相干转发干扰对低分辨率雷达回波特征的影响

孟维泽,田润坤,张静克,邢世其,申绪涧

(1.国防科技大学,湖南 长沙 410073;2.CEMEE国家重点实验室,河南 洛阳 471003)

0 引 言

随着雷达系统的发展,雷达的分辨率也随之提高,高分辨率雷达甚至可以从对回波特征的分析中获取目标的散射点分布,进而实现成像和目标识别。针对这些雷达,学者们提出了许多干扰样式,并已有学者通过仿真和实验的手段验证了这些干扰手段能对高分辨率雷达产生效果。其中得到广泛应用的是相干转发干扰。

但与此同时,很多国家和地区目前仍主要采用低分辨率的雷达作为预警探测手段。因此探寻这些被大量使用的相干干扰样式对于低分辨率雷达的影响效果十分必要。

近些年来,不少学者提出用不同方法提取低分辨率雷达的回波特征,以期采用新的方法提升现有列装装备的性能,实现对目标的粗分类识别。但未见有学者考虑新出现的干扰样式会对低分辨率雷达回波产生什么样的影响。罗宏等人[1]率先提出使用反卷积法获得雷达目标回波的波形特征,并探索建立起利用低分辨率的视频回波逆推到近似的高分辨率波形的数学模型,丰富了波形特征,为进一步的目标识别奠定了可能。但该模型是建立在“目标的散射分布特性在高分辨和低分辨时一致”的假设成立的前提下的,原文并未提到这个设定是否成立,仍需要进一步的实验来验证。

王伟等人[2]通过直接利用3种低分辨率回波的动态特征提出目标分类算法,可以进行简单的目标分类。此后,张汉华等人[3]将“使用神经网络作为分类器”这一方法引入了低分辨率雷达目标识别中,并利用模糊极大极小神经网络(FMM)得到了良好的分类效果。此后,采用机器学习的方法成为了该领域的主流方向,绝大多数都采用“两步走”办法,即先提取出回波的特征参数,然后使用机器学习的方法进行分类识别。目前国内外已有十数篇文献[4-13]利用不同的特征提取增强方法和机器学习分类方法取得不同的效果。可以看出,绝大部分研究只集中于使用各种方式提升特征提取和目标识别的效率及准确率,并没有考虑到干扰对低分辨雷达回波特征提取的影响,此方向的研究仍存在大量空白。

1 低分辨率雷达回波的仿真与分析

在实际战术运用环境中,雷达操作员通过操作台对雷达回波的“A显”或“三维显”观察分析,对目标的类型和状态进行判断。对此,下文对低分辨率目标回波波形特征的提取与分析进行研究。

1.1 低分辨率雷达回波模型

在低分辨率雷达的回波研究过程中,通常将单个长度小于雷达分辨率的目标视为一个散射点。此时若将整个回波产生过程视为一个线性时不变系统,其中目标的冲激响应用h(t)来表示,雷达的发射信号用p(t)来表示,n(t)表示噪声,*代表卷积运算,则雷达的回波s(t)可由下述公式表示:

s(t)=p(t)*h(t)+n(t)

(1)

目前,国内关于低分辨率雷达回波仿真方面的研究都基于视频回波层面进行直接仿真[14-15],容易造成波形失真和细节的丢失。本文进行最基本的采样点级别的仿真,以确保回波仿真的拟真度。一般情况下低分辨率雷达都为脉冲多普勒体制,采用线性调频(LFM)信号作为发射信号。对应公式(1)中的变量,其具体表达式为:

p(t)=A·exp(j2πf0t+jπkt2)

(2)

h(t)=σ·δ(t-t0)

(3)

s(t)=A·L·σ·exp(j2πf0(t-t0)+

jπk(t-t0)2)+n(t)

(4)

k=B/Tp

(5)

式中:A表示发射信号的幅值;exp(·)表示取以e为底的指数;k表示调频率;t表示时间;σ表示散射截面积(RCS);δ(·)表示冲击响应;t0表示由传播距离带来的时延;L表示由传播距离带来的衰减;B表示LFM信号的带宽;Tp表示单次脉冲的时宽。

当目标体型尺寸较大时(如大型船舶),或相距间隔较大的数个尺寸较小的目标时(如飞机梯队),低分辨雷达可以将其视为多个距离不同的散射点。一般可用N个散射中心函数分权叠加进行模拟,其得到的总回波信号s′(t)为:

(6)

式中:N的取值与目标的尺寸及姿态有关;下标i表示第i个散射点,对应参数与该点的位置和其本身散射特性有关。

1.2 目标回波仿真

按照表1所示的参数设置,分别对扩展目标和多目标2种目标状态进行雷达“A显”和“三维显”的回波仿真。

表1 仿真参数设置

首先进行扩展目标仿真,设目标的散射点位于距离雷达的第4 000、4 001、4 002个分辨单元中。由LFM信号处理理论可计算求得表1参数对应的雷达分辨率,公式如下:

(7)

式中:c表示光速,代入表1的值可求得分辨单元为15 m。

以这3个紧密靠近的散射点作为扩展目标(长度约45 m的大目标)的仿真,对其回波进行200个点的均方根包络检波,其回波显示效果如图1所示。

图1 扩展目标雷达回波仿真效果

可以看出,扩展目标的回波主要呈现一个波峰的状态,数个脉冲之间略有微小的起伏,与文献[14]～[15]中给出的真实雷达回波数据形状基本一致。

对于有一定间隔的多个小目标,低分辨雷达可以将其视为有一定间距的多个散射点模型,利用公式(6)的多个散射中心回波叠加可以对小目标群进行回波仿真。

同样使用表1中的参数设置,且对其回波进行200个点的均方根包络检波。此时分别将小目标群中的2个目标位置分别设置在第4 000、4 030个(间距较小)分辨单元处和第4 000、4 200个(间距较大)分辨单元处,显示效果如图2所示。

图2 小目标群雷达回波仿真效果

在一般情况下,可以通过回波波形的主峰数目对目标数量进行粗略判断。但对比图2结果,目标散射点间距较小时,由于波形叠加,会出现多个目标回波叠加为一个主峰。对比扩展目标和间距较小的目标群,可以看到在波形的细微特征上仍有较为明显的区别,因此有了波形特征提取和雷达操作员观察分析的空间。

1.3 目标回波特征分析

在高分辨率雷达中,由于目标散射点细节极为丰富,不同类型的目标有各自极为明显的特点。因此可以依据目标散射点成像结果和算法进行精准识别,如确定飞机、舰船的具体型号等。低分辨率雷达在对目标的探测中,往往会损失大量目标细节,无法从回波中提取出高分辨率的散射点分布和其他信息。有经验的操作员可以通过低分辨率雷达回波的波形特征对目标进行快速的分析和判断,有效提高了低分辨率雷达的辨识能力。比如不同数量(单个或多个)、不同类别(直升机、固定翼飞机等)的目标就在回波强度、波形宽度、波色上有明显区别,因此具有研究分析的空间。

因此,采纳文献[2]中部分定义的时域波形特征参数并结合部分新提出的参数,来描述回波经包络检波后的特征,表征雷达操作员对波形细节特征的观察角度,并对1.2节中的3组回波进行了计算。考虑到随机噪声因素的影响,取其1 000次脉冲的均值,其回波特征如表2所示。

表2 回波特征值

由表2可以看出,不同类型目标回波的特征值之间有一定的差异,为雷达操作员判别目标给出了空间。

2 不同相干转发干扰对回波特征的影响

近些年来,雷达干扰样式快速发展,产生了不少新型干扰体制。数字射频存储器(DRFM)这种干扰设备得到了极为广泛的应用,它能采用转发截获雷达信号的方式轻松生成干扰信号,并让干扰获得雷达的系统增益。

2.1 典型相干转发干扰

学者们基于DRFM提出了多种相干转发干扰,本文选取其中3个典型的样式进行分析,类型分别为:基于噪声、脉内干扰、脉间干扰。

灵巧噪声干扰是代表性的基于噪声产生的相干转发干扰,需要产生相应的噪声,并将其调制到雷达回波信号上,再将其发射回雷达接收天线处。这里选取灵巧噪声干扰是为了与经典的噪声干扰对比体现不同,灵巧噪声干扰利用了雷达系统本身的相干性质,获得了较大的系统增益,其干扰效果比经典噪声干扰更加明显。

间歇采样转发干扰[16]是转发干扰中一种代表性的脉内干扰手段,需要先对雷达信号低速率间歇采样,然后将其转发回雷达接收天线处,最终可以生成逼真的相干假目标串,能对单次脉冲产生较大的影响。

多普勒微调干扰是一种代表性的脉间干扰手段。需要在目标处接收到雷达的发射信号,再对回波频率进行微小的随机调制,且每个脉冲内的频率微动量互不相关。这种方式会破坏回波的相干性,使其匹配滤波的性能下降,令波形发生变化,尤其会对雷达的“三维显”产生显著的影响。

2.2 3种干扰对回波显示的影响

首先进行灵巧噪声干扰的回波显示仿真,使用瑞利分布的噪声,并将噪声的瑞利分布参数设为1,干信比设为0 dB,将噪声加入单个大目标的回波后,获得的显示效果如图3所示。

图3 引入灵巧噪声干扰回波仿真效果

通过对比图3和图4可以发现,引入的相干噪声获得了雷达本身的增益效果。在同等条件下,灵巧噪声干扰比普通的噪声干扰对波形特征的影响更大。

图4 同等条件普通噪声干扰回波仿真效果

尽管显示效果受到了一定的破坏,却仍能从图4的显示中看出有目标的存在,仅波形细节受到了一定的损失,下一节将进行具体分析。

其次,进行间歇采样转发干扰的回波显示仿真,为能更好地展示间歇采样的效果,将采样率提高至200 MHz。设置采样脉冲周期为2 μs,间歇采样干扰信号采样周期为4 μs,干信比设为0 dB,可以获得显示效果如图5所示。

图5 引入间歇采样转发干扰回波仿真效果

从图5中可以看到,在原本目标的回波基础上出现了新的波峰,可以作为假目标存在。且各个脉冲间的波形相对稳定,与上一个干扰样式相比更不容易判断出有干扰存在,但波形细节得到了一定的保留。

最后进行多普勒微调干扰的回波显示仿真,设置频率微动范围为-0.5～0.5 MHz,干信比为0 dB,得到回波显示效果如图6所示。

图6 引入多普勒微调干扰回波仿真效果

从图6中可以看到,波形仍呈现为单个脉冲,但波形细节受到了很大的破坏。在“三维显”的展示下,回波主脉冲外信号较为干净平滑,脉冲内产生了一个极大的尖峰,且脉内具有一定的起伏波动。

2.3 3种干扰对回波特征值的影响

依据2.2节中3种干扰的参数设置,分别对1.2节中设置的3类目标回波(扩展目标、间距较小的小目标群、间距较大的小目标群)进行加入干扰的仿真。

首先对比扩展目标的回波特征值在引入干扰后的变化,如表3所示;其次是间距较小的小目标群的回波特征值在引入干扰后的变化,如表4所示;最后是间距较大的小目标群的回波特征值在引入干扰后的变化,如表5所示。

表3 扩展目标引入干扰后的回波特征值

表4 间距较小的小目标群引入干扰后的回波特征值

表5 间距较大的小目标群引入干扰后的回波特征值

由表3～表5可知,2.2节中对于干扰效果的分析与其相对应的回波特征值的变化匹配,可以部分影响对回波的判读结果。

3 结束语

本文基于信号级仿真分析了3种代表性的相干转发干扰方式对广泛应用的低分辨率雷达的回波波形的影响,并基于此验证了这些干扰方式会对雷达回波的部分特征产生较大的影响。目前本文为后续研究提供了基础支撑,可以进一步研究的方向有:丰富低分辨率雷达种类和细节,探究更为复杂的干扰样式和目标类型,引入具体的雷达常用目标分类算法,引入低分辨率雷达常用的抗干扰方式等手段等。