干涉式合成孔徑雷達干擾方法研究

賈 麗,賈 鑫,尹燦斌,王 威

(裝備指揮技術(shù)學院光電裝備系,北京 101416)

0 引言

干涉式合成孔徑雷達(INSAR)以SAR復數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源獲取地表的三維信息及變化信息,具有全天時、全天候的特點,在地形測繪、軍事偵察、武器系統(tǒng)精確制導等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1-2]。本文首先論證了對干涉式合成孔徑雷達實施干擾的可行性,通過分析和仿真,得出彈射式干擾能有效對抗INSAR的結(jié)論。

1 INSAR原理[3]

以單航過、雙天線測高INSAR為例,它通過兩副天線同時獲取同一地面區(qū)域的復圖像對,利用目標與兩副天線的不同幾何關(guān)系在復圖像上產(chǎn)生的相位差,形成干涉紋圖,并根據(jù)這些“指紋”特征得到地形的高度信息。它的基本原理如圖1所示。

圖1 INSAR成像原理圖

在單航過、雙天線工作模式下,假設(shè)干涉基線與飛行方向垂直且干涉SAR正側(cè)視工作并由天線1發(fā)射信號,而兩部天線同時接收回波?；夭ㄐ盘柕南辔徊钆c天線的空間幾何關(guān)系和地面點相對于參考平面的高度Z有關(guān)。根據(jù)圖1的空間幾何關(guān)系,對由1、2天線接收到的信號得的SAR圖像對進行處理,即可形成干涉相位圖。

干涉相位圖每一點的相位φ與回波傳輸?shù)穆窂讲町惁成正比,并且具有恒定的比率2π/λ。兩幅復圖像的相位差可表示為:

因此有:

根據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系:

可以將雷達波束側(cè)視角表達為斜距、干涉基線等的函數(shù):

再利用高程表達式:

可求出所測區(qū)域的高程信息。

2 對INSAR實施干擾的可行性分析

INSAR可看作SAR的一種工作模式。它對滿足一定時間相關(guān)性、空間相關(guān)性以及相位相關(guān)性的SAR圖像對進行處理,提取SAR圖像對的相位差異來獲得所觀測目標區(qū)域的高程信息。由于INSAR處理的數(shù)據(jù)來源是SAR成像系統(tǒng),而對SAR干擾方法的研究是目前國內(nèi)外比較熱門的領(lǐng)域,取得的研究成果也比較多。由于SAR很容易受到干擾,對受到干擾的SAR圖像對進行干涉處理時,干擾信息可能被保留在相位信息里,從而使獲得的高程信息與觀測區(qū)域的真實高程信息存在差異,因此對INSAR實施干擾是可行的。

盡管INSAR與SAR關(guān)系緊密,但是INSAR成像技術(shù)具有特殊性,使得對SAR的干擾與對INSAR的干擾存在著差異:SAR的干擾效果在單視復圖像上就能表現(xiàn)出來,并且對SAR干擾效果的分析在單視復圖像上就可以進行,而INSAR成像技術(shù)處理的是SAR圖像對,它利用的是相位信息,單視復圖像并不能體現(xiàn)出干擾的效果,因此,兩者受干擾影響的表現(xiàn)途徑是不同的;INSAR是對目標區(qū)域地形的成像,最終獲得的是目標區(qū)域地形起伏的高程信息,所以對SAR有效的干擾方法不一定對INSAR有效,但是只要干擾能夠產(chǎn)生虛假的“指紋”特征,就可能實現(xiàn)對INSAR的干擾。

綜上所述,對INSAR實施干擾是可行的,采取適當?shù)母蓴_方式就可以破壞其對觀測區(qū)域真實地形的準確成像,使其不能獲得正確的地形高程信息。

3 干擾對INSAR的影響分析

由于INSAR最重要的信息是復圖像對的相位差,只要相位差受到了影響,INSAR成像就一定會受到影響。在研究干擾對INSAR產(chǎn)生的影響時,只要得到相位解纏后的相位圖即可判斷干擾效果,因此,本文給出的處理結(jié)果止于解纏后的相位圖,限于本文的主旨及篇幅,這里不再就INSAR的相關(guān)處理算法進行詳細描述,僅簡單地給出處理流程[4]如圖2所示。

圖2 INSAR的仿真處理流程

通過分析可知,在不考慮目標散射特性變化及處理誤差的情況下,未受干擾時INSAR的兩副天線收到的信號可以表示為:

式中Δφt(x,y)表示兩天線所接收目標復圖像信號的相位差。由于采用了單發(fā)雙收的工作模式,此值與兩天線位置到目標區(qū)域的路徑差有關(guān):

式中,k=2π/λ為電波傳播波數(shù),rt1和rt2分別代表兩副天線到目標的距離。

當SAR受到常規(guī)直達式干擾時,兩天線收到的干擾信號的相位差為φjz,其表達式為:

式中rsj1和rsj2分別代表INSAR的兩副天線到干擾機的距離,而?為干擾信號的相位調(diào)制引入的相位誤差。

當SAR受到彈射式干擾[5](其原理如圖1所示)時。兩天線所接收的信號中不僅有目標對SAR發(fā)射信號的后向散射,且包含了目標對干擾信號的散射波或經(jīng)目標散射又被干擾機接收并直接轉(zhuǎn)發(fā)給SAR接收機的信號,干擾信號中總是具有與真實目標回波相似的信號分量。記兩天線收到的與真實目標回波相似的干擾信號相位差為φj,其表達式總可以表示為:

式中,rjt代表干擾機到目標的距離,而rsj則代表INSAR的發(fā)射天線到干擾機的距離。

對比(7)、(8)及(9)式可知,常規(guī)直達式干擾對INSAR產(chǎn)生的干涉相位與真實回波的干涉相位差異較大,而且當采用常規(guī)的噪聲壓制干擾時,受?的影響,干涉相位之間的差異會更大,經(jīng)INSAR成像處理后只能形成隨機性很強的類似相位噪聲的效果,并在干涉相位去噪的過程中被抑制掉。因此,在干擾功率較低的情況下,它們并不足以改變地形的“指紋”特征,導致其干擾效果非常有限。采用普通的彈射式干擾(干擾機在轉(zhuǎn)發(fā)信號的過程中不對信號進行調(diào)制)時則完全不同,干擾引入的干涉相位與真實目標回波引起的干涉相位形成原理相同,經(jīng)過成像處理后,這些干涉相位能夠形成具有一定“指紋”特征的虛假信息,從而改變真實地形的“指紋”特征,形成對INSAR的有效干擾。

采用常規(guī)的彈射式干擾技術(shù)時,兩天線所接收的干擾信號相位差與真實目標回波相位差非常相似,它們都與天線到目標區(qū)域的路徑差有關(guān),并且隨著天線的位置及目標區(qū)域地型的變化而發(fā)生變化。此時,干擾信號可以表達為:

因此,兩天線所接收到的信號表達為:

故兩天線接收信號的比值為:

式中Rj/t=Aj(x,y)/At(x,y)是干擾-信號比。

由式(12)可以看出,當沒有受到干擾或者干擾極弱時(Rj/t?1),兩信號比值近似為exp[jΔφt(x,y)],INSAR可進行正常的高程測繪;當接收的干擾信號與目標信號電平相當時(Rj/t≈1),最后所獲得高程信息是真實目標高程信息與虛假高程信息的疊加;當遭受到嚴重干擾時(Rj/t?1),兩信號比值接近exp[j Δφj(x,y)],此時干擾信號相位差占據(jù)了干涉相位的主導地位,經(jīng)過INSAR處理得到的高程信息與目標區(qū)域真實的高程信息差異巨大,即INSAR在進行高程信息的測量時已經(jīng)完全被干擾了。

4 仿真試驗及分析

為了使結(jié)果更易于比較,設(shè)計了如圖3所示的目標區(qū)域,仿真試驗的參數(shù)設(shè)置如表1所示,而仿真結(jié)果如圖4～6所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖3 目標區(qū)域原始高程信息

仿真結(jié)果表明,純噪聲壓制干擾可能有效地干擾SAR成像,但對INSAR的干擾效果有限。相位解纏后的干涉相位在干擾前后取值范圍明顯地發(fā)生了變化,盡管這種純噪聲干擾引起的變化能夠在一定程度上影響INSAR系統(tǒng)對地形高程的提取,使地形高度出現(xiàn)偏差,但它并不足以改變地形的特征,因為干擾前后相關(guān)的地形“指紋”仍然非常相似,并沒有發(fā)生根本性的變化。然而在彈射式干擾的影響下,最終所得到的高程信息與原地形的高程信息存在比較大的差異,甚至已經(jīng)與原始的地形信息完全不一致了,說明彈射式干擾能夠有效地干擾INSAR。這與前面的分析結(jié)果非常吻合。

5 結(jié)束語

干涉式合成孔徑雷達是合成孔徑雷達的新發(fā)展,兩者之間有著緊密的聯(lián)系也有著一定的差別,經(jīng)過分析,對干涉式合成孔徑雷達進行有效干擾是可行的,但是其干擾方法有別于對合成孔徑雷達的干擾方法。

單航過測高干涉式合成孔徑雷達對地面固定的直達式干擾站的欺騙干擾具有抗干擾性能[6],但是彈射式干擾可以有效地對其獲取觀測區(qū)域地形高程信息進行干擾,為了達到更好的干擾效果,還可以在轉(zhuǎn)發(fā)信號的過程中進行調(diào)制,也可使干擾機按照一定的路徑運動起來。這些都是下一步研究的重點。

通過計算仿真表明,常規(guī)的彈射式干擾對INSAR是非常有效的。并且彈射式干擾的功率需求并不大,這一點相對于常規(guī)噪聲干擾或直達式轉(zhuǎn)發(fā)干擾而言,優(yōu)勢非常明顯。此外,還應該引起注意的是,INSAR處理的前提是能夠獲取配準度極高的單視復圖像對。當常規(guī)噪聲干擾功率非常高時,INSAR系統(tǒng)很可能根本完成不了圖像配準,更談不上后續(xù)的干涉處理了。此時,INSAR的使用者很可能拋棄該數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)而利用別的數(shù)據(jù),因而就談不上對敵方的干擾了;而采用彈射式干擾時,情況完全不同,極具迷惑特征的干擾效果并不影響INSAR系統(tǒng)對單視復圖像對的配準,因而INSAR的使用者很容易會被其得到的虛假信息迷惑,從而達到對敵方實施干擾的目的。

綜上所述,彈射式干擾確實能夠?qū)NSAR系統(tǒng)形成較好的干擾效果?！?/p>

[1] 王秋生.星載干涉SAR圖像處理技術(shù)研究[D].中科院計算技術(shù)研究所博士后研究工作報告,2004.

[2] 周曉群.精確制導武器技術(shù)和發(fā)展趨勢[J].艦船電子對抗,2001(5):12-18.

[3] 王超,等.星載合成孔徑雷達干涉測量[M].科學出版社,2002.

[4] 蘇世龍,孫希龍,余安嘉.利用InSAR生成DEM技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科技信息,2009(9):72-73.

[5] 甘榮兵,王建國,何川.對合成孔徑雷達的彈射式干擾性能分析[J].信號處理,2003,19(增刊):382-385.

[6] 唐波,王衛(wèi)廷.干涉合成孔徑雷達抗干擾性能分析[J].電子與信息學報,2006,28(10):1810-1812.