劉業(yè)民 劉 忠 代大海 王雪松

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

1. 引 言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種利用天線運(yùn)動(dòng)形成綜合孔徑對(duì)地面目標(biāo)實(shí)現(xiàn)二維成像的有源微波雷達(dá)[1]。在環(huán)境監(jiān)視、海洋觀測(cè)、資源勘探和測(cè)繪等方面的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是在軍事偵察領(lǐng)域上具有重大的使用價(jià)值。

對(duì)SAR的有源干擾大致可分為壓制干擾和欺騙干擾兩種[2]，有源壓制干擾主要是通過(guò)對(duì)SAR發(fā)射非相干信號(hào)(如常規(guī)射頻噪聲等)來(lái)降低SAR圖像的對(duì)比度，從而達(dá)到保護(hù)目標(biāo)的目的，其不足是需較高的干擾功率；有源欺騙干擾包括轉(zhuǎn)發(fā)式干擾和應(yīng)答式干擾，這種干擾形式可以在干擾能量有限的情況下形成虛假干擾目標(biāo)，從而有效地保護(hù)真實(shí)目標(biāo)。但是，采用該干擾形式需要利用電子偵察手段精確測(cè)知對(duì)方發(fā)射信號(hào)的形式，同時(shí)還要精確測(cè)得SAR到干擾機(jī)的相對(duì)位置[3]，這對(duì)干擾機(jī)硬件成本要求較高。上述的有源干擾方法均采用的是直達(dá)波干擾形式，而文獻(xiàn)[4][5]提出了一種新思路的有源干擾方法，即散射干擾方法，它與常規(guī)的直達(dá)波干擾不同，它并不直接向雷達(dá)發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)，而是接收雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)并形成干擾相參脈沖串，將其投射到需要進(jìn)行干擾的區(qū)域，經(jīng)地物散射以后形成地物干擾回波與雷達(dá)原始回波信號(hào)混合在一起被雷達(dá)接收，從而破壞雷達(dá)對(duì)地物目標(biāo)的識(shí)別。由于散射波干擾方法只改變了原雷達(dá)信號(hào)的傳播路徑，因而其干擾信號(hào)與距離向?yàn)V波器是完全匹配的，與方位向?yàn)V波器是完全或者部分匹配的，因此，所需的干擾功率比壓制干擾少得多[6]，而且克服了上述有源欺騙干擾方法中存在的不足。另外，散射波干擾可以對(duì)SAR圖像產(chǎn)生以下三種可能的干擾效果：1)虛假圖像欺騙干擾；2)散焦圖像壓制干擾；3)虛假圖像欺騙干擾+散焦圖像壓制干擾。

目前已有不少文獻(xiàn)對(duì)散射波干擾方法進(jìn)行了相關(guān)的研究，文獻(xiàn)[7]提出了一種改進(jìn)的SAR散射波欺騙干擾方法，通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)的調(diào)制以及利用方位向頻率調(diào)制系數(shù)，可對(duì)SAR形成更逼真的欺騙干擾效果；文獻(xiàn)[8]從雙站散射特性的角度分析了散射波干擾方法中雙站散射后問(wèn)題的必要性和復(fù)雜性；文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)散射波信號(hào)進(jìn)行距離向延時(shí)和方位向相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)散射波欺騙場(chǎng)景干擾；文獻(xiàn)[10][11]分別研究了散射波干擾方法對(duì)雙基地SAR的干擾效果；對(duì)于產(chǎn)生三種干擾效果的條件，目前還未進(jìn)入深入的研究，為此，文章從散射波干擾方法對(duì)SAR干擾效果的研究為出發(fā)點(diǎn)，深入分析了這種干擾方法對(duì)SAR產(chǎn)生上述不同的干擾效果所需的干擾條件。文章分為三部分：首先在分析散射波的干擾原理基礎(chǔ)上，提出了散射波干擾因子；接著分析了散射波干擾方法對(duì)SAR在距離向和方位向的干擾效果，進(jìn)而給出了對(duì)SAR形成虛假圖像欺騙干擾和散焦圖像壓制干擾所需的干擾條件；最后就機(jī)載SAR和星載SAR進(jìn)行了散射波干擾仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

2. 干擾原理

Rj(ta)=Rrj(ta)+Rjt+Rtr(ta)

(1)

式中：

(2)

分別為載機(jī)到干擾機(jī)的瞬時(shí)斜距和載機(jī)到目標(biāo)的瞬時(shí)斜距，Rjt為干擾機(jī)到目標(biāo)的斜距。

對(duì)星載SAR和機(jī)載SAR而言，一般情況下，都有R0?|x-xt|，Rj0?|x-xj|，在此條件下，則式(2)有以下近似(Fresnel近似)[12]。

(3)

把式(3)代入式(1)，求得干擾信號(hào)回波的多普勒中心頻率fDcj和多普勒調(diào)頻率fRj分別為

(4)

式中：λ為波長(zhǎng)；α為散射波干擾因子

(5)

根據(jù)式(5)可知，散射波干擾因子α與θj成反比，與干擾機(jī)高度h成正比。一般而言，對(duì)SAR進(jìn)行散射波干擾時(shí)，其干擾機(jī)一般位于SAR波束照射的區(qū)域附近，其θj變化不大，因而干擾機(jī)高度h的變化是影響α變化的主要因素，且α≥1.

另外，SAR方位向匹配濾波器的多普勒中心頻率fDc值和多普勒調(diào)頻率fR值分別是[13]

(6)

圖1 散射波干擾原理圖

由式(4)～式(6)可知，干擾信號(hào)回波與匹配濾波器之間存在著多普勒參數(shù)的失配，多普勒中心頻率失配僅僅會(huì)引起信噪比的損失和增加模糊度，但多普勒調(diào)頻率失配會(huì)引起不可接受的方位分辨率損失(即散焦)[13]。文章主要考慮多普勒調(diào)頻率失配對(duì)SAR圖像的干擾效果，為此，定義多普勒調(diào)頻率的失配率

(7)

從式(7)可以看出：散射波干擾因子α變大，多普勒調(diào)頻率的失配率|δfR|亦變大。

3. 干擾效果分析

3.1 距離向干擾效果分析

假設(shè)SAR發(fā)射的信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，其信號(hào)形式為

(8)

sj(tr,ta) =exp[-j2πRj(ta)/λ]·

sinc{πB[tr-(R0+Rj0+Rjt)/c]}

(9)

式中： B為信號(hào)帶寬；sinc(·)為辛克函數(shù)。由式(9)可知：干擾信號(hào)回波經(jīng)過(guò)距離向壓縮后，其主峰出現(xiàn)的時(shí)刻為tr=(R0+Rj0+Rjt)/c，與同一時(shí)刻發(fā)射的信號(hào)回波相比，干擾信號(hào)回波主峰出現(xiàn)的時(shí)刻要滯后，這是因?yàn)楦蓴_信號(hào)回波的傳播路徑要比信號(hào)回波的傳播路徑大(R0+Rj0+Rjt>2R0)，因而在距離向壓縮成像表現(xiàn)為干擾信號(hào)回波產(chǎn)生的“虛假”距離比SAR到目標(biāo)的實(shí)際距離將會(huì)變大，其距離偏移量約為

ΔR=(Rj0+Rjt-R0)/2

(10)

另外，將距離函數(shù)Rj(ta)曲線在ta=0處展開(kāi)成兩階泰勒級(jí)數(shù)

Rj(ta)≈R0+Rj0+Rjt-λfDcj·ta-

(11)

上式的線性部分是距離游走，平方項(xiàng)是距離彎曲，總的變化量即為距離徙步，考慮在一個(gè)合成孔徑長(zhǎng)度內(nèi)，其可能產(chǎn)生的最大距離徙步約為

(12)

一般情況下，ΔR′?ΔR，因而距離徙步產(chǎn)生的影響比起干擾信號(hào)回波產(chǎn)生的“虛假”距離的干擾效果而言，基本上可以不加以考慮。

3.2 方位向干擾效果分析

對(duì)于式(9)，在Fresnel近似下，回波信號(hào)在距離向和方位向相互獨(dú)立，可分離處理[14]，不妨設(shè)與ta不相關(guān)的脈壓輸出記為I(tr)=sinc{πB[tr-(R0+Rj0+Rjt)/c]}，與ta相關(guān)的方位向信號(hào)可分離為

sj(ta)=exp[-j2πRj(ta)/λ]

(13)

(14)

式中“?”表示卷積。因在Fresnel近似條件下，SAR的方位向回波數(shù)據(jù)是線性調(diào)頻信號(hào)形式，且具有較大的時(shí)寬帶寬積，一般可采用駐定相位定理求取積分[15]，由于散射波干擾方法的本質(zhì)是改變了信號(hào)的傳播路徑，其方位向干擾信號(hào)回波的信號(hào)形式仍是線性調(diào)頻信號(hào)，故可采用駐定相位定理求取積分，那么式(14)待積分項(xiàng)的相位為(忽略常數(shù)相位)

φ(τ)= 2πfDcjτ+πfRjτ2-

πfR(ta-τ)2

(15)

上式對(duì)τ求導(dǎo)，得到駐相點(diǎn)處的關(guān)系式[16]

φ′(τ)|τ=τ*=2π(fDcj+fRjτ-fRτ+fRta)

=0

(16)

式中，tam為取駐相點(diǎn)時(shí)的方位向時(shí)刻，從求得的駐相點(diǎn)τ*，可求得積分I(ta)為[16]

(17)

(18)

結(jié)合式(18)和圖1可知，虛假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)T的相對(duì)位置，取決于Δx的正負(fù)，以SAR飛行方向?yàn)檎騾⒖挤较颍籀>0，則虛假目標(biāo)在目標(biāo)T的“前方”，反之亦然。

(19)

由式(19)可知，目標(biāo)方位像的展寬量絕對(duì)值大小取決于散射波干擾因子α的大小，其展寬量絕對(duì)值越大，導(dǎo)致方位壓縮效果越不理想，甚至散焦。在多普勒頻帶邊緣，若多普勒調(diào)頻率fR失配可以忽略，則因多普勒調(diào)頻率fR失配而引起的相位誤差被限制為[13]

(20)

式中，TL為合成孔徑時(shí)間，把式(7)代入式(20)中，則限制條件變?yōu)?/p>

(21)

式中，θH為水平波束寬度。事實(shí)上，把式(21)代入式(19)，得

(22)

4. 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 散射波干擾因子對(duì)SAR目標(biāo)方位像特性的影響

仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 SAR仿真系統(tǒng)參數(shù)表

(a) 散射波干擾因子α=1.089

(b) 散射波干擾因子α=1.2

(c) 散射波干擾因子α=2

(d) 散射波干擾因子對(duì)展寬量絕對(duì)值的影響圖2 散射波干擾因子對(duì)SAR在方位向上壓縮成像的影響

4.2 驗(yàn)證干擾條件仿真實(shí)驗(yàn)

仿真時(shí)干擾機(jī)平臺(tái)位置的坐標(biāo)為(-100，4245，h)m，h分別為245 m和3800 m.在機(jī)載SAR和星載SAR成像場(chǎng)景中各取五個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，其具體的坐標(biāo)位置如表2所示(單位為m)。

表2 成像目標(biāo)的坐標(biāo)位置

采用經(jīng)典距離-多普勒(R-D)成像算法，其機(jī)載和星載SAR的成像結(jié)果如圖3(看414頁(yè))(a)和(b)所示。為了驗(yàn)證散射波干擾方法對(duì)機(jī)載和星載SAR的不同干擾效果所需的干擾條件，設(shè)置如下場(chǎng)景條件：第一次干擾時(shí)，干擾機(jī)高度h=245 m(這時(shí)機(jī)載SAR的位置剛好滿足式(21))，其仿真結(jié)果如圖3(c)和(d)所示，這時(shí)機(jī)載和星載SAR都能滿足式(21)，因而干擾效果都為虛假圖像欺騙干擾；第二次干擾時(shí)，干擾機(jī)高度h=3800 m(這時(shí)星載SAR剛好滿足式(21))，其仿真結(jié)果如圖3(e)和(f)所示，由于機(jī)載SAR已遠(yuǎn)超出式(21)的限制條件，其干擾效果為散焦圖像壓制干擾，而星載SAR能夠滿足上述條件，故干擾效果仍然是虛假圖像欺騙干擾。

5. 結(jié) 論

在SAR采用經(jīng)典R-D成像算法基礎(chǔ)上，研究了散射波干擾方法對(duì)SAR的干擾效果；分析了散射波干擾方法對(duì)SAR距離向的干擾效果，理論上推導(dǎo)了其距離偏移量的表達(dá)式；利用駐定相位原理，深入地研究了散射波干擾因子對(duì)SAR目標(biāo)方位像的方位偏移量和展寬量絕對(duì)值的影響；進(jìn)而給出了散射波干擾方法對(duì)SAR形成各種干擾效果所需的干擾條件，并給出了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。綜合來(lái)看，散射波干擾方法具有干擾功率利用率高、對(duì)偵察參數(shù)依賴性低等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種有效的干擾方法。

[1] 張 云，姜義成，李宏博.一種改善SAR對(duì)艦船目標(biāo)成像質(zhì)量的新方法研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(4)：588-592.

ZHANG Yun，JIANG Yicheng.LI Hongbo. Improving synthetic aperture radar imaging of ship targets[J].CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE,2009,24(4)：588-592.(in Chinese)

[2] 甘榮兵，王建國(guó). 對(duì)SAR的幾何目標(biāo)欺騙干擾的快速算法[J].現(xiàn)代雷達(dá),2006,28(2):40-42.

GAN Rongbin，WANG Jianguo. Fast generation algorithm of geometric target deceive jamming signal to SAR[J].Modern Radar,2006,28(2):40-42.(in Chinese)

[3] 白雪茹，孫光才，周 峰，等.基于旋轉(zhuǎn)角反射器的ISAR干擾新方法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(5)：865-872.

BAI Xueru，SUN Guangcai，ZHOU Feng, et al. A novel ISAR jamming method based on rotating angular reflectors [J].CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE, 2008,23(5)：865-872.(in Chinese)

[4] 胡東輝,吳一戎.合成孔徑雷達(dá)散射波干擾研究[J].電子學(xué)報(bào),2002,30(12):1882-1884.

HU Donghui，WU Yirong. The Scatter Wave Jamming to SAR[J].ACTA ELECTRONICA SINICA,2002, 30(12): 1882-1884.(in Chinese)

[5] 高曉平,雷武虎.SAR散射波干擾實(shí)現(xiàn)方法的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2006,28(8):22-24.

GAO Xiaoping，LEI WUhu. Method of Implementing Scatter Wave Jamming[J]. Modern Radar,2006,28(8): 40-42.(in Chinese)

[6] 唐 波.合成孔徑雷達(dá)的電子戰(zhàn)研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2005.

[7] LI Tao，CHEN Weidong. A sudy on Scatter Wave Jamming for Countering SAR,2007 5th Inernational Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology proceeding[C]. Guilin, 2007.

[8] 尹志盈，杜 鵬，朱秀芹.SAR散射波干擾研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2007,9(22):481-484.

YI Zhiying，DU Peng，ZHU Xiuqin. Study Scatter Wave Jamming on SAR[J].CHINESS JOURNAL OF RADIO SCIENCE,2007,9(22)：481-484.(in Chinese)

[9] 田賢峰,方廣有.星載SAR散射波欺騙干擾研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,25(10):254-255.

TIAN Xianfeng，F(xiàn)ANG Guangyou. Study on Scatter Wave Deceptive Jamming to Spaceborne SAR[J]. NTROL & AUTOMATION,2009,25(10)：254-255.(in Chinese)

[10] WANG Wenqin, CAI Jingye. A technique for jamming Bi- and multistatic SAR systems [J]. IEEE Geoscience and remote sensing letters, 2007, 4(1): 80-82.

[11] 張 瑛,王建國(guó).雙基地合成孔徑雷達(dá)彈射式干擾研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2007,29(5)：1061-1064.

ZHANG Ying,WANG Jianguo.Research on rebound jamming against BiSAR[J]. Journal of Electronics & Information Technology,2007,29(5)：1061-1064. (in Chinese)

[12] 孫云輝,陳永光,焦 遜.星載SAR應(yīng)答式欺騙干擾研究[J].電子對(duì)抗技術(shù),2004,19(2):23-26.

SUN Yunhui, CHEN Yongguang, JIAO Xun .On Study of the Responsive Deception for Spaceborne SAR[J]. Electronic Information Warfare Technology, 2004,19(2):23-26. (in Chinese)

[13] CURLANDER J C，ROBERT N M. 合成孔徑雷達(dá)-系統(tǒng)與信號(hào)處理[M].韓傳釗,譯.北京：電子工業(yè)出版社,2006：104-143.

[14] CUMMING L G.，WONG F H.合成孔徑雷達(dá)成像：算法與實(shí)現(xiàn)[M].洪文，胡東輝，等譯.北京：電子工業(yè)出版社 2007：34-86.

[15] 張澄波.綜合孔徑雷達(dá)原理系統(tǒng)分析與應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社,1989：50-98.

[16] 李家春.周顯初.數(shù)學(xué)物理中的漸近方法[M].北京:科學(xué)出版社,1998:103-150.