基于拖曳式干扰机的ISAR微动散射波干扰方法

唐峥钊，董春曦，畅鑫，刘明明，赵国庆

西安电子科技大学 电子工程学院，西安 710071

逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)凭借全天时、全天候、高分辨的特点，已被广泛应用于目标分类、敌我识别、武器精确制导等军事领域[1-5]。近几年来，从激光雷达中引入的微多普勒效应为ISAR目标的精确识别提供了重要的辅助信息[6-7]。根据目标微动对电磁波的调制效应分析可知，利用先进的时频信号处理手段, 可以从微动目标的雷达回波中提取和估计目标微动信息，如速度、姿态变化等[8]。在微动目标的成像方面，可以综合利用多个时刻微动目标的成像结果估计目标的微动结构、微动尺寸和微动频率等信息对雷达目标的探测和识别提供有效途径，为目标的精细描述提供技术基础[9-10]。

同时目标微动信息也对ISAR压制干扰技术产生一定影响。传统ISAR压制干扰方法包括：射频噪声压制干扰,文献[10]提出的基于正弦调相的干扰方法,文献[11]提出的混沌噪声调频干扰方法,文献[12]提出的一维距离像噪声卷积的干扰方法等，均通过发射大功率干扰信号达到压制干扰效果。非相参射频噪声干扰信号易被ISAR二维脉冲压缩处理滤除，对干扰成本要求较高。而相参噪声调制干扰信号虽可获得二维脉压处理增益，但需直接对ISAR接收机发射干扰信号，对侦查精度要求较高，且在距离ISAR接收机较远情况下仍需较大发射功率。

从现有公开发表文献来看，目前基于微多普勒效应的ISAR干扰技术研究成果并不多见[13-22]，文献[13]提出通过放置旋转角反射器产生微多普勒效应的ISAR干扰方法，该方法需要多个旋转角反射器距离向布阵，且旋转半径、旋转速度必须综合考虑，这就加大了工程实现难度，且微动信息固定，干扰效果无法根据需要实时调整。文献[14]提出了基于数字图像合成器的微动干扰方法，通过合成旋转微动假目标点产生ISAR欺骗干扰，该方法在调制微动信息的同时还需进行延迟和移频处理，占用硬件资源较多且处理过程较为复杂，干扰效率受限。

本文在现有研究基础上，参考双基ISAR工作原理[23-24]，提出了基于拖曳式干扰机的ISAR微动散射波干扰方法。该方法将ISAR发射机与拖曳式干扰机[25-27]分别等效为双基ISAR的发射机与接收机，干扰机对截获的ISAR发射信号调制附加微动信息相位并转发至目标，由目标散射至ISAR接收机。由于干扰机与目标距离较近，可获得较大散射功率。同时干扰信号与真实目标回波相参，可获得ISAR二维脉冲压缩处理增益，因此该干扰方法能以较小功率实现ISAR压制干扰效果。

1 干扰信号模型

目标常见微动形式有飞机螺旋桨的旋转、直升机旋翼的旋转和涡轮式发动机叶片的旋转等，不失一般性，以旋转运动为例进行分析。

干扰场景模型如图1所示，拖曳式干扰机由被保护目标通过拖曳线牵引而随其一起运动。与SAR散射波干扰类似，干扰机对截获到的ISAR发射信号进行相位调制后转发至被保护目标，经目标散射至雷达接收机。干扰机与雷达接收机可等效为双基ISAR的发射站与接收站。以雷达视线方向为y轴，目标质心O为原点建立坐标系xOy，同时在目标上以O为原点，等效双基角平分线为v轴(以目标质心O为散射点时)建立本地坐标系uOv。假设目标为经过理想运动补偿的转台模型，绕点O做初相为θ0、角速度为ω0的转动。假设微动假目标点P(uP,vP)在目标上，且绕其旋转中心O1做半径为rP、初相为θP、角速度为ωP的匀速圆周运动，α为点P对应等效双基角；RO、RP、RO1分别为点O、点P和点O1与雷达间距离；RJO、RJP、RJO1分别为点O、点P和点O1与干扰机间距离；RO O1为点O和点O1间距离。

设干扰机截获雷达发射的线性调频脉冲信号为

(1)

设tm时刻干扰信号历程为RJPR(tm)=RJP(tm)+RP(tm),RJP(tm)为干扰机与微动假目标点P间距离；RP(tm)为微动假目标点P与雷达接收机间距离。则由图1得

RP(tm)=RO+RO O1+rPsin(θP+ωPtm)+

(2)

RJP(tm)=RJO1+rPsin(θP+ωPtm)+

(3)

设干扰机转发时延为td,σP为点P散射系数，则点P散射回波信号为

(4)

式中：

(5)

由式(4)与式(1)对比可知，φP(tm)为包含微动信息的干扰机调制相位。干扰信号经过匹配滤波归一化后的一维距离像为

(6)

进行方位向傅里叶变换后即可获得干扰信号二维距离-多普勒像表达式为

(7)

式中：Jn(·)为n阶第一类贝塞尔函数；微动假目标点P引起的多普勒频率为

(8)

由式(8)可知，当微动假目标点P转速为0时，干扰信号可聚焦为二维sinc函数，从而产生与真实目标相似的二维假目标图像，但较真实目标图像旋转α/2度。当点P旋转速度不为0时，干扰信号由于方位向受到频率调制而展宽，其ISAR图像出现干扰条带。

2 干扰参数分析

以图1中点O为参考点，则点O和微动假目标点P散射信号功率分别为

(9)

(10)

式中：Pj为干扰机发射功率；Gj为干扰天线增益；σO、σP分别为点O、点P散射截面积；RJP为干扰机与点P距离；RP为点P与雷达距离；Pt为ISAR发射功率；G为ISAR天线增益；λ为信号波长。

由于RO O1≪RO,RP≈RO,σP≈σO则ISAR接收机输入端干信比(Jamming to Signal Ratio, JSR)为

(11)

由式(11)可知，在干扰机发射功率Pj和天线增益Gj、雷达发射功率Pt和天线增益G固定的情下，由于RJP远小于R0，可获得较高干信比。

图2给出了Pj=120 W，Gj=10 dB，Pt=1 600 KW，G=30 dB，RO分别为200、500、800 km时ISAR接收机输入端JSR随RJP的变化曲线。由图2可以看出，ISAR接收机输入端JSR与RJP成反比，因此由于拖曳式干扰机距离目标较近，通常可获得较大干扰功率，在随队支援干扰等战术背景中较为适用。

设雷达、目标与干扰机相对位置不变情况下，干扰机先后以相同发射功率、天线增益向雷达方向发射相参干扰信号和射频噪声信号。设nr、na分别为雷达信号处理机距离维、方位维单元数，PJ为两种干扰信号到达ISAR接收机输入端功率。由于射频噪声与信号非相参，则其经二维脉压处理后信号处理器输出端功率为

PJn=PJnrna

(12)

相参干扰信号经二维脉压处理后信号处理器输出端功率为

(13)

可知经过ISAR接收机信号处理,相参干扰信号比射频噪声信号增益高nrna倍。

3 仿真实验

3.1 仿真流程及参数设置

目标采用理想散射点仿真模型，首先模拟干扰机截获到的ISAR信号，对其进行微动信息调制后延时转发，经目标散射至ISAR接收机，经二维Range-Dopplor(R-D)成像处理后形成距离-多普勒频率。仿真流程如图3所示。仿真雷达及目标参数设置如表1所示。

参数名称参数值雷达载频/GHz 10信号带宽/MHz200雷达发射功率/kW1 600 雷达天线增益/dB30脉冲宽度/μs10脉冲重复频率/Hz200脉冲积累数/个512目标与雷达距离/km200转台模型平动速度/(m·s-1)150转台模型角速度/(rad·s-1)0.02干扰机拖曳线长/m200干扰机发射功率/W120干扰机天线增益/dB10等效双基角/(°)150

3.2 仿真结果及分析

图4给出了无干扰时散射点模型成像结果，对应图1中真实目标部分。

图5为干扰机多次转发干扰效果，微动点旋转半径均为3.5 m，旋转角速度均为20 rad/s，ISAR接收机输入端干信比为16 dB。可见真实目标图像附近出现大量假目标，且微动特征一致，使真实目标淹没于多假目中难以分辨，达到密集假目标压制干扰效果。

图6为微动假目标点角速度降为10 rad/s，其他参数不变条件下干扰效果，可以看出微动点旋转角速度对方位向干扰条带疏密程度造成影响，旋转角速度越大则对应干扰条带密集程度越高。图7给出了压制干扰效果。为扩大微动假目标点运动半径以达到遮盖真实目标效果，将微动点旋转半径增大至7 m，旋转角速度均为20 rad/s，ISAR接收机输入端干信比提高至18.5 dB。可见真实目标图像被方位向干扰条带遮盖难以分辨，达到压制干扰效果。

图8为相同仿真场景下，将干扰样式改为射频噪声干扰的仿真效果图。此时ISAR接收机输入端干信比为28.3 dB。对比图7可知，达到遮盖真实目标图像干扰效果时，传统射频噪声压制干扰方法需更大的干信比，在本次仿真实验场景中干信比高于微动散射波干扰方法约9.8 dB。由此可知基于拖曳式干扰机的ISAR微动散射波干扰方法能以较小成本达到压制干扰效果。

仿真结果验证了前文干扰方法理论分析的结论。

4 结 论

1) 干扰信号由目标散射至雷达，因此对雷达方位信息侦查精度要求较低。

2) 干扰机与目标距离较近，易获得较大散射功率，且干扰信号与雷达信号相参，可获得ISAR二维脉压处理增压，对干扰成本要求较小。

3) 通过控制干扰机转发参数及微动调制参数可分别实现不同的压制干扰效果，与传统压制干扰方法相比干扰效果较为灵活可控，是一种对抗ISAR目标分辨与识别的有效手段。