基于目标散射特性的距离-速度欺骗干扰研究

李尚生，王旭坤，付哲泉，张军涛

(海军航空大学，山东 烟台 264001)

1 引言

无人机具有低雷达散射截面(RCS)、慢速、低飞的特点，且无人机涂敷吸波材料使得隐身性增强，在电子战中可以很好的完成电子侦察、电磁诱饵以及雷达干扰等工作，在进行突防掩护时被雷达探测到的概率很低[1]，故在本文中假设敌防空雷达探测到无人机的概率为零。对于无人机在电子战中的使用是目前研究的热点，文献[2-4]对无人机在雷达电子对抗中航路、空域的规划以及作战使用方法做了研究，文献[5]中建立了无人机压制雷达进行空中突防的干扰模型，仿真结果为突防行动提供了具体的方法参考。文献[6]提出将小型导引头挂载在无人机上，对基地化训练中提供空中来袭的目标做了研究，为无人机的应用提供了新思路。

防空制导雷达一般为高分辨相参体制雷达，可以完成脉冲压缩，故在模拟空中目标的回波时需将其看成扩展目标。许多学者对宽带雷达回波进行了研究，文献[7-9]完成了基于散射中心模型的宽带雷达回波仿真，并对回波的一维距离像进行了验证，说明了仿真的可靠性。数字射频存储器(Digital Radio Frequency Memory ，DRFM)的发展使得对相参体制雷达的干扰成为了可能，文献[10-12]基于DRFM对相参雷达典型干扰信号的产生进行了研究，仿真结果表明，能够有效的干扰相参体制雷达。

随着雷达自动识别技术的发展，机器学习以及模式识别理论的应用，可以在雷达回波中获得更多目标细微特性信息，以此对目标进行识别分类。现阶段的距离-速度欺骗干扰没有考虑到干扰回波与真实目标回波特性之间的逼真度，即难以欺骗具有识别能力的雷达[13-16]。本文基于无人机平台以及空中典型目标的电磁仿真，利用数字射频存储技术，高逼真的完成对敌防空雷达所实施的距离-速度欺骗干扰。

2 典型空中目标电磁仿真以及数据库的建立

2.1 某典型战机模型建立

专业的建模软件3DMAX具有其配置要求低、建模步骤可堆叠以及制作能力强的优点[17]，本文基于3DMAX完成对某典型战机模型1：1比例的建立，并利用商业电磁仿真软件FEKO完成对复杂目标电磁散射的计算。如图1所示为某典型战机的CAD模型。

图1 某典型战机CAD模型

2.2 电网格划分及电磁仿真

Hypermesh为专业的有限元网格处理软件，针对不同的问题可以生成对应的网格类型，相比于CADFEKO模块自带的网格划分功能，Hypermesh具有高速度、高质量以及耗费的内存更少的优点[18]，故选用Hypermesh对模型进行电网格剖分。如图2所示为某典型战机的三角面元网格模型。

图2 某典型战机三角面元网格模型示意图

电磁场计算的方法主要有数值方法、高频方法以及混合算法。商用软件FEKO内置了许多的算法[19]，有以矩量法(Method of Moments，MOM)为基础的多层快速多极子方法(Multilevel Fast Multipole Method ，MLFMM)，在保证精度的前提下减小了运算量提高了计算效率；另外FEKO支持如物理光学法(PO)等许多高频近似方法以及混合类算法。其中MLFMM以及高频方法为计算电大尺寸目标的雷达散射截面(RCS)提供了途径。Shengliang Hu[20]等人利用FEKO完成对典型复杂目标的RCS计算，其计算结果具有可信度高、效率显著的特点，Xiaofeng Wang[21]等人基于FEKO计算了某型导弹的RCS、一维距离像(HRRP)以及ISAR图像。在本文中采用MLFMM与高频混合技术完成对某型战机的电磁特性仿真；如图3所示为5.6GHz时目标零俯仰，方位角为0°～180°范围，角度间隔为1°的水平极化的单站RCS。

图3 某典型战机5.6GHz单站RCS

飞机在作战时主要有突防以及巡航任务，对雷达视角而言在飞机突防过程中，飞机的鼻锥方向是最大的威胁；在巡航过程中，飞机的侧面将暴露给雷达，所以对某型飞机电磁散射特性仿真的角度范围设置如图4所示，其中俯仰角范围为：-40°～40°间隔1°，方位角范围为：-180°～180°间隔1°。

图4 某典型战机电磁散射仿真角度设置

FEKO软件可以完成单频、步进频以及连续频率的设置。本文中对目标进行电磁散射仿真频率设置为C波段，采用步进频率，完成对目标全方位的电磁散射数据采集，建立数据库。

2.3 目标电磁散射数据库的建立

基于几何绕射理论(Geometrical Theory of Diffraction，GTD)模型可以更精确地描述目标高频段电磁散射特性[22-23]，其雷达后向散射场可以表示为

(1)

图5 散射中心散射参数集数据库

在已建立好的数据库中调用0°俯仰角，0°方位角即飞机的鼻锥方向的一维散射中心参数，结果如图6与表1所示。

图6 某型战机鼻锥方向一维散射中心分布

表1 某型战机鼻锥方向散射中心参数

将表1中的散射中心参数带入式(2)即可得到描述战机在鼻锥方向散射特性的系统函数[8]，f代表雷达发射信号频率，起始频率为f0，将其与截获的雷达信号进行频域相乘便得到扩展目标回波信号。

(2)

3 距离-速度欺骗干扰

随着雷达技术的发展，脉冲压缩雷达作为一种新体制雷达，通过匹配滤波技术解决了雷达探测距离与距离分辨率之间的矛盾。由于相参雷达的宽带相参性，传统的距离-速度相参干扰可以通过雷达的脉冲压缩以及恒虚惊检测，但是随着识别算法以及深度学习的发展，雷达自动识别技术得到了广泛的应用，可以从目标的回波信号中提取出目标结构特性的信息，从而对目标进行分类与识别。如何使得干扰信号与真实目标回波特征逼近以达到欺骗雷达的目的是目前研究的热点。

基于目标电磁散射特性的宽带雷达回波仿真，真实反映了目标的特征信息，DRFM技术通过控制时间的延迟以及产生同步的多普勒频率，形成虚假航迹，对雷达进行距离-速度二维欺骗干扰，将其调制上目标电磁散射特性，以达到欺骗具有识别能力的雷达的目的。

3.1 扩展目标回波产生及调制模型

假设侦察雷达侦测到敌方雷达发射的信号为线性调频信号

(3)

为实现距离-速度的同步干扰需要满足式(4)

(4)

其中，ri为假目标零相位点与雷达之间的初始距离，vi0为假目标相对于雷达的径向速度，λ为信号的波长，由此可推导出假目标回波延时τi0以及多普勒频率fd之间的关系满足式(5)，通过控制时延与多普勒之间的关系完成距离-速度二维同步干扰。

(5)

在远区场，目标的回波是由若干个强散射点回波相干合成，将侦测到的雷达信号通过可以表征目标的系统函数，得到扩展目标回波。

exp[j2π(f0+fd)(t-τi0)]exp[jπμ(t-τi0)2]}

(6)

其中，IFFT[]表示傅里叶反变换；⊗表示卷积运算；τi0=2Ri0/c为时间延迟，Ri0=ri+rm，Ri0为第i散射中心与敌方雷达之间的径向距离，rm为散射中心之间的相对位置，fd为调制的多普勒频率。

3.2 基于无人机平台干扰仿真

图7 假目标干扰实现框图

无人机具有低RCS、长时间滞空性以及任务风险低的特性，越来越多的应用于干扰敌方雷达以掩护空中目标的突防。如图8所示为基于无人机平台的距离-速度假目标干扰示意图，无人机在B处的释放射频干扰信号，干扰A处的敌方雷达，由于发射的射频干扰信号具有相参性，故可以通过敌方雷达检测处理过程，在C处形成向雷达运动的假目标，其中包含距离ri为雷达到假目标散射中心处的距离、速度vi0以及真实目标具有的电磁散射信息。

图8 无人机平台欺骗干扰示意图

按照式(5)，仿真出假目标的宽带雷达信号，其中截获的雷达信号参数以及假目标参数如表(2)所示，仿真结果如图9所示。其中图9(a)为模拟的宽带雷达回波信号，假目标可以通过雷达的相参处理，经过脉冲压缩后，得到结果的如图9(b)所示，在距离-速度空间产生峰值，超过检测的门限，被雷达检测出来，以达到距离-速度的二维欺骗干扰。

表2 截获的雷达参数和假目标参数

图9 假目标信号

随着雷达自动识别技术的发展以及高分辨宽带雷达的应用，可以对雷达回波进行处理得到高分辨距离像，其包含了丰富的目标信息，通常用于目标识别，是目前军事领域关注的重点和难点。如图9(c)所示为模拟的假目标信号经过雷达匹配滤波之后得到的一维高分辨距离像，其具有被探测目标的特征信息，不容易被高分辨雷达识别为转发式干扰而抑制掉。

4 结语

为逼真地模拟出对相参高分辨雷达假目标回波，本文引入了扩展目标的概念，并基于目标的电磁散射特性给出了相参雷达距离-速度欺骗干扰信号模型，将雷达采样数据序列与模拟目标特征响应模型相卷积，以使得假目标信号既携带雷达发射信号的相位信息，又携带探测目标特征信息。基于无人机平台发射假目标干扰信号进行了仿真分析，不仅起到了对高分辨雷达的距离-速度欺骗干扰，而且对雷达的识别起到了干扰效果。