CN110471040B - 一种基于fda天线的逆合成孔径雷达干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达干扰对抗技术领域，涉及一种基于FDA天线的逆合成孔径雷达干扰方法。本发明的方法，在相控阵天线的基础上，频控阵在相邻阵元上对发射信号附加了一个远小于工作载频的频率增量，搭载频控阵天线的伴飞式干扰机将干扰信号发射至受保护的目标，再经由目标散射至ISAR接收机。

Description

一种基于FDA天线的逆合成孔径雷达干扰方法

技术领域

本发明属于雷达干扰对抗技术领域，涉及一种基于FDA天线的逆合成孔径雷达干扰方法。

背景技术

逆合成孔径雷达(ISAR,Inverse Synthetic Aperture Radar)具有全天时、全天候、远距离探测和识别非合作运动目标的能力，同时具有较高的成像分辨率，所以它在军事领域特别是空中目标识别、反导等方面发挥着越来越重要的作用。目前ISAR的电子干扰和抗干扰已成为ISAR和电子对抗领域的研究热点。对ISAR的干扰主要分为两类：压制式和欺骗式。压制式干扰主要是利用高斯白噪声产生干扰信号，这种方式要求干扰机的发射功率比较大，而且易通过匹配滤波消除干扰。欺骗式干扰是首先接收对方雷达发射信号，然后经过信号处理转发出去。现有的欺骗干扰技术在产生多个干扰目标的同时，计算量也会极具升高，导致干扰效率的降低。

频控阵(Frequency diverse array，FDA)雷达是由Antonik和Wicks在2006年首次提出并申请了美国专利。因其可以产生距离依赖性的波束，该概念一经提出就在美国的国防科研单位获得了广泛的注意。频控阵和相控阵雷达一样发射相参信号，只是经过附加很小的频偏(相对载频)控制，使得各个阵元辐射出去信号频率中心有所偏移，但其主要频率成分是重叠的。因此，频控阵仍然属于相控阵范畴，可以看作相控阵的一种拓展。

发明内容

为了解决传统欺骗干扰方法干扰效率低下的问题，本发明提出一种基于频控阵新体制天线干扰ISAR成像的方法。在相控阵天线的基础上，频控阵在相邻阵元上对发射信号附加了一个远小于工作载频的频率增量，搭载频控阵天线的伴飞式干扰机将干扰信号发射至受保护的目标，再经由目标散射至ISAR接收机，经过匹配滤波后，会在距离向产生多个假目标包含真实目标信息的假目标，从而导致ISAR成像***无法判断目标的真实位置。

本发明所采用的频控阵(FDA,Frequency diverse array)与相控阵天线和机械扫描天线的不同之处在于：相控阵天线的每个阵元发射的信号载频都是相同的，通过移相器***来控制波束指向，调整移相器的相移量便可实现波束的空域扫描；机械扫描天线的每个阵元发射的信号载频也是相同的，通过伺服电机实现空域扫描；而FDA的每个阵元发射的信号载频是不相同的,其在相邻阵元上对发射信号附加了一个远小于工作载频的频率增量。N个阵元数组成的均匀线阵，由于发射信号是完全相同的，通过匹配滤波输出是N个位置完全重合的像。而频控阵每个阵元有个微小的频偏，这导致N个像不会重合，便产生了多个假目标效果。改变彼此阵元之间的频偏，假目标之间的距离会跟着变化，增加天线阵元数目，假目标数目会也会增加。此干扰只会影响ISAR在距离向上的成像，即只会在距离向上出现多个假目标，在方位向不会产生假目标。

为解决这一技术问题，本发明所采用的技术方案包含以下步骤：

a.建立频控阵干扰机几何模型和逆合成孔径雷达干扰几何模型。

b.干扰机对逆合成孔径雷达发射的信号进行采样和存储并通过频控阵天线转发至被保护的空中目标形成干扰信号。

c.对逆合成孔径雷达接收的频控阵干扰信号进行解线性调频(Dechirp)处理得到干扰图样。

具体的，所述步骤a中我们假设频控阵的天线几何模型如图1所示。频控阵由一个均匀的线性阵列组成，阵元个数为N，阵元间距为的d，在相邻阵元发射信号之间施加了一个线性的微小频偏Δf。若取第一个阵元作为参考阵元，发射信号是以f₀为载频的线性调频信号，则第k个阵元发射的信号表达为：

其中

T_p是脉冲宽度，

是距离向调频率，下标r代表的是距离向，B_r是距离向信号带宽，f_k＝f₀+kΔf,k＝0,1,…,N-1是第k个阵元发射信号的载频。频控阵最显著的特点就在于施加于相邻阵元之间的微小频率增量，我们所取的频率增量Δf远远小于参考阵元的载频f₀。因此，对于N阵元的阵列，为了避免各个阵元之间的发射信号不相关，频率增量必须满足如下的限制：

由此可以看出，频率增量Δf的约束与载频f₀和阵元数量N有关。

具体的所述步骤a中，假设ISAR干扰模型如图2所示：逆合成孔径雷达位于地面上，空中目标可视为一个转台模型，逆合成孔径雷达到达频控阵天线的距离矢量为R_RJ，频控阵天线到达空中受保护目标的距离矢量为R_J，逆合成孔径雷达到达空中受保护目标的距离矢量为R_R。

则逆合成孔径雷达发射信号经频控阵干扰机转发至经由空中受保护目标再散射至雷达接收机的总传播时间为

其中下标i表示空中目标上的第i个散射点，||·||_E表示欧几里得范数，r_i表示目标上的第i个散射点到目标旋转中心的距离矢量，θ_i＝θ_i0+ωt_a为目标上的第i个散射点相对于旋转中心在雷达照射时间内的旋转角度，ω为目标旋转角速度，t_a为慢时间，c是光速。

具体的所述步骤b中，我们假设FDA天线搭载在伴飞式干扰机平台上，它发射的干扰信号经由受保护的目标散射至ISAR接收机形成干扰信号(为了便于分析，此处仅考虑干扰回波信号忽略正常ISAR发射的回波信号)表达式是：

其中：t_r为快时间，下标r代表的是距离向，下标a代表的是方位向，ξ_i为第i个散射点的散射系数，K为目标散射点个数。

具体的所述步骤c中，基于FDA干扰下ISAR解线性调频算法(Dechirp)包括以下过程。对回波数据进行混频处理、补偿残留视频相位项、距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换。

首先对回波数据进行混频处理、补偿残留视频相位项，表达式如下：

其中R_i(t_a)＝Δt_i×c，R_ref为解线性调频处理的参考距离矢量，ΔR_i(t_a)＝2||R_ref||_E-R_i(t_a)，K为目标散射点个数。

回波信号经过距离向傅里叶变换使其转换到快时间频域-慢时间时域，这时的回波信号又称为高分辨距离像，其表达式如下：

其中：f_r是快时间信号频域变量。根据

高分辨距离像在距离-慢时间域的表达式如下：

然后进行方位向傅里叶变换，即对距离-慢时间域的高分辨距离像进行方位向傅里叶变换，得到回波数据在距离-多普勒域的表达式为：

其中T_a为逆合成孔径雷达观测时间，

表示第i个散射点的多普勒频率。经过上面的过程后，ISAR干扰结果被输出。从上面的公式可以看出假目标的数目和阵元数N有关，假目标之间的距离和频率增量Δf相关。假目标只会出现在距离向上和方位向无关。

从频控阵的发射信号可以知道：当Δf＝0时，频控阵所有阵元发射信号的载频便全部相等，此时频控阵就成为了相控阵。从频控阵成像表达式可以看出：相控阵不会对机载SAR成像产生干扰效果。具体仿真结果如图4所示。

本发明的有益效果是，相对于现有欺骗干扰技术，本发明在提高了干扰效率的同时可以产生多个位置、数量可控的干扰目标。

附图说明

图1为FDA天线发射阵列示意图；

图2为ISAR欺骗干扰模型图；

图3为空中目标模型图；

图4为7阵元相控阵天线干扰ISAR点目标成像图；

图5为7阵元FDA天线干扰ISAR成像图；

图6为7阵元非等间隔频偏FDA天线干扰ISAR成像图；

图7为15阵元FDA天线干扰ISAR成像图。

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例说明本发明的有效性。

根据本发明所述的信号模型，使用Matlab(一种计算机算法语言)进行仿真验证，具体的仿真参数如下：

***参数设置：频控阵天线第一个阵元的辐射源频率f₀＝10GHz，频率增量Δf＝8MHz，阵元间隔d＝λ/2，阵元个数N＝7，信号带宽B_r＝1GHz，脉冲宽度T_p＝20us，脉冲重复频率PRF＝1kHz，目标旋转角速度ω＝0.06rad/s，相干成像时间T_a＝0.25s，雷达到空中目标距离||R_R||_E＝50km，干扰机到目标距离||R_J||_E＝30km，双基地角α＝0°，ISAR分辨率是0.15m×0.97m，观测场景是800m×400m，空中目标尺寸19m×20m。

图3是空中目标模型图。图4是相控阵天线干扰ISAR成像结果。图5是7个阵元的组成FDA天线干扰ISAR结果。图6是7个非等间距频偏阵元组成的FAD天线干扰ISAR成像结果。图7是15个阵元组成FDA天线干扰ISAR成像结果。从图4、图5和图7可以知道，FDA组成的干扰机能对ISAR成像造成很好的干扰，并且增加阵元数假目标数目会增加。从图5和图6对比可以知道，改变频偏大小，假目标之间的间距也会改变。

Claims (2)

1.一种基于FDA天线的逆合成孔径雷达干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立FDA干扰机几何模型和逆合成孔径雷达干扰几何模型，具体为：频控阵由一个均匀的线性阵列组成，阵元个数为N，阵元间距为的d，在相邻阵元发射信号之间施加了一个线性的微小频偏△f；逆合成孔径雷达位于地面上，空中目标视为一个转台模型，逆合成孔径雷达到达频控阵天线的距离矢量为R_RJ，频控阵天线到达空中受保护目标的距离矢量为R_J，逆合成孔径雷达到达空中受保护目标的距离矢量为R_R；

S2、干扰机对逆合成孔径雷达发射的信号进行采样和存储并通过FDA天线转发至被保护的空中目标形成干扰信号，令FDA天线搭载在伴飞式干扰机平台上，发射的干扰信号经由受保护的目标散射至逆合成孔径雷达接收机形成干扰信号：

其中，t_r为快时间，下标r代表的是距离向，t_a为方位向慢时间，下标a代表的是方位向，ξ_i为第i个散射点的散射系数，K为目标散射点个数，

||·||_E表示欧几里得范数，r_i表示目标上的第i个散射点到目标旋转中心的距离矢量，θ_i为目标上的第i个散射点相对于旋转中心在雷达照射时间内的旋转角度，α表示干扰机和雷达相对于目标形成的双基地夹角，c是光速；

S3、对逆合成孔径雷达接收的频控阵干扰信号进行解线性调频处理得到干扰图样。

2.根据权利要求1所述的一种基于FDA天线的逆合成孔径雷达干扰方法，其特征在于，所述步骤S3中进行解线性调频处理的具体方法为：

S31、对回波数据进行混频处理、补偿残留视频相位项，表达式如下：

其中R_i(t_a)＝△t_i×c，△R_i(t_a)＝2||R_ref||_E-R_i(t_a)，R_ref为解线性调频处理的参考距离矢量，T_p是脉冲宽度，

是距离向调频率，下标r代表的是距离向，B_r是距离向信号带宽，K为目标散射点个数，△f为频率增量且

f₀是参考阵元的载频，参数j表示复数；

S32、将经过步骤S31获得的回波信号，经过距离向傅里叶变换使其转换到快时间频域-慢时间时域，将转换后的回波信号定义为高分辨距离像：

其中，f_r是快时间信号频域变量，d为阵元间距，由

得高分辨距离像在距离-慢时间域的表达式为：

其中B_r＝T_pK_r为信号带宽。

S33、进行方位向傅里叶变换，即对距离-慢时间域的高分辨距离像进行方位向傅里叶变换，得到回波数据在距离-多普勒域的表达式为：

sin c[T_a(f_a-f_{i_D})]

其中T_a为逆合成孔径雷达观测时间，

表示第i个散射点的多普勒频率。

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