小型無人機(jī)載SAR在SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)中的應(yīng)用

劉正堂，程彥杰，周 文，薛 寒

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471000）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種具有高分辨能力的微波成像雷達(dá)，在距離向利用脈沖壓縮技術(shù)得到高分辨率，在方位向利用合成孔徑技術(shù)得到高分辨率，從而得到目標(biāo)的高分辨率圖像［1］。與光學(xué)成像相比，SAR能夠全天時(shí)全天候?qū)Φ剡M(jìn)行觀測(cè)，不受黑夜、云霧等自然條件影響，而且在特定頻率下能夠穿透地表和植被獲取地表下的信息，因而在地質(zhì)探測(cè)、地形測(cè)繪等民用領(lǐng)域和目標(biāo)識(shí)別、戰(zhàn)場(chǎng)偵察等軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［2］。

無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備或者機(jī)載程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的非載人飛行器。與有人駕駛飛機(jī)相比，無人機(jī)具有無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、性價(jià)比高、機(jī)動(dòng)性能好、生存能力強(qiáng)、造價(jià)低廉等特點(diǎn)［3］。SAR載荷與無人機(jī)相結(jié)合有利于無人機(jī)整體性能的發(fā)揮。SAR設(shè)備的主動(dòng)探測(cè)特點(diǎn)彌補(bǔ)了光電載荷設(shè)備的不足，使無人機(jī)系統(tǒng)具備了全天候全天時(shí)的探測(cè)能力。SAR載荷的高分辨率、大探測(cè)范圍的特點(diǎn)，使得無人機(jī)系統(tǒng)具有更高的工作效率，便于應(yīng)用和降低成本［4］。SAR的遠(yuǎn)探測(cè)距離、側(cè)向觀測(cè)等特點(diǎn)，有利于無人機(jī)遠(yuǎn)離目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，避免危險(xiǎn)、提高生存能力。

對(duì)合成孔徑雷達(dá)干擾系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SAR干擾系統(tǒng)）能靈活有效干擾星載SAR，降低其偵察監(jiān)視和目標(biāo)定位能力。由于缺少有效的配合目標(biāo)和威脅環(huán)境，SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)難以擺脫“缺對(duì)手、缺環(huán)境、難評(píng)估”的尷尬。組織SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，通常采用大型飛機(jī)載特定頻段SAR，構(gòu)建星載SAR威脅環(huán)境。由于大型飛機(jī)對(duì)氣象條件依賴強(qiáng)、飛行費(fèi)用高、難以滿足SAR干擾系統(tǒng)多批次高強(qiáng)度的試驗(yàn)需求。

本文提出了一種小型無人機(jī)載SAR用于SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)的思路。針對(duì)小型無人機(jī)載SAR在測(cè)繪帶寬、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度等方面存在的問題，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)載SAR半實(shí)物仿真系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)采用收發(fā)分置技術(shù)，利用無人機(jī)載SAR設(shè)備發(fā)射SAR信號(hào)，地面設(shè)備同步模擬SAR回波信號(hào)，利用射頻接收系統(tǒng)接收SAR干擾信號(hào)，將干擾信號(hào)與模擬的回波信號(hào)進(jìn)行鏈路合并，最后通過SAR成像處理，在PAD終端直觀展示和評(píng)估對(duì)SAR的偵察和干擾效果。

1 SAR電子對(duì)抗試驗(yàn)運(yùn)用模式分析

1.1 典型小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)

TUAVR戰(zhàn)術(shù)型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)是由諾格公司研制，專為美國陸Shadow200戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視和目標(biāo)截獲無人機(jī)設(shè)計(jì)的SAR雷達(dá)［5］。TUAVR重量低于30kg、耗電小于500 W，發(fā)射機(jī)采用新型的微波功率模塊，方位向掃描范圍擴(kuò)大到360°。TUAVR于1998年開始研制，2001年3月在無人機(jī)上試飛成功，同年裝備部隊(duì)。

在美國空軍資助下，美國Sandia實(shí)驗(yàn)室于2005年成功研制了可裝載小型戰(zhàn)術(shù)型無人機(jī)平臺(tái)的MiniSAR系統(tǒng)［6］。MiniSAR工作在Ku波段、工作在條帶或聚束模式，最高分辨率為0.1 m、作用距離10 km～23 km、總重量低于12.2 kg。2006年10月，MiniSAR系統(tǒng)搭載在洛·馬公司的小型“天空幽靈”（SkySpirit）戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)上成功進(jìn)行了演示。

NanoSAR是美國ImSAR公司與Insitu公司合作研發(fā)的目前世界上最小的SAR［7］，如圖1所示。重為1磅（0.45 kg），幾乎能為所有機(jī)載平臺(tái)（包括無人機(jī)）提供全天候偵查和地理定位。以往SAR只能安裝在大型、昂貴的無人機(jī)平臺(tái)上，而小型的無人機(jī)偵察平臺(tái)只能安裝光學(xué)傳感器和紅外傳感器，致使偵察平臺(tái)無法在惡劣的天氣條件下工作。NanoSAR的出現(xiàn)使小而輕便的無人機(jī)平臺(tái)能在各種不利條件和可見度極低的情況下成像并跟蹤移動(dòng)目標(biāo)。

圖1 NanoSAR系列實(shí)物圖

我國針對(duì)微小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的研制起步時(shí)間較晚，于2010年左右才開始進(jìn)行，但在以往豐富經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)展迅速，并完成了實(shí)際系統(tǒng)研制，如中科院電子所、中電38所和北京理工大學(xué)等都研制出了微型SAR系統(tǒng)［8］。其中電子所D3160型SAR是一種采用連續(xù)脈沖新體制的微小型SAR系統(tǒng)，可工作在X或Ku頻段，重量小于4 kg，探測(cè)距離達(dá)到10 km，分辨率優(yōu)于0.3 m。D3160型SAR于2013年完成了研制，并加裝在三角翼、無人機(jī)等飛行器上進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試。圖2是D3160型SAR及加裝在多旋翼無人機(jī)上的照片，包括雷達(dá)設(shè)備和天線兩個(gè)單元。下頁表1給出了上述典型小型無人載SAR的技術(shù)參數(shù)。

圖2 D3160型無人機(jī)載SAR實(shí)物圖

1.2 小型無人機(jī)載SAR運(yùn)用分析

目前國內(nèi)外主流的微型SAR在分辨率上均可以做到1 m以下，探測(cè)距離大于1 km，重量在5 kg左右，具備了裝載小型無人機(jī)的條件。假設(shè)無人機(jī)載SAR工作在正側(cè)視條帶工作模式，干擾機(jī)在測(cè)繪帶中心，忽略地球曲率的影響，則無人機(jī)載SAR和SAR干擾機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系如下頁圖3所示。

圖3中，H為無人機(jī)飛行高度，θ為SAR波束寬度，β為SAR最大俯視角，R0為無人機(jī)載SAR到SAR干擾機(jī)的距離，W為測(cè)繪帶的寬度。由幾何關(guān)系可知

表1 典型小型無人機(jī)載SAR技術(shù)參數(shù)

圖3 無人機(jī)載SAR與干擾機(jī)位置關(guān)系示意圖

假設(shè)SAR在波束中心方向上天線增益為Gt，且收發(fā)共用一個(gè)天線，天線波束指向目標(biāo)，SAR接收天線有效孔徑為Ae為工作波長(zhǎng)，則天線有效孔徑與天線增益的關(guān)系為：

假定發(fā)射機(jī)功率為Pt，SAR干擾機(jī)的發(fā)射功率為Pj，在SAR天線波束中心方向上的夾角為φ，忽略各種損耗，可得SAR干擾設(shè)備偵察接收機(jī)和SAR接收機(jī)端的信號(hào)功率為：

其中，Bj和Bt分為SAR干擾機(jī)與SAR接收機(jī)的工作帶寬。上式中第1項(xiàng)為SAR回波信號(hào)，第2項(xiàng)為干擾信號(hào)，則SAR接收機(jī)輸入端的信干比為：

經(jīng)過成像處理，目標(biāo)回波獲得了距離壓縮和方位壓縮的處理增益，成像后的信干比為：

其中，γγ和γa分別為距離向壓縮增益和方位向壓縮增益。SAR 的 γγγa一般約為 103～106量級(jí)［9］，即處理增益約為30 dB～60 dB。

根據(jù)上述分析，選取典型無人機(jī)載SAR工作參數(shù)為：發(fā)射功率5W，工作帶寬200M，工作頻率18G，天線增益 5 dB，波束寬度 θ=30°，俯視角 β=30°；選取典型大功率SAR干擾裝備的工作參數(shù)為：發(fā)射功率1 MW，工作帶寬200 M，天線增益50 dB，無人機(jī)飛行高度1 km，通過上述各式計(jì)算可得：測(cè)繪帶寬W=1.16 km，干擾機(jī)到SAR的距離R0=1.4 km，SAR干擾機(jī)偵察天線口面功率Pγj=-61.6 dBW，SAR接收機(jī)天線口面功率Pγt=-8.6 dBW，SAR接收機(jī)輸入端信干比（S/Nj）γ=-178 dB。

由上述數(shù)據(jù)可以看出，無人機(jī)載SAR的測(cè)繪帶寬為1.16 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于典型星載/機(jī)載SAR的測(cè)繪寬帶，難以滿足試驗(yàn)需求。干擾機(jī)到SAR的距離為2 km，SAR干擾機(jī)偵察天線口面的信號(hào)功率為-61.6 dB，大于典型SAR偵察接收機(jī)的靈敏度，可以檢測(cè)到SAR信號(hào)。而SAR接收機(jī)端的信號(hào)功率為-8.6 dBW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，可能會(huì)導(dǎo)致SAR接收機(jī)過載。此外，SAR接收機(jī)輸入端的信干比為-178 dB，即使加上60 dB的處理增益，信干比仍達(dá)-120 dB左右。圖4給出了MiniSAR成像的真實(shí)數(shù)據(jù)以及受不同程度干擾時(shí)的受擾結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)SNR為-20 dB時(shí)，已無法識(shí)別圖像信息。因此，當(dāng)SNR為-120 dB時(shí)，SAR圖像更無法識(shí)別。

圖4 MiniSAR圖像受不同強(qiáng)度干擾結(jié)果

基于上述分析可見，小型無人機(jī)載SAR在測(cè)繪帶寬度、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、接收信噪比等方面難以滿足SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)需求，故小型無人機(jī)載SAR無法直接用于SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)。

2 無人機(jī)載SAR半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無人機(jī)載SAR半實(shí)物仿真系統(tǒng)方案

由上節(jié)分析可知，無人機(jī)載SAR直接用于SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，會(huì)面臨測(cè)繪帶過窄、干擾信號(hào)功率過大、信噪比過高的問題，難以滿足實(shí)際試驗(yàn)需求。為解決這一問題，考慮一種采用收發(fā)分置技術(shù)的“無人機(jī)載SAR+地面SAR全鏈路模擬設(shè)備+射頻接收機(jī)”的無人機(jī)載SAR半實(shí)物仿真系統(tǒng)方案。如圖4所示，無人機(jī)載SAR只發(fā)射SAR信號(hào)，不進(jìn)行回波接收；地面SAR全鏈路模擬設(shè)備同步進(jìn)行回波信號(hào)模擬，射頻接收機(jī)接收SAR干擾機(jī)的副瓣或背瓣信號(hào)，這樣可大幅降低干擾信號(hào)功率，經(jīng)下變頻處理和ADC轉(zhuǎn)換和功率衰減等處理，與回波模擬信號(hào)進(jìn)行鏈路合并，然后進(jìn)行SAR成像，最后通過PAD終端直觀展示SAR受干擾效果。

2.2 系統(tǒng)組成與功能

圖5 無人機(jī)載SAR半實(shí)物仿真系統(tǒng)方案示意圖

如圖5所示，系統(tǒng)由無人機(jī)載SAR平臺(tái)、仿真控制模塊、射頻接收模塊、回波信號(hào)產(chǎn)生模塊、干擾信號(hào)產(chǎn)生模塊、成像處理模塊、評(píng)估模塊組成。其中，無人機(jī)載SAR模塊負(fù)責(zé)發(fā)射固定頻率的SAR信號(hào)，引導(dǎo)SAR偵察設(shè)備對(duì)SAR信號(hào)進(jìn)行偵察；射頻接收模塊負(fù)責(zé)接收SAR干擾系統(tǒng)的干擾信號(hào)，并將干擾信號(hào)下變頻處理后傳送給干擾信號(hào)產(chǎn)生模塊；仿真控制模塊負(fù)責(zé)初始化無人機(jī)載SAR平臺(tái)的發(fā)射參數(shù)，控制回波信號(hào)模擬模塊和干擾信號(hào)產(chǎn)生模塊生成相應(yīng)的回波信號(hào)和干擾信號(hào)；回波信號(hào)產(chǎn)生模塊負(fù)責(zé)模擬生成指定區(qū)域的SAR回波信號(hào)，為SAR干擾系統(tǒng)的干擾信號(hào)提供配合目標(biāo)，為后續(xù)的成像處理提供原始數(shù)據(jù)；干擾信號(hào)產(chǎn)生模塊是將下變頻處理后的中頻干擾信號(hào)進(jìn)一步處理為基帶信號(hào)，并考慮到系統(tǒng)的衰減和相位變化，將干擾信號(hào)按照特定的時(shí)序進(jìn)行排列；成像處理模塊將回波信號(hào)和干擾信號(hào)按照特定時(shí)序進(jìn)行疊加，并進(jìn)行SAR成像處理，得到受干擾后的SAR圖像；效果評(píng)估模塊分為SAR偵察評(píng)估和SAR干擾評(píng)估兩個(gè)模塊，分別根據(jù)相應(yīng)指標(biāo)對(duì)SAR干擾系統(tǒng)的偵察和干擾效果進(jìn)行評(píng)估，并在相應(yīng)的終端上進(jìn)行展示。

圖6 無人機(jī)載SAR半實(shí)物仿真系統(tǒng)功能組成

2.3 系統(tǒng)工作過程

1）仿真控制模塊對(duì)衛(wèi)星軌道和發(fā)射信號(hào)等參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，無人機(jī)載SAR平臺(tái)升空，對(duì)SAR干擾系統(tǒng)所在區(qū)域發(fā)射固定頻段的SAR信號(hào)，模擬偵察衛(wèi)星對(duì)指定區(qū)域的成像偵察。

2）SAR干擾機(jī)偵察系統(tǒng)偵察到無人機(jī)載SAR平臺(tái)發(fā)射的SAR信號(hào)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行偵察定位和分選識(shí)別，真實(shí)模擬對(duì)星載SAR發(fā)射信號(hào)的主瓣偵察、旁瓣偵察等SAR偵察過程。

3）SAR偵察系統(tǒng)將偵察結(jié)果傳送給SAR干擾系統(tǒng)，SAR干擾系統(tǒng)根據(jù)偵察的SAR信號(hào)參數(shù)，選取合適的干擾樣式對(duì)SAR進(jìn)行壓制式或欺騙式干擾。

4）射頻接收模塊接收SAR干擾系統(tǒng)的干擾信號(hào)，進(jìn)行下變頻處理，并將干擾信號(hào)傳送給干擾信號(hào)產(chǎn)生模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的無縫接收。

5）仿真控制模塊根據(jù)無人機(jī)載SAR平臺(tái)發(fā)射信號(hào)參數(shù)控制回波產(chǎn)生模塊同步產(chǎn)生相應(yīng)的回波信號(hào)，并控制干擾信號(hào)產(chǎn)生模塊對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行解析，按照時(shí)序和相位要求以及等效輻射功率產(chǎn)生相應(yīng)的干擾信號(hào)。

6）成像處理模塊根據(jù)干擾的時(shí)序和類型，對(duì)回波信號(hào)與干擾信號(hào)進(jìn)行合路疊加，依據(jù)仿真控制模塊模擬的星載SAR工作模式，選擇對(duì)應(yīng)的成像處理方法，對(duì)包含干擾信號(hào)的回波信號(hào)進(jìn)行成像處理，根據(jù)回波信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行SAR成像。

7）效果評(píng)估模塊根據(jù)SAR成像處理結(jié)果，結(jié)合評(píng)估指標(biāo)，分別對(duì)SAR偵察和SAR干擾的效果進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合二者評(píng)估結(jié)果對(duì)整個(gè)SAR對(duì)抗行動(dòng)效果進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行干擾效果展示。

3 SAR半實(shí)物仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

圖7 SAR對(duì)抗試驗(yàn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)工作過程

本系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括SAR干擾信號(hào)仿真技術(shù)、高效高精SAR回波模擬技術(shù)、基于半實(shí)物鏈路的信號(hào)合成技術(shù)、SAR干擾效果評(píng)估技術(shù)4個(gè)方面。

3.1 SAR干擾信號(hào)仿真技術(shù)

SAR干擾信號(hào)產(chǎn)生需要與SAR干擾系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，要能夠產(chǎn)生相應(yīng)的干擾樣式和干擾類型。此外根據(jù)回波模擬對(duì)象是機(jī)載還是星載，還需要根據(jù)距離將接收的干擾信號(hào)進(jìn)行等效輻射功率變換［10］。如果考慮系統(tǒng)擴(kuò)展能力，還需要支持對(duì)新體制的干擾樣式的擴(kuò)展功能。因此，多干擾樣式和干擾參數(shù)的SAR干擾信號(hào)仿真技術(shù)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2 高效高精度SAR回波模擬技術(shù)

SAR回波信號(hào)模擬是開展SAR成像處理算法研究、雷達(dá)系統(tǒng)性能分析研究等工作的基礎(chǔ)。由于星載SAR空間幾何關(guān)系復(fù)雜，雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)較多，仿真過程復(fù)雜，計(jì)算量大，同時(shí)由于SAR回波信號(hào)模擬過程中對(duì)相位精度等要求較高，進(jìn)行大場(chǎng)景回波信號(hào)模擬時(shí)，需要考慮高效的SAR回波算法和硬件支持方案，為此SAR回波信號(hào)仿真是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.3 基于半實(shí)物鏈路的信號(hào)合成技術(shù)

為提高半實(shí)物仿真鏈路干擾效果的可信度，仿真控制模塊需要識(shí)別SAR干擾系統(tǒng)的干擾參數(shù)，控制干擾信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生干擾信號(hào)。干擾信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的數(shù)字干擾信號(hào)不能直接與回波信號(hào)直接疊加，需要考慮由于SAR平臺(tái)（機(jī)載/星載）與干擾系統(tǒng)的空間幾何關(guān)系引起的能量衰減和相位延遲。另外，將半實(shí)物鏈路產(chǎn)生的干擾信號(hào)按照特定的時(shí)序和回波信號(hào)疊加，還需要考慮干擾系統(tǒng)的干擾樣式和信號(hào)生成方法。因?yàn)榛诎雽?shí)物鏈路的信號(hào)合成技術(shù)也是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.4 SAR干擾效果評(píng)估技術(shù)

SAR偵察系統(tǒng)對(duì)SAR信號(hào)的截獲、分選、識(shí)別過程的效果評(píng)估，需要考慮到無人機(jī)載SAR平臺(tái)與常規(guī)的機(jī)載/星載SAR平臺(tái)在距離和機(jī)動(dòng)性上存在差異，因此，SAR信號(hào)的功率特性和空間特性與常規(guī)的SAR信號(hào)也不同，對(duì)無人機(jī)載SAR偵察和干擾效果的評(píng)估要考慮信號(hào)差異的因素。目前針對(duì)SAR偵察干擾評(píng)估的研究較少，尚未有成熟的指標(biāo)體系，因此，對(duì)SAR偵察和干擾效果的評(píng)估是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 結(jié)論

本文針對(duì)SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)問題，提出一種小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)用于SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)的思路，分析了小型無人機(jī)載SAR直接用于SAR對(duì)抗試驗(yàn)時(shí)存在的問題，基于上述問題，設(shè)計(jì)了一種用于SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)的無人機(jī)載SAR半實(shí)物仿真系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的功能組成和工作流程，闡述了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文研究成果可為SAR干擾系統(tǒng)試驗(yàn)及無人機(jī)載SAR半實(shí)物仿真系統(tǒng)建設(shè)提供理論借鑒和技術(shù)支撐。