SAR欺騙干擾工程化設(shè)計(jì)研究

侯文棟，冀貞海，呂超峰，冷 魁

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

·工程應(yīng)用·

SAR欺騙干擾工程化設(shè)計(jì)研究

侯文棟，冀貞海，呂超峰，冷 魁

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

對(duì)SAR雷達(dá)的欺騙干擾研究在理論模型方面已經(jīng)有了大量深入的研究，但對(duì)該領(lǐng)域在工程化設(shè)計(jì)方面的研究報(bào)道很少。首先給出了SAR欺騙干擾機(jī)的系統(tǒng)組成，然后分析了大數(shù)據(jù)量卷積模塊的分段分相流水處理方法。在此基礎(chǔ)上，給出了DRFM模塊的硬件實(shí)現(xiàn)方案。結(jié)合硬件，提出了一種簡單有效的閉環(huán)等效驗(yàn)證方法，并采集實(shí)際數(shù)據(jù)做了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)效果證明了該硬件方案的有效性。最后，分析了SAR欺騙干擾機(jī)走向?qū)嵱没璧倪M(jìn)一步研究的內(nèi)容和方向。

SAR欺騙干擾；大數(shù)據(jù)量卷積；閉環(huán)驗(yàn)證方法；工程化設(shè)計(jì)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR) 是一種高分辨率成像雷達(dá)，在地形測(cè)繪、偵察預(yù)警、作戰(zhàn)效果評(píng)估等方面有著重要的作用。作為電子對(duì)抗方，對(duì)SAR的干擾尤其是欺騙干擾研究有著迫切的需求和重要的現(xiàn)實(shí)意義。

SAR欺騙干擾研究在理論建模上已經(jīng)得到了充分的研究，但在工程化設(shè)計(jì)方面研究得還不夠深入。筆者經(jīng)過大量的工程化設(shè)計(jì)思考和探索，提出了一套SAR欺騙干擾的工程化設(shè)計(jì)方法，并采用數(shù)據(jù)采集器采集實(shí)際數(shù)據(jù)，利用RD成像算法驗(yàn)證了該方法的有效性。為SAR欺騙干擾機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

SAR成像欺騙干擾系統(tǒng)原理如圖1所示。首先，干擾機(jī)的接收天線接收到SAR雷達(dá)發(fā)射的直達(dá)波信號(hào)，經(jīng)過微波系統(tǒng)的放大濾波后，在本振的作用下實(shí)現(xiàn)下變頻，變到中頻信號(hào)。高速AD采樣后經(jīng)過數(shù)字儲(chǔ)頻模塊完成對(duì)直達(dá)波信號(hào)的欺騙調(diào)制，再經(jīng)過DA播放出去，經(jīng)過微波上變頻鏈路，輸送給發(fā)射天線，返回給SAR雷達(dá)的接收系統(tǒng)，完成圖像欺騙。微波下變頻和微波上變頻模塊要在同一個(gè)本振模塊下工作，以保證欺騙干擾信號(hào)和雷達(dá)回波的相參性。

2 大數(shù)據(jù)量卷積的實(shí)現(xiàn)方法

1)分段卷積思想

圖1 SAR成像欺騙干擾系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)需要將一個(gè)有限時(shí)寬的序列和一個(gè)時(shí)寬不定或長度非常長的序列進(jìn)行線性卷積計(jì)算時(shí)，理論上可以將整個(gè)波形存儲(chǔ)起來,利用快速線性卷積方法進(jìn)行處理。但是利用快速線性卷積變換存在以下問題:

①需要短序列補(bǔ)充很多零點(diǎn),從而導(dǎo)致計(jì)算量和需要的存儲(chǔ)空間無謂的增加;

②需要獲得所有的輸入序列,并完全進(jìn)行處理后,輸出序列才是有效的,因此整個(gè)系統(tǒng)必然存在較大的延時(shí)。

解決方案是將長度很長的輸入序列分解為若干個(gè)較小的段,對(duì)每一個(gè)輸入段分別計(jì)算相應(yīng)的線性卷積,然后把每段的輸出按照一定的方法組合在一起,得到最終的輸出序列。

于是,根據(jù)卷積的分配律有：

(1)

因此,將原始序列按不重疊分段后,h(n)和x(n)線性卷積等于各子段xk(n)和h(n)線性卷積yk(n)之和。由于xk(n)和h(n)長度分別為L和M,所以yk(n)的長度為L+M-1。由于每一個(gè)子段的起點(diǎn)和后面緊鄰的子段的起點(diǎn)相隔L-1個(gè)點(diǎn),yk(n)和yk+1(n)將有M-1個(gè)非零點(diǎn)重疊，因此,應(yīng)該把這部分重疊部分加在一起以得到正確的輸出。

2)分相卷積思想

將一個(gè)數(shù)字序列x(n)寫作Z變換形式：

(2)

將X(z)作M支路多相分解，得:

(3)

式中，Xk為Z變換形式的k相分量：

(4)

將濾波器的有限沖激響應(yīng)h(n)也作多相分解：

(5)

式中，Hk為Z變換形式的k相分量。

(6)

式中，N為有限沖激響應(yīng)h(n)長度，已假設(shè)濾波器階數(shù)N為分路數(shù)M的整數(shù)倍。

濾波器輸出Y(z)寫作：

Y(z)=X(z)H(z)

(7)

其M路多相實(shí)現(xiàn)形式可以用矩陣形式表達(dá)為：

(8)

那么2路多相實(shí)現(xiàn)形式可以用矩陣形式表達(dá)為：

(9)

式中Y0,Y1為Y(z)的多相分量。

(10)

式中，設(shè)A=H0X0，B=Z-2H1X1，C=H1X0，D=H0X1。

圖2給出了2相卷積的設(shè)計(jì)框圖。此圖完成y(n)=x(n)?h(n)的計(jì)算。首先將x(n)、h(n)做2倍抽取，形成奇偶分量xo(n)、xe(n)、ho(n)、he(n)，然后四部分分量互相交叉進(jìn)行4次卷積，再分別做2倍內(nèi)插，形成y(n)的奇偶分量yo(n)、ye(n)。

圖2 2相卷積設(shè)計(jì)框圖

分相處理的主要優(yōu)點(diǎn)是通過算法進(jìn)行并行處理降低了實(shí)時(shí)處理速度的要求，更利于硬件實(shí)現(xiàn)。

3 硬件閉環(huán)驗(yàn)證方法

硬件設(shè)計(jì)后，如何進(jìn)行有效的驗(yàn)證是一個(gè)比較困難的問題。嚴(yán)格意義上來說，應(yīng)該配備一套完善的SAR雷達(dá)信號(hào)模擬器和數(shù)據(jù)采集成像驗(yàn)證設(shè)備來進(jìn)行閉環(huán)驗(yàn)證。但這個(gè)條件通常很難滿足。所以本文采用圖3所示的方法來進(jìn)行等效驗(yàn)證。首先，使用寬帶信號(hào)源同時(shí)產(chǎn)寬帶LFM信號(hào)和其同步脈沖VP，VP送給高速示波器做觸發(fā)采樣用。LFM信號(hào)經(jīng)過一分二功分器后分為兩路，一路送給示波器做參考信號(hào)用，另外一路送入干擾機(jī)進(jìn)行欺騙調(diào)制，調(diào)制后的結(jié)果送給示波器，示波器將同步脈沖、參考信號(hào)、調(diào)制信號(hào)同時(shí)采集下來，送給計(jì)算機(jī)事后分析處理。

圖3 硬件驗(yàn)證方法

如圖4所示，信號(hào)源發(fā)出兩個(gè)連續(xù)的脈沖信號(hào)，同步脈沖標(biāo)記為VP1、VP2,相對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)標(biāo)記為S_ref1、S_ref2。干擾機(jī)接收到S_ref1后處理，處理的固有延遲標(biāo)記為Latency,需要轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)為S_j1(虛線所示),通常情況下Latency較大(本文設(shè)計(jì)為220μs),已經(jīng)超多了參考信號(hào)的脈寬，為了造成欺騙效果，將S_j1延遲到VP2到來時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)出去，和S_ref2對(duì)應(yīng)的回波疊加在一起，返回給SAR雷達(dá)。示波器采集時(shí)刻如圖4中陰影部分所示，采用脈沖觸發(fā)Sequence模式連續(xù)采樣上千個(gè)脈沖(根據(jù)示波器的緩存空間大小而定)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行成像驗(yàn)證處理。

圖4 調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)及數(shù)據(jù)采集示意圖

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

1)距離向驗(yàn)證

試驗(yàn)條件：原始信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，PW=2μs,BW=20MHz,中頻載波fc=600MHz。欺騙調(diào)制信號(hào)為對(duì)原始信號(hào)延遲轉(zhuǎn)發(fā)，卷積系數(shù)δ=δ(1)+δ(1000)+δ(2000)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析：圖5中(a)原始信號(hào)時(shí)域圖形；(b)為對(duì)原始信號(hào)延遲3個(gè)時(shí)間量的疊加時(shí)域圖形，從波形分析上來看，分別延遲了1.6μs(1.6ns×1000)、3.2μs(1.6ns×2000)；(c)為匹配濾波后的結(jié)果，從圖上可以看出有三根譜線，間距為1.6μs(1.6ns×1000),與原理分析符合；(d)為其中一個(gè)譜峰放大圖，從譜峰寬度為((3506-3257)/2)×0.4ns=49.8ns，理論上為1/20MHz=50ns，試驗(yàn)與理論相符。

圖5 距離向?qū)嶋H數(shù)據(jù)匹配濾波驗(yàn)證圖性

2)成像驗(yàn)證

方位向主要驗(yàn)證多個(gè)連續(xù)脈沖之間的相參性程度，這直接關(guān)系到最終的成像效果和質(zhì)量。由于干擾機(jī)沒有SAR成像模擬器，只能用信號(hào)源代替，因此成像欺騙調(diào)制簡化為圖像回波模擬，采用成像驗(yàn)證算法采集實(shí)際數(shù)據(jù)來等效驗(yàn)證欺騙干擾效果。驗(yàn)證圖如圖6所示。

圖6 欺騙干擾成像等效驗(yàn)證圖

試驗(yàn)條件：SAR雷達(dá)載頻fc=9GHz,脈沖寬度TP=2μs,線性調(diào)頻信號(hào)帶寬BW=80MHz,快時(shí)間采樣率Fs=2500MHz,PRF=400Hz,天線孔徑D=0.65m, 平臺(tái)飛行速度V=110m/s, 正側(cè)視條帶式工作。平臺(tái)離地面高度10km,天線斜視角θ=30°。方位向連續(xù)采集脈沖數(shù)為1056。

試驗(yàn)結(jié)果分析：圖6中(a)、(c)分別為航母模板圖片，(b)、(d)為實(shí)際采集數(shù)據(jù)的成像結(jié)果。從結(jié)果來看，干擾機(jī)有效完成了對(duì)原始信號(hào)的調(diào)制功能，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)束語

本文重點(diǎn)研究了SAR欺騙干擾工程化設(shè)計(jì)方案，推導(dǎo)給出了大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)卷積運(yùn)算方法。然后分析了實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)時(shí)的工作時(shí)序關(guān)系和閉環(huán)驗(yàn)證手段。最后，在硬件上作出了干擾轉(zhuǎn)發(fā)電路板并實(shí)現(xiàn)功能，通過閉環(huán)成像驗(yàn)證了本文所提供方法的有效性。■

[1] 劉永坦．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.

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Research on SAR deception jamming on engineering design

Hou Wendong， Ji Zhenhai， Lü Chaofeng， Leng Kui

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007,Jiangsu,China)

SAR deception jamming has been researched largely and deeply but mainly on theorily modeling. Reports on engineering design is very few in this field. Firstly, compositive modules of SAR deception jamming system are proposed, and then mass data convolution using subsection multiphase pipeline method is analyzed. Hardware implemented project of DRFM is provided on this basis. Secondly, one of closed loop validated method which is simple and effective is proposed and validated experiment has been done by using practical data. The result shows that the method is validated. Lastly, research content and direction are analyzed for further engineering design.

SAR deception jamming; mass data convolution; closed loop validated method; engineering design

2017-02-04；2017-04-21修回。

侯文棟(1982-)，男，高工，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮觽刹?、電子?duì)抗。

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