hz,在接收回波时,考虑到目标存在一定的尺寸而导致的脉冲展宽,每帧脉冲采样的点数为3 400,取1 024帧回波脉冲进行成像处理。其中,干扰功率的计算将自动根据干信比要求设置,此时将忽略干扰功率和天线增益参数,因此这两项参数不予列出。

2.1 仿真结果

在仿真实验中,为了比较不同强度(功率)的干扰信号的干扰效果,需要得到干信比不同的干扰数据来进行实验。在此,采用干信比(JSR)的公式为

这样,通过调整干扰信号的强度,可以得到不同JSR的干扰效果。实验采用经典的距离多普勒算法进行成像处理,并以10次蒙特卡罗仿真中的第1次仿真为例,得到了不同干扰样式的仿真结果。从实验完备性的角度出发,实验共设置了三组模式进行仿真分析：①干扰有效性仿真验证;②与传统移频干扰的仿真对比分析;③不同JSR干扰效果仿真分析。其中,目标图像的横轴表示方位向,纵轴表示距离向。

(1)干扰有效性仿真分析

在干扰初始条件设置相同的情况下,实验1中选取的JSR设置为20 d B,重点针对固定移频、步进移频及随机移频干扰的修正模式进行仿真分析,得到了如图5所示的实验结果,实验借助主观评估方法对干扰的有效性能进行了验证。

根据前面的成像结果来看,在相同的JSR条件下,图5(c)和图5(d)中信息丢失量比较严重,干扰将被保护目标全部淹没,对自动目标识别(ATR)系统中目标检测与识别构成一定的难度,有效保护了己方的目标飞机;而图5(b)中形成了多个密集条纹线假目标,兼具欺骗与压制的干扰效果。

图5 JSR=20 dB干扰仿真实验结果

(2)与传统移频干扰的仿真对比分析

在干扰初始条件设置相同的情况下,实验2中选取的JSR设置为10 dB,并以传统多抽头固定移频干扰及修正固定移频干扰为例进行仿真对比分析,得到了图6所示的仿真结果。

图6 JSR=10 dB固定移频干扰仿真实验结果

图7 JSR=10 dB干扰仿真实验结果

通过仿真结果的对比分析,发现相同JSR条件下,即使采用多抽头模式,传统固定移频干扰对单架目标飞机的保护效果仍然很有限,目标轮廓线仍然清晰可见,无法避开敌方ATR系统识别;而修正固定移频干扰形成的纹理更加丰富,能量有效利用率更高,具备对分布式目标形成有效保护的潜质,是一种性价比更高的干扰样式。

(3)不同JSR干扰效果仿真分析

在干扰初始条件设置相同的情况下,实验3中选取的JSR设置为10 dB,并以修正随机移频干扰及修正步进移频干扰为例进行仿真,得到了如图7所示的实验结果,通过与实验1中20dB干扰仿真结果对比分析,得到了JSR与干扰效果的相对关系。

通过仿真结果的对比分析可以发现,在没有先验知识支撑的条件下,10 dB干扰已经能够使得目标飞机的边缘轮廓比较模糊,ATR系统已经无法对目标进行准确定位,20 dB干扰输出则使得目标无法识别。其中,修正随机移频干扰主要形成了“颗粒状”干扰效果,修正步进移频干扰主要形成了“斑块状”干扰效果。

2.2 结果分析

通过对移频干扰的仿真结果分析可以得到以下几个结论：

(1)由于分段固定移频量破坏了脉间相干性,所以修正固定移频干扰形成了多个线假目标,该干扰样式很大程度上形成的是一种“佯动”的干扰效果;修正随机移频及修正步进移频干扰方位向都采用了非相干处理,所以干扰能量在整个方位向比较平滑,前者在方位向形成一种条带似噪干扰纹理,而后者形成了多面域假目标的干扰效果;

(2)修正步进移频及修正随机移频等干扰样式兼具欺骗与压制的干扰效果,是一种新型的欺骗干扰样式;

(3)修正步进移频及修正随机移频等干扰样式能够形成一定面积的似噪干扰区域,对分布式目标能够实现较好的干扰效果;

(4)从直观上分析可知,在相同的JSR条件下,不同干扰模式不仅形成的干扰纹理不同,而且对ISAR二维成像的干扰程度也不同,修正随机移频转发与修正步进移频转发干扰对典型军事目标的保护效果最好,修正固定移频转发干扰次之。

3 结束语

利用线性调频脉冲串波形的时延和频移间的耦合特性,本文引入了一种基于移频转发的ISAR欺骗干扰技术,并通过对传统固定移频、步进移频及随机移频局限性的分析,提出了一种对ISAR的修正移频干扰技术。在实际的战术运用中,通过分段间隔的控制及分段移频函数的变化,使得修正固定移频干扰形成了条带似噪干扰纹理,而修正步进移频及修正随机移频干扰形成了多面域假目标干扰纹理,较之传统移频干扰模式完成了输出结果从一到多的转变,对分布式目标的保护效果更好,也更加容易满足新型欺骗式干扰“隐真示假”的现实需求。在此基础上,给出了统一的移频干扰理论模型,设计实现了干扰系统的理论框架,并结合典型的战情参数设置进行了仿真实验,结果表明该干扰样式不仅能够对重要军事目标形成有效保护,而且能够形成更加丰富的干扰纹理,进一步证实了干扰的有效性和科学性。

当然,任何一种干扰样式都不可能包打天下,移频干扰也不例外。首先,由于移频干扰是一种灵巧式的干扰,因此对大型军事目标形成有效保护的代价比较高;其次,干扰与周围区域纹理匹配程度比较低,容易被敌方ATR系统锁定为ROI,存在过早暴露目标的风险;最后,干扰分布特性与先验知识密切相关,无法摆脱对侦察的依赖性,因为如果调制信息不够准确,就会产生噪声的干扰效果,容易被敌方ATR系统剔除。但是,通过理论延伸发现,移频干扰的局限性更多反映的是欺骗干扰的共性不足。因此,从整个干扰技术发展的角度出发,开展移频干扰技术的研究也是非常具有价值的。

综上所述,鉴于移频干扰具有干扰机理巧妙、干扰切换灵活、干扰纹理丰富、战场适应性强及易于工程实现等诸多优点,已成为一种很有潜质的新型欺骗干扰样式。对抗技术与系统发展往往是相互促进,螺旋式上升的关系,相信随着ISAR系统的进步及ISAR干扰理论的提升,将使得移频干扰的战场适应性更强,稳健性更高,进而发展成为更加“鲁棒”的欺骗干扰样式。

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