對SAR噪聲壓制干擾仿真與干擾效果評估

徐聲海，周傳晟，許炎義

（1.海軍駐揚州723所軍事代表室，揚州225001；2.海軍工程大學(xué)，武漢430033）

0 引 言

合成孔徑雷達是一種二維成像雷達。它利用合成孔徑技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)，以真實的小孔徑天線獲得距離向和方位向的高分辨率遙感圖像［1］。SAR已成為軍事偵察的重要手段，是當(dāng)前電子對抗研究的一個熱點。干擾效果是衡量干擾模式有效性以及雷達干擾設(shè)備性能的一項重要綜合性指標。定量的評估干擾效果對實戰(zhàn)、試驗和電子對抗裝備的研究都十分重要［2］。但是SAR干擾效果的評估具有很大的不確定性，評估難度相當(dāng)大。國外對SAR干擾效果評估的研究很少有公開報道，國內(nèi)對此研究的理論成果也十分有限。

本文把等效視數(shù)的概念引入對SAR干擾效能的評估，得出了SAR壓制干擾效果的定量評估方法，采用此辦法對2種壓制性干擾噪聲的干擾仿真結(jié)果進行了定量的評估，對其干擾的有效性進行了比較，并得出了結(jié)論。

1 基于等效視數(shù)的干擾效果評估方法

1.1 圖像的相似度

SAR圖像是地面對電磁輻射的后向反射系數(shù)的反映，反射特性相同或相近的地表物體在雷達圖像上表現(xiàn)為灰度相同或相近的圖像。可以利用干擾前后SAR圖像灰度的變化情況來判斷干擾對圖像的影響情況，評估干擾對圖像的干擾效果。目前較為常用的基于圖像相似度的評估準則包括相關(guān)系數(shù)準則、等效視數(shù)準則和歐幾里得空間距離等。

1.2 等效視數(shù)評估準則

等效視數(shù)（ENL）是衡量一幅圖像斑點噪聲相對強度的一種指標，它是圖像評估最常用的標準，其定義為［3］：

式中：μ為圖像灰度統(tǒng)計均值；σ2為圖像灰度方差。

圖像均值是指整個圖像的平均強度，即圖像所包含的平均后向散射系數(shù)。圖像方差代表了圖像區(qū)域所有點偏離均值的程度，反映了圖像的不均勻性。噪聲干擾的情況下，圖像均值等于原有值和輸出噪聲均值的和，隨著噪聲功率的增加而變大。圖像方差隨著噪聲功率的增加將不斷逼近輸出噪聲的方差，輸出圖像也不斷向隨機圖像逼近。

分別表示兩幅圖像的灰度，其中f（xi，yj），g（xi，yj）分別為圖像F、圖像G中各點的灰度值，m、n分別為圖像矩陣的行數(shù)和列數(shù)。

圖像F的灰度統(tǒng)計均值和方差可以表示如下：

同樣，圖像G的灰度統(tǒng)計均值和方差為：

由此可以得到圖像F和G的等效視數(shù)為：

等效視數(shù)ENL體現(xiàn)了圖像灰度的對比度，ENL越大圖像對比度越小，整體圖像就越顯得模糊不清，若取圖像F和G分別為干擾前后同一目標的兩幅圖像，則兩者的等效視數(shù)差ΔENL才真正體現(xiàn)了干擾對圖像作用的效果［4］：

對于同一種干擾方式來說，ΔENL越小，表明受到的干擾越小，受干擾圖像就越接近真實圖像。對于2種不同的干擾樣式來說，如果滿足ΔENL1＞ΔENL2，就可以認為干擾樣式1的干擾效果優(yōu)于干擾樣式2。

2 SAR噪聲壓制干擾仿真

2.1 噪聲干擾信號模型

（1）噪聲調(diào)頻信號

調(diào)頻噪聲干擾是目前應(yīng)用最多的一種壓制干擾信號形式，它具有寬的干擾帶寬和較大的噪聲功率，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?，還可以獲得在干擾帶寬范圍內(nèi)較均勻的功率譜。其信號的表達式為：

式中：u（t）為零均值的高斯噪聲；Φ為相位函數(shù)在［0，2π］內(nèi)均勻分布且與u（t）相互獨立的隨機變量；u0（t）為信號幅度；載頻wj為常數(shù)；KFM為調(diào)頻斜率。

（2）射頻噪聲信號

射頻噪聲的平均功率遠低于峰值功率，同時微波器件產(chǎn)生的噪聲功率電平太低，難以對其作微波功率放大，實際中很少得到應(yīng)用。本文也將其作為噪聲壓制干擾的一種，與幾種干擾樣式進行比較并作為干擾效果計算的基礎(chǔ)。

射頻噪聲可由理想的高斯白噪聲通過一個帶限的功率放大器得到，為一窄帶高斯過程。其信號模型為：

包絡(luò)函數(shù)un（t）服從瑞利分布，相位函數(shù)Φ滿足 ［0，2π］均勻分布，且與un（t）互相獨立，載頻wj為常數(shù)，遠大于J（t）譜寬。

2.2 仿真參數(shù)和流程

仿真用實測數(shù)據(jù)來自加拿大航天局RADRSAT－1衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)。成像處理方式采用距離－多普勒（RD）算法。雷達系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 雷達系統(tǒng)的主要參數(shù)

SAR壓制干擾效果評估仿真流程如圖2所示［5］。

圖1 SAR壓制干擾效果評估仿真流程圖

仿真中，假設(shè)干擾機位置固定在SAR照射條帶內(nèi)，雷達運動過程中干擾機天線主瓣始終對準雷達的方向，噪聲干擾帶寬設(shè)置為50MHz，使干擾頻帶占據(jù)了雷達整個帶寬。

仿真采用的干信比（JSR）公式為：

式中：PJ為干擾信號的平均功率；Ps為目標回波平均功率。

需要指出的是，以上計算的JSR是指雷達接收機輸入端接收到的干擾信號與目標回波信號功率之比。

2.3 SAR壓制干擾仿真結(jié)果

把不同干信比的射頻干擾信號加入到回波數(shù)據(jù)中，成像后得到的干擾圖像如圖2所示。

圖2 不同干信比射頻干擾信號加入回波數(shù)據(jù)中的干擾圖像

把不同干信比的噪聲調(diào)頻干擾信號加入到回波數(shù)據(jù)中，成像后得到的干擾圖像如圖3所示。

由圖可知，干信比為20dB時，目標雖然受到了干擾，還可分辨；干信比為30dB時，目標圖像受到嚴重破壞；干信比為40dB時，目標圖像基本被噪聲所覆蓋，無法分辨和判讀任何有價值的目標信息。

圖3 不同干信比的噪聲調(diào)頻干擾信號加入到回波數(shù)據(jù)中的干擾圖像

3 定量的干擾效果評估

以射頻噪聲和噪聲調(diào)頻2種干擾模式分別對SAR進行干擾仿真，按公式（8）計算不同干信比下2種干擾圖像與真實圖像之間的等效系數(shù)差，2種干擾模式的等效系數(shù)差隨干信比變化的關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨著干信比的增大，干擾前后的等效視數(shù)差越來越大，按等效視數(shù)評估準則可得出，相同干信比的條件下，射頻噪聲的干擾效果要好于調(diào)頻噪聲。從圖中可以看出隨著干信比的增加，2條曲線的等效視數(shù)差越來越大，當(dāng)達到一定干信比后，目標受到嚴重干擾，等效視數(shù)差曲線趨于平坦。

圖4 等效視數(shù)差曲線

4 結(jié)束語

本文介紹了2種針對SAR的噪聲壓制干擾樣式，并進行了計算機仿真和干擾效果評估。結(jié)果表明，采用等效視數(shù)的干擾效果評估方法可以獲得定量的評估結(jié)論，對SAR采用射頻噪聲壓制干擾相對于調(diào)頻噪聲來說是一種較好的干擾樣式。

［1］保錚，刑孟道，王彤，等.雷達成像原理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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