合成孔徑雷達雙通道對消的多站干擾方法

房明星,畢大平,沈愛國，劉 乾

(1. 解放軍電子工程學院，安徽 合肥 230037；2. 國防信息學院， 湖北 武漢 430000)

合成孔徑雷達雙通道對消的多站干擾方法

房明星1,畢大平1,沈愛國1，劉 乾2

(1.解放軍電子工程學院，安徽合肥230037；2.國防信息學院，湖北武漢430000)

針對單部干擾站難以對合成孔徑雷達雙通道對消系統(tǒng)實施有效干擾的問題，提出了合成孔徑雷達雙通道對消的多站干擾方法。該方法利用多部干擾站實施分布式協(xié)同干擾，使SAR系統(tǒng)無法通過估計每個采樣時刻的補償相位對雙通道的干擾信號進行對消，并給出了使雙通道對消系統(tǒng)失效的相位條件和多干擾站沿方位向的部署方案。仿真實驗表明，該方法可有效破壞SAR雙通道干擾對消的性能，顯著增強直達波干擾和散射波干擾對雙通道SAR系統(tǒng)的干擾效果。

合成孔徑雷達；電子對抗；雙通道對消；多干擾站

0 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種不同于紅外和可見光的微波成像傳感器，具有全天時、全天候和高分辨等特點，在軍事和民用領域均得到了廣泛應用[1-2]。尤其在高技術局部戰(zhàn)爭(如阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等)中發(fā)揮的巨大作用，使得SAR干擾技術研究成為電子對抗領域的熱點問題[3-4]。隨著SAR及其對抗技術的快速發(fā)展，單通道SAR已難以滿足世界各國在軍事、民用及抗干擾等領域的需求，多通道SAR應運而生并成為重要的發(fā)展趨勢[5-6]。多通道SAR相對傳統(tǒng)單通道SAR具有更強的抗干擾能力，其通常利用多通道對消、動目標檢測 (Moving Target Indication, MTI)、相位干涉、空域濾波等方式，對直達波壓制干擾、欺騙干擾以及散射波干擾等進行抑制和對消[7-9]。

目前，SAR多通道對消技術已成為重要的抗干擾手段，文獻[10]討論了SAR雙通道對消原理，分析了雙通道干擾對消對SAR成像的影響，指出由于雙通道對消導致目標信息出現(xiàn)周期性損失；文獻[11]提出三通道對消方法抑制SAR壓制性干擾，給出了回波信號損失周期的表達式，相對雙通道對消而言，該方法有效增大了回波信號的損失周期，從而降低了目標信息損失量。文獻[12]結合動目標檢測技術和空域對消技術，針對欺騙干擾提出了沿航跡和跨航跡的雙天線干涉對消檢測方法，有效提高了對欺騙干擾目標的檢測和識別能力。文獻[13]則提出雙通道對消抑制SAR散射波干擾方法，并分析了干擾站定位誤差、SAR平臺速度誤差對干擾抑制性能的影響；針對文獻[13]干擾信號相位差估計問題，文獻[14]提出以對消后散射波干擾信號能量最小為準則的自動搜索算法。SAR多通道對消技術的快速發(fā)展嚴重削弱了常規(guī)干擾方法的干擾性能，因此，文獻[15]針對單部干擾站壓制性干擾容易被SAR雙通道對消的缺陷，提出采用多干擾站對SAR雙通道對消系統(tǒng)實施干擾，該方法大幅削弱了雙通道SAR的抗干擾能力；文獻[16]針對運動干擾站難以對雙通道對消實施全程持續(xù)干擾的缺點，提出利用旋轉運動的干擾站對InSAR雙通道對消實施干擾，并通過多干擾天線的分時收發(fā)來模擬干擾站的旋轉。文獻[15—16]僅針對單航過的InSAR雙通道對消系統(tǒng)的噪聲壓制性干擾進行了研究，目前，關于破壞SAR雙通道對消系統(tǒng)抑制欺騙干擾和散射波干擾的研究還未見報道。本文針對上述問題，提出了合成孔徑雷達雙通道對消的多站干擾方法。

1 直達波干擾的SAR雙通道對消原理

相干噪聲干擾和欺騙干擾都是由干擾站對截獲到的SAR雷達信號進行相應調制后，直接向SAR平臺轉發(fā)而形成，因此，相對下文的SAR散射波干擾，這里將二者統(tǒng)稱為直達波干擾。相干噪聲干擾和欺騙干擾信號在空間具有相同的傳播路徑，故二者的對消原理是相同的，本節(jié)主要以欺騙干擾的雙通道對消原理為例展開分析，其對消原理如圖1所示。兩通道子孔徑天線沿航跡排列，采用一發(fā)兩收模式，即A天線發(fā)射雷達信號，A、B兩天線同時接收信號，設SAR信號脈沖重復周期為PRT，SAR平臺以速度v沿x軸正方向運動，則兩天線間距需滿足對消條件D=PRT·v，當天線間距D不滿足對消條件時需對兩路信號進行插值配準。

圖1 欺騙干擾的雙通道對消原理圖Fig.1 Dual-channel cancellation theory diagram of deceptive jamming

干擾站采用DRFM技術對截獲到的SAR信號進行采樣、存儲，并依據(jù)欺騙干擾原理對雷達信號進行延時、幅度和多普勒頻率調制后向SAR平臺直接轉發(fā)，如圖1所示，假設干擾站J產生的假目標點為F，場景中任意真實目標點為T，A、B表示兩天線位于SAR方位向第n個采樣點時刻，A1、B1表示兩天線位于方位向第n+1個采樣點時刻，可得第n個采樣點時刻兩天線接收到的回波信號分別為：

(1)

其中，sat(n)、saj(n)分別為A天線在第n個采樣點時刻接收到的真實目標信號和欺騙干擾信號，sbt(n)、sbj(n)分別為B天線在第n個采樣點時刻接收到的真實目標信號和欺騙干擾信號。第n+1采樣點時刻天線A位于A1處且與第n個采樣點時刻B天線位置重合，則A天線在第n+1采樣點時刻接收到的信號為：

sa(n+1)=sat(n+1)+saj(n+1)

(2)

欺騙干擾信號在A、B兩通道間的相位關系取決于干擾站J的位置，而與虛假點F的位置無關[12]，則由信號傳播路徑關系可得B天線n時刻和A天線n+1時刻接收信號的相位表達式為：

(3)

其中，Rat、Rbt分別為真實目標T到A、B兩天線的瞬時斜距，Raj、Rbj分別為干擾站到A、B兩天線的瞬時斜距。由式(3)可得B天線n時刻和A天線n+1時刻目標信號和欺騙干擾信號的相位關系為：

(4)

其中,

(5)

從而可得B天線n時刻和A天線n+1時刻接收信號的關系為：

(6)

依據(jù)雙通道對消原理，Δφj為對消所需的補償相位，由于難以精確測量SAR平臺到干擾站的距離值，所以很難通過式(5)計算得到每個慢時間采樣時刻的Δφj，實際中以對消后散射波干擾信號能量最小為準則，采用自動相位搜索算法對Δφj進行求解[14]，求取Δφj后，對sa(n+1)進行相位補償并與sb(n)相減即可消除欺騙干擾信號：

Δs=sb(n)-sa(n+1)·exp(jΔφj)=

(7)

其中，Δφ=Δφj-Δφt。將式(5)代入式(7)，并進行Fresnel近似可得：

Δφ=2π(Rat-Rbt+Rbj-Raj)/λ≈

2πD(xt-xj)/(λRrj0)

(8)

2 散射波干擾的SAR雙通道對消原理

與直達波干擾不同，SAR散射波干擾原理為：當雷達波束照射到干擾站時，干擾站接收SAR信號，并將信號放大后投射到選定的散射區(qū)域，SAR接收到經地物散射形成的散射波干擾信號，從而對其時域、頻域、極化域形成多維干擾效果[13]。假設散射目標為S，則SAR雙通道對消抑制散射波干擾的原理如圖2所示。

圖2 散射波干擾的雙通道對消原理圖Fig.2 Dual-channel cancellation theory diagram of scatter-wave jamming

依據(jù)散射波干擾原理，設sbj(n)、saj(n+1)分別為B天線n時刻和A天線n+1時刻接收到的散射波干擾信號，此時兩天線接收信號仍用式(1)和式(2)表示，但由于散射波干擾與直達波干擾的信號傳播路徑不同，導致兩天線接收信號的相位關系不同，則散射波干擾時兩天線接收信號的相位表達式為：

(9)

其中，Rjs為干擾站到散射目標S的固定斜距，Rsb為散射目標S到B天線的瞬時斜距。則由式(9)可得B天線n時刻和A天線n+1時刻目標信號和散射波干擾信號的相位關系為：

(10)

其中，

(11)

從而可得B天線n時刻和A天線n+1時刻接收信號的關系為：

(12)

對比式(6)和式(12)可知，盡管散射波干擾與直達波干擾信號傳播路徑不同，但兩天線在n時刻和n+1時刻接收信號的關系是相同的，因此，采用自動相位搜索算法求取Δφj對sa(n+1)進行相位補償，可得散射波干擾的雙通道對消結果為：

Δs=sb(n)-sa(n+1)·exp(jΔφj)=

(13)

3 SAR雙通道對消的多站干擾原理

SAR雙(多)通道對消對直達波干擾和散射波干擾均具有較好的抑制性能，顯著增強了SAR系統(tǒng)的抗干擾性能，給干擾技術研究帶來很大挑戰(zhàn)，因此必須針對SAR雙(多)通道對消技術提出更加有效的干擾手段。

依據(jù)雙通道對消原理，SAR系統(tǒng)通過估計每個采樣時刻的補償相位Δφj可對雙通道的干擾信號進行對消，單部干擾站難以有效對抗SAR雙通道對消系統(tǒng)，因此，本文提出利用多干擾站對其實施有效干擾。由于直達波干擾和散射波干擾具有統(tǒng)一的雙通道對消結果，為了簡化模型和分析方便，這里以散射波干擾為例給出SAR雙通道對消系統(tǒng)的雙站干擾原理。如圖2所示，兩部干擾站J1和J2同時對SAR實施散射波干擾，依據(jù)式(12)，設B天線n時刻和A天線n+1時刻接收到J1發(fā)射的散射波干擾信號相位差為Δφj1，接收到J2發(fā)射的散射波干擾信號相位差為Δφj2，則有

(14)

其中，sj1b(n)表示B通道n時刻接收到J1發(fā)射的干擾信號，sj1a(n+1)表示A通道n+1時刻接收到J1發(fā)射的干擾信號，sj2b(n)表示B通道n時刻接收到J2發(fā)射的干擾信號，sj2a(n+1)表示A通道n+1時刻接收到J2發(fā)射的干擾信號，則兩通道在不同時刻接收的干擾信號分別為(主要分析干擾信號的對消情況)：

(15)

將式(15)代入式(14)可得：

sbj(n)=saj(n+1)·exp(jΔφj1)+sj2b(n)·

(16)

由上文分析可知，為有效干擾雙通道對消系統(tǒng)，需滿足相位條件Δφj1-Δφj2≠2kπ，由式(11)可得Δφj1=2π(Raj1-Rbj1)/(λRrj1)，Δφj2=2π(Raj2-Rbj2)/(λRrj2)，為保證干擾的實時性、有效性以和干擾功率利用效率，干擾站通常布置在待保護區(qū)域附近，假設兩部干擾站沿方位向不同位置部署，兩部干擾站到SAR平臺最短斜距可近似為Rrj1≈Rrj2=Rrj0，依據(jù)干擾信號傳播路徑關系并進行Fresnel近似可得：

Δφj1-Δφj2≈2πD(xj1-xj2)/(λRrj0)

(17)

其中，xj1-xj2為兩部干擾站方位向距離差，可見相位差Δφj1-Δφj2與兩部干擾站的方位向距離差成線性關系。圖3為不同參數(shù)情況下相位差Δφj1-Δφj2隨干擾站方位向距離差的變化曲線，從圖中可以看出兩者基本符合式(17)的線性關系，且通常情況下都能夠滿足條件Δφj1-Δφj2≠2kπ。實際干擾中無法實時準確獲得干擾站與SAR平臺的相對位置關系，因此可沿方位向不同位置部署多部干擾站同時對SAR實施分布式協(xié)同干擾，以達到大范圍持續(xù)性干擾效果。

圖3 相位差隨方位向距離差變化曲線Fig.3 The change curve of phase difference with distancedifference in Azimuth

4 仿真實驗分析

SAR雙通道對消系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，設SAR成像場景距離向范圍為[9 800,10 200](單位/m)，方位向范圍為[-150,150]，場景中心坐標為[10 000,0](斜距-方位坐標)，圖4為無干擾時SAR場景成像結果。

表1 仿真實驗參數(shù)

4.1 SAR雙通道對消的干擾抑制效果

假設單部干擾站J1坐標為[9 900,-60]，圖5為不同干擾樣式時SAR單通道場景成像結果(A、B兩通道成像結果相同)，其中圖5(a)為干信比10 dB時相干噪聲干擾效果；依據(jù)SAR欺騙干擾原理產生9個虛假目標，圖5(b)為干信比5 dB時虛假欺騙干擾效果；根據(jù)SAR散射波干擾原理，在場景中設置3個強散射點作為散射目標，圖5(c)為干信比10 dB時散射波干擾效果。由圖5可知，三種干擾樣式均可對單通道SAR實施有效干擾。采用本文方法對A、B兩通道干擾信號進行對消，由于直達波干擾和散射波干擾的雙通道對消結果是統(tǒng)一的，故三種干擾樣式的雙通道對消成像結果均如圖6所示，從圖中可以看出干擾信號均被完全對消，且由于對消后目標信號受調制項影響，目標圖像沿方位向產生周期性的明暗變化，將導致目標信息的周期性損失，其中黑色條紋區(qū)域是由于干擾信號與目標信號的相位差接近2π整數(shù)倍造成的，以上仿真結果均與理論分析一致。

圖4 無干擾時場景成像Fig.4 Scene imaging without jamming

圖5 不同干擾時SAR單通道成像結果Fig.5 Imaging result of single channel with different jamming styles

圖6 SAR雙通道干擾對消結果Fig.6 Imaging result after SAR dual-channel cancellation

4.2 SAR雙通道對消的多站干擾效果

對比圖5和圖6可知，SAR雙通道對消技術可有效抑制單部干擾站的直達波干擾和散射波干擾，顯著增強了SAR系統(tǒng)抗干擾性能，因此必須采用多部干擾站才能實施有效干擾。以雙干擾站為例進行仿真分析，設干擾站J1坐標保持不變，干擾站J2坐標為[9 900,60]，其余仿真條件不變，兩部干擾站同時向SAR平臺實施直達波干擾和散射波干擾，圖7為不同干擾樣式時SAR雙通道對消結果。對比圖6和圖7可知，由于A、B兩通道接收到的干擾信號經矢量疊加后具有不同的幅度和相位，因此雙通道對消后干擾仍然存在，且成像場景沿方位向產生周

期性的明暗變化，驗證了多干擾站對SAR雙通道對消系統(tǒng)實施干擾的可行性和有效性。其中圖7(a)為兩部干擾站同時實施相干噪聲干擾的雙通道對消結果，對比圖5(a)可知，兩部干擾站產生了累加干擾效果，遮蓋效果更好，明暗區(qū)域在噪聲干擾下表現(xiàn)不明顯；圖7(b)為虛假欺騙干擾時雙通道對消結果，此時依據(jù)欺騙干擾原理，兩部干擾站在同一區(qū)域分別產生位置相同的9個虛假目標，將形成疊加干擾效果，對消后周期性的明暗區(qū)域比較明顯；圖7(c)為散射波干擾時雙通道對消結果，此時3個散射目標位置不變，兩部干擾站同時向散射目標投射干擾信號，依據(jù)散射波干擾原理，兩部干擾站在不同區(qū)域形成了兩組散射波干擾目標。

綜合以上仿真分析可知，雙干擾站能夠有效削弱SAR雙通道的干擾對消性能，并顯著增強了直達波干擾和散射波干擾對雙通道SAR系統(tǒng)的對抗性能。在實際干擾應用中，應依據(jù)干擾的戰(zhàn)術、技術需求，充分利用干擾資源，沿場景方位向不同位置部署多部分布式干擾站，且每部干擾站協(xié)同發(fā)射不同強度的干擾信號，此時兩通道的干擾信號經矢量疊加后在幅度和相位上均存在較大差異，采用雙通道對消將無法消除干擾信號，從而確保干擾的有效性和持續(xù)性。

圖7 雙干擾站時SAR雙通道干擾對消結果Fig.7 Imaging result after SAR dual-channel cancellation with two jammers

5 結論

本文提出了合成孔徑雷達雙通道對消的多站干擾方法。該方法利用多部干擾站實施分布式協(xié)同干擾，使SAR系統(tǒng)無法通過估計每個采樣時刻的補償相位對雙通道的干擾信號進行對消，并給出了使雙通道對消系統(tǒng)失效的相位條件和多干擾站沿方位向的部署方案。仿真實驗表明，該方法可有效破壞SAR雙通道干擾對消的性能，顯著增強直達波干擾和散射波干擾對雙通道SAR系統(tǒng)的干擾效果。該方法還可以推廣到多干擾站對SAR多通道對消系統(tǒng)干擾中去，能夠顯著提升對多通道SAR的對抗能力，具有較強的軍事應用價值。

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JammingTechniqueofMulti-jammersAgainstSARDual-channelCancellation

FANG Mingxing1, BI Daping1, SHEN Aiguo1, LIU Qian2

(1. Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China; 2. National Defense Information Academy, Wuhan 430000, China)

SAR dual-channel cancellation technique can suppress the jamming signal of single jammer. An jamming method of multi-jammers against SAR dual-channel cancellation system was proposed. The proposed method used multi-jammers to implement distributed cooperative jamming, thus the SAR system could not estimate the compensation phase of each sampling time, which made SAR dual-channel cancellation technique invalid. Then, phase condition and jammer configuration scheme that made the dual-channel cancellation invalid were discussed. The simulation results showed that the method could effectively destroyed the SAR dual-channel cancellation system, and enhanced the jamming performance of direct wave and scatter-wave against dual-channel SAR system.

synthetic aperture radar (SAR); electronic countermeasures; dual-channel cancellation; multi-jammers

2017-02-12

:國家自然科學基金項目資助(61171170)

:房明星(1988—)，男，安徽蚌埠人，博士研究生，研究方向：SAR信號處理及SAR對抗理論。E-mail:mingxingfang89@163.com。

TN974

：A

：1008-1194(2017)04-0054-06