ISAR 基带干扰系统设计与实现

赵忠凯，陈通

哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

逆合成孔径雷达是一种二维成像雷达[1−5]，不仅能够提供目标的距离、方位数据，还可以获取运动目标的距离−多普勒二维图像，在军事领域中有非常重要的应用[6]。因此，对ISAR 的成像干扰已成为电子对抗领域的一个热点问题，具有十分重要的军事价值。其中，有源欺骗干扰是ISAR干扰领域中的重要组成部分，它能够形成聚焦良好的二维假目标成像结果，使得对方ISAR 雷达无法对虚假目标和真实目标的ISAR 图像做出正确地分析和辨识，实现对真实目标的隐藏与保护[7]。图像合成技术[8−9]在假目标欺骗干扰方面有很好的优势，能够很好地实现ISAR 成像基带干扰。在传统的图像合成技术基础上，许多学者进行了优化和改进。文献[10]改进了DIS 技术中的调制系数，降低了其复杂程度。文献[11]提出一种T-DIS 方法，简化了传统DIS 方法的相位调制，提高了运行速度。文献[12]尝试在DIS 模板中添加微动特性，从而实现条带式或者点斑的干扰样式。文献[13]提出了3 种生成多假目标信号的图像合成技术方案，最终生成了含多假目标信息的信号。文献[14]中由于有19 600 个散射点，在图像合成技术的硬件实现中，需要大量的数字控制振荡器(numerically controlled oscillator，NCO)、DDS等硬件资源。因此采用基于快速傅里叶逆变换(inverse fast Fourier transform，IFFT)的DIS 方 法，将大量的NCO 运算简化为一次IFFT 运算，大大减少了计算量，节约了大量的硬件资源。但是，由于IFFT 运算存在频率分辨率的原因，不能产生任意频率信号，只能尽可能地接近，导致最终生成的信号频率并不十分精确，从而使得ISAR 成像干扰产生一定的误差。

针对基于IFFT 的DIS 方法最终生成的信号频率不十分精确的问题，本文对多个散射点图像模板的ISAR 成像干扰，采用改进的基于DDS 的DIS 方法，设计了一种ISAR 成像基带干扰系统。推导出了ISAR 成像基带干扰信号数学模型，并通过MATLAB 仿真验证了其理论的正确性。

1 ISAR 成像的基带干扰

比较经典的ISAR 成像模型是ISAR 转台成像模型，如图1 所示。左边是雷达，右边是目标，目标仅围绕雷达做旋转运动。其中， R0是目标中心O 点到雷达的距离； P(x0,y0)是目标上的散射点；R(t)是 目标上的散射点到雷达的距离； ω是目标转动的角速度； Vr是目标平动速度； ρ 是散射点P(x0,y0)到目标中心的距离； θ是目标上散射点 P(x0,y0)与平面坐标系的夹角。

图1 ISAR 转台成像模型

ISAR 雷达发射的信号为

式中： A为信号幅度； T 为脉宽； K为调频斜率，且K=B/T ， B 为 带宽； f0为载频。

回波去除载频后，作距离向脉压为

式中： tˆ 是指每个雷达回波采集的时间历程；tm=mTPRI用 以计量发射脉冲时刻，其中 TPRI为发射信号的周期； tdm为 反射时延； t0=2R0/c为参考延时。作傅里叶变化，可以得到一维距离像：

式中i 为散射点。

散射点在方位向的回波为

最后将包络置于同一个距离单元内，得到的ISAR 二维像为

式中： r 为散射点中心点到散射点的距离； f为散射点的频率； Ai为 信号幅度； c 为 光速； tr为包络校正后的量； fd为多普勒频率。

由此可见，距离峰值为

接下来在ISAR 转台成像模型的基础上进行ISAR 干扰。首先，干扰机接收到雷达信号之后，对其进行干扰处理，然后发射出去，其发射信号形式上应该与目标回波相同，因此求得ISAR 干扰信号为

式中： k×l 是 散射点总个数； τdi=2Ri/c是第i 个散射点的延时。ISAR 干扰信号的相位是

可以发现ISAR 干扰信号的相位由雷达信号的相位和ISAR 基带干扰信号相位所组成。本文中ISAR 基带干扰方式采用参数引导体制，利用已知的雷达信号先验参数，然后将ISAR 干扰信号与接收雷达信号混频，滤除载频，可以得到：

同时，幅度增益为 Ai， 时间延时 td和多普勒频率 fd分别为

从式(1)～(3)可知，可以用数字图像合成技术生成特定的ISAR 基带干扰信号，也就是ISAR 成像模板中的每个点都对应于一个单频信号，其信号幅度由该散射点的幅度增益决定，其频率由该散射点相对中心点的延时决定，调制相位由该散射点的多普勒频率决定。因此，在ISAR 干扰硬件实现中，仅需要计算出所有成像模板中散射点对应的延时以及多普勒频率，采用数字图像合成技术，即可生成ISAR 基带信号，然后与接收雷达采样信号混频，可以得到最终的ISAR 干扰信号。

对ISAR 基带干扰进行MATLAB 仿真，仿真条件设置为：采样频率1.2 GHz，信号带宽1 GHz，雷达信号中心频率10 GHz，则距离分辨率为0.15 m ，脉宽20 μs，周期500 μs，目标旋转速度为0.78 (°)/s，采用64 个脉冲积累成像，ISAR 成像模板如图2所示。模板大小为 64×64，其中一共32 个成像点，整体形状为“渐变色五角星”，散射点增益强度从上往下依次加强，也就是散射点灰度颜色从上往下依次加深。

图2 ISAR 成像模板

由该ISAR 成像模板求解得到的幅度增益、时间延时和多普勒频率如图3 所示。

图3 幅度增益、时间延时和多普勒频率

ISAR 基带干扰MATLAB 仿真结果的等高线灰度图如图4 所示，每个散射点中心的颜色从上往下由深灰色到浅灰色变化。由颜色条可知，散射点增益强度从上往下依次加强，最终32 个散射点目标集合成“渐变色五角星”。ISAR 成像模板与ISAR 基带干扰MATLAB 仿真结果对比，可以看到，基带干扰信号能够呈现近似成像模板的假目标图像，验证了ISAR 基带干扰系统设计思路的正确性。

图4 ISAR 基带干扰MATLAB 仿真结果

2 FPGA 硬件实现

ISAR 基带干扰系统在型号为XC7VX690T 的Virtex-7 系列FPGA 平台上实现。

在本设计中，雷达信号采样频率1.2 GHz，由于频率过高，在FPGA 上直接运算不太容易。因此，本文将1 路雷达采样信号分成8 路并行信号，然后采用150 MHz 时钟，同时处理分成的8 路并行信号，大大降低了硬件实现的难度。

ISAR 基带干扰系统具体的硬件实现框图如图5 所示，其中虚线框内即为基带干扰信号产生模块，该模块是依据文献[7,10]提出的DIS 方法实现的。本设计采用的模板大小为 64×64，成像模板为32 点模板。根据欺骗图像模板中的相关信息，实时计算得到每个散射点的频率字、相位字和增益，利用DDS 模块产生满足一定频率和相位条件的正弦信号，附加散射点增益后，即可得到每个散射点对应的基带干扰信号。将多个散射点信息合成后，得到欺骗图像模板所对应的ISAR 基带干扰信号，然后与接收到的雷达信号调制后，便可得到最终的ISAR 干扰信号。

图5 ISAR 基带干扰实现框图

由于本设计中成像模板为32 点模板，产生正弦信号时需要32 路信号并行处理，就需要32 个DDS IP 核，硬件资源占用率比较高。本设计将32 路信号并行处理转换成1 路信号流水线处理，如图6 所示，采用32 点模板共用1 个DDS IP 核的方法，降低了硬件资源占用率。

图6 ISAR 基带干扰高效实现框图

对于ISAR 基带干扰信号FPGA 程序实现，首先要选择成像模板 M，然后针对该成像模板的所有散射点，需要记录它们每个散射点的3 个参数，分别是距离、相位和增益(R 、 ϕ、 G)，它们的集合分别 记 为 M(1) 、 M(2) 、 M(3)，然 后 把 它 们 存 储 到FPGA 的ROM 里。接下来根据存储的数据计算每个散射点的时间延时 td和多普勒频率 fd：式 中： td的 单 位 是ns； Ru=δR为 距 离 单 位 量；δR=c/2B为距离分辨率。

在设计中，雷达信号带宽1 GHz、中心频率10 GHz、目标旋转速度为0.1(°)/s。对 td和 fd进行化简得

接下来，利用FPGA 实现 td和 fd计算，求解过程如图7 所示。其中， td_reg1为 最终的 td输出，fd_reg1为最终 fd输出。

图7 延时与多普勒频率求解流程

以上ISAR 基带干扰高效实现、延时与多普勒频率求解的ModelSim 仿真结果如图8 所示。其中32 个散射点moban_data_0 到moban_data_31 合并为1 路moban_data；m1_reg 是距离；m2_reg 是相位，也就是频率字相位字；m3_reg 是增益；dout_cos是DDS 产生的余弦信号；dout_sin 是DDS 产生的正弦信号；td_reg1 为最终的 td输出，fd_reg1 为最终输出。

图8 ISAR 基带干扰ModelSim 仿真结果

根据计算得到的 td和 fd，分别准确地生成每个散射点的同相和正交分量的单频信号。然而在采用基于IFFT 的DIS 方法生成单频信号时，由于IFFT运算的特性，只能产生逼近 td和 fd的单频信号，因此本文采用改进的基于DDS 的DIS 方法，解决了最终生成的信号频率可能不十分精确的问题。

生成每个散射点的同相和正交分量的单频信号后，接下来将32 散射点所对应的单频信号相加，即可得到ISAR 基带干扰信号的同相和正交分量。最后将其与雷达采样信号相乘，再将此信号送至延时叠加模块，延时叠加模块的大致结构如图9 所示。根据延时时间和叠加次数的不同，能够产生不同距离信息的假目标信号，从而得到不同干扰样式的ISAR 干扰信号。

图9 延时叠加结构

利用MATLAB 生成线性调频信号并导入ModelSim 进行仿真，然后读取ModelSim 生成的干扰信号txt 文件，将干扰信号与接收雷达信号混频，进行解线调处理，得到模板基带信号，如图10所示。之后将64 个脉冲积累周期的信号排列为时间采样点乘脉冲数的矩阵，进行二维傅里叶变换即可得到干扰信号的成像结果，其结果的等高线灰度图如图11 所示。可以看到32 个散射点的大小从上往下由小变大，每个散射点中心的颜色从上往下由深灰色到浅灰色变化，由颜色条可知散射点增益强度从上往下依次加强，最终32 个散射点目标集合成“渐变色五角星”。同时由于实际硬件中存在的相位计算误差以及噪声等因素，FPGA 输出的干扰信号成像将会存在误差，总体上与MATLAB 仿真结果一致。

3 硬件测试

完成前面的MATLAB 和ModelSim 仿真工作后，最后对ISAR 基带干扰系统的干扰效果进行物理测试。

ISAR 干扰在线性调频信号下可以成像，需要先设定输入信号参数，即信号源参数。参数设置为：中心频率1.75 GHz，脉冲宽度20 μs，重复周期2 ms，信号功率0 dB·m，信号源生成信号时域波形如图12 所示。

图12 信号源生成信号时域波形

成像模板大小为 64×64，其中共32 个成像点，整体形状为“渐变色五角星”，散射点增益强度从上往下依次加强。系统工作后即可产生ISAR 干扰信号。通过信号源发送信号进入系统，然后通过示波器观察最终输出ISAR 干扰信号的时域，如图13 所示；通过频谱仪观察其频谱，如图14所示。

图13 ISAR 干扰信号的时域波形

图11 ISAR 基带干扰ModelSim 结果

图10 模板基带信号仿真结果

其中高速采样示波器采集干扰信号的时域数据，共采集64 个脉冲的干扰信号，然后通过MATLAB对采集的数据进行ISAR 成像处理。ISAR 干扰测试结果的等高线灰度图如图15 所示，可以看出散射点的大小从上往下大致由小变大，每个散射点中心的颜色从上往下由深灰色到浅灰色变化，散射点增益强度从上往下依次加强，最终32 个散射点成像结果仍为“渐变色五角星”，表明该系统能够很好地实现ISAR 干扰。

图14 ISAR 干扰信号频谱

图15 ISAR 干扰测试结果

4 结论

本文主要研究了多个散射点图像模板的ISAR成像干扰，并设计了一种ISAR 基带干扰系统。得到结论如下：

1)本文设计的ISAR 基带干扰系统在MATLAB、Vivado 和ModelSim 平台完成建模仿真和硬件实现，最后使用信号源等仪器进行测试，测试结果表明，该系统能够很好地实现ISAR 干扰。

2)本文设计的ISAR 基带干扰系统在硬件实现中，采用改进的基于DDS 的DIS 方法，得到信号频率十分精确的基带干扰信号，同时降低了硬件资源占用率。

在ISAR 成像干扰中，本文设计的ISAR 基带干扰系统降低了ISAR 成像干扰工程实现的复杂度和硬件资源占用率，具有广泛的适用性，同时硬件测试结果表明了该系统的正确性。本文的研究内容对ISAR 成像干扰的实现有着一定的工程指导意义。