常見SAR相關干擾技術對比分析

楊保平, 魏茂剛, 鮑志超, 楊林森, 王曉玉

(1. 航天工程大學士官學校, 北京 102249; 2. 電子信息控制重點實驗室, 四川 成都 610036)

0 引 言

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar, SAR)是一種能夠滿足全天時、全天候和高分辨需求的微波成像雷達,通過發(fā)射具有大時寬帶寬積的線性調頻(linear frequency modulated, LFM)信號并利用脈沖壓縮技術,在距離向獲得高分辨率,通過合成孔徑技術,在方位向上獲取高分辨率。自從20世紀以來,隨著研究的深入,SAR成像的分辨率不斷地提高,目前的分辨率甚至可以達到0.1 m以下,因此其收集情報、獲取信息的能力越來越強。為了防止利用SAR雷達實施的偵察,就必須釋放有效的SAR雷達干擾。常規(guī)的壓制式干擾主要采用噪聲壓制干擾,干擾信號與雷達輻射信號無關,容易被抗干擾技術濾除,同時噪聲壓制干擾在距離向和方位向都不相關,無法產(chǎn)生積累增益,雖然實現(xiàn)簡單,但是由于干擾效果有限,越來越不被大家所接受,而采用數(shù)字射頻存儲(digital radio frequency memory,DRFM)的干擾技術卻受到越來越廣泛的關注。

本文將分別討論SAR目標的回波信號模型、DRFM相關壓制干擾技術和二維面目標干擾技術,通過Matlab仿真實驗,對比噪聲壓制干擾、DRFM相關壓制干擾、面目標干擾的效果,驗證這兩類SAR雷達干擾技術的特點。

1 SAR雷達信號模型

雷達輻射的LFM周期脈沖信號,在距離向的單個脈沖的基帶信號表達式為

(1)

如圖1所示,慢時間軸與雷達在方位向的位置坐標的對應關系為=,雷達輻射信號被點目標反射后,經(jīng)過往返距離2()再次被雷達所接收到。

(2)

式中：0為點目標位置到雷達飛行路徑上的最短距離；為雷達飛行的速度。為載頻頻率,則由點目標反射得到的雷達回波的基帶信號可以表示成:

(3)

式中：是點目標的后向散射系數(shù)；()為方位向波束方向圖；為波束中心穿越點目標的時刻。

(4)

傳統(tǒng)的節(jié)點關系分析過程中普遍采用靜態(tài)圖模型描述節(jié)點之間的連接狀態(tài)。假設節(jié)點間相遇信息如圖1所示,其中頂點表示網(wǎng)絡中的節(jié)點,邊表示節(jié)點之間存在連接。根據(jù)抽象所得到的節(jié)點關系可知,網(wǎng)絡中任意兩節(jié)點均相互可達,即各個節(jié)點可以相互通信。

圖1 點目標與雷達之間的距離變化Fig.1 Range between point target and radar

2 DRFM干擾技術

DRFM干擾是以雷達輻射信號為參考信號。干擾機首先接收敵方雷達信號,將信號作數(shù)字儲頻,然后根據(jù)需要對信號進行相應處理后向敵方雷達釋放干擾。

2.1 DRFM相關壓制式干擾技術

DRFM相關壓制式干擾是希望通過干擾信號與雷達回波信號在距離上具有相同的形式,能與目標信號一樣進入接收機,完成距離壓縮。干擾在SAR圖形中能夠覆蓋整個成像區(qū)域,同時干擾信號能順利進入接收機而不被部分濾除掉。

干擾機接收到雷達發(fā)射信號,然后將信號按不同時延相疊加,得到的信號作為干擾信號。以式(1)中的雷達輻射信號脈沖為參考,則干擾機輻射的干擾信號為

(5)

式中：是干擾機與敵方雷達的距離。雷達接收到的基帶干擾信號為

(6)

式(6)經(jīng)過距離壓縮處理后,在距離上形成個像。為了覆蓋大面積的雷達圖像,時延序列{}應采用隨機量。這樣干擾信號在距離向被壓縮成像,方位向不能壓縮成像。

2.2 二維面目標干擾技術

二維面目標干擾技術的原理是偵收敵方雷達信號,然后將信號按照目標回波模擬方式,發(fā)射回敵方雷達,使敵方雷達同時接收到目標信號和干擾信號。干擾信號與真實目標回波空間疊加后通過成像處理在雷達形成虛假的目標。

假設式(1)中雷達輻射脈沖信號的傅里葉變換為()。干擾機接收的敵方雷達信號為

(7)

式(7)的傅里葉變換為

()=()exp(jc)

(8)

若干擾機的系統(tǒng)相應為(),則雷達接收到的干擾信號頻譜為

()=()()exp(j2c)

(9)

假目標處的回波應具有的信號形式為

(10)

式中：是干擾機與敵方雷達的距離。式(10)的傅里葉變換為

()=()()exp(j2c)

(11)

式中：是目標后向散射系數(shù)?？梢?為使干擾信號與目標回波信號具有高度的相關性,干擾機的系統(tǒng)響應為

()=exp[j2(-)c]

(12)

對于二維面目標干擾,等價于面目標上每個點目標產(chǎn)生的回波干擾信號的線性疊加。

3 仿真分析

SAR回波數(shù)據(jù)利用目標回波模型式(4)和式(5)仿真產(chǎn)生,假設SAR雷達處于條帶式工作模式,所用到的參數(shù)如下:LFM信號帶寬為60 MHz,脈沖寬度為30 μs,載頻為1.275 GHz,脈沖重復頻率為1.257 kHz,雷達所在平臺運動速度為7 514 m/s,飛行高度為700 km,方位角為3°,俯仰角為60°。SAR成像算法采用Chirp Scaling成像算法，仿真結果如圖2所示。

圖2 ISR=-10 dB時,SAR不同干擾信號產(chǎn)生的效果仿真圖Fig.2 Simulation diagram of SAR different jamming signals when ISR=-10 dB

圖2為干信比ISR為-10 dB時,SAR不同干擾信號產(chǎn)生的效果仿真圖。對比圖2中的4幅圖可以看出,噪聲壓制和DRFM壓制干擾效果不明顯,DRFM壓制干擾效果略強于噪聲壓制干擾,而面目標欺騙干擾有一定效果。這是由于噪聲壓制干擾信號在距離向和方位向上都沒有積累增益,DRFM壓制干擾信號只能在距離向上利用脈沖壓縮產(chǎn)生積累增益,在方位向上并沒有積累增益,而面目標欺騙干擾信號會在假目標所在的距離向和方位向同時積累產(chǎn)生增益,相比于噪聲壓制干擾和DRFM壓制干擾信號,面目標欺騙干擾信號的能量更加集中在局部區(qū)域,因此在成像結果中的干擾效果更加明顯。

圖3為ISR為10 dB時,原始回波成像結果、高斯白噪聲壓制干擾、DRFM壓制干擾效果和面目標欺騙干擾效果的仿真圖。對比圖3中的3幅圖可以看出,噪聲壓制干擾、DRFM相關壓制干擾效果和二維面目標干擾都非常明顯,DRFM相關壓制干擾效果略強于噪聲壓制干擾,已經(jīng)將原始成像結果中的跑道圖像淹沒在其中,而二維面目標干擾成像的飛機成像結果強度遠超原跑道成像結果的強度。圖3同樣也驗證了,DRFM相關壓制干擾相比于噪聲干擾有一定的能量積累增益,但相比于二維面目標干擾,壓制干擾信號能量分布更加分散,因此在成像結果中二維面目標的效果更加明顯。

圖3 ISR=10 dB時,SAR不同干擾信號產(chǎn)生的效果仿真圖Fig.3 Simulation diagram of SAR different jamming signals when ISR=10 dB

對比圖2和圖3可以看出,不同的干擾模式有不同的特點,噪聲壓制干擾在距離向和方位向上都不相關,無能量累積增益,DRFM相關壓制干擾技術產(chǎn)生的干擾信號僅僅在距離向上相關。因此,噪聲干擾和DRFM相關壓制干擾信號的能量均勻地分布在整個成像結果二維平面,適合對SAR成像結果全局的干擾,但所需的干擾功率較大,否則難有理想的干擾效果。而二維面目標干擾信號在距離向和方位向上都是高度相關的,其成像結果中會聚焦于局部區(qū)域,即使干擾功率不盡如人意,也會產(chǎn)生一定的干擾效果;而當干擾功率較大時,干擾效果將會十分顯著。因此,更適合做欺騙干擾或者局部的強壓制干擾。

4 結 論

針對SAR雷達干擾技術,本文重點研究了噪聲壓制干擾技術、DRFM相關壓制干擾技術和二維面目標干擾技術。通過仿真實驗,對比分析干擾效果,可知噪聲壓制干擾技術、DRFM相關壓制干擾信號的能量平均地分布在整個成像結果二維平面,而二維面目標干擾由于干擾信號在距離向和方位向上二維相關,其干擾效果會聚焦于局部區(qū)域,相比于噪聲壓制干擾和DRFM相參壓制干擾,面目標干擾在局部的干擾效果更加明顯。但面目標干擾需要基于回波模板的二維運算,因此對硬件設備的要求較高。總體來說,在工程中由于DRFM壓制干擾技術對硬件的要求低,并且相比于噪聲壓制干擾信號,DRFM壓制干擾信號具有與雷達輻射信號高度相關的干擾信號樣式,不易被雷達濾除。DRFM壓制干擾技術在應對大帶寬高分辨SAR對象更有優(yōu)勢,被普遍應用。而面目標干擾的二維相關性更好,在欺騙干擾的應用研究中的應用更加廣泛。