基于時變材料的合成孔徑雷達圖像二維調(diào)制方法

王俊杰, 馮德軍, 胡衛(wèi)東

(1. 國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410073; 2. 國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar, SAR)能夠全天時、全天候、高分辨地重構(gòu)目標(biāo)二維圖像[1],被廣泛應(yīng)用于軍事偵察、情報搜索、戰(zhàn)場監(jiān)視等領(lǐng)域,對地面高價值目標(biāo)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為了避免重要軍事目標(biāo)被SAR探測和識別,研究者開展了許多關(guān)于SAR干擾的研究。SAR圖像調(diào)制技術(shù)利用對雷達反射信號進行調(diào)制實現(xiàn)虛假目標(biāo)圖像欺騙,在SAR干擾領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[2-4]。

目前,SAR圖像調(diào)制技術(shù)主要通過有源干擾裝置將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給對方雷達,以在SAR圖像上實現(xiàn)壓制[5]或欺騙[6]效果。先進的圖像欺騙技術(shù)主要包括移頻干擾[7]、間歇采樣干擾[8-9]等,主要利用了數(shù)字射頻存儲器(digital radio frequency memory, DRFM),通過轉(zhuǎn)發(fā)信號的脈內(nèi)和脈間相干性獲得較高的二維處理增益,從而大大降低了對干擾功率的需求。為了模擬真實目標(biāo)的電磁散射特征,數(shù)字圖像合成(digital image synthesis, DIS)技術(shù)[10]或散射波調(diào)制技術(shù)[11]被應(yīng)用到上述圖像欺騙方法中,以將目標(biāo)特征信息調(diào)制到截獲信號上,實現(xiàn)具有相似特征的多假目標(biāo)圖像欺騙,以混淆對方雷達系統(tǒng),浪費雷達的有限資源。然而,DIS技術(shù)需要提取目標(biāo)欺騙模板每個散射點的幅度和多普勒信息,然后在不同的處理單元中對截獲的信號執(zhí)行精確的幅度和相位調(diào)制。同樣,散射波調(diào)制需要考慮目標(biāo),雷達和干擾機之間的關(guān)系。由于偵查精度要求高和計算量大,對于設(shè)備和操作人員的要求較為苛刻。

SAR圖像調(diào)制技術(shù)也可以通過無源的方式實現(xiàn)。無源干擾裝置并不主動發(fā)送信號[12-13],而是通過角反射器、箔條等強反射裝置的電磁散射進行干擾,該方法能夠在真實目標(biāo)場景下實時響應(yīng)SAR系統(tǒng)。由于裝置固化的原因,傳統(tǒng)無源裝置難以實現(xiàn)SAR圖像的靈活調(diào)制。研究者提出了一種基于旋轉(zhuǎn)角反射器的無源微動干擾方法,但由于機械轉(zhuǎn)速有限,只能獲得SAR圖像方位向的調(diào)制。

21世紀(jì)以來,電磁超材料因其具備傳統(tǒng)材料所不具備的物理性質(zhì)(負(fù)折射率、負(fù)磁導(dǎo)率及負(fù)介電常數(shù)等)以及帶來新的物理現(xiàn)象(負(fù)折射、超常反射與透射等),成為材料學(xué)和電磁學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點[14-18]。

電磁調(diào)控技術(shù)作為電磁超材料里面最活躍的課題,引來科學(xué)工作者持續(xù)的研發(fā)和跟蹤,其相關(guān)技術(shù)在無線通信、雷達成像、電子對抗等廣大領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值[19-24]。相位調(diào)制表面(phase-switched screen, PSS)是一種新型的雷達吸收材料,能夠時變地改變自己的散射特性,對雷達反射信號施加相位調(diào)制[25-26]。從而使反射信號能量可控地重新分配到邊帶中,使載頻處信號得到消隱。新生成的邊帶位于雷達接收機的通帶之外,使雷達無法檢測[27-28]。近年來,研究者對反射信號的邊帶位于雷達接收機通帶內(nèi)的情況進行了詳細分析,證明了PSS在雷達干擾方面同樣有效,并具有生成多假目標(biāo)的能力[29-32]。

鑒于PSS獨特的時變調(diào)制特性,本文提出了一種基于時變材料的SAR圖二維調(diào)制方法。該方法利用PSS并采用電控的方式,對雷達信號脈內(nèi)脈間進行聯(lián)合調(diào)制。通過控制調(diào)制參數(shù),可以實現(xiàn)距離向、方位向和二維多假目標(biāo)圖像的靈活切換,并消隱了被保護目標(biāo)圖像。

本文第1節(jié)介紹了時變PSS的調(diào)制原理及相應(yīng)的信號模型;第2節(jié)對PSS二維調(diào)制方法和生成的假目標(biāo)圖像的特性進行了分析;第3節(jié)通過點目標(biāo)和實測SAR圖像數(shù)據(jù)事后調(diào)制仿真對所提方法進行了驗證;第4節(jié)對本文主要內(nèi)容進行了總結(jié)。

1 時變PSS及信號模型

作為一種新型結(jié)構(gòu)型吸波材料,PSS主要包括開關(guān)型阻抗層、介質(zhì)層以及金屬導(dǎo)體背板。目前一般來說,開關(guān)阻抗層一般由有源阻抗層構(gòu)成,每個單元元素之間通過可變阻抗元件連接,如PIN二極管、變?nèi)荻O管等。當(dāng)有源阻抗層PIN二極管電阻極大時(不加電),電路斷路,表現(xiàn)為全透特性。當(dāng)PIN二極管電阻極小時,其相當(dāng)于導(dǎo)線,表現(xiàn)為全反。這兩種狀態(tài)間歇切換,使得經(jīng)目標(biāo)的雷達反射信號能量在頻域上重新分布,此種情況下,落在雷達接收機接收帶寬內(nèi)的回波信號能量最小化。

假設(shè)載頻為fc、波長為λ的電磁波垂直入射,PSS介質(zhì)層由介電常數(shù)為1、厚度為d=λ/4的物質(zhì)填充。如圖1所示,從PSS開關(guān)阻抗層反射的電磁波可表示為cos(fct),此時開關(guān)阻抗層表現(xiàn)為全反射。當(dāng)開關(guān)阻抗層對電磁波表現(xiàn)為全透射時,電磁波完全穿過開關(guān)層并經(jīng)金屬底板反射,此時反射波可以表現(xiàn)為cos(fct+2βd),其中波數(shù)表示為β=2π/λ。因此,cos(fct+2βd)=cos(fct+2·2π/λ×λ/4)=-cos(fct),兩束電磁波完全反相。因此,當(dāng)雷達入射信號作用于PSS時，等效于乘以一個雙極性的矩形脈沖串。

(1)

式中：fs是PSS的開關(guān)(或調(diào)制)頻率,滿足fs=1/Ts,而τ/Ts是調(diào)制占空比。通過傅里葉變換,可以將信號的頻譜寫為

(2)

為了實現(xiàn)二維調(diào)制,調(diào)制占空比q(tm)在原始雙極性波形的基礎(chǔ)上在脈間周期性地調(diào)制,即在τ/Ts和1-τ/Ts(0.5≤τ/Ts≤1)周期性切換。開關(guān)周期為Tm,慢時間的調(diào)制頻率為fm=1/Tm,τ/Ts脈沖持續(xù)時間為τm,τm/Tm=0.5。q(tm)可以寫成:

(3)

二維調(diào)制信號可以進一步表示為

(4)

2 調(diào)制方法和特性分析

2.1 調(diào)制方法

SAR通常會發(fā)射大時間帶寬積脈沖以獲得高分辨率。本文采用線性調(diào)頻(liner frequency modulation, LFM)信號波形,其參數(shù)如下:載波頻率為f0,波長為λ0,LFM速率為Kr,脈沖重復(fù)間隔為TPRI,脈沖持續(xù)時間為TP,信號帶寬為B=KrTP。LFM信號為

(5)

(6)

已調(diào)信號被雷達接收到,一般先經(jīng)過接收機帶通濾波,濾波器的通帶與LFM信號頻譜范圍一般相同,其范圍可表示成[f0-B/2,f0+B/2]。經(jīng)PSS調(diào)制后的回波離載頻處最近的邊帶為f0±fs,其范圍分別可表示成[f0+fs-B/2,f0+fs+B/2]和[f0-fs-B/2,f0-fs+B/2],因此當(dāng)調(diào)制后邊帶的下頻點f0+fs-B/2大于濾波器通帶的上頻點f0+B/2時,新生成邊帶都在濾波器通帶之外,f0+fs-B/2>f0+B/2,即fs>B。

為了避免被雷達系統(tǒng)檢測和識別,開關(guān)頻率應(yīng)滿足fs>B,當(dāng)占空比τ/T=0.5時,零階譜消失,以將所有反射信號邊帶置于接收機通帶之外,這是PSS常作為隱身材料的原因。在本文中,將調(diào)制頻率設(shè)置為fs

假設(shè)雷達發(fā)射信號為LFM波形,中心頻率為8 GHz,帶寬為50 MHz,脈寬為10 μs。圖3(a)給出了fs>B情況下PSS周期調(diào)制LFM信號頻譜,許多離散譜在新的頻點生成,當(dāng)占空比τ/T=0.5時,新生成的反射信號被搬移到原始信號頻譜所在位置,難以被雷達接收機檢測。圖3(b)給出了fs

同理,在慢時間域,脈間調(diào)制頻率需要小于多普勒帶寬Bm,即fm

(7)

(8)

2.2 特性分析

考慮到目標(biāo)上的一個散射點,可以形成一系列點狀假目標(biāo),每個點狀目標(biāo)對應(yīng)一個sinc峰。當(dāng)對目標(biāo)上的所有散射點進行調(diào)制時,將生成的點狀虛假目標(biāo)疊加在SAR圖像上,并形成具有目標(biāo)散射特性的多個虛假目標(biāo)。

當(dāng)Rr=ncfs/2Kr時,圖像沿距離向輸出尖峰。因此,成像結(jié)果包含許多sinc峰,并且可以視為沿距離方向的許多虛假目標(biāo),相應(yīng)的假目標(biāo)間距為

(9)

與此類似,當(dāng)Ra=mvfm/Ka出現(xiàn)時,sinc峰出現(xiàn)并對應(yīng)相應(yīng)方位向假目標(biāo),其位置可以表示為

(10)

下面將從目標(biāo)分布幅度信息進行詳細分析。由于τm/Tm=0.5,目標(biāo)所在位置幅度系數(shù)為0,真實目標(biāo)得到了消隱。沿距離向的假目標(biāo)幅度系數(shù)為

(11)

沿方位向的假目標(biāo)的幅度系數(shù)為

(12)

從前面分析可知,三角窗函數(shù)(1-|nfs|/B)和(1-|mfm|/Bm)在幅度系數(shù)中占很小的比重,其主要作用的為sinc級數(shù)。聯(lián)立式(11)和式(12)可以看出,占空比τ/Ts在幅度系數(shù)中起決定性作用。因調(diào)制前目標(biāo)總能量一定,因此占空比的變化可引起距離向和方位向能量占比的分配。

上述推導(dǎo)是基于LFM信號獲得的,多假目標(biāo)現(xiàn)象也適用于各種寬帶調(diào)頻類雷達信號,如相位編碼調(diào)頻信號等。

3 仿真分析

為了進一步驗證能量分配關(guān)系,本節(jié)利用點目標(biāo)和剖面仿真進行驗證。首先,對點目標(biāo)的二維圖像進行仿真,以證明占空比τ/Ts對虛假目標(biāo)分布的影響。表 1列出了主要的仿真參數(shù)。

表1 點目標(biāo)仿真參數(shù)

圖4(a)呈現(xiàn)了沒有PSS調(diào)制的點目標(biāo)的成像結(jié)果。在PSS調(diào)制中,調(diào)整占空比τ/Ts以獲得不同的干擾效果。圖4(b)給出了由PSS保護的點目標(biāo)的成像結(jié)果,τ/Ts=0.75。可以看出,所產(chǎn)生的多個假目標(biāo)沿著距離向和方位向?qū)ΨQ地分布在真實目標(biāo)周圍,同時,真實目標(biāo)得到了消隱。從圖4(c)可以看出,當(dāng)τ/Ts=0.5時,這些假目標(biāo)沿著距離向?qū)ΨQ地分布,而方位向無假目標(biāo)。從圖4(d)可以看出,當(dāng)τ/Ts=1時,生成的多個假目標(biāo)僅在方位向出現(xiàn)。

上述仿真結(jié)果證明,通過改變占空比τ/Ts可以實現(xiàn)假目標(biāo)距離向、方位向及二維假目標(biāo)之間的靈活切換。下面通過一維剖面圖更好地驗證假目標(biāo)能量分配特性。

在相同的仿真場景中,圖5給出了具有不同占空比τ/Ts的點目標(biāo)場景中心的距離向和方位向切面。從圖5(a)和圖5(b)可知,一階虛假目標(biāo)都沿距離向和方位向分布位于±10 m處,滿足Rr=ncfs/2Kr和Ra=mvfm/Ka。當(dāng)τ/Ts=0.75時,低階虛假目標(biāo)的峰值幅度沿距離向和方位向大致相同。從圖5(c)和圖5(d)可以看出,當(dāng)τ/Ts=0.6時,假目標(biāo)沿距離向的峰值幅度要比沿方位向的幅度大得多。相反,在圖5(e)和圖5(f)中,當(dāng)τ/Ts=0.9時,虛假目標(biāo)沿距離向的峰值幅度遠小于沿方位向的幅度。

因此,根據(jù)式(11)和式(12)及仿真結(jié)果,通過控制占空比τ/Ts,可以實現(xiàn)對二維虛假目標(biāo)沿距離向和方位向的幅度控制,即能量分配。

對于一架包含多散射點的復(fù)雜目標(biāo),許多PSS將附著于其表面,每塊PSS擁有相同的調(diào)制波形并且同步。因此,被多塊PSS覆蓋的目標(biāo)PSS點目標(biāo)調(diào)制后SAR圖像之和。

為了進一步分析SAR二維欺騙的干擾效果,美國Sandia國家實驗室的SAR實測數(shù)據(jù)被用來進行驗證。在場景中,主要的參數(shù)如表2所示,場景成像采用RD成像算法。

表2 實測數(shù)據(jù)仿真參數(shù)

文中實測SAR數(shù)據(jù)是事先獲得的,因此PSS調(diào)制過程將在信號被接收后執(zhí)行,圖6給出了基于實測數(shù)據(jù)的PSS調(diào)制處理流程。

首先,目標(biāo)圖像從SAR原始圖像上分割出來,根據(jù)圖像反演,分別獲得場景回波信號和目標(biāo)回波信號。然后,目標(biāo)回波信號經(jīng)PSS調(diào)制獲得假目標(biāo)信號,此過程等效于貼在保護目標(biāo)表面的PSS對電磁波的調(diào)制過程。假目標(biāo)信號與處理后的場景回波信號相互疊加,并通過RD算法恢復(fù)出調(diào)制后的SAR圖像。

原始成像結(jié)果如7(a)所示,一架飛機作為被保護目標(biāo)位于場景中央,其距離向和方位向的長度分別為25 m和30 m。圖7(b)～圖7(d)顯示了具有不同占空比的調(diào)制圖像。沿距離和方位方向出現(xiàn)了多個虛假的飛機圖像。虛假目標(biāo)的分布與圖4的仿真結(jié)果一致。同時,所產(chǎn)生的虛假目標(biāo)具有與真實目標(biāo)相同的特性和電磁散射背景?；赑SS的多假目標(biāo)欺騙設(shè)想的應(yīng)用方式主要包括兩種:一是將制作的PSS反射器依附于目標(biāo)表面,因其具備真實目標(biāo)的電磁散射特性,調(diào)制效果更加準(zhǔn)確。但將反射器完全依附于表面可能會影響被保護目標(biāo)本體的結(jié)構(gòu)功能,使其不能正常工作,因此在某些場合這種方法是不可行的。二是將PSS制作成與被保護目標(biāo)形狀相似、大小相當(dāng)?shù)恼T餌,通過相應(yīng)的調(diào)制能夠生成更多的誘餌,以達到欺騙雷達系統(tǒng)的目的。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于時變材料的SAR圖像二維調(diào)制方法。該方法使用PSS代替有源干擾器實現(xiàn)多假目標(biāo)圖像欺騙。其本質(zhì)是一種無源干擾,可以在真實目標(biāo)的電磁散射背景下實時響應(yīng)SAR,大大降低了對偵察精度和計算量的要求。同時,通過控制占空比,可以實現(xiàn)對虛假目標(biāo)圖像沿距離和方位向的幅度控制。通過點目標(biāo)和實測SAR圖像數(shù)據(jù)事后調(diào)制仿真,驗證了該方法的有效性和正確性。

本文從信號層面證明了PSS具備二維圖像欺騙的能力,然而該方法仍然存在諸多局限性,例如頻帶、極化以及材料與目標(biāo)之間的兼容性都限制著其具體應(yīng)用。此外,調(diào)制波形的選擇和優(yōu)化也是一個需要進一步探討的問題。