對合成孔徑雷達的運動調(diào)制間歇采樣干擾方法

周 陽，畢大平，沈愛國，房明星

(解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037)

對合成孔徑雷達的運動調(diào)制間歇采樣干擾方法

周 陽，畢大平，沈愛國，房明星

(解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037)

針對合成孔徑雷達(SAR)干擾靈活性不夠的問題，提出了對SAR的運動調(diào)制間歇采樣干擾方法。該方法先對截獲的SAR信號進行運動調(diào)制，再對其間歇采樣后轉(zhuǎn)發(fā)出去，其干擾原理是利用運動調(diào)制的SAR信號經(jīng)成像處理后會產(chǎn)生方位向調(diào)制效應(yīng)，而間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)可在距離向上產(chǎn)生周期延拓的多假目標(biāo)，二者結(jié)合可形成靈巧的遮蔽干擾效果。仿真驗證表明，該方法能夠產(chǎn)生有效的遮蔽干擾效果，且通過改變采樣周期、占空比和運動調(diào)制參數(shù)可使干擾能量散布在需要遮蓋的目標(biāo)上，從而提高了干擾能量利用效率。

合成孔徑雷達；運動調(diào)制效應(yīng)；間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾；遮蔽干擾

0 引言

合成孔徑雷達(SyntheticApertureRadar，SAR)是一種新體制高分辨率成像雷達，具有全天候、全天時的對地觀測能力，被廣泛用于軍事偵察、地圖測繪以及導(dǎo)彈末端圖像匹配制導(dǎo)等方面[1]。隨著各國SAR的快速發(fā)展，它已對我重要軍事目標(biāo)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，研究SAR干擾技術(shù)具有越來越重大的意義。

由于SAR具有二維匹配處理能力，可獲得高的處理增益和抗干擾性能，這使得SAR干擾必須有別于傳統(tǒng)雷達。目前，SAR干擾可分為有源干擾和無源干擾。無源干擾主要以布置無源角反射器、發(fā)射箔條彈和給需掩護目標(biāo)涂抹隱身材料為主[2-4]，此類干擾方法常受地域、風(fēng)向、環(huán)境電磁特性等因素制約。有源干擾又可分為有源壓制干擾和有源欺騙干擾，有源壓制干擾主要通過對SAR發(fā)射大功率非相干信號來降低SAR圖像對比度，達到保護目標(biāo)的目的，此干擾所需要的信息量較少，實施起來簡單[5]，但干擾功率要求高；有源欺騙干擾主要采用相干干擾信號產(chǎn)生假目標(biāo)，大大降低了對干擾機的功率要求，但產(chǎn)生此類干擾對硬件要求較高，工程實現(xiàn)難。文獻[6]就相干干擾工程實現(xiàn)難的問題，提出了基于間歇采樣處理的干擾方法，其結(jié)果對于各類型相干雷達的干擾設(shè)計均有指導(dǎo)意義；文獻[7-8]將間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)成功地應(yīng)用于SAR干擾，但干擾效果僅在距離向產(chǎn)生逼真的相干假目標(biāo)串；文獻[9-10]將間歇采樣干擾技術(shù)與散射波干擾、卷積干擾結(jié)合，取得了較好的干擾效果，但仍停留在一維距離向上；文獻[11]提出二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)SAR干擾技術(shù)，可在距離向和方位向二維同時產(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，但由于靈活性不足而不能有針對性地保護重要目標(biāo)，干擾能量未能得到有效利用。本文針對此問題，提出了對SAR的運動調(diào)制間歇采樣干擾方法。

1 基礎(chǔ)干擾模型

1.1 運動調(diào)制干擾模型

運動調(diào)制干擾指在干擾機接收SAR信號的基礎(chǔ)上，調(diào)制上運動附加相位，然后轉(zhuǎn)發(fā)出去，達到產(chǎn)生虛假運動目標(biāo)的干擾效果。

(1)

其中，

(2)

由于對干擾機接收到的信號進行了運動調(diào)制，轉(zhuǎn)發(fā)進入SAR接收機進行RD算法成像后，會在方位向上產(chǎn)生運動調(diào)制效應(yīng)，其干擾效果是在方位向上的干擾點或干擾條帶。

1.2 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾模型

間歇采樣干擾指干擾機接收SAR信號后，高保真度地采樣其中一小段信號后進行轉(zhuǎn)發(fā)，再采樣下一段并進行轉(zhuǎn)發(fā)，如此收發(fā)分時、采樣和轉(zhuǎn)發(fā)交替工作直至大時寬信號結(jié)束[7]。設(shè)間歇采樣脈沖信號p(tr)為矩形包絡(luò)脈沖串(如圖2)，其表達式為

(3)

其中，δ(·)為沖擊函數(shù)，Tw為采樣脈沖寬度，Ts為采樣周期，Dr=Tw/Ts=Twfs為采樣脈沖的占空比，an=Twfssinc(nπTwfs)=Drsinc(nπDr)為幅度加權(quán)系數(shù)，通常情況下Tw、Ts小于雷達信號的脈沖寬度。

干擾機對截獲的SAR信號s0(tr,ta)進行距離向間歇采樣后轉(zhuǎn)發(fā)，得到的間歇采樣干擾信號為

sjr(tr,ta)=s0(tr,ta)·p(tr)

(4)

間歇采樣干擾基于天線收發(fā)分時體制，能夠解決干擾機收發(fā)隔離問題，可在距離向產(chǎn)生逼真的多假目標(biāo)干擾效果。

2 運動調(diào)制間歇采樣干擾

本小節(jié)從運動調(diào)制間歇采樣干擾模型、干擾原理和干擾參數(shù)分析三個方面研究該新型干擾方法。

2.1 運動調(diào)制間歇采樣干擾模型

運動調(diào)制干擾在設(shè)置合適的運動參數(shù)時可以實現(xiàn)方位向的展寬效應(yīng)，距離向間歇采樣干擾可在距離向上產(chǎn)生多個干擾假目標(biāo)，將運動調(diào)制干擾和間歇采樣干擾結(jié)合起來，可實現(xiàn)二維遮蔽干擾效果。

(5)

2.2 運動調(diào)制間歇采樣干擾原理

圖3為合成孔徑雷達的RD成像處理流程圖，下面利用RD算法推導(dǎo)運動調(diào)制間歇采樣干擾的成像結(jié)果。

圖3 SAR的RD成像處理流程
Fig.3 RD imaging processing flow of SAR

干擾信號經(jīng)距離壓縮和距離徙動校正后的信號形式為

(6)

干擾信號進行方位壓縮時，方位向參考函數(shù)為

(7)

其中，μa=-2v2/λRj，為方位向調(diào)頻率。經(jīng)過方位壓縮，輸出為方位向慢時間ta的互相關(guān)函數(shù)

(8)

在Fresnel近似條件下，SAR的方位向回波數(shù)據(jù)可看作線性調(diào)頻信號形式，且具有較大的時寬帶寬積，故可采用駐相點法求取積分，最終得到干擾信號經(jīng)過SAR系統(tǒng)成像表達式為

(9)

(10)

由上式可知，在ta=tam時，干擾能量有最大輸出。對靜止目標(biāo)的運動調(diào)制會導(dǎo)致干擾假目標(biāo)的散焦，所以其成像效果是干擾條帶。根據(jù)運動目標(biāo)SAR成像特性可知干擾條帶方位向中心偏移位置和展寬量分別為

(11)

(12)

由于間歇采樣的作用，使得干擾條帶在距離向周期延拓出現(xiàn)，出現(xiàn)位置為y=yj-ncfs/2μr，因此會產(chǎn)生區(qū)域遮蔽干擾效果。

2.3 關(guān)鍵干擾參數(shù)分析

由式(9)可見，運動調(diào)制間歇采樣遮蔽干擾與采樣周期、占空比和運動調(diào)制參數(shù)有關(guān)，它們對干擾成像有很大影響。

1)間歇采樣周期Ts

間歇采樣周期影響遮蔽面積，遮蔽疏密程度，是一個關(guān)鍵的干擾指標(biāo)。當(dāng)間歇采樣周期越大時，假目標(biāo)條帶越密集，所形成的遮蔽面積越小，干擾能量越集中；當(dāng)間歇采樣周期越小時，假目標(biāo)條帶越稀疏，所形成的遮蔽面積越大，干擾能量越分散。

2)占空比Dr

占空比影響干擾輸出加權(quán)系數(shù)an，因而會影響到干擾輸出幅度。設(shè)n=0為距離向中心假目標(biāo)，其余為距離向第n階次假目標(biāo)。當(dāng)nπDr=kπ(k為整數(shù))時，an=0，此時圖像上將看不到該次級假目標(biāo)。由于a0=Dr，所以占空比越大，距離向中心假目標(biāo)幅度越大，次級假目標(biāo)幅度相對中心假目標(biāo)會降低。占空比減小時，中心假目標(biāo)幅度下降較快，次級假目標(biāo)幅度下降較慢。

3)運動調(diào)制參數(shù)vx，vy，ax，ay

運動調(diào)制參數(shù)主要影響方位向假目標(biāo)峰值中心位置及展寬量。一般的，干擾機位置縱坐標(biāo)yj遠大于橫坐標(biāo)xj，由式(11)，式(12)知，vx影響方位向均勻展寬量，vy影響假目標(biāo)峰值中心位置在方位向上發(fā)生偏移的大小，ax對偏移和展寬影響均不大，ay是使方位向發(fā)生非均勻展寬的原因。

因為干擾機和待保護目標(biāo)相對位置是已知的，對干擾機設(shè)置合理運動參數(shù)，可使干擾能量僅出現(xiàn)在待保護目標(biāo)上，從而有效利用了干擾能量。如果干擾機和待保護目標(biāo)存在相對位置存在誤差，那么遮蔽面中心位置可能會偏離待保護目標(biāo)，可以通過適當(dāng)減小間歇采樣周期，并適當(dāng)增加方位向調(diào)制加速度來增加遮蔽面的面積，從而確保待保護目標(biāo)被完全遮蔽。

3 仿真實驗

表1 SAR系統(tǒng)參數(shù)

表2 干擾實驗參數(shù)

3.1 干擾參數(shù)的影響

1)采樣周期的影響

取vx=0，ax=0，vy=-0.6 m/s，ay=-0.15 m/s2，Dr=10%，采樣周期依次為Ts=4 μs,8 μs,16 μs，進行仿真實驗來分析采樣周期對干擾效果的影響。

圖4為不同采樣周期下的干擾圖像，由2.2節(jié)可知，當(dāng)Ts=4 μs時，干擾峰值條帶會出現(xiàn)在y=10 000-7.5n，條帶間間隔為Δy=7.5 m；當(dāng)Ts=8 μs時，干擾峰值條帶會出現(xiàn)在y=10 000-3.75n，條帶間間隔為Δy=3.75 m；當(dāng)Ts=12 μs時，干擾峰值條帶會出現(xiàn)在y=10 000-2.81n，條帶間間隔為Δy=2.81 m。將圖4(a)-4(c)實驗結(jié)果與上述理論值進行對比，除了因場景、假目標(biāo)幅度衰減和相鄰條帶假目標(biāo)在距離分辨單元內(nèi)等因素所限，不便觀察條帶假目標(biāo)的總個數(shù)外，實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合。

2)占空比的影響

取vx=0，ax=0，vy=-0.6 m/s，ay=-0.15 m/s2，Ts=8 μs，占空比依次為Dr=10%,20%,30%，進行對比試驗，結(jié)果如圖5。

3)運動調(diào)制參數(shù)的影響

取vx=0，ax=0，vy=-0.6 m/s，Ts=8 μs，Dr=10%，當(dāng)ay=-0.15,-0.3,-0.45 m/s2時，結(jié)果如圖6(a)-6(c)；再取vx=0，ax=0，ay=-0.15 m/s2，Ts=8 μs，Dr=10%，當(dāng)距離向速度vy=0.8,0,-0.6 m/s時，結(jié)果如圖6(d)-6(f)。

根據(jù)2.2節(jié)式(22)可知，當(dāng)ay=-0.15 m/s2時，展寬量δx=21.3 m；當(dāng)ay=-0.3 m/s2時，展寬量δx=42.6 m；當(dāng)ay=-0.45 m/s2時，展寬量δx=64.9 m。由式(21)可知，當(dāng)vy=0.8 m/s時，峰值中心偏移位置x=-40 m；當(dāng)vy=0時，峰值中心偏移位置x=0 m；當(dāng)vy=-0.6 m/s時，峰值中心偏移位置x=30 m。該仿真結(jié)果與理論分析相一致。

3.2 對目標(biāo)的干擾遮蔽效果

現(xiàn)需保護六輛具有較強反射特性的裝甲車，用運動調(diào)制間歇采樣干擾對SAR進行干擾。按上述實驗參數(shù)進行仿真，干擾參數(shù)設(shè)置為vx=0，ax=0，vy=-0.85m/s，ay=-0.15m/s2，Dr=10%，Ts=8μs，干擾干信比設(shè)置為15 dB。遮蔽干擾仿真效果如圖7所示，可以看出，在干信比為15 dB時，對裝甲車能達到較好的遮蓋效果，而對SAR噪聲干擾要達到相同的遮蓋干擾效果，干信比要達到50 dB[6]。

4 結(jié)論

本文提出了對SAR的運動調(diào)制間歇采樣干擾方法。該方法先對截獲的SAR信號進行運動調(diào)制，再對其間歇采樣后轉(zhuǎn)發(fā)出去。其干擾原理是利用運動調(diào)制的SAR信號經(jīng)成像處理后會產(chǎn)生方位向調(diào)制效應(yīng)，而間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)可在距離向上產(chǎn)生周期延拓的多假目標(biāo)，二者結(jié)合可形成靈巧的遮蔽干擾效果。仿真驗證表明，該方法能夠產(chǎn)生有效的遮蔽干擾效果，且通過改變采樣周期、占空比和運動調(diào)制參數(shù)可使干擾能量散布在需要遮蓋的目標(biāo)上，從而提高了干擾能量利用效率。

[1]Cumming I G, Wong F H. Digital processing of synthetic aperture radar data: algorithms and implementation [M]. Boston: Artech House, 2009.

[2]孫光才，白雪茹，周峰，等. 一種新的無源壓制性SAR干擾方法[J]. 電子與信息學(xué)報，2009,31(3):610-613.

[3]吳曉芳, 李金梁, 邢世其, 等. SAR的箔條干擾技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代雷達, 2010, 32(7): 58-62.

[4]吳曉芳，劉光軍，代大海，等.等離子體隱身在SAR對抗中的應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代雷達，2008,30(7):63-67.

[5]李兵，洪文. 合成孔徑雷達噪聲干擾研究[J]. 電子學(xué)報，2005,32(12):2035-2037.

[6]王雪松，劉建成，張文明，等.間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的數(shù)學(xué)原理[J].中國科學(xué)E輯，信息科學(xué)，2006,36(8):891 -901.

[7]吳曉芳，王雪松，盧煥章.對SAR的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾研究[J].宇航學(xué)報，2009,30(5),2043-2049.

[8]李傳中, 蘇衛(wèi)民, 顧紅, 等. 改進的合成孔徑雷達間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾[J].電波科學(xué)學(xué)報,2014, 29(6):1045-1050.

[9]楊偉宏，劉進，王濤. SAR間歇采樣散射波干擾[J]. 宇航學(xué)報，2012,33(3):367-373.

[10]Luan J, Yuan Y N. Simulation and effectiveness analysis of jamming on inverse synthetic aperture radar[J]. Advanced Materials Research, 2013(4): 2762-2765.

[11]蔡幸福, 宋建社, 鄭永安, 等. 二維間歇采樣延遲轉(zhuǎn)發(fā)SAR干擾技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2015, 37(3): 566-571.

[12]吳曉芳, 梁景修, 王雪松, 等. SAR-GMTI勻加速運動假目標(biāo)有源調(diào)制干擾方法[J]. 宇航學(xué)報, 2012, 33(6):761-768.

Motion Modulation Intermittent Sampling Repeater Jamming Against SAR

ZHOU Yang, BI Daping, SHEN Aiguo, FANG Mingxing

(Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China)

Due to the insufficient flexibility of SAR jamming, a motion modulation intermittent sampling repeater jamming method was proposed. This method began with motion modulation on intercepted SAR signals, intermittently sample, and then transmitted them. Motion modulation of SAR signal can produce the effect of motion modulation along azimuth and the intermittent sampling repeater jamming can produce multi fronted and lagged false targets along range. The combination of the both could provide the jamming effect of smart shading area. Simulation results verified the shading jamming effectiveness for SAR and showed that the energy can only appear on the targets that needed to be covered by adjusting the sampling interval, duty ratio and parameter of motion modulation, so that jamming efficiency could be improved.

synthetic aperture radar(SAR); effect of motion modulation; intermittent sampling repeater jamming; shading jamming

2016-12-21

國家自然科學(xué)基金項目資助(61171170)

周陽(1991—)，男，江西南昌人，碩士研究生，研究方向：SAR信號處理及SAR對抗理論研究。E-mail:zhouyanglb@163.com。

TN957

A

1008-1194(2017)03-0112-06