多天線干擾機對抗InSAR雙通道干擾對消的研究

黃 龍 董春曦沈志博 趙國慶

(西安電子科技大學(xué)電子信息攻防對抗與仿真技術(shù)教育部重點實驗室 西安 710071)

多天線干擾機對抗InSAR雙通道干擾對消的研究

黃 龍 董春曦*沈志博 趙國慶

(西安電子科技大學(xué)電子信息攻防對抗與仿真技術(shù)教育部重點實驗室 西安 710071)

干擾機運動能給雙通道干擾對消帶來困難，但連續(xù)運動的干擾機只在一定范圍內(nèi)有較好的干擾效果。旋轉(zhuǎn)干擾機具有運動的重復(fù)性，該文分析了旋轉(zhuǎn)運動的干擾機對InSAR雙通道干擾對消的影響，針對旋臂過長不易實現(xiàn)的問題，提出用分布式的多干擾發(fā)射天線通過分時發(fā)射模擬旋轉(zhuǎn)干擾機的方法，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

電子對抗；干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)；干擾抑制；多天線

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)能夠通過在方位向上進(jìn)行孔徑合成，獲得很高的方位向分辨率；同時采用線性調(diào)頻信號和脈沖壓縮技術(shù)獲得良好的距離向分辨率[1]。而干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)是在SAR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種測量技術(shù)，它能通過相位干涉測量獲得目標(biāo)的高程信息[2]。成像雷達(dá)在民用和軍事領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用[3?7]，因此，針對成像雷達(dá)的干擾方法的研究具有重要意義。目前針對SAR的干擾手段比較成熟，無源干擾一般采用強散射體布陣或旋轉(zhuǎn)角反射器使SAR圖像在方位向上產(chǎn)生干擾條帶[8]。有源干擾主要是相干噪聲干擾[9]、彈射式干擾[10]和欺騙干擾[11?13]，相干噪聲能獲得一定的SAR處理增益；彈射式干擾的回波特征和真實目標(biāo)一致，所以能獲取全部SAR處理增益；欺騙干擾通過預(yù)設(shè)的圖像模板和截獲的雷達(dá)信息生成雷達(dá)回波，使雷達(dá)呈現(xiàn)虛假目標(biāo)。SAR的抗干擾手段也相繼提出，在相應(yīng)條件下，通過改變信號參數(shù)可以使干擾失效，通過時頻分析對抗脈沖干擾，通過相干平均、小波變換等抑制白噪聲干擾[14]。雙通道的InSAR系統(tǒng)可以利用地面固定干擾站的干擾信號在兩個接收通道內(nèi)干涉相位幾乎不變的特點，通過相位補償和對消減少干擾的影響[15,16]。雙通道對消不用區(qū)分干擾信號類型而有很好的抗干擾性能，運算量小，只是對目標(biāo)回波有周期性的損失。文獻(xiàn)[15]指出，運動的干擾機會對InSAR雙通道干擾對消產(chǎn)生影響，但是因為干擾機運動方向和干擾機與雷達(dá)的距離對多普勒影響較大，所以實際上干擾機運動對干擾對消的影響有限。旋轉(zhuǎn)干擾機具有運動的周期性，可以長時間地對抗雙通道干擾對消。以單航過InSAR為例，本文分析了旋轉(zhuǎn)的干擾機及其參數(shù)對雙通道干擾對消效果的影響。針對懸臂過長難以實現(xiàn)的問題，通過多個布陣的干擾發(fā)射天線的分時發(fā)射，達(dá)到干擾機高速旋轉(zhuǎn)運動的效果。

2 雙通道對消技術(shù)

雙通道對消技術(shù)的思想來自于相位中心偏置天線(DPCA)技術(shù)。其原理是把兩個或多個天線的相位中心在飛行方向上作物理或電子上的移位，然后通過對消抑制慢變的雜波[17]。

如圖1所示的干涉合成孔徑雷達(dá)模型，R1和R2是InSAR的兩部天線，其中天線R1發(fā)射，兩部天線同時接收，雷達(dá)高度為H，基線長度為B。雷達(dá)沿x軸正方向勻速飛行，成像區(qū)域為F。設(shè)慢時刻tm，兩通道接收到區(qū)域F內(nèi)一點目標(biāo)(x,y)的回波聚焦后的復(fù)圖像分別為st1(x,y)和st2(x,y)：

其中，At(x,y)是點(x,y)的回波在雷達(dá)通道中聚焦后的幅度，且認(rèn)為其在兩通道內(nèi)是相等的。φt1(x,y)是點(x,y)在通道1中聚焦后的相位，且φt1(x,y)=?4πRB1/λ，其中RB1為點(x,y)到R1航線上的最短直線距離。Δφt(x,y)是點(x,y)到兩通道的相位差，且Δφt(x,y)=?2π(RB2?RB1)/λ, RB2為點(x,y)到R2航線上的最短直線距離。

地面有一干擾機J，對雷達(dá)進(jìn)行干擾。因為干擾信號總是由同一點發(fā)出，經(jīng)兩條不同路徑到達(dá)雷達(dá)兩通道，所以在tm時刻，雷達(dá)兩通道接收同一干擾機信號的相位差為

其中，Rj1(tm)和Rj2(tm)分別是tm時刻干擾機到兩雷達(dá)接收通道的距離。

設(shè)干擾機的坐標(biāo)為(x0,y0,0)，通道1坐標(biāo)為(X,0,H)，通道2坐標(biāo)為(X,Bh,H+Bv)。其中，X代表不同的方位向距離，Bh和Bv分別為基線在水平和垂直方向上的分量。則有

對式(4)進(jìn)行泰勒展開并忽略二次項得：

圖1 InSAR雙通道模型

由式(5)可以看出，當(dāng)基線垂直于航跡方向時，Δφj(tm)近似不變，可以將其記為Δφj。雙通道中干擾信號聚焦后的復(fù)圖像可以表示為

目標(biāo)和干擾的復(fù)合信號在兩通道內(nèi)的復(fù)圖像可以表示為

將s1(x,y)進(jìn)行exp(jΔφj)的相位補償后與s2(x,y)相消，得到對消后的圖像為

式中，st2為無干擾時通道2的復(fù)圖像。從式(10)可以看出，雙通道干擾對消后的圖像消除了干擾分量的影響，但是由于exp[jΔφj?jΔφt(x,y )]相位項的影響，當(dāng)Δφt(x,y)?Δφj≈2k π, k為整數(shù)時，圖像會變暗；而當(dāng)Δφt(x,y)?Δφj≈(2k +1)π時，圖像會變亮。由于難以對雷達(dá)和干擾機的距離Rj1(tm)和Rj2(tm)做精確估計，Δφj無法通過式(3)計算。一般采用搜索法估計干擾信號相位差[18]，先建立代價函數(shù)，然后在[0,2π]范圍內(nèi)搜索，找到性能函數(shù)的極值，即最優(yōu)干擾機干涉相位。當(dāng)干信比較大時，由于干擾信號在復(fù)圖像中起主導(dǎo)地位，所以Δφj的相位還會體現(xiàn)在復(fù)圖像的相位圖上，也就是說干信比的增大會使Δφj的估計變得容易。

3 旋轉(zhuǎn)干擾機對InSAR雙通道干擾對消的影響

文獻(xiàn)[15]證明了垂直于航線的直線運動干擾機會對InSAR雙通道干擾對消造成影響，同時也說明了當(dāng)雷達(dá)和干擾機距離在一定范圍時，理論上干擾效果最好。但是干擾機載體的飛行過程是連續(xù)的，無法實現(xiàn)成像期間的全程干擾。

如果將干擾機置于旋臂上，通過旋臂的旋轉(zhuǎn)獲得位移，能夠使干擾信號到達(dá)兩雷達(dá)通道的相位差產(chǎn)生變化，并且其位移是周期性的，不會受到直線運動對其干擾效果的影響。另外，通過設(shè)置旋臂的參數(shù)，也能獲得良好的干擾性能。

旋轉(zhuǎn)干擾機和InSAR的空間關(guān)系如圖2所示。干擾機的旋臂長度為r，旋轉(zhuǎn)角速度為ω。干擾機旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為(x0,y0,0)。設(shè)在tm時刻，干擾機的坐標(biāo)為(rcos(ωtm),rsin(ωtm),0)，式(3)所表示的干擾信號到兩通道的相位差不再隨時間tm慢變，則

RB1(tm)和RB2(tm)分別是tm時刻干擾機到兩個雷達(dá)通道航線上的最短直線距離，只和干擾機在tm時刻的距離向距離rsin(ωtm)有關(guān)。如果rsin(ωtm)隨tm變化較大，則干擾信號相位差Δφj(tm)在不同慢時間有不同的值。雷達(dá)進(jìn)行雙通道干擾對消時，如果還要達(dá)到比較好的效果，則要對每一個慢時間干擾信號的相位差Δφj(tm)做精確估計，無疑增加了干擾對消的難度。另一方面，由于對消后圖像上黑色區(qū)域的出現(xiàn)是因為此區(qū)域的干涉相位和干擾信號干涉相位接近。由于固定干擾機發(fā)射干擾信號的干涉相位幾乎不變，所以干擾對消后的圖片有沿距離向周期出現(xiàn)的黑色條紋，這些位置的干涉相位和干擾信號的干涉相位接近；而旋轉(zhuǎn)干擾機發(fā)射的干擾信號的干涉相位是周期變化的，所以對消后出現(xiàn)的不再是黑色條紋，而是黑色圓弧。且旋轉(zhuǎn)周期越小則圓弧數(shù)量越多，懸臂越長則圓弧在距離向的長度越長。

4 仿真分析

4.1 固定干擾機時的雙通道干擾對消

圖 2 旋轉(zhuǎn)干擾機和 InSAR 的空間關(guān)系

圖3分別給出了固定干擾機時仿真場景的SAR圖像、受干擾時的SAR圖像和干擾對消結(jié)果。實驗所用仿真參數(shù)為：基線長度為14 m，基線傾角為45°，下視角為70°，雷達(dá)高度為10000 m，載頻為10 GHz，重復(fù)頻率為1200 Hz，雷達(dá)工作模式為正側(cè)視，干擾機與雷達(dá)直線距離約為30000 m，場景方位向?qū)挾燃s600 m，距離向?qū)挾燃s750 m，成像時間約為2 s。

圖3(a)是無干擾時任意一副SAR圖像；圖3(b)是受到干信比為10 dB的寬帶射頻噪聲干擾時的SAR圖像，圖中除了河流能依稀分辨外，其他地物都被遮蓋了；圖3(c)是干擾對消后的圖像，圖中有沿著距離向周期出現(xiàn)的暗條紋。

4.2 旋轉(zhuǎn)參數(shù)對干擾對消的影響分析

為了給干擾對消增加難度，Δφj(tm)在成像期間變化的范圍要盡量大。當(dāng)成像時間T內(nèi)Δφj(tm)變化范圍達(dá)到2π，就能達(dá)到很好的干擾效果。Δφj(tm)的范圍和旋臂長度r，旋轉(zhuǎn)角速度ω以及基線垂直方向分量Bv成正比，和RB成反比。其中只有r和ω是干擾方可控變量。表1給出了在不同旋臂長度和旋轉(zhuǎn)角速度下，干擾機干涉相位的最大變化范圍。

圖3 固定干擾機對消結(jié)果

表1 旋臂旋轉(zhuǎn)速度和干涉相位范圍的關(guān)系

從表1中可以看出，旋臂越長，旋轉(zhuǎn)角速度越快，其干涉相位范圍越大。旋臂長度決定了干涉相位最大可能的范圍，而旋轉(zhuǎn)速度是決定干涉相位能否在有限時間內(nèi)到達(dá)最大范圍的因素。對于一般機載InSAR系統(tǒng)，地面干涉相位近似周期變化，且周期在幾十米到幾百米的范圍，要達(dá)到較好的干擾效果，干涉相位范圍要接近一個周期(即2π)，那么懸臂也要在幾十米到幾百米的量級。在表1所設(shè)仿真條件下，旋臂要達(dá)到100 m才能滿足要求，這在實際情況中根本實現(xiàn)不了。

圖4是采用不同參數(shù)的旋轉(zhuǎn)干擾機時的干擾對消結(jié)果。

圖4(a)和圖4(b)分別為懸臂10 m和100 m，旋轉(zhuǎn)速度每秒1圈時的干擾對消結(jié)果。懸臂為10 m時，對消結(jié)果和固定干擾機時接近，而懸臂100 m能明顯看到黑色圓弧，這是因為懸臂越長，干擾信號的干涉相位變化越大。圖4(c)和圖4(d)分別為懸臂10 m和100 m，旋轉(zhuǎn)速度每秒10圈時的干擾對消結(jié)果?？梢钥闯觯D(zhuǎn)周期越小，沿方位向出現(xiàn)的圓弧越多，圖像信息損失越大。

4.3 多發(fā)射天線干擾機仿真及分析

以4.2節(jié)中的參數(shù)進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，要達(dá)到較好的干擾效果，懸臂長度要達(dá)到100 m，且每秒旋轉(zhuǎn)10圈以上，這在現(xiàn)有條件下是無法做到的。然而，我們可以在不同位置上布置多個干擾發(fā)射天線，通過不同天線的交替發(fā)射，能夠達(dá)到干擾機運動的效果。

在每個慢時間，雷達(dá)和干擾機都可以用“stop-and-go”模型近似，即認(rèn)為雷達(dá)和干擾機是“一步一停”的工作方式，那么旋轉(zhuǎn)干擾機可以看作是沿圓弧均勻擺放的多個干擾機按時間順序依次發(fā)射的。由式(10)可知，干擾信號到雷達(dá)兩通道的相位差為Δφj，且Δφj關(guān)系到干擾對消后圖像的情況，又由式(5)可知，Δφj只和干擾機的距離向位置有關(guān)。如果在距離向布置多個干擾天線，每個干擾天線按時間先后依次發(fā)射干擾信號，就可以達(dá)到近似的干擾效果了。

如圖5所示，若要達(dá)到最好的干擾效果，根據(jù)式(5)，干擾機天線應(yīng)在距離向上呈直線排列；根據(jù)式(10)，Δφj要覆蓋至少一個相位周期，即2π ，這樣才能保證最大的干涉相位范圍。若是預(yù)先不知道雷達(dá)沿什么航線飛行，則可以采用菱形布陣，保證每個方向上都能達(dá)到較好的干擾效果。下面通過仿真說明兩種布陣的干擾效果。

圖4 旋轉(zhuǎn)干擾機對消結(jié)果

圖5 干擾機天線布置

圖6(a)和圖6(b)為4個發(fā)射天線采用100 m間隔的菱形布陣時，天線切換頻率10 Hz和100 Hz時的干擾對消結(jié)果，圖6(c)和圖6(d)為4個發(fā)射天線采用100 m間隔的直線布陣時，天線切換頻率10 Hz和100 Hz時的干擾對消結(jié)果。由于天線切換造成干擾信號干涉相位的不連續(xù)性，所以干擾對消后圖像中的條紋是位置不斷變換的線段。當(dāng)切換速度變快時，線段的長度變短，呈現(xiàn)出圖6(b)和圖6(d)的網(wǎng)紋，能夠有效遮蓋圖像中的信息。

5 結(jié)論

運動的干擾機會給InSAR雙通道干擾帶來困難，但不能保證成像期間的全程干擾。本文分析了干擾機對InSAR干擾相位的特點，提出了利用旋轉(zhuǎn)干擾機對抗InSAR雙通道干擾抑制，并通過地面固定布陣的方式解決了旋臂過長而不易實現(xiàn)的問題。仿真證明了干擾的有效性，給雙通道干擾對消的對抗提供了理論依據(jù)。

圖6 多天線干擾機干擾對消效果

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黃 龍： 男，1988年生，博士，研究方向為InSAR干擾、電子戰(zhàn)信號處理.

董春曦： 男，1970年生，副教授，研究方向為電子對抗技術(shù)及電子對抗系統(tǒng)仿真.

沈志博： 男，1986年生，博士，研究方向為電子對抗、電子戰(zhàn)信號處理.

趙國慶： 男，1953年生，教授，研究方向為信息對抗、電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真、電子戰(zhàn)信號處理.

Investigation on Countermeasure against InSAR Dual-channel Cancellation Technique with Multi-antenna Jammer

Huang Long Dong Chun-xi Shen Zhi-bo Zhao Guo-qing
(Key Laboratory of Electronic Information Countermeasure and Simulation, Ministry of Education, Xidian University, Xi'an 710071, China)

Jammer motion brings trouble to the dual-channel cancellation, but the good result is restricted to a limited range. The rotation motion of a jammer is periodic, the effect of rotating jammer on InSAR dual-channel cancellation is studied in this paper. Since the rotating arm is too long to put into practice, an alternative method using multi-antenna jammer is presented, the antennas emit interference signal on a time division basis. Simulation result shows that the proposed method is effective.

Electronic countermeasures; Interferometric SAR (InSAR); Interference suppression; Multi-antenna

TN974

： A

：1009-5896(2015)04-0913-06

10.11999/JEIT140769

2014-06-13收到，2014-07-31改回

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(K5051202026, JB140203)，國家部委基金(41101020301)和國家973計劃項目(613181)資助課題

*通信作者：董春曦 chxdong@mail.xidian.edu.cn