二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)SAR干擾技術(shù)及其應(yīng)用

蔡幸福,宋建社,鄭永安,張雄美

(第二炮兵工程大學(xué),陜西西安710025)

二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)SAR干擾技術(shù)及其應(yīng)用

蔡幸福,宋建社,鄭永安,張雄美

(第二炮兵工程大學(xué),陜西西安710025)

為確保重要目標(biāo)的信息安全,提出了一種二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)的SAR干擾技術(shù),該技術(shù)直接攻擊SAR的脈內(nèi)相干特性,使雷達在干擾機附近的距離向和方位向同時產(chǎn)生多個以主假目標(biāo)為中心對稱分布的逼真假目標(biāo)串,干擾效果取決于距離向和方位向的采樣周期和占空比。因結(jié)合延遲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),產(chǎn)生的距離向主假目標(biāo)和方位向主假目標(biāo)將不再重疊,且會偏離干擾機的所在位置,既可得到逼真的干擾效果,又保護了干擾機的安全。針對現(xiàn)有文獻研究干擾技術(shù)多、研究應(yīng)用少的問題,建立了二維間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)的應(yīng)用模型,給出了高階假目標(biāo)能量補償?shù)恼{(diào)制系數(shù)。仿真實驗驗證了上述理論和方法的有效性和優(yōu)越性。

合成孔徑雷達;二維間歇采樣;延遲轉(zhuǎn)發(fā);應(yīng)用模型

0 引 言

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)具有全天時、全天候、高分辨率的成像特點,已成為情報偵察的重要手段,探索有效的SAR干擾技術(shù)是當(dāng)前雷達對抗領(lǐng)域的一個重要研究課題[13]。

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾立足于干擾機天線收發(fā)分時體制,對SAR信號進行低速率的間歇采樣處理,利用脈壓雷達的匹配濾波特性,可在距離向產(chǎn)生逼真假目標(biāo)串的干擾效果,是一種靈活巧妙的SAR干擾技術(shù)[4],得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻[5-12]對間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)進行了深入的研究,并將其成功地應(yīng)用于對SAR、脈壓雷達、雙基地雷達、去斜體制雷達的干擾中,但是此類文獻均是在一維距離向或者方位向?qū)崿F(xiàn)了干擾;文獻[13 15]將間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾與卷積干擾、散射波干擾相結(jié)合,取得了較好的干擾效果,但仍停留在一維向上;文獻[16-17]提出了二維間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù),可在距離向和方位向同時生成虛假目標(biāo)串,但沒有解決假目標(biāo)隨著階數(shù)的增大出現(xiàn)能量迅速衰減的難題,且未涉及該技術(shù)的具體應(yīng)用問題。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,研究二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)SAR干擾機理,分析其干擾效果及影響因素,建立應(yīng)用模型,給出高階假目標(biāo)能量補償?shù)恼{(diào)制系數(shù)。

1 二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾機理

1.1 信號模型

二維間歇采樣信號可表示為

式中,sjcr(t)、sjca(s)分別表示距離向和方位向間歇采樣信號; nr、na分別表示距離向和方位向采樣周期數(shù);Tsr、Twr分別表示距離向間歇采樣周期和信號脈寬,距離向占空比Dr= Twr/Tsr;Tsa、Twa分別表示方位向間歇采樣周期和信號脈寬,方位向占空比Da=Twa/Tsa。

1.2 距離向匹配濾波輸出

設(shè)SAR發(fā)射的線性調(diào)頻信號為

式中,Tp為脈沖寬度;f0為中心頻率;kr為調(diào)頻斜率。SAR與干擾機之間的瞬時斜距為

式中,R0為垂直斜距;s為方位向慢時間。相應(yīng)的延遲時間為τ(s)=2R(s)/c,設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間為τz=Tw,忽略干擾機器件的延遲時間。

干擾機接收到的SAR發(fā)射信號為s(t-τ(s)/2,s),將接收到的SAR信號與間歇采樣信號sjc(t,s)相乘即得所需的干擾信號[18],即

干擾機將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給SAR雷達,在接收機前端接收的干擾信號為

設(shè)發(fā)射信號的距離向頻譜為S(fr,s),則sjr(t,s)的頻譜為

SAR距離向匹配濾波器為hr(t)=s*(-t,s),其頻譜為

將間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號送入SAR的距離向匹配濾波器,輸出為sjrc(t,s),則

其頻譜為

根據(jù)雷達信號的模糊函數(shù)理論[19],可得

式中,anr=Twrfsrsinc(nrπTwrfsr)為距離向幅度加權(quán)系數(shù)。

1.3 方位向脈沖壓縮輸出

式(8)中除了因子exp(j kas2/2)與方位時間有關(guān)外,其他的在方位向匹配濾波時可視為常數(shù)c(t,nr),即

式(8)變?yōu)?/p>

將sjrc(t,s)與式(1)中的sjca(s)相乘,即得方位向間歇采樣干擾信號[18],即

方位向匹配濾波函數(shù)為

其具體的計算過程與距離向匹配濾波一致,直接給出最后的匹配濾波輸出結(jié)果為

式中,Tsar為合成孔徑時間。將c(t,nr)代入srd(t,s)可得到二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾的最終成像結(jié)果為

2 干擾效果及其影響因素分析

2.1 干擾效果

由式(11)可知,干擾信號經(jīng)SAR匹配濾波處理后輸出為多個高度逼真的假目標(biāo),各個目標(biāo)在幅度上有差異。

首先在距離向進行分析。第nr階假目標(biāo)的延遲時間和偏離干擾機的距離為

若SAR發(fā)射的是正調(diào)頻信號,當(dāng)干擾具有多普勒頻移時,其回波經(jīng)脈壓處理后輸出的最大值點將超前-nrfsr/kr+ Twr,距離上的超前量為-cnrfsr/(2kr)+c Twr/2,該超前量和調(diào)頻斜率成反比,和移頻量成正比,當(dāng)nr=0時,產(chǎn)生一個主假目標(biāo),當(dāng)nr=±1時,產(chǎn)生兩個1階假目標(biāo),當(dāng)nr=±k(k=1,2,…,n)時,產(chǎn)生兩個k階假目標(biāo)。其中與Twr相關(guān)的項是由于間歇采樣引起的,根據(jù)移頻干擾理論,則產(chǎn)生的虛假點目標(biāo)必然與干擾機之間存在一定的偏移。若想改變虛假目標(biāo)的位置,可在干擾信號中添加一個固定的移頻量,便可靈活地控制虛假目標(biāo)在干擾機所在距離向的位置。

相鄰干擾輸出的峰值點間距為

該值與采樣頻率fsr成正比,和調(diào)頻斜率kr成反比,與階數(shù)nr無關(guān)。

由式(8)可知,距離向第nr階假目標(biāo)的干擾幅度為

|anr|隨|nr|的增大近似按1/|nr|衰減。將峰值時刻tdr代入可得各階假目標(biāo)的峰值幅度為

可見當(dāng)anr=0或|nrfsr|≥Br時,無干擾輸出。由此可確定干擾信號在距離向形成假目標(biāo)的最大個數(shù)為

且由于|anr|的衰減,階數(shù)越高的假目標(biāo),其幅度值越小,干擾效果越差。

同理,干擾信號經(jīng)SAR匹配濾波處理后也將在方位向產(chǎn)生多個高度逼真的假目標(biāo),相鄰干擾輸出的峰值點間距為

干擾信號在方位向形成假目標(biāo)的最大個數(shù)為

因此,二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾可產(chǎn)生的虛假目標(biāo)個數(shù)為

n=nrmax+namax

但是需要指出的是,在一個方向上,相對于真實目標(biāo),主假目標(biāo)和各階假目標(biāo)的幅度都有了一定程度的衰減;在進行二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾時,由于多了一次衰減,所以假目標(biāo)的幅度與真實目標(biāo)相比,將衰減得更加嚴重,必須對其幅度進行補償。

2.2 影響因素分析

(1)采樣周期對干擾效果的影響

間歇采樣周期控制著假目標(biāo)在距離向和方位向的位置、間隔和數(shù)量,是二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾的重要指標(biāo),假目標(biāo)之間的間距與間歇采樣周期的長短成反比。

(2)占空比對干擾效果的影響

占空比直接影響著干擾輸出的幅度加權(quán)系數(shù),進而影響干擾輸出的幅度。占空比越大,主假目標(biāo)的幅度越高,主、次假目標(biāo)群的幅度差異越明顯;反之,則主假目標(biāo)的能量降低,假目標(biāo)群的能量雖然也有所下降,但相比于主假目標(biāo)較小,從而形成一個幅度相差不大的多個假目標(biāo)干擾,可通過調(diào)整占空比,改變干擾能量在主假目標(biāo)和次假目標(biāo)群之間的分布。但也不能無限降低占空比,因為低占空比會使干擾的平均功率下降,因此在具體應(yīng)用中需折中考慮。

3 應(yīng)用模型

由式(12),偏離干擾機Rdr距離所需假目標(biāo)的距離向階數(shù)為

式中,Tp=k1Tsr為脈沖寬度;Dr=Twr/Tsr為占空比。nr越小,需要進行的能量補償越小,干擾效果越容易實現(xiàn)。

同理,偏離干擾機Rda距離所需假目標(biāo)的方位向階數(shù)na為

式中,Tsar=k2Tsa;Twa=DaTsa。同樣,在Rda一定時,na越小越好。

在二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾的實施過程中,nr和na直接決定著干擾機的部署位置。在干擾距離確定的情況下,即Rdr=Rda,且是一定值,若nr＞na,則干擾機應(yīng)與被防護目標(biāo)具有相同的距離向,著重進行方位向干擾,如圖1中的干擾機位置1;若nr＜na,則干擾機應(yīng)與被防護目標(biāo)具有相同的方位向,著重進行距離向干擾,如圖1中的干擾機位置2。

圖1 干擾機部署模型

為使產(chǎn)生的虛假目標(biāo)具有更逼真的干擾效果,需在確定假目標(biāo)階數(shù)nr和na的基礎(chǔ)上進行能量補償。在距離向,各階假目標(biāo)的輸出峰值為

若要使第nr個假目標(biāo)達到真實目標(biāo)的幅度,干擾機的能量調(diào)制系數(shù)Ajr為

同理可得,若要使第na個假目標(biāo)達到真實目標(biāo)的幅度,干擾機的能量調(diào)制系數(shù)Aja為

4 仿真實驗

分別根據(jù)式(1)、式(4)和式(10)生成距離向和方位向干擾信號,將干擾信號和目標(biāo)回波進行累加,按照RD算法進行成像處理,仿真中的SAR雷達參數(shù)見表1。成像場景的距離向范圍是[277 km,300 km],方位向范圍為[-500 m, 500 m],場景中心為(0,288 km),干擾機處于場景中心,干信比為5 d B。

表1 仿真中的SAR雷達參數(shù)

仿真1 二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果

根據(jù)式(1),設(shè)置距離向采樣周期Tsr=Tp/10,占空比Dr=1/3;方位向采樣周期Tsa=10PRT,占空比Da=1/5。干擾效果如圖2(a)所示。

由圖2可以看出:

(1)間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾可方便地在距離向和方位向產(chǎn)生逼真的虛假目標(biāo),虛假目標(biāo)以主假目標(biāo)中心對稱,其幅度向兩邊衰減;結(jié)合延遲轉(zhuǎn)發(fā),可使產(chǎn)生的假目標(biāo)出現(xiàn)在任意想定的位置,如圖2(d)所示。

(2)由于線性調(diào)頻信號經(jīng)間歇采樣后,形成N個子線性調(diào)頻脈沖,它們的頻譜與發(fā)射信號基本一致。所以,它是一種相干干擾樣式,無論主假目標(biāo)還是次假目標(biāo)串,兩者均是對真實目標(biāo)回波的精確復(fù)制,僅在幅度上有所差異,干擾效果為高度逼真的多假目標(biāo)干擾。

圖2 二維間隙采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果

仿真2 采樣周期對干擾效果的影響

以距離向?qū)嶒灋槔?保持方位向采樣周期與占空比不變,均為方位向采樣周期Tsa=10PRT,占空比Da=1/5;分別取距離向采樣周期為Tp/2、Tp/5、Tp/10和Tp/20,其占空比均為1/3,仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,間歇采樣周期控制著假目標(biāo)在距離向和方位向的位置、間隔和數(shù)量,間歇采樣周期越大,各個假目標(biāo)之間的間距越小;反之,假目標(biāo)間的距離越遠,干擾效果為一個分布范圍較大的假目標(biāo)串。理論分析與仿真結(jié)果一致。

圖3 距離向采樣周期對干擾效果的影響

仿真3 占空比對干擾效果的影響

以距離向?qū)嶒灋槔?保持方位向采樣周期與占空比不變,均為方位向采樣周期Tsa=15PRT,占空比均為Da= 1/5;分別取占空比為1/2、1/5、1/10和1/20,采樣周期均為Tp/10,仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,占空比控制著干擾能量在主次假目標(biāo)之間的分配,占空比大,主假目標(biāo)幅度高,主、次假目標(biāo)群幅度差大;反之,主假目標(biāo)幅度降低,但次假目標(biāo)群的幅度相對降低較小,從而形成一個幅度相差不大的多個假目標(biāo)干擾。仿真結(jié)果與理論分析一致。

仿真4 二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾的應(yīng)用仿真

為對上述應(yīng)用模型進行驗證,仿真實驗中設(shè)需防護目標(biāo)距離干擾機的距離為5 km,距離和方位向占空比分別為1/10和1/5,k1和k2分別為20和50。

分別根據(jù)式(18)和式(19)計算nr和na的值,得nr= -4和na=-16,可見應(yīng)將干擾機部署于位置2,著重進行距離向干擾,此時需防護目標(biāo)處于第4階假目標(biāo)處,干擾機的幅度調(diào)制系數(shù)為Ajr=455,即26.58 dB,經(jīng)能量補償后的干擾圖像如圖5所示。

圖4 距離向占空比對干擾效果的影響

圖5采用了帶有距離向延遲的二維間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾,干擾機處于方位向主假目標(biāo)處,距離向主假目標(biāo)處于干擾機的右側(cè),第4階處為需防護的目標(biāo)。與左側(cè)第4階處的虛假目標(biāo)相比,經(jīng)過能量補償后的右側(cè)第4階更接近于真實目標(biāo)。

對于二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾,如果需要對較大的區(qū)域目標(biāo)進行防護,且有足夠的干擾機可供使用時,可以將干擾機部署于防護目標(biāo)的各個方位,從而實現(xiàn)更多虛假目標(biāo)的欺騙性干擾效果。對于所需干擾機的數(shù)量及具體的部署位置,應(yīng)根據(jù)實際情況確定,仿真效果如圖6所示。

圖5 能量補償后的干擾圖像

圖6 多部干擾機的干擾效果

圖6中,0表示真實存在的目標(biāo),也是需防護的目標(biāo), 1～4分別表示4部干擾機,若4部干擾機同時工作,并且不加延時,干擾效果如圖6(a)所示,此時的干擾比較規(guī)則,各虛假目標(biāo)之間的間距比較清晰,所以雖然可以起到保護真實目標(biāo)安全的作用,但無疑將干擾機的具體位置暴露給SAR雷達;如果在采用二維間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾同時,在距離向進行延時,干擾效果如圖6(b)所示,則虛假目標(biāo)之間的規(guī)則性被打亂,呈現(xiàn)出雜亂無章的虛假目標(biāo),一方面保護了真實目標(biāo),同時也保護了干擾機的安全;如果將方位向干擾也做一定的延時處理,并結(jié)合能量補償,其干擾效果必然更好。因此,二維間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾是區(qū)域防護中的理想干擾樣式。

5 結(jié) 論

SAR對目標(biāo)回波信號的相干處理致使常規(guī)欺騙性干擾技術(shù)難以奏效,為此需采用相干干擾策略。一般情況下,要保持干擾信號的相干性,干擾機的采樣頻率須滿足奈奎斯特采樣定理,此時干擾機的高速采樣和收發(fā)隔離之間的矛盾尤為突出。二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾是一種新型的干擾技術(shù),可采用收發(fā)分時體制的單天線系統(tǒng),且對其電子偵察精度要求不高。首先該方法通過對SAR信號進行低速率的間歇采樣處理,巧妙利用對雷達信號的間歇性“欠采樣”技術(shù),降低了對寬帶雷達信號的高速率采樣要求;其次,由于采用了轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),對電子偵察系統(tǒng)的參數(shù)測量精度要求不高。

二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)可在干擾機附近的距離向和方位向同時產(chǎn)生多個以主假目標(biāo)為中心對稱分布的逼真假目標(biāo)串,若將次假目標(biāo)進行能量補償,則可產(chǎn)生更加復(fù)雜的干擾效果,是區(qū)域防護中的理想干擾樣式。其優(yōu)勢在于:若能知道被干擾雷達的最小脈寬,實現(xiàn)多個逼真虛假目標(biāo)的干擾便是方便可實現(xiàn)的,文中還對該干擾技術(shù)的具體應(yīng)用進行了建模與分析。在看到二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)優(yōu)越性的同時,需要進一步研究定量評估其干擾效果的指標(biāo)和方法,這將是本文下一步研究的重點。

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SAR jamming technology based on 2-D intermittent sampling delay repeater and its application

CAI Xing-fu,SONG Jian-she,ZHENG Yong-an,ZHANG Xiong-mei
(The Second Artillery Engineering University,Xi’an 710025,China)

In order to ensure the safety of intelligence in important places,a novel synthetic aperture radar (SAR)jamming technology based on the 2-D intermittent sampling delay repeater is brought forward.This technique uses the intra-pulse coherent characteristic of SAR directly,so it can produce multiple false targets in both the range and theazimuth directions of the jammer nearby.The jamming effect is determined by the sampling period and the duty cycle in the range and the azimuth directions.Due to combination with the time delay repeating technique,the main false targets produced in the range and the azimuth directions will not overlap each other,and will deviate from the position of the jammer.So the jamming effect will not only be vivid,but also protect the jammer.In allusion to the phenomena of focus on the jamming technique but application,the application model of this technique brought forward in this paper is established,which is followed by the modulation factors in energy compensation of high order false targets.The availability and advantage of this method are proved in the simulation experiments.

synthetic aperture radar(SAR);2-D intermittent sampling;delay repeater;application model

TN 974

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2015.03.14

蔡幸福(1983-),男,講師,博士,主要研究方向為SAR成像與干擾技術(shù)。

E-mail:caimuhanhappy@sina.com

宋建社(1954-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向為SAR信息獲取與處理。

E-mail:songjshe@126.com

鄭永安(1978-),男,講師,博士,主要研究方向為SAR成像技術(shù)。

E-mail:Zhengya@sina.com

張雄美(1983-),女,講師,博士,主要研究方向為SAR圖像處理。

E-mail:zhangxm@sina.com

網(wǎng)址:www.sys-ele.com

1001-506X(2015)03-0566-06

2014 03 11;

2014 06 14;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2014 10 17。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http:∥w ww.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141017.1604.002.html

國家自然科學(xué)基金(61072141,61132008);國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2010AAJ147)資助課題