干擾合成孔徑雷達(dá)的時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾模式研究

黃洪旭，周一宇

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004;2.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)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)的高分辨率、全天候、大范圍的成像特性，對(duì)地面重要軍事和民用目標(biāo)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［1］。因此SAR 對(duì)抗技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)。由于保密等原因，國(guó)外在SAR 干擾方面研究的公開(kāi)報(bào)道不多，相關(guān)報(bào)道主要集中在國(guó)內(nèi)一些科研院校［2-7］。

一般將SAR 干擾信號(hào)分為非相干干擾、部分相干干擾和相干干擾。其中，部分相干干擾由于可獲得SAR 信號(hào)處理增益，具有介于非相干干擾(如噪聲干擾)和相干干擾(如欺騙干擾)之間的干擾特性，因此得到了廣泛的重視。

目前的部分相干干擾信號(hào)，其SAR 成像要么為線目標(biāo)不具備區(qū)域目標(biāo)覆蓋能力，如只保留脈內(nèi)相位特性的常規(guī)移頻干擾［8］和轉(zhuǎn)發(fā)干擾［2］;或者雖然可實(shí)現(xiàn)區(qū)域目標(biāo)覆蓋，但又存在因干擾參數(shù)失配帶來(lái)的干擾功率損失，如調(diào)頻率失配脈間去相干干擾［9］存在調(diào)頻率失配，隨機(jī)移頻干擾［10］存在干擾頻率失配等。

為此，本文研究了轉(zhuǎn)發(fā)干擾中轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化的情況，并提出了一種新的部分相干干擾信號(hào):時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾。文中對(duì)新的干擾信號(hào)進(jìn)行了理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，并與其他干擾進(jìn)行了比較。

1 時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理

1.1 干擾信號(hào)形式

假設(shè)SAR 發(fā)射的信號(hào)形式為

式中:a(τ)為信號(hào)包絡(luò)，通常為矩形包絡(luò);f0為發(fā)射中心頻率;kr為線性調(diào)頻斜率;T 為信號(hào)脈寬。

不失一般性，本文只討論當(dāng)前脈沖周期主瓣轉(zhuǎn)發(fā)的情況。干擾機(jī)在接收到SAR 信號(hào)后，在SAR主波束照射的不同脈沖重復(fù)周期，以不同的時(shí)間延遲量實(shí)施轉(zhuǎn)發(fā)干擾。記這個(gè)脈間變化的時(shí)延為

式中:τd0為固定時(shí)間延遲，其應(yīng)不小于干擾機(jī)的最小反應(yīng)延遲;τξ(t)為脈間隨機(jī)變化的時(shí)延變量，設(shè)τξ(t)變化的時(shí)間范圍為［τ1，τ2］.

在SAR 接收端，去載頻后SAR 成像處理前干擾的信號(hào)形式可表示為

上式的干擾信號(hào)可稱為隨機(jī)時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)干擾。其可形成條狀或帶狀干擾成像，干擾性能與τξ(t)變化的時(shí)間范圍有關(guān)。若τ2-τ1＞T，其干擾性能不如噪聲干擾;若τ2-τ1＜T，則可獲得優(yōu)于噪聲的干擾性能。

當(dāng)τ2-τ1＜T 時(shí)，τξ(t)在一個(gè)不大于信號(hào)脈寬的一個(gè)微小的時(shí)間范圍內(nèi)隨機(jī)變化。這時(shí)的隨機(jī)時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)本文稱為時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾。其干擾信號(hào)形式仍然如(3)式所示。

顯然，時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾是隨機(jī)時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)干擾的一種特殊情況。

1.2 干擾的SAR 成像輸出

如圖1，在Range-Doppler 成像算法中，距離向和方位向分別對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)獨(dú)立進(jìn)行壓縮處理，概念清晰，非常適合用于時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的理論分析。

圖1 Range-Doppler 成像算法流程Fig.1 Range-Doppler algorithm

1.2.1 距離壓縮

(3)式的干擾信號(hào)經(jīng)距離壓縮后的輸出形式可表示為

式中:b(τ)為經(jīng)距離壓縮處理所得信號(hào)包絡(luò)，通常a(τ)為矩形包絡(luò)，故b(τ)為sinc 函數(shù)。

1.2.2 距離遷移校正

距離壓縮處理后，SAR 需要通過(guò)距離遷移校正來(lái)消除目標(biāo)回波信號(hào)的耦合，即將距離壓縮后包絡(luò)函數(shù)b(·)中的R(t)變?yōu)槌Ａ康睦走_(dá)目標(biāo)距離R0.

對(duì)于(4)式的干擾信號(hào)來(lái)說(shuō)，距離遷移校正將干擾信號(hào)包絡(luò)中的Rj(t)校正為常量的雷達(dá)干擾距離Rj0，那么經(jīng)距離遷移后的干擾信號(hào)可近似表示為

可見(jiàn)，不同t 時(shí)刻，干擾信號(hào)的尖峰位于不同的距離分辨單元，如圖2所示。

圖2(a)為距離遷移校正后干擾的灰度圖像。橫向?yàn)榫嚯x向，縱向?yàn)榉轿幌?。圖中不同的白點(diǎn)對(duì)應(yīng)于不同方位向采樣時(shí)刻下干擾信號(hào)尖峰的成像。

圖2(b)為在若干方位向采樣時(shí)刻，經(jīng)距離遷移校正后輸出的干擾信號(hào)。右側(cè)軸對(duì)應(yīng)距離向，左側(cè)軸對(duì)應(yīng)方位向。由該圖可以清楚看到，干擾的尖峰位于不同的距離向分辨單元。

圖2 經(jīng)距離遷移校正后的成像和信號(hào)Fig.2 Jamming simulation imaging and signal samplings after through range migration correction processing

1.2.3 方位壓縮

根據(jù)式(5)，經(jīng)距離壓縮和距離遷移校正后的干擾信號(hào)，存在隨機(jī)變化的相位項(xiàng)Φ(t)=2πf0τξ(t).由于該隨機(jī)相位的影響，并不能得到方位向壓縮后干擾的最終信號(hào)形式。但干擾輸出結(jié)果是可以分析的。

由于τξ(t)變化的時(shí)間范圍為［τ1，τ2］且τ2-τ1≤T，故Φ(t)的變化范圍為［0，2πf0T］.由于f0T ＞1，可知Φ(t)在［0，2π］內(nèi)隨不同的t 隨機(jī)變化，干擾信號(hào)的方位向線性調(diào)頻特性遭到破壞。因此SAR 對(duì)干擾信號(hào)的方位向壓縮處理為非相干處理。經(jīng)SAR 方位向壓縮處理后，干擾最終輸出的功率將沿方位向平滑分布到整個(gè)方位向處理的時(shí)間窗上。

由于方位壓縮處理前干擾峰值隨機(jī)分布在不同的距離向分辨單元，τξ(t)的隨機(jī)變化范圍又被限定為不大于SAR 的信號(hào)脈寬，經(jīng)SAR 成像處理后，干擾的的輸出成像為一個(gè)似噪條帶，其距離向?qū)挾燃s為τξ(t)的變化范圍，方位向?qū)挾葎t為整個(gè)方位向處理的時(shí)間窗，如圖3陰影部分。

圖3 干擾成像示意圖Fig.3 Jamming imaging output schematic diagram

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 干擾的成像

下面采用表1的SAR 參數(shù)，設(shè)定τd0=T/8，τ1=0，τ2=T/4，時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的SAR 成像輸出如圖4所示，與圖3分析得到的示意圖一致，證明了前面分析的正確性。

表1 某型機(jī)載SAR 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)Tab.1 Experiment prototype parameters of airplane SAR

2.2 距離向干擾寬度驗(yàn)證

表2給出了干擾條帶沿距離向?qū)挾鹊睦碚撝蹬c仿真值，二者基本相等，表明前面分析是正確的。

2.3 隨機(jī)量τξ(t)取值規(guī)律的影響

在不同的脈沖重復(fù)周期，τξ(t)在時(shí)間范圍［τ1，τ2］中隨機(jī)取值。其取值規(guī)律一般為均勻分布，此時(shí)對(duì)應(yīng)的概率密度函數(shù)為

τξ(t)也可以為其他概率分布函數(shù)，如(μ，σ)上的高斯分布。高斯分布對(duì)應(yīng)的概率密度函數(shù)為

圖4 干擾的仿真成像Fig.4 Simulation imaging of the proposed interference

表2 干擾條帶寬度的理論值與仿真值Tab.2 Theoretical and simulation values of the jamming swath width in fast time domain

圖5給出了在時(shí)延隨機(jī)量取值規(guī)律分別為均勻分布和高斯分布下，干擾的SAR 成像沿距離向的幅度均值(仿真100 次)。由圖可知，在合成孔徑時(shí)間內(nèi)，干擾成像沿距離向的強(qiáng)度分布與時(shí)延隨機(jī)量τξ(t)的取值規(guī)律一致。因此干擾方可以根據(jù)待掩護(hù)目標(biāo)沿距離向的RCS 強(qiáng)弱分布，構(gòu)造τξ(t)的概率分布函數(shù)，以在RCS 強(qiáng)的距離向分辨單元內(nèi)獲得更高的干擾功率，從而提高干擾效率。

圖5 時(shí)延隨機(jī)量取值規(guī)律的影響Fig.5 Influence of the time delay variable distribution on jamming output signal amplitude

2.4 對(duì)分布目標(biāo)的干擾成像

圖6給出了時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)分布式目標(biāo)的干擾情況。圖6(a)為無(wú)干擾下分布式目標(biāo)的成像，其中被白色圓圈所圈住的區(qū)域?yàn)榇谧o(hù)目標(biāo)區(qū)域。圖6(b)為時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾下的成像情況。在JSR=5 dB 時(shí)，時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)遮蓋。而若采用噪聲干擾，達(dá)到相同干擾效果需要的JSR 約為15 dB，如圖6(c).

圖6 分布式目標(biāo)的干擾成像仿真Fig.6 Jamming simulation for distributed targets

2.5 與其它部分相干干擾的比較

時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾(TDIJ)、脈間去相干隨機(jī)移頻干擾(INRSF)和調(diào)頻率失配脈間去相干干擾(SMIN)對(duì)SAR 的干擾成像輸出都是距離向占據(jù)一定寬度的條帶，但后2 種干擾都存在參數(shù)失配，因此存在干擾損失。圖7為3 種干擾信號(hào)的平均干擾輸出功率的比較。圖中橫坐標(biāo)為距離向干擾寬度與信號(hào)脈寬的比值。顯然，在相同的距離向干擾寬度下，時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾具有更高的干擾輸出功率，優(yōu)于其他2 種干擾。

圖7 3 種同類(lèi)部分相干干擾的比較Fig.7 Comparison of three partly coherent jamming styles of the same kind

3 結(jié)論

本文研究考慮了在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)干擾脈沖的情況。作為一種基本的干擾信號(hào)，時(shí)延脈間抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾還可以通過(guò)多種手段形成復(fù)合SAR 干擾信號(hào)，以獲得更好的干擾效果。

研究表明，本文提出的干擾模式，可以獲得SAR 距離向匹配處理增益并不存在距離向的參數(shù)失配，干擾輸出為干擾條帶可以用于掩護(hù)區(qū)域目標(biāo)，具有優(yōu)于噪聲和同類(lèi)干擾的干擾特性。由于該干擾模式是通過(guò)改變不同脈沖重復(fù)周期中的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延來(lái)實(shí)現(xiàn)的，普通的轉(zhuǎn)發(fā)干擾機(jī)就能實(shí)施。因此其非常易于實(shí)現(xiàn)。

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