基于电磁散射模型的ISAR空中目标欺骗干扰方法

赵 博 周 峰 保 铮



基于电磁散射模型的ISAR空中目标欺骗干扰方法

赵 博 周 峰*保 铮

(西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室 西安 710071)

该文提出一种基于目标电磁散射模型的逆合成孔径雷达(ISAR)空中目标欺骗干扰算法，利用目标电磁散射模型对雷达回波进行调制，能够模拟遮挡、多次散射等目标散射特征，并包含目标的平动、姿态等运动特性，保证了虚假目标的逼真性。该算法计算量小，具有较强的实时性。通过仿真试验验证了欺骗干扰算法的有效性，并对算法的计算复杂性进行了分析。

逆合成孔径雷达(ISAR)；欺骗干扰；姿态调制；实时性

1 引言

由于点目标的局限性，使其不能够很好地满足不同运动状态、不同姿态、不同频段的ISAR欺骗干扰需求，因此需要采用能够更逼真地反映目标特性的虚假目标模型。考虑到目标的宽带雷达回波是雷达发射的电磁波在目标表面发生散射形成的，文献[17,18]基于电磁波散射理论对目标的电磁散射特性进行了分析，文献[19-24]在雷达回波仿真中充分考虑了目标的电磁散射特性，弥补了点目标模型的不足，使仿真模拟的雷达回波更加接近真实回波。文献[25~27]则根据目标电磁特性对宽带雷达成像结果进行特征提取及目标识别等处理，获得了较好的处理结果。可见，目标的电磁特征是目标识别的重要依据，它已经被广泛应用于雷达目标的归类、识别等领域。因此ISAR欺骗干扰也需要考虑虚假目标的电磁散射特性，才能在目标识别等成像的后处理中达到以假乱真的目的。

本文首先对ISAR欺骗干扰原理进行分析，讨论了目标平动的调制方法。在此基础上，利用目标电磁散射模型对平动调制后的雷达回波进行动态调制并转发，使欺骗干扰回波能够较好地模拟目标的运动及雷达散射特性，从而达到逼真的干扰效果。文中通过对典型ISAR目标进行欺骗干扰仿真试验，验证了本文算法的有效性，并对算法的实时运算量进行了分析。

2 欺骗干扰调制原理

2.1 虚假目标姿态计算

图1 目标姿态计算示意图

根据俯仰角与方位角的定义，可以得到虚假目标相对于LOS的俯仰角与方位角分别为

虚假目标相对与ISAR的运动可以分为两部分：由式(6)所示瞬时斜距决定的平动，以及由式(7)和式(8)共同决定的目标电磁散射特性及姿态变化。因此，虚假目标欺骗干扰信号的调制也相应地分为平动调制和目标电磁散射特性及姿态调制两步进行研究。

2.2 平动调制

则有

2.3 目标散射特性模型及姿态调制

由于空中目标通常具有较复杂的结构，在不同的姿态下其散射特性是不同的。因此需要根据不同的姿态参数，选择与之相对应的目标电磁散射模型，对平动调制后的干扰回波进行调制，使干扰回波中包含目标散射特性及姿态信息，达到预期的欺骗干扰效果。

目标电磁散射模型数据的获取一般有两种途径：一是建立目标的缩比模型，通过微波暗室试验获得；另一种方法是利用3D建模软件建立目标模型，并通过电磁计算软件(Feko等)计算获得。前者需要微波暗室场地和测试设备等作为保障，且模型制作及内部部件变动不方便，效费比低。而后一种方法则是通过计算机实现目标散射特性计算，不受试验场地等条件的限制，并且目标建模可以通过计算机辅助建立，目标内部部件可以灵活变更。根据不同的计算精度和计算效率需要，可以选择不同的电磁特性计算方法，如适用于精确计算的矩量法(MoM)，时域有限差分法(FDTD)，及适用于高频近似计算的几何光学法(GO)，物理光学法(PO)，几何绕射理论(GTD)，物理绕射理论(PTD)等[29]。考虑到ISAR所观测目标的尺寸通常远大于雷达工作波长，ISAR一般工作在高频区。因此，本文采用PO法计算目标电磁模型。

目标电磁散射模型的建立需要计算目标在不同频率、不同方位角、不同俯仰角下的电磁散射特性，因此通过电磁计算得到的目标电磁散射数据库可以按照计算参数设置的不同，排列成3维矩阵形式，如图2所示。

图2 目标散射模型数据库

式(15)所示即为目标电磁散射模型及姿态调制后的虚假目标欺骗干扰信号。至此，完成了空中目标ISAR欺骗干扰精细调制，对目标的运动特征、电磁散射特性及姿态变化都进行了精确的模拟，从而达到以假乱真的灵巧式欺骗干扰效果。

2.4算法流程

综上所述，基于电磁散射模型的ISAR欺骗干扰方法流程如图3所示。

根据图3，空中目标精细ISAR欺骗干扰调制算法流程可概述为以下步骤：

(1)电子侦察模块对干扰机截获的ISAR信号进行分析，获取ISAR信号的带宽等关键参数，并对ISAR进行定位；

(2)根据ISAR位置参数计算虚假目标的瞬时斜距以及俯仰角、方位角等姿态信息；

(3)利用虚假目标瞬时斜距对截获的ISAR信号进行平动调制；

(4)根据虚假目标的俯仰角、方位角等姿态信息，以及ISAR信号的频率参数，在预先建立的目标电磁模型数据库中选取相对应的目标电磁散射模型；

(5)利用目标电磁散射模型对平动调制后的干扰信号进行目标电磁散射模型及姿态调制，获得虚假目标欺骗干扰信号；

(6)对虚假目标欺骗干扰信号进行转发，完成欺骗干扰。

3 仿真试验

3.1 点目标模型与电磁散射模型欺骗干扰结果对比

电磁散射模型能够更好地反映目标的结构特征，包括典型部件在不同姿态下的散射中心分布差异以及目标不同结构之间的遮挡效应、多次散射等特性。而点阵目标难以反映这些特性。因此电磁散射模型相对于点阵模型具有更大的优势。

图3 ISAR欺骗干扰算法流程

以A-10飞机作为仿真目标模型。分别建立点阵模型与电磁散射模型如图4所示。

图4(a)所示点阵模型是通过点阵排列构造出目标的基本结构，图4(b)则是通过建立目标的精细3D模型，然后通过电磁计算获得目标的电磁散射特征数据库。采用距离-多普勒算法[1]对由不同模型仿真得到的回波数据进行成像处理，结果如图5所示。

而图5(c)和图5(d)所示电磁散射模型成像结果在不同姿态下的强散射中心分布则存在较大差异，能够较好地反映因目标旋转而引起的遮挡效应，且能够反映机翼、引擎等典型散射部件在不同姿态下的散射特征差异。相比于点阵目标模型而言，电磁散射模型能够更好地反映目标的结构及姿态信息，更逼真地模拟ISAR目标的姿态旋转等特征，以达到更好的欺骗干扰效果。

图4 目标模型

图5 不同姿态下点阵模型与电磁散射模型干扰成像结果对比

3.2 基于目标电磁散射模型的欺骗干扰仿真

利用目标电磁散射模型对欺骗干扰回波进行调制，以验证欺骗干扰算法的有效性。仿真参数及场景设置如表1所示。

表1仿真参数设置

带宽300 MHz 采样率420 MHz 脉冲重复频率300 Hz 观测时间2.7 s 目标运动速度100 m/s 零时刻ISAR位置(0,4.3,1.0) km 干扰点位置(20,30,0) m

图6中场景中心处为真实目标，虚假目标位于真实目标右下方。真实目标与虚假目标均能够获得聚焦良好的成像结果。目标的头部和尾翼由于其结构特征，形成较明显的强散射中心。而机翼主要为平板结构，散射较弱。本文提出的基于电磁散射模型的ISAR欺骗干扰方法能够更真实有效地模拟目标的精细结构特征，使欺骗干扰结果更逼真更具有欺骗性。图中真实目标与虚假目标具有相同的运动轨迹及运动姿态，具有编队飞行的特征，能够有效地扰乱对ISAR成像结果的分析和解读，达到真假难辨的欺骗干扰目的。虚假目标相对于真实目标的位置可以根据不同的需要进行调整，从而对真实目标形成有效的保护。

4 算法性能分析

欺骗干扰算法的复杂性及实时可实现性是在实际工程应用中比较关注的问题。本节对基于点阵目标模型的欺骗干扰算法与本文算法的实时运算量进行对比分析。

5 结束语

本文针对点阵目标模型不能模拟目标不同结构间的遮挡、多次散射等特征的问题，提出了采用电磁散射模型代替点阵目标模型的ISAR欺骗干扰算法。该算法能够在模拟虚假目标平动的同时，包含目标的姿态变化等信息，使虚假目标的成像结果更接近于真实目标，达到以假乱真的欺骗干扰效果。对虚假目标进行的精细延时与相位调制能够很好地保证虚假目标的欺骗干扰质量。本文提出的欺骗干扰算法比基于点阵目标模型的ISAR欺骗干扰算法运算量小，具有更好的实时性。文中算法具有一定的工程应用价值，并可作为共性技术推广至ISAR空间目标等目标的欺骗干扰应用领域。

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赵 博： 男，1986年生，博士生，研究方向为雷达成像和雷达对抗.

周 峰： 男，1980年生，副教授，博士生导师，主要研究方向为雷达成像和雷达对抗.

保 铮： 男，1927年生，教授，博士生导师，中国科学院院士，主要研究领域为雷达信号处理和现代信号处理等.

Deception Jamming for ISAR Aerial Target Based on Electromagnetic Scattering Model

Zhao Bo Zhou Feng Bao Zheng

(,,’710071,)

Based on the electromagnetic scattering model, an algorithm of deception jamming for Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) aerial target is proposed. The simulated data of electromagnetic model is utilized to modulate the ISAR echoes, and thus the scattering characteristics of the target, such as shading and multiple scattering, can be simulated. Besides, the motion characteristics, such as translation and attitude, are also included. These ensure the fidelity of the false target. The proposed method requires less computation amount and is capable of real-time realization. Simulation results verify the effectiveness of the algorithm, and the computation complexity of the algorithm is also analyzed.

Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR); Deception jamming; Attitude modulation; Real-time

TN958

A

1009-5896(2014)01-0194-08

10.3724/SP.J.1146.2013.00264

2013-03-04收到，2013-07-02改回

国家自然科学基金(11176022, 61201283)，基本科研业务费(K5051302047, K5051202001)，新世纪优秀人才支持计划(NCET- 12-0916)和中国工程物理研究院太赫兹科学技术基金(CAEPTHZ 201212)资助课题

周峰 fzhou@mail.xidian.edu.cn