SAR散射波干擾信號(hào)生成及干擾效果分析

王 迪，瞿福琪，焦均均

（1.解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥230037；2.武漢軍械士官學(xué)校，湖北 武漢430075）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)（SAR）技術(shù)受到軍事需求的牽引和科技進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)，發(fā)展迅速［1］。SAR 的大范圍高精度的成像能力和制導(dǎo)能力對(duì)被偵察對(duì)象構(gòu)成了很大威脅，已成為多種武器平臺(tái)的重要傳感器，在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中的作用舉足輕重。為了更好地隱蔽己方重要目標(biāo)、保存己方部隊(duì)，就必須對(duì)敵方SAR 實(shí)施有效的干擾。本文針對(duì)SAR 的散射波干擾方式，討論如何生成干擾信號(hào)，分析并仿真兩種不同的干擾效果。

1 散射波干擾概述

1.1 散射波干擾原理

SAR 的散射波干擾與直達(dá)波的欺騙干擾不同，它不直接向雷達(dá)發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)，而是接收SAR 發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，并形成干擾相參脈沖串，將其投射到有干擾地物信息的區(qū)域，經(jīng)地物散射以后形成地物干擾回波，與原始回波信號(hào)混合在一起被SAR 接收，從而破壞SAR 對(duì)目標(biāo)地物的識(shí)別，如圖1所示。

圖1 干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)SAR 信號(hào)散射波干擾示意圖

1.2 散射波干擾信號(hào)數(shù)學(xué)模型

由圖1可見，若SAR 到干擾機(jī)的距離為Rsj（t），干擾機(jī)到干擾地物的距離為Rjt，虛假地物到SAR 的距離為Rts（t），SAR 的高度為Hs，方位向坐標(biāo)Xs為（vt-Xo），干擾機(jī)的高度為Hj，坐標(biāo)為（Xj，Yj），虛假點(diǎn)目標(biāo)坐標(biāo)為（Xt，Yt），則：

干擾信號(hào)的傳播路徑為：

則SAR 信號(hào)傳播的總時(shí)延為：

通過點(diǎn)目標(biāo)散射，SAR 接收到回波并去載頻后的信號(hào)為：

將式（1）和（3）代入式（4），單點(diǎn)的散射波干擾信號(hào)為：

則N×M 點(diǎn)的地物散射波干擾信號(hào)可表示為［2］：

2 散射波干擾效果分析

散射波干擾方式中，SAR 信號(hào)的傳播路徑有所改變，從雷達(dá)到干擾機(jī)，從干擾機(jī)到干擾地物，再從干擾地物返回雷達(dá)。相對(duì)于原始回波，路徑的變化使地物的散射干擾回波與匹配濾波器之間存在多普勒參數(shù)失配，使其可以對(duì)SAR 的原始回波圖像產(chǎn)生干擾，并且干擾效果取決于兩者之間的多普勒參數(shù)失配程度。

散射干擾回波與SAR 接收機(jī)的匹配濾波器之間的多普勒失配，使得經(jīng)處理后的輸出存在以下兩個(gè)問題：距離徙動(dòng)和二次相位誤差［3］，所以SAR 在回波處理時(shí)應(yīng)遵循兩個(gè)準(zhǔn)則：距離徙動(dòng)準(zhǔn)則和聚焦深度準(zhǔn)則。

2.1 距離徙動(dòng)準(zhǔn)則

散射波干擾幾何關(guān)系平面圖如圖2所示。

圖2 散射波干擾幾何關(guān)系平面圖

分析圖2，散射波干擾時(shí)的距離徙動(dòng)可表示為：

當(dāng)t為0 時(shí)，有最大距離徙動(dòng)（因?yàn)閄s（0）＜Xs（Ts），所以t為Ts，也即t為Ls／v時(shí)舍棄）：

由多普勒參數(shù)失配產(chǎn)生的干擾回波距離徙動(dòng)ΔR（t）降低了方位聚焦，在合成孔徑時(shí)間內(nèi)的最大距離徙動(dòng)不超過半個(gè)距離分辨單元ρr 時(shí)，可忽略距離徙動(dòng)對(duì)輸出的誤差影響［4］，則距離徙動(dòng)準(zhǔn)則表示為：

將Rjt、Ro和ΔRmax代入式（9），即得：

由式（10）可見，通過計(jì)算可得到干擾圖像的距離向和方位向坐標(biāo)（Xt，Yt）位置的信息，即為距離徙動(dòng)準(zhǔn)則的判斷條件。

2.2 聚焦深度準(zhǔn)則

散射波干擾時(shí)的距離誤差可表示為：

由圖2中的幾何關(guān)系可知，最大距離誤差Δdmax在SAR 軌跡上合成孔徑長度兩端點(diǎn)處，即t為0，或t為Ts即Ls／v處，有：

則最大二次相位誤差為：

又因?yàn)長s為（λRo／2ρa(bǔ)）［4］，其中ρa(bǔ) 為方位向分辨單元，所以式（13）可表示為：

因多普勒頻帶邊緣失配產(chǎn)生的二次相位誤差Δφ（t）使輸出結(jié)果散焦，當(dāng)最大二次相位誤差小于π／4時(shí)，可忽略調(diào)頻率失配對(duì)聚焦質(zhì)量的誤差影響，所以聚焦深度準(zhǔn)則可表示為：

3 散射波干擾仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由上述距離徙動(dòng)準(zhǔn)則和聚焦深度準(zhǔn)則可知，當(dāng)多普勒失配同時(shí)滿足這兩個(gè)準(zhǔn)則時(shí)，干擾目標(biāo)得到完全的匹配處理，此時(shí)散射波干擾為虛假圖像欺騙干擾。隨著多普勒失配程度的增大，干擾圖像的質(zhì)量將會(huì)下降，當(dāng)同時(shí)不滿足兩個(gè)準(zhǔn)則時(shí)，散射波干擾則變?yōu)樯⒔箞D像壓制干擾。所以，散射波干擾的效果有如下三種：1）虛假圖像欺騙干擾；2）虛假圖像欺騙干擾和散焦圖像壓制干擾；3）散焦圖像壓制干擾［3］。不同干擾效果作用區(qū)域如圖3所示。

圖3 不同干擾效果作用區(qū)域

此處需說明的是，干擾機(jī)的坐標(biāo)設(shè)定會(huì)影響不同干擾效果的作用區(qū)域。為驗(yàn)證上述散射波干擾理論的準(zhǔn)確性，下面將根據(jù)該理論，針對(duì)不同的干擾效果分別進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)和面目標(biāo)散射波干擾仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 虛假圖像欺騙干擾效果

當(dāng)干擾回波同時(shí)滿足距離徙動(dòng)準(zhǔn)則和聚焦深度準(zhǔn)則時(shí)，干擾效果為虛假圖像欺騙干擾。多個(gè)隨機(jī)點(diǎn)目標(biāo)地物散射波成像如圖4所示。

圖4 點(diǎn)目標(biāo)（隨機(jī)10個(gè)點(diǎn)）散射波干擾

從圖4可以看出，由于點(diǎn)目標(biāo)地物只有單一的后向散射系數(shù)，所以其干擾效果與直達(dá)波的點(diǎn)目標(biāo)欺騙干擾效果相近。面目標(biāo)地物散射波在原始回波成像中的干擾成像如圖5所示。

圖5 面目標(biāo)地物散射波虛假圖像欺騙干擾

從圖5左上角可見，由于面目標(biāo)地物的散射波包含較豐富的地物后向散射信息，并且該散射地物與被干擾地域距離較近，在SAR 回波成像中的平均后向散射系數(shù)也比較近似，因此虛假圖像可與周圍地物圖像更好地融合。

3.2 散焦圖像壓制干擾效果

當(dāng)干擾回波同時(shí)不滿足距離徙動(dòng)準(zhǔn)則和聚焦深度準(zhǔn)則時(shí)，干擾效果為散焦圖像壓制干擾。散射波散焦的點(diǎn)目標(biāo)如圖6所示。

圖6 散射波散焦點(diǎn)目標(biāo)干擾

從圖6可見，由于干擾回波不滿足距離徙動(dòng)準(zhǔn)則和聚焦深度準(zhǔn)則，所以干擾點(diǎn)在方位向和距離向上均產(chǎn)生了一定程度的畸變，成像效果下降。散射波散焦圖像壓制干擾如圖7所示。

圖7 散射波散焦圖像壓制干擾

散射波在原始目標(biāo)成像中產(chǎn)生了一個(gè)散焦面目標(biāo)。從圖7右下角可見，該散焦圖像是由若干個(gè)畸變的散焦點(diǎn)組成的，它在原始目標(biāo)成像中的干擾效果類似于局部噪聲壓制干擾。不同的是，由于是相干干擾，大大降低了對(duì)干擾功率的要求。

4 結(jié)束語

通過散射波干擾原理分析和仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了SAR 散射波干擾原理的正確性，并證明了散射波在不同的失配條件下，可產(chǎn)生虛假圖像欺騙干擾效果和散焦圖像壓制干擾兩種干擾效果（混合效果此處未做考慮），說明對(duì)SAR 進(jìn)行散射波干擾是一種有效的干擾方式?！?/p>

［1］劉永坦，等.雷達(dá)成像技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［2］王迪，雷武虎，楊越.SAR 欺騙干擾與散射波干擾信號(hào)生成［C］.2006年高校研究生通信與信息技術(shù)會(huì)議論文集，2006：636-642.

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

［4］Cumming J，Wong F.合成孔徑雷達(dá)成像——算法與實(shí)現(xiàn)［M］.洪文，胡東輝，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2012：51-70.