趙 博 周 峰 保 錚

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基于電磁散射模型的ISAR空中目標(biāo)欺騙干擾方法

趙 博 周 峰*保 錚

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理重點實驗室 西安 710071)

該文提出一種基于目標(biāo)電磁散射模型的逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)空中目標(biāo)欺騙干擾算法，利用目標(biāo)電磁散射模型對雷達(dá)回波進(jìn)行調(diào)制，能夠模擬遮擋、多次散射等目標(biāo)散射特征，并包含目標(biāo)的平動、姿態(tài)等運動特性，保證了虛假目標(biāo)的逼真性。該算法計算量小，具有較強(qiáng)的實時性。通過仿真試驗驗證了欺騙干擾算法的有效性，并對算法的計算復(fù)雜性進(jìn)行了分析。

逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)；欺騙干擾；姿態(tài)調(diào)制；實時性

1 引言

由于點目標(biāo)的局限性，使其不能夠很好地滿足不同運動狀態(tài)、不同姿態(tài)、不同頻段的ISAR欺騙干擾需求，因此需要采用能夠更逼真地反映目標(biāo)特性的虛假目標(biāo)模型?？紤]到目標(biāo)的寬帶雷達(dá)回波是雷達(dá)發(fā)射的電磁波在目標(biāo)表面發(fā)生散射形成的，文獻(xiàn)[17,18]基于電磁波散射理論對目標(biāo)的電磁散射特性進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[19-24]在雷達(dá)回波仿真中充分考慮了目標(biāo)的電磁散射特性，彌補了點目標(biāo)模型的不足，使仿真模擬的雷達(dá)回波更加接近真實回波。文獻(xiàn)[25~27]則根據(jù)目標(biāo)電磁特性對寬帶雷達(dá)成像結(jié)果進(jìn)行特征提取及目標(biāo)識別等處理，獲得了較好的處理結(jié)果?？梢?，目標(biāo)的電磁特征是目標(biāo)識別的重要依據(jù)，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)目標(biāo)的歸類、識別等領(lǐng)域。因此ISAR欺騙干擾也需要考慮虛假目標(biāo)的電磁散射特性，才能在目標(biāo)識別等成像的后處理中達(dá)到以假亂真的目的。

本文首先對ISAR欺騙干擾原理進(jìn)行分析，討論了目標(biāo)平動的調(diào)制方法。在此基礎(chǔ)上，利用目標(biāo)電磁散射模型對平動調(diào)制后的雷達(dá)回波進(jìn)行動態(tài)調(diào)制并轉(zhuǎn)發(fā)，使欺騙干擾回波能夠較好地模擬目標(biāo)的運動及雷達(dá)散射特性，從而達(dá)到逼真的干擾效果。文中通過對典型ISAR目標(biāo)進(jìn)行欺騙干擾仿真試驗，驗證了本文算法的有效性，并對算法的實時運算量進(jìn)行了分析。

2 欺騙干擾調(diào)制原理

2.1 虛假目標(biāo)姿態(tài)計算

圖1 目標(biāo)姿態(tài)計算示意圖

根據(jù)俯仰角與方位角的定義，可以得到虛假目標(biāo)相對于LOS的俯仰角與方位角分別為

虛假目標(biāo)相對與ISAR的運動可以分為兩部分：由式(6)所示瞬時斜距決定的平動，以及由式(7)和式(8)共同決定的目標(biāo)電磁散射特性及姿態(tài)變化。因此，虛假目標(biāo)欺騙干擾信號的調(diào)制也相應(yīng)地分為平動調(diào)制和目標(biāo)電磁散射特性及姿態(tài)調(diào)制兩步進(jìn)行研究。

2.2 平動調(diào)制

則有

2.3 目標(biāo)散射特性模型及姿態(tài)調(diào)制

由于空中目標(biāo)通常具有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在不同的姿態(tài)下其散射特性是不同的。因此需要根據(jù)不同的姿態(tài)參數(shù)，選擇與之相對應(yīng)的目標(biāo)電磁散射模型，對平動調(diào)制后的干擾回波進(jìn)行調(diào)制，使干擾回波中包含目標(biāo)散射特性及姿態(tài)信息，達(dá)到預(yù)期的欺騙干擾效果。

目標(biāo)電磁散射模型數(shù)據(jù)的獲取一般有兩種途徑：一是建立目標(biāo)的縮比模型，通過微波暗室試驗獲得；另一種方法是利用3D建模軟件建立目標(biāo)模型，并通過電磁計算軟件(Feko等)計算獲得。前者需要微波暗室場地和測試設(shè)備等作為保障，且模型制作及內(nèi)部部件變動不方便，效費比低。而后一種方法則是通過計算機(jī)實現(xiàn)目標(biāo)散射特性計算，不受試驗場地等條件的限制，并且目標(biāo)建模可以通過計算機(jī)輔助建立，目標(biāo)內(nèi)部部件可以靈活變更。根據(jù)不同的計算精度和計算效率需要，可以選擇不同的電磁特性計算方法，如適用于精確計算的矩量法(MoM)，時域有限差分法(FDTD)，及適用于高頻近似計算的幾何光學(xué)法(GO)，物理光學(xué)法(PO)，幾何繞射理論(GTD)，物理繞射理論(PTD)等[29]。考慮到ISAR所觀測目標(biāo)的尺寸通常遠(yuǎn)大于雷達(dá)工作波長，ISAR一般工作在高頻區(qū)。因此，本文采用PO法計算目標(biāo)電磁模型。

目標(biāo)電磁散射模型的建立需要計算目標(biāo)在不同頻率、不同方位角、不同俯仰角下的電磁散射特性，因此通過電磁計算得到的目標(biāo)電磁散射數(shù)據(jù)庫可以按照計算參數(shù)設(shè)置的不同，排列成3維矩陣形式，如圖2所示。

圖2 目標(biāo)散射模型數(shù)據(jù)庫

式(15)所示即為目標(biāo)電磁散射模型及姿態(tài)調(diào)制后的虛假目標(biāo)欺騙干擾信號。至此，完成了空中目標(biāo)ISAR欺騙干擾精細(xì)調(diào)制，對目標(biāo)的運動特征、電磁散射特性及姿態(tài)變化都進(jìn)行了精確的模擬，從而達(dá)到以假亂真的靈巧式欺騙干擾效果。

2.4算法流程

綜上所述，基于電磁散射模型的ISAR欺騙干擾方法流程如圖3所示。

根據(jù)圖3，空中目標(biāo)精細(xì)ISAR欺騙干擾調(diào)制算法流程可概述為以下步驟：

(1)電子偵察模塊對干擾機(jī)截獲的ISAR信號進(jìn)行分析，獲取ISAR信號的帶寬等關(guān)鍵參數(shù)，并對ISAR進(jìn)行定位；

(2)根據(jù)ISAR位置參數(shù)計算虛假目標(biāo)的瞬時斜距以及俯仰角、方位角等姿態(tài)信息；

(3)利用虛假目標(biāo)瞬時斜距對截獲的ISAR信號進(jìn)行平動調(diào)制；

(4)根據(jù)虛假目標(biāo)的俯仰角、方位角等姿態(tài)信息，以及ISAR信號的頻率參數(shù)，在預(yù)先建立的目標(biāo)電磁模型數(shù)據(jù)庫中選取相對應(yīng)的目標(biāo)電磁散射模型；

(5)利用目標(biāo)電磁散射模型對平動調(diào)制后的干擾信號進(jìn)行目標(biāo)電磁散射模型及姿態(tài)調(diào)制，獲得虛假目標(biāo)欺騙干擾信號；

(6)對虛假目標(biāo)欺騙干擾信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成欺騙干擾。

3 仿真試驗

3.1 點目標(biāo)模型與電磁散射模型欺騙干擾結(jié)果對比

電磁散射模型能夠更好地反映目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征，包括典型部件在不同姿態(tài)下的散射中心分布差異以及目標(biāo)不同結(jié)構(gòu)之間的遮擋效應(yīng)、多次散射等特性。而點陣目標(biāo)難以反映這些特性。因此電磁散射模型相對于點陣模型具有更大的優(yōu)勢。

圖3 ISAR欺騙干擾算法流程

以A-10飛機(jī)作為仿真目標(biāo)模型。分別建立點陣模型與電磁散射模型如圖4所示。

圖4(a)所示點陣模型是通過點陣排列構(gòu)造出目標(biāo)的基本結(jié)構(gòu)，圖4(b)則是通過建立目標(biāo)的精細(xì)3D模型，然后通過電磁計算獲得目標(biāo)的電磁散射特征數(shù)據(jù)庫。采用距離-多普勒算法[1]對由不同模型仿真得到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，結(jié)果如圖5所示。

而圖5(c)和圖5(d)所示電磁散射模型成像結(jié)果在不同姿態(tài)下的強(qiáng)散射中心分布則存在較大差異，能夠較好地反映因目標(biāo)旋轉(zhuǎn)而引起的遮擋效應(yīng)，且能夠反映機(jī)翼、引擎等典型散射部件在不同姿態(tài)下的散射特征差異。相比于點陣目標(biāo)模型而言，電磁散射模型能夠更好地反映目標(biāo)的結(jié)構(gòu)及姿態(tài)信息，更逼真地模擬ISAR目標(biāo)的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)等特征，以達(dá)到更好的欺騙干擾效果。

圖4 目標(biāo)模型

圖5 不同姿態(tài)下點陣模型與電磁散射模型干擾成像結(jié)果對比

3.2 基于目標(biāo)電磁散射模型的欺騙干擾仿真

利用目標(biāo)電磁散射模型對欺騙干擾回波進(jìn)行調(diào)制，以驗證欺騙干擾算法的有效性。仿真參數(shù)及場景設(shè)置如表1所示。

表1仿真參數(shù)設(shè)置

帶寬300 MHz 采樣率420 MHz 脈沖重復(fù)頻率300 Hz 觀測時間2.7 s 目標(biāo)運動速度100 m/s 零時刻ISAR位置(0,4.3,1.0) km 干擾點位置(20,30,0) m

圖6中場景中心處為真實目標(biāo)，虛假目標(biāo)位于真實目標(biāo)右下方。真實目標(biāo)與虛假目標(biāo)均能夠獲得聚焦良好的成像結(jié)果。目標(biāo)的頭部和尾翼由于其結(jié)構(gòu)特征，形成較明顯的強(qiáng)散射中心。而機(jī)翼主要為平板結(jié)構(gòu)，散射較弱。本文提出的基于電磁散射模型的ISAR欺騙干擾方法能夠更真實有效地模擬目標(biāo)的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征，使欺騙干擾結(jié)果更逼真更具有欺騙性。圖中真實目標(biāo)與虛假目標(biāo)具有相同的運動軌跡及運動姿態(tài)，具有編隊飛行的特征，能夠有效地擾亂對ISAR成像結(jié)果的分析和解讀，達(dá)到真假難辨的欺騙干擾目的。虛假目標(biāo)相對于真實目標(biāo)的位置可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行調(diào)整，從而對真實目標(biāo)形成有效的保護(hù)。

4 算法性能分析

欺騙干擾算法的復(fù)雜性及實時可實現(xiàn)性是在實際工程應(yīng)用中比較關(guān)注的問題。本節(jié)對基于點陣目標(biāo)模型的欺騙干擾算法與本文算法的實時運算量進(jìn)行對比分析。

5 結(jié)束語

本文針對點陣目標(biāo)模型不能模擬目標(biāo)不同結(jié)構(gòu)間的遮擋、多次散射等特征的問題，提出了采用電磁散射模型代替點陣目標(biāo)模型的ISAR欺騙干擾算法。該算法能夠在模擬虛假目標(biāo)平動的同時，包含目標(biāo)的姿態(tài)變化等信息，使虛假目標(biāo)的成像結(jié)果更接近于真實目標(biāo)，達(dá)到以假亂真的欺騙干擾效果。對虛假目標(biāo)進(jìn)行的精細(xì)延時與相位調(diào)制能夠很好地保證虛假目標(biāo)的欺騙干擾質(zhì)量。本文提出的欺騙干擾算法比基于點陣目標(biāo)模型的ISAR欺騙干擾算法運算量小，具有更好的實時性。文中算法具有一定的工程應(yīng)用價值，并可作為共性技術(shù)推廣至ISAR空間目標(biāo)等目標(biāo)的欺騙干擾應(yīng)用領(lǐng)域。

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趙 博： 男，1986年生，博士生，研究方向為雷達(dá)成像和雷達(dá)對抗.

周 峰： 男，1980年生，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為雷達(dá)成像和雷達(dá)對抗.

保 錚： 男，1927年生，教授，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院院士，主要研究領(lǐng)域為雷達(dá)信號處理和現(xiàn)代信號處理等.

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

國家自然科學(xué)基金(11176022, 61201283)，基本科研業(yè)務(wù)費(K5051302047, K5051202001)，新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃(NCET- 12-0916)和中國工程物理研究院太赫茲科學(xué)技術(shù)基金(CAEPTHZ 201212)資助課題

周峰 fzhou@mail.xidian.edu.cn