对调频步进ISAR雷达两种干扰效果的比较分析*

周志增，刘 朋，丁桂强，王永海

(中国洛阳电子装备试验中心， 河南孟州 454750)

0 引言

调频步进信号通过发射瞬时的窄带信号来合成宽带信号，得到高分辨雷达信号。线性调频步进雷达信号属于调频步进信号的一种，不同之处在于子脉冲采用CHIRP信号，与脉内采用简单脉冲信号的常规步进雷达相比，一方面可以采用较少的子脉冲实现合成高分辨，另一方面相比于采用宽带成像雷达来说又降低了对系统瞬时带宽的要求[1]。对于调频步进雷达干扰技术来说，分为噪声压制和假目标欺骗两种。由于调频步进雷达成像过程会获取较大的积累增益，加上脉间信号变化时间快，给窄带瞄频带来一定的困难，而宽带由于能量不能集中，同样不能起到很好的压制效果[2]。

目前，对调频步进雷达信号处理的研究主要集中在信号参数选取[3-4]以及对成像算法优化上[5]，对调频步进雷达的干扰研究较少，部分成果仅停留在理论层次，缺少实体雷达受干扰数据的支持。为此，文中结合卷积干扰原理，针对调频步进成像中典型的时域波形综合成像方法，对比分析了窄带卷积干扰的效果及优势，并通过采集中频数据，对理论分析进行验证。

1 调频步进雷达成像

调频步进雷达信号的时域表示式为：

(1)

脉内压缩和脉间相参合成是调频步进信号通过获得高距离分辨率的两个步骤，具体为首先对单个子脉冲进行的脉压处理，得到中分辨信号，然后进行脉间的IDFT处理合成距离高分辨。假设混频后的视频回波幅度不变，位于距离R处的单个静止点目标回波经IDFT处理后输出结果为：

(2)

可以看出，IDFT处理的输出是一离散sinc函数，其时间分辨率为1/(NΔf)[7-8]。

根据调频步进ISAR雷达成像原理，处理方法分为数据采集、速度补偿、子脉冲压缩、目标抽取、合成距离像、包络对齐、相位补偿以及最后的二维成像等步骤过程，其处理流程如图1所示。

图1 频率捷变ISAR成像信号处理流程

2 调频步进雷达抗干扰能力分析

设调频步进雷达具有N个调频步进脉冲，信号处理时对N个脉冲信号进行处理得到一维目标高分辨距离像。

1)窄带噪声干扰。假设雷达在N个频率点受到窄带噪声干扰，由于测频、信号匹配等原因，只有M个干扰信号能起作用，干扰脉冲比例为M/N。在这M个脉冲时间内起作用的干扰功率占1/M。因此总的干扰能量只有1/N起作用，这大大增强了雷达的抗干扰性能。对于具有128个步进频率的调频步进雷达来说，信号处理在频域可使干信比降低 21dB，极大增强了雷达的抗干扰能力。

此外，调频步进雷达在成像过程中，出现部分脉冲丢失或者受到干扰，对整体成像质量影响不大。假设M个脉冲受到干扰，利用(N-M)个脉冲可以对散射点进行高分辨成像，有利于进一步降低干扰的作用。带来的不足是雷达分辨率和探测能力受影响，分辨率下降到N/(N-M)。由于脉压后主瓣出现展宽，信号幅度降低为(N-M)/N,由脉冲数减少引起的能量损失为(N-M)/N。因此，探测距离缩小到((N-M) /N)0.5·R,其中R是雷达未受到干扰时的作用距离。

2)宽带噪声干扰。如果干扰机采用宽带干扰，设干扰功率为PJ，雷达瞬时频率带宽为B(中频带宽),则单个雷达脉冲受到的干扰功率为B·PJ/(N·Δf)，假设B≈Δf，则进入单个脉冲的功率为PJ/N，与窄带瞄频噪声的干扰功率损失相当。因此调频步进雷达对一般宽带压制干扰的抗干扰性能是常规窄带雷达的N倍。但是，如果干扰机能干扰到每个雷达脉冲，则调频步进率将失去频率变化带来的抗干扰优势，但是前提条件是干扰机能够实现准确测频，并且在极短的时间里发送出干扰信号。

3)相参处理抗干扰性能。由调频步进雷达成像原理可知，雷达信号处理增益为GN。对非相参干扰，干扰信号无处理增益。因此对于相参干扰，调频步进雷达的抗干扰能力是非相参积累雷达的N倍。

根据以上分析，对于一般的窄带瞄频噪声干扰，调频步进雷达在频域信干比提升N倍， 在相参处理上信干比提升N倍，因此雷达信号处理后的信干比相对信号处理前提N2倍，即总抗干扰能力提升N2倍。例如对于128个频率点的调频步进雷达，如果雷达信号处理前的干信比为 20 dB，在雷达信号处理后的干信比只有-22 dB。

3 干扰原理

ISAR雷达与一般雷达最重要的区别在于ISAR有较大的距离像和方位像处理增益。要降低ISAR雷达的处理增益，可以从两方面入手。首先，ISAR雷达成像必须经过运动补偿，其目的是为了获取方位像增益，而干扰会导致包络无法对齐将直接影响运动补偿效果。其次，得到方位像的前提是获取相关性较好的多组一维距离像，干扰只要破坏其中的部分距离像就能达到干扰目的[9]。

要破坏一维距离像，就是要破坏目标抽取。影响目标抽取的因素有很多，比如采样间隔、步进频率间隔、速度误差、相位关系等，都会不同程度导致一维距离像出现冗余、乱序和伪峰等。相位作为影响成像的关键因素之一，相比于其他因素，可在干扰过程中直接作为被破坏因素。对频率步进信号作IFFT处理时，要求信号在各脉冲之间具有严格的相位关系。通过对回波卷积噪声干扰，可以达到破坏其相位关系，进一步影响一维距离像合成[10]。

4 干扰验证

雷达中频信号信噪比为15 dB，一组脉冲中共有128个脉冲，子脉冲带宽为5 MHz，脉宽为13 μs，步进间隔为4 MHz，共用64组信号来进行二维像合成，干信比为15 dB，干扰分为窄带干扰和卷积干扰两种。

1)部分脉冲受窄带干扰。假设每组脉冲中128个脉冲中随机有32个受到干扰，未受干扰信号脉压后如图2(a)所示，理论计算脉冲压缩后信噪比为33 dB，与计算结果相一致。图2(b)为对一次像的距离对齐图，对齐效果较好，目标散射点集中。图3为一维距离像和二维像，从结果中可以看出，干扰不影响一维距离像合成，其特征散射点分布明显，最终合成的飞机二维像在距离像和方位像都没有出现散焦问题，说明部分脉冲随机受到窄带干扰不会影响调频步进雷达成像。

图2 回波脉压及距离对齐

2)全脉冲受窄带干扰。假设每组脉冲中128个脉冲均受到干扰，信号脉压后如图4(a)所示。未受干扰时，理论计算脉冲压缩后信噪比为33 dB，受干扰后，信噪比降为18 dB左右，与计算结果相一致。图4(b)为对一维像的距离对齐图，从结果中可以看出，对齐效果较好，没有出现散乱情况。图5为一维距离像和二维像，从结果中可以看出，干扰对一维距离像基本没有影响，其特征散射点明显，且信噪比较大。而对二维像有一定影响，二维像出现散焦，在方位向出现一定的模糊区，说明散射点相位补偿受到干扰影响，但整体上能分辨出目标轮廓。相比于部分脉冲受干扰来说，全部脉冲受干扰后对成像影响更大，但不影响辨识目标整体轮廓。

图3 一维距离像及二维成像

图4 回波脉压及距离对齐

图5 一维距离像及二维成像

图6 回波脉压及距离对齐

3)全脉冲受卷积干扰。假设卷积干扰使用的窄带干扰干信比和第2节中一样，图6(a)为脉压后的结果，从中可以看出，脉压后峰值部分明显展宽，并具有多个峰值，直接导致无法有效进行距离单元对齐。采用同样算法进行包络对齐后，散射点出现散乱，且存在很多伪散射点。可见，峰值一旦出现多个，就导致一维像无法有效进行抽取，一维距离像的散射点明显被噪声淹没，二维像在距离维和方向维都出现大范围内散焦，二维像无法合成。相比于第2节中的窄带干扰来说，卷积干扰效果更好，由于卷积干扰是直接对脉冲回波信号进行卷积运算，不需要测频，实时性强，能实现干扰到每一个调频步进雷达脉冲。另外，对于同样的干扰效果，卷积干扰对干扰功率要求更低。

图7 一维距离像及二维成像

4)相关性分析。对ISAR成像来说，一般情况下，视角变化不大，散射点在目标上的位置和强度变化比较缓慢，一维距离像之间的相关性较强。受到干扰之后，由于信噪比下降、峰值出现偏移等原因，必然影响到期相关性变弱。

对全脉冲受窄带干扰和全脉冲受卷积干扰两种情况下的距离像相关性进行分析，结果如图8所示。上面的曲线为窄带干扰后一维距离像之间的相关性，下面的曲线为卷积干扰后距离像之间的相关性。可以发现，在同样干信比条件下，卷积干扰后一维像之间的相关性要小于窄带干扰，进一步说明了卷积干扰效果要优于窄带干扰。

图8 一维像相关性比较

5 结束语

针对常规窄带干扰难以干扰调频步进雷达成像问题，分析了调频步进雷达的抗干扰性能以及成像原理。由理论分析和中频数据处理结果可知，利用噪声卷积干扰可有效破坏调频步进雷达一维像合成环节，达到干扰效果。另外，在相同干信比的条件下，卷积干扰干扰效果要优于常规窄带噪声干扰。文中所得结果均是采集中频数据事后分析所得，下一步可进一步对分析结果进行验证。