對調頻步進ISAR雷達兩種干擾效果的比較分析*

周志增，劉 朋，丁桂強，王永海

(中國洛陽電子裝備試驗中心， 河南孟州 454750)

0 引言

調頻步進信號通過發(fā)射瞬時的窄帶信號來合成寬帶信號，得到高分辨雷達信號。線性調頻步進雷達信號屬于調頻步進信號的一種，不同之處在于子脈沖采用CHIRP信號，與脈內采用簡單脈沖信號的常規(guī)步進雷達相比，一方面可以采用較少的子脈沖實現合成高分辨，另一方面相比于采用寬帶成像雷達來說又降低了對系統瞬時帶寬的要求[1]。對于調頻步進雷達干擾技術來說，分為噪聲壓制和假目標欺騙兩種。由于調頻步進雷達成像過程會獲取較大的積累增益，加上脈間信號變化時間快，給窄帶瞄頻帶來一定的困難，而寬帶由于能量不能集中，同樣不能起到很好的壓制效果[2]。

目前，對調頻步進雷達信號處理的研究主要集中在信號參數選取[3-4]以及對成像算法優(yōu)化上[5]，對調頻步進雷達的干擾研究較少，部分成果僅停留在理論層次，缺少實體雷達受干擾數據的支持。為此，文中結合卷積干擾原理，針對調頻步進成像中典型的時域波形綜合成像方法，對比分析了窄帶卷積干擾的效果及優(yōu)勢，并通過采集中頻數據，對理論分析進行驗證。

1 調頻步進雷達成像

調頻步進雷達信號的時域表示式為：

(1)

脈內壓縮和脈間相參合成是調頻步進信號通過獲得高距離分辨率的兩個步驟，具體為首先對單個子脈沖進行的脈壓處理，得到中分辨信號，然后進行脈間的IDFT處理合成距離高分辨。假設混頻后的視頻回波幅度不變，位于距離R處的單個靜止點目標回波經IDFT處理后輸出結果為：

(2)

可以看出，IDFT處理的輸出是一離散sinc函數，其時間分辨率為1/(NΔf)[7-8]。

根據調頻步進ISAR雷達成像原理，處理方法分為數據采集、速度補償、子脈沖壓縮、目標抽取、合成距離像、包絡對齊、相位補償以及最后的二維成像等步驟過程，其處理流程如圖1所示。

圖1 頻率捷變ISAR成像信號處理流程

2 調頻步進雷達抗干擾能力分析

設調頻步進雷達具有N個調頻步進脈沖，信號處理時對N個脈沖信號進行處理得到一維目標高分辨距離像。

1)窄帶噪聲干擾。假設雷達在N個頻率點受到窄帶噪聲干擾，由于測頻、信號匹配等原因，只有M個干擾信號能起作用，干擾脈沖比例為M/N。在這M個脈沖時間內起作用的干擾功率占1/M。因此總的干擾能量只有1/N起作用，這大大增強了雷達的抗干擾性能。對于具有128個步進頻率的調頻步進雷達來說，信號處理在頻域可使干信比降低 21dB，極大增強了雷達的抗干擾能力。

此外，調頻步進雷達在成像過程中，出現部分脈沖丟失或者受到干擾，對整體成像質量影響不大。假設M個脈沖受到干擾，利用(N-M)個脈沖可以對散射點進行高分辨成像，有利于進一步降低干擾的作用。帶來的不足是雷達分辨率和探測能力受影響，分辨率下降到N/(N-M)。由于脈壓后主瓣出現展寬，信號幅度降低為(N-M)/N,由脈沖數減少引起的能量損失為(N-M)/N。因此，探測距離縮小到((N-M) /N)0.5·R,其中R是雷達未受到干擾時的作用距離。

2)寬帶噪聲干擾。如果干擾機采用寬帶干擾，設干擾功率為PJ，雷達瞬時頻率帶寬為B(中頻帶寬),則單個雷達脈沖受到的干擾功率為B·PJ/(N·Δf)，假設B≈Δf，則進入單個脈沖的功率為PJ/N，與窄帶瞄頻噪聲的干擾功率損失相當。因此調頻步進雷達對一般寬帶壓制干擾的抗干擾性能是常規(guī)窄帶雷達的N倍。但是，如果干擾機能干擾到每個雷達脈沖，則調頻步進率將失去頻率變化帶來的抗干擾優(yōu)勢，但是前提條件是干擾機能夠實現準確測頻，并且在極短的時間里發(fā)送出干擾信號。

3)相參處理抗干擾性能。由調頻步進雷達成像原理可知，雷達信號處理增益為GN。對非相參干擾，干擾信號無處理增益。因此對于相參干擾，調頻步進雷達的抗干擾能力是非相參積累雷達的N倍。

根據以上分析，對于一般的窄帶瞄頻噪聲干擾，調頻步進雷達在頻域信干比提升N倍， 在相參處理上信干比提升N倍，因此雷達信號處理后的信干比相對信號處理前提N2倍，即總抗干擾能力提升N2倍。例如對于128個頻率點的調頻步進雷達，如果雷達信號處理前的干信比為 20 dB，在雷達信號處理后的干信比只有-22 dB。

3 干擾原理

ISAR雷達與一般雷達最重要的區(qū)別在于ISAR有較大的距離像和方位像處理增益。要降低ISAR雷達的處理增益，可以從兩方面入手。首先，ISAR雷達成像必須經過運動補償，其目的是為了獲取方位像增益，而干擾會導致包絡無法對齊將直接影響運動補償效果。其次，得到方位像的前提是獲取相關性較好的多組一維距離像，干擾只要破壞其中的部分距離像就能達到干擾目的[9]。

要破壞一維距離像，就是要破壞目標抽取。影響目標抽取的因素有很多，比如采樣間隔、步進頻率間隔、速度誤差、相位關系等，都會不同程度導致一維距離像出現冗余、亂序和偽峰等。相位作為影響成像的關鍵因素之一，相比于其他因素，可在干擾過程中直接作為被破壞因素。對頻率步進信號作IFFT處理時，要求信號在各脈沖之間具有嚴格的相位關系。通過對回波卷積噪聲干擾，可以達到破壞其相位關系，進一步影響一維距離像合成[10]。

4 干擾驗證

雷達中頻信號信噪比為15 dB，一組脈沖中共有128個脈沖，子脈沖帶寬為5 MHz，脈寬為13 μs，步進間隔為4 MHz，共用64組信號來進行二維像合成，干信比為15 dB，干擾分為窄帶干擾和卷積干擾兩種。

1)部分脈沖受窄帶干擾。假設每組脈沖中128個脈沖中隨機有32個受到干擾，未受干擾信號脈壓后如圖2(a)所示，理論計算脈沖壓縮后信噪比為33 dB，與計算結果相一致。圖2(b)為對一次像的距離對齊圖，對齊效果較好，目標散射點集中。圖3為一維距離像和二維像，從結果中可以看出，干擾不影響一維距離像合成，其特征散射點分布明顯，最終合成的飛機二維像在距離像和方位像都沒有出現散焦問題，說明部分脈沖隨機受到窄帶干擾不會影響調頻步進雷達成像。

圖2 回波脈壓及距離對齊

2)全脈沖受窄帶干擾。假設每組脈沖中128個脈沖均受到干擾，信號脈壓后如圖4(a)所示。未受干擾時，理論計算脈沖壓縮后信噪比為33 dB，受干擾后，信噪比降為18 dB左右，與計算結果相一致。圖4(b)為對一維像的距離對齊圖，從結果中可以看出，對齊效果較好，沒有出現散亂情況。圖5為一維距離像和二維像，從結果中可以看出，干擾對一維距離像基本沒有影響，其特征散射點明顯，且信噪比較大。而對二維像有一定影響，二維像出現散焦，在方位向出現一定的模糊區(qū)，說明散射點相位補償受到干擾影響，但整體上能分辨出目標輪廓。相比于部分脈沖受干擾來說，全部脈沖受干擾后對成像影響更大，但不影響辨識目標整體輪廓。

圖3 一維距離像及二維成像

圖4 回波脈壓及距離對齊

圖5 一維距離像及二維成像

圖6 回波脈壓及距離對齊

3)全脈沖受卷積干擾。假設卷積干擾使用的窄帶干擾干信比和第2節(jié)中一樣，圖6(a)為脈壓后的結果，從中可以看出，脈壓后峰值部分明顯展寬，并具有多個峰值，直接導致無法有效進行距離單元對齊。采用同樣算法進行包絡對齊后，散射點出現散亂，且存在很多偽散射點。可見，峰值一旦出現多個，就導致一維像無法有效進行抽取，一維距離像的散射點明顯被噪聲淹沒，二維像在距離維和方向維都出現大范圍內散焦，二維像無法合成。相比于第2節(jié)中的窄帶干擾來說，卷積干擾效果更好，由于卷積干擾是直接對脈沖回波信號進行卷積運算，不需要測頻，實時性強，能實現干擾到每一個調頻步進雷達脈沖。另外，對于同樣的干擾效果，卷積干擾對干擾功率要求更低。

圖7 一維距離像及二維成像

4)相關性分析。對ISAR成像來說，一般情況下，視角變化不大，散射點在目標上的位置和強度變化比較緩慢，一維距離像之間的相關性較強。受到干擾之后，由于信噪比下降、峰值出現偏移等原因，必然影響到期相關性變弱。

對全脈沖受窄帶干擾和全脈沖受卷積干擾兩種情況下的距離像相關性進行分析，結果如圖8所示。上面的曲線為窄帶干擾后一維距離像之間的相關性，下面的曲線為卷積干擾后距離像之間的相關性。可以發(fā)現，在同樣干信比條件下，卷積干擾后一維像之間的相關性要小于窄帶干擾，進一步說明了卷積干擾效果要優(yōu)于窄帶干擾。

圖8 一維像相關性比較

5 結束語

針對常規(guī)窄帶干擾難以干擾調頻步進雷達成像問題，分析了調頻步進雷達的抗干擾性能以及成像原理。由理論分析和中頻數據處理結果可知，利用噪聲卷積干擾可有效破壞調頻步進雷達一維像合成環(huán)節(jié)，達到干擾效果。另外，在相同干信比的條件下，卷積干擾干擾效果要優(yōu)于常規(guī)窄帶噪聲干擾。文中所得結果均是采集中頻數據事后分析所得，下一步可進一步對分析結果進行驗證。