李尚生，王旭坤，付哲泉，張軍濤

(海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 264001)

1 引言

無人機(jī)具有低雷達(dá)散射截面(RCS)、慢速、低飛的特點(diǎn)，且無人機(jī)涂敷吸波材料使得隱身性增強(qiáng)，在電子戰(zhàn)中可以很好的完成電子偵察、電磁誘餌以及雷達(dá)干擾等工作，在進(jìn)行突防掩護(hù)時(shí)被雷達(dá)探測到的概率很低[1]，故在本文中假設(shè)敵防空雷達(dá)探測到無人機(jī)的概率為零。對于無人機(jī)在電子戰(zhàn)中的使用是目前研究的熱點(diǎn)，文獻(xiàn)[2-4]對無人機(jī)在雷達(dá)電子對抗中航路、空域的規(guī)劃以及作戰(zhàn)使用方法做了研究，文獻(xiàn)[5]中建立了無人機(jī)壓制雷達(dá)進(jìn)行空中突防的干擾模型，仿真結(jié)果為突防行動提供了具體的方法參考。文獻(xiàn)[6]提出將小型導(dǎo)引頭掛載在無人機(jī)上，對基地化訓(xùn)練中提供空中來襲的目標(biāo)做了研究，為無人機(jī)的應(yīng)用提供了新思路。

防空制導(dǎo)雷達(dá)一般為高分辨相參體制雷達(dá)，可以完成脈沖壓縮，故在模擬空中目標(biāo)的回波時(shí)需將其看成擴(kuò)展目標(biāo)。許多學(xué)者對寬帶雷達(dá)回波進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[7-9]完成了基于散射中心模型的寬帶雷達(dá)回波仿真，并對回波的一維距離像進(jìn)行了驗(yàn)證，說明了仿真的可靠性。數(shù)字射頻存儲器(Digital Radio Frequency Memory ，DRFM)的發(fā)展使得對相參體制雷達(dá)的干擾成為了可能，文獻(xiàn)[10-12]基于DRFM對相參雷達(dá)典型干擾信號的產(chǎn)生進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果表明，能夠有效的干擾相參體制雷達(dá)。

隨著雷達(dá)自動識別技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)以及模式識別理論的應(yīng)用，可以在雷達(dá)回波中獲得更多目標(biāo)細(xì)微特性信息，以此對目標(biāo)進(jìn)行識別分類。現(xiàn)階段的距離-速度欺騙干擾沒有考慮到干擾回波與真實(shí)目標(biāo)回波特性之間的逼真度，即難以欺騙具有識別能力的雷達(dá)[13-16]。本文基于無人機(jī)平臺以及空中典型目標(biāo)的電磁仿真，利用數(shù)字射頻存儲技術(shù)，高逼真的完成對敵防空雷達(dá)所實(shí)施的距離-速度欺騙干擾。

2 典型空中目標(biāo)電磁仿真以及數(shù)據(jù)庫的建立

2.1 某典型戰(zhàn)機(jī)模型建立

專業(yè)的建模軟件3DMAX具有其配置要求低、建模步驟可堆疊以及制作能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[17]，本文基于3DMAX完成對某典型戰(zhàn)機(jī)模型1：1比例的建立，并利用商業(yè)電磁仿真軟件FEKO完成對復(fù)雜目標(biāo)電磁散射的計(jì)算。如圖1所示為某典型戰(zhàn)機(jī)的CAD模型。

圖1 某典型戰(zhàn)機(jī)CAD模型

2.2 電網(wǎng)格劃分及電磁仿真

Hypermesh為專業(yè)的有限元網(wǎng)格處理軟件，針對不同的問題可以生成對應(yīng)的網(wǎng)格類型，相比于CADFEKO模塊自帶的網(wǎng)格劃分功能，Hypermesh具有高速度、高質(zhì)量以及耗費(fèi)的內(nèi)存更少的優(yōu)點(diǎn)[18]，故選用Hypermesh對模型進(jìn)行電網(wǎng)格剖分。如圖2所示為某典型戰(zhàn)機(jī)的三角面元網(wǎng)格模型。

圖2 某典型戰(zhàn)機(jī)三角面元網(wǎng)格模型示意圖

電磁場計(jì)算的方法主要有數(shù)值方法、高頻方法以及混合算法。商用軟件FEKO內(nèi)置了許多的算法[19]，有以矩量法(Method of Moments，MOM)為基礎(chǔ)的多層快速多極子方法(Multilevel Fast Multipole Method ，MLFMM)，在保證精度的前提下減小了運(yùn)算量提高了計(jì)算效率；另外FEKO支持如物理光學(xué)法(PO)等許多高頻近似方法以及混合類算法。其中MLFMM以及高頻方法為計(jì)算電大尺寸目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS)提供了途徑。Shengliang Hu[20]等人利用FEKO完成對典型復(fù)雜目標(biāo)的RCS計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果具有可信度高、效率顯著的特點(diǎn)，Xiaofeng Wang[21]等人基于FEKO計(jì)算了某型導(dǎo)彈的RCS、一維距離像(HRRP)以及ISAR圖像。在本文中采用MLFMM與高頻混合技術(shù)完成對某型戰(zhàn)機(jī)的電磁特性仿真；如圖3所示為5.6GHz時(shí)目標(biāo)零俯仰，方位角為0°～180°范圍，角度間隔為1°的水平極化的單站RCS。

圖3 某典型戰(zhàn)機(jī)5.6GHz單站RCS

飛機(jī)在作戰(zhàn)時(shí)主要有突防以及巡航任務(wù)，對雷達(dá)視角而言在飛機(jī)突防過程中，飛機(jī)的鼻錐方向是最大的威脅；在巡航過程中，飛機(jī)的側(cè)面將暴露給雷達(dá)，所以對某型飛機(jī)電磁散射特性仿真的角度范圍設(shè)置如圖4所示，其中俯仰角范圍為：-40°～40°間隔1°，方位角范圍為：-180°～180°間隔1°。

圖4 某典型戰(zhàn)機(jī)電磁散射仿真角度設(shè)置

FEKO軟件可以完成單頻、步進(jìn)頻以及連續(xù)頻率的設(shè)置。本文中對目標(biāo)進(jìn)行電磁散射仿真頻率設(shè)置為C波段，采用步進(jìn)頻率，完成對目標(biāo)全方位的電磁散射數(shù)據(jù)采集，建立數(shù)據(jù)庫。

2.3 目標(biāo)電磁散射數(shù)據(jù)庫的建立

基于幾何繞射理論(Geometrical Theory of Diffraction，GTD)模型可以更精確地描述目標(biāo)高頻段電磁散射特性[22-23]，其雷達(dá)后向散射場可以表示為

(1)

圖5 散射中心散射參數(shù)集數(shù)據(jù)庫

在已建立好的數(shù)據(jù)庫中調(diào)用0°俯仰角，0°方位角即飛機(jī)的鼻錐方向的一維散射中心參數(shù)，結(jié)果如圖6與表1所示。

圖6 某型戰(zhàn)機(jī)鼻錐方向一維散射中心分布

表1 某型戰(zhàn)機(jī)鼻錐方向散射中心參數(shù)

將表1中的散射中心參數(shù)帶入式(2)即可得到描述戰(zhàn)機(jī)在鼻錐方向散射特性的系統(tǒng)函數(shù)[8]，f代表雷達(dá)發(fā)射信號頻率，起始頻率為f0，將其與截獲的雷達(dá)信號進(jìn)行頻域相乘便得到擴(kuò)展目標(biāo)回波信號。

(2)

3 距離-速度欺騙干擾

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，脈沖壓縮雷達(dá)作為一種新體制雷達(dá)，通過匹配濾波技術(shù)解決了雷達(dá)探測距離與距離分辨率之間的矛盾。由于相參雷達(dá)的寬帶相參性，傳統(tǒng)的距離-速度相參干擾可以通過雷達(dá)的脈沖壓縮以及恒虛驚檢測，但是隨著識別算法以及深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，雷達(dá)自動識別技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，可以從目標(biāo)的回波信號中提取出目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性的信息，從而對目標(biāo)進(jìn)行分類與識別。如何使得干擾信號與真實(shí)目標(biāo)回波特征逼近以達(dá)到欺騙雷達(dá)的目的是目前研究的熱點(diǎn)。

基于目標(biāo)電磁散射特性的寬帶雷達(dá)回波仿真，真實(shí)反映了目標(biāo)的特征信息，DRFM技術(shù)通過控制時(shí)間的延遲以及產(chǎn)生同步的多普勒頻率，形成虛假航跡，對雷達(dá)進(jìn)行距離-速度二維欺騙干擾，將其調(diào)制上目標(biāo)電磁散射特性，以達(dá)到欺騙具有識別能力的雷達(dá)的目的。

3.1 擴(kuò)展目標(biāo)回波產(chǎn)生及調(diào)制模型

假設(shè)偵察雷達(dá)偵測到敵方雷達(dá)發(fā)射的信號為線性調(diào)頻信號

(3)

為實(shí)現(xiàn)距離-速度的同步干擾需要滿足式(4)

(4)

其中，ri為假目標(biāo)零相位點(diǎn)與雷達(dá)之間的初始距離，vi0為假目標(biāo)相對于雷達(dá)的徑向速度，λ為信號的波長，由此可推導(dǎo)出假目標(biāo)回波延時(shí)τi0以及多普勒頻率fd之間的關(guān)系滿足式(5)，通過控制時(shí)延與多普勒之間的關(guān)系完成距離-速度二維同步干擾。

(5)

在遠(yuǎn)區(qū)場，目標(biāo)的回波是由若干個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)回波相干合成，將偵測到的雷達(dá)信號通過可以表征目標(biāo)的系統(tǒng)函數(shù)，得到擴(kuò)展目標(biāo)回波。

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

(6)

其中，IFFT[]表示傅里葉反變換；?表示卷積運(yùn)算；τi0=2Ri0/c為時(shí)間延遲，Ri0=ri+rm，Ri0為第i散射中心與敵方雷達(dá)之間的徑向距離，rm為散射中心之間的相對位置，fd為調(diào)制的多普勒頻率。

3.2 基于無人機(jī)平臺干擾仿真

圖7 假目標(biāo)干擾實(shí)現(xiàn)框圖

無人機(jī)具有低RCS、長時(shí)間滯空性以及任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)低的特性，越來越多的應(yīng)用于干擾敵方雷達(dá)以掩護(hù)空中目標(biāo)的突防。如圖8所示為基于無人機(jī)平臺的距離-速度假目標(biāo)干擾示意圖，無人機(jī)在B處的釋放射頻干擾信號，干擾A處的敵方雷達(dá)，由于發(fā)射的射頻干擾信號具有相參性，故可以通過敵方雷達(dá)檢測處理過程，在C處形成向雷達(dá)運(yùn)動的假目標(biāo)，其中包含距離ri為雷達(dá)到假目標(biāo)散射中心處的距離、速度vi0以及真實(shí)目標(biāo)具有的電磁散射信息。

圖8 無人機(jī)平臺欺騙干擾示意圖

按照式(5)，仿真出假目標(biāo)的寬帶雷達(dá)信號，其中截獲的雷達(dá)信號參數(shù)以及假目標(biāo)參數(shù)如表(2)所示，仿真結(jié)果如圖9所示。其中圖9(a)為模擬的寬帶雷達(dá)回波信號，假目標(biāo)可以通過雷達(dá)的相參處理，經(jīng)過脈沖壓縮后，得到結(jié)果的如圖9(b)所示，在距離-速度空間產(chǎn)生峰值，超過檢測的門限，被雷達(dá)檢測出來，以達(dá)到距離-速度的二維欺騙干擾。

表2 截獲的雷達(dá)參數(shù)和假目標(biāo)參數(shù)

圖9 假目標(biāo)信號

隨著雷達(dá)自動識別技術(shù)的發(fā)展以及高分辨寬帶雷達(dá)的應(yīng)用，可以對雷達(dá)回波進(jìn)行處理得到高分辨距離像，其包含了豐富的目標(biāo)信息，通常用于目標(biāo)識別，是目前軍事領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如圖9(c)所示為模擬的假目標(biāo)信號經(jīng)過雷達(dá)匹配濾波之后得到的一維高分辨距離像，其具有被探測目標(biāo)的特征信息，不容易被高分辨雷達(dá)識別為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾而抑制掉。

4 結(jié)語

為逼真地模擬出對相參高分辨雷達(dá)假目標(biāo)回波，本文引入了擴(kuò)展目標(biāo)的概念，并基于目標(biāo)的電磁散射特性給出了相參雷達(dá)距離-速度欺騙干擾信號模型，將雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)序列與模擬目標(biāo)特征響應(yīng)模型相卷積，以使得假目標(biāo)信號既攜帶雷達(dá)發(fā)射信號的相位信息，又?jǐn)y帶探測目標(biāo)特征信息?；跓o人機(jī)平臺發(fā)射假目標(biāo)干擾信號進(jìn)行了仿真分析，不僅起到了對高分辨雷達(dá)的距離-速度欺騙干擾，而且對雷達(dá)的識別起到了干擾效果。