機(jī)載合成孔徑雷達(dá)散射波干擾研究

徐　鋒，劉佳琪，劉洪艷，白錦良，江志燁

(北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所試驗(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100076)

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機(jī)載合成孔徑雷達(dá)散射波干擾研究

徐鋒，劉佳琪，劉洪艷，白錦良，江志燁

(北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所試驗(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100076)

根據(jù)機(jī)載合成孔徑雷達(dá)理論模型和散射波干擾原理,提出了一種散射波干擾的實(shí)現(xiàn)方法——干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)信號(hào)散射波干擾，即干擾機(jī)接收到雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理后向成像區(qū)域照射，經(jīng)地物散射的SAR信號(hào)，由SAR接收系統(tǒng)接收，形成散射波干擾。通過分析機(jī)載合成孔徑雷達(dá)的理論模型，指出了影響成像效果最重要的因素是方位二次相位誤差。散射波干擾能夠在距離向和方位向?qū)崿F(xiàn)二維相干干擾，使機(jī)載SAR圖像散焦，形成散焦圖像壓制干擾。最后通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)信號(hào)形成地物散射波干擾的干擾效果。

機(jī)載合成孔徑雷達(dá)；雷達(dá)理論模型；散射波；干擾

0　引言

機(jī)載合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種大帶寬、高分辨率的微波成像雷達(dá)系統(tǒng)，它具有全天候、全天時(shí)的工作能力，已廣泛用于軍事偵察、圖像制導(dǎo)等領(lǐng)域中，是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)最具威脅的高技術(shù)武器之一。目前對(duì)SAR的干擾方法的研究主要局限于直達(dá)波干擾，但合成孔徑雷達(dá)圖像的高信噪比特性對(duì)直達(dá)波噪聲干擾的干擾功率提出了很高的要求。過低的干擾功率難以對(duì)圖像造成有效的噪聲壓制，根據(jù)相位梯度自聚焦的原理，尤其是在大量的強(qiáng)散射點(diǎn)存在的情況下，噪聲壓制的效果不是很好。其次，圖像的高分辨特性要求直達(dá)波假目標(biāo)干擾必須逼真地模擬真實(shí)目標(biāo)，這對(duì)直達(dá)波干擾來(lái)說(shuō)也是難以實(shí)現(xiàn)的。而散射波干擾和直達(dá)波干擾不同，它并不直接向雷達(dá)發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)，而是接收雷達(dá)發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖并形成干擾相參脈沖串，將其投射到需要干擾的區(qū)域，經(jīng)地物散射后形成地物干擾回波與雷達(dá)原始回波信號(hào)混合在一起被雷達(dá)接收，從而破壞雷達(dá)對(duì)地物目標(biāo)的識(shí)別，造成對(duì)地探測(cè)和偵察的失敗。因此，本文通過分析SAR信號(hào)的理論模型、傳播途徑及散射波干擾原理，對(duì)SAR散射波干擾的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析研究，并通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了散射波干擾的效果。

1　機(jī)載合成孔徑雷達(dá)理論模型

機(jī)載SAR幾何關(guān)系如圖1所示。裝載著雷達(dá)的飛機(jī)沿x坐標(biāo)方向以速度va勻速直線前進(jìn)，雷達(dá)向正側(cè)視發(fā)射并接收波束。波束的水平寬度角為β，垂直寬度角為φ。圖中陰影區(qū)即為波束與地面的交界面。隨著雷達(dá)勻速前進(jìn)，將在地面形成帶狀輻照帶(即測(cè)繪帶)，這就是雷達(dá)成像的對(duì)象。

圖1　機(jī)載SAR幾何關(guān)系圖

雷達(dá)一面以勻速直線前進(jìn)，一面以固定的重復(fù)頻率發(fā)射并接收信號(hào)。如果把接收信號(hào)的幅度和相位信息存儲(chǔ)起來(lái)并與以前的接收信號(hào)疊加，則隨著雷達(dá)的前進(jìn)將形成等效的陣列天線。合成天線陣列的波束寬度將比真實(shí)天線的波束寬度小許多倍。也就是說(shuō)，雷達(dá)的角分辨率將大為改善。

根據(jù)點(diǎn)目標(biāo)的回波信號(hào)經(jīng)過匹配濾波的輸出信號(hào)，推導(dǎo)SAR的沖激響應(yīng)函數(shù)。設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為：

(1)

式中，μ(t)為窄帶信號(hào)的復(fù)振幅，a(t)為窄帶信號(hào)的包絡(luò)函數(shù)，φ(t)為窄帶信號(hào)的相位函數(shù)。通過點(diǎn)目標(biāo)反射，接收到的信號(hào)為：

(2)

式中，K為一常數(shù)，其值與點(diǎn)目標(biāo)至雷達(dá)的距離R和點(diǎn)目標(biāo)的散射系數(shù)有關(guān)，一般為復(fù)數(shù)，Kr為線性調(diào)頻率，X為點(diǎn)目標(biāo)的x軸坐標(biāo)。

將接收到的回波信號(hào)sr(x,t)進(jìn)行同步檢波，去除載頻ωc，并將幅度歸一化得：

(3)

將此信號(hào)經(jīng)過匹配濾波，求其自相關(guān)積分，即可得輸出信號(hào)。按定義，這時(shí)的輸出信號(hào)即為SAR的沖擊響應(yīng)h(x,t)。

(4)

式中，τ為信號(hào)脈寬， τr=2π/(krτ)為線性調(diào)頻壓縮后的主瓣寬度，它決定雷達(dá)距離向分辨率， ρA=λR/(2Ls)為合成孔徑處理后的主瓣寬度，它就是雷達(dá)方位向分辨率。

由式(4)可見，由于分離變量的結(jié)果，SAR的沖擊響應(yīng)可以分成距離向沖擊響應(yīng)與方位向沖擊響應(yīng)的乘積，即有h(x,t)=hR(x,t)hA(x,t)，式中hR(x,t)、hA(x,t)分別表示SAR距離向和方位向沖擊響應(yīng)的復(fù)數(shù)形式。因此，可以把信號(hào)處理分成兩步，即距離向的脈沖壓縮和方位向的波束銳化。通過以上分析，可以得出機(jī)載SAR的理論模型如圖2所示。

圖2　機(jī)載SAR理論模型

2　散射波干擾工作原理

通過機(jī)載SAR理論模型可知，對(duì)機(jī)載SAR最好的干擾方式為二維相干干擾，其干擾信號(hào)的形式必須在距離向和方位向與原始回波信號(hào)相干。如果單個(gè)干擾脈沖信號(hào)具有機(jī)載SAR發(fā)射信號(hào)的形式，則滿足距離向的相干性；如果在一個(gè)合成孔徑的時(shí)間內(nèi)，脈沖串在方位向具有與原始回波信號(hào)脈沖串相同的線性調(diào)頻特性，則滿足方位向的相干性。本文提出了一種新的散射波干擾的實(shí)現(xiàn)方式，即干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)信號(hào)后地物散射波對(duì)機(jī)載SAR實(shí)施干擾，下面進(jìn)行詳細(xì)的分析。

機(jī)載SAR發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)在空間傳播，經(jīng)干擾機(jī)接收與地物散射后，又被雷達(dá)接收形成原始回波信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)成像處理形成機(jī)載SAR圖像。把機(jī)載SAR信號(hào)的傳播空間作為一個(gè)系統(tǒng)，發(fā)射信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)，接收信號(hào)作為系統(tǒng)的輸出信號(hào)，其傳輸流程如圖3所示。

圖3　機(jī)載SAR信號(hào)傳播途徑

散射波干擾原理如圖4所示。

圖4　機(jī)載SAR散射波干擾原理圖

由圖4可見，從t0時(shí)刻到t1時(shí)刻雷達(dá)波束照射到目標(biāo)，與一般的SAR模式相比，雷達(dá)脈沖從發(fā)射到接收過程中的傳播路徑不再是雷達(dá)與目標(biāo)之間的雙倍程距離，而是從雷達(dá)到干擾機(jī)，再?gòu)母蓴_機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)散射最后被雷達(dá)接收所走過的過程。干擾脈沖轉(zhuǎn)播路徑的改變使得干擾回波與匹配濾波器之間存在著多普勒參數(shù)失配現(xiàn)象。假設(shè)目標(biāo)干擾脈沖的傳播途徑為：

(5)

式中，t為合成孔徑時(shí)間，rrj為雷達(dá)與干擾機(jī)之間的距離，rjt為干擾機(jī)與目標(biāo)之間的距離(固定值)，rtr為目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離，rrj和rtr為：

(6)

(7)

式中，Rt為目標(biāo)與雷達(dá)的最近斜距，Rj為干擾機(jī)與雷達(dá)的最近斜距，θt為目標(biāo)與雷達(dá)之間的等效斜視角，θj為干擾機(jī)與雷達(dá)之間的等效斜視角，va為雷達(dá)航向速度，Δt為干擾機(jī)與目標(biāo)之間的方位時(shí)間偏移。Rt與Rj的關(guān)系為：

(8)

式中，ΔR為目標(biāo)相對(duì)于干擾機(jī)地面投射點(diǎn)的斜距偏移，h為干擾機(jī)的投影高程。

3　散射波干擾效果分析

干擾回波與匹配濾波器之間存在的多普勒參數(shù)失配現(xiàn)象，使得經(jīng)處理后的干擾輸出存在距離徙動(dòng)誤差與方位二次相位誤差等問題。

多普勒參數(shù)失配使得干擾回波存在距離徙動(dòng)誤差Δr。成像理論表明，Δr在合成孔徑時(shí)間內(nèi)最大跨度不超過半個(gè)距離分辨單元ρr時(shí)，可忽略距離徙動(dòng)誤差對(duì)輸出的誤差影響。

因多普勒調(diào)頻率失配而產(chǎn)生的方位二次相位誤差Δφ使輸出結(jié)果散焦。成像理論表明，在信號(hào)通帶邊緣時(shí)的相位誤差小于π/4時(shí)，可忽略調(diào)頻率失配對(duì)聚焦質(zhì)量的誤差影響。

散射波干擾中干擾地區(qū)內(nèi)不同目標(biāo)的干擾回波與匹配濾波器之間的多普勒參數(shù)失配程度是不一樣的。當(dāng)它們之間的多普勒參數(shù)失配同時(shí)得到滿足時(shí)，可以認(rèn)為干擾目標(biāo)能得到近似完全的匹配處理。此時(shí)散射干擾對(duì)SAR圖像的干擾影響為虛假圖像欺騙干擾，隨著干擾回波與匹配濾波器之間的多普勒參數(shù)失配的增大，干擾目標(biāo)的輸出質(zhì)量將出現(xiàn)惡化，當(dāng)多普勒參數(shù)失配達(dá)到相當(dāng)程度時(shí)，這種惡化程度會(huì)逐漸明顯起來(lái)。此時(shí)散射干擾對(duì)SAR圖像的干擾影響為散焦圖像壓制干擾。

綜上所述，散射波干擾對(duì)SAR圖像的干擾影響有以下3種可能：1)虛假圖像欺騙干擾；2)虛假圖像欺騙干擾+散焦圖像壓制干擾；3)散焦圖像壓制干擾。

由成像理論可知，與距離徙動(dòng)誤差Δr相比，最大二次相位誤差是影響目標(biāo)成像質(zhì)量的更為重要的因素。 對(duì)于機(jī)載SAR與干擾區(qū)域內(nèi)所有目標(biāo)而言，其二次相位誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于π/4，因此散射波干擾對(duì)機(jī)載SAR圖像的干擾影響可看作散焦圖像壓制干擾。

4　仿真試驗(yàn)

在仿真試驗(yàn)中，從點(diǎn)目標(biāo)角度研究了散射波干擾對(duì)機(jī)載SAR圖像的干擾影響。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　機(jī)載SAR散射干擾仿真試驗(yàn)中的相關(guān)參數(shù)

雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)機(jī)載SAR雷達(dá)波長(zhǎng)λ/m0.03線性調(diào)頻信號(hào)脈寬τ/μs1距離帶寬B/MHz50距離采樣率/MHz200距離調(diào)頻率k/(Hz/s)50×1012PRF/Hz1000合成孔徑時(shí)間/s5多普勒中心/Hz0多普勒調(diào)頻率/(Hz/s)-95干擾地區(qū)距離跨度ΔR/km3干擾機(jī)投影高程h/km2

在機(jī)載SAR散射干擾仿真試驗(yàn)中，分別從距離向和方位向進(jìn)行分析，選擇與匹配濾波器存在最小多普勒調(diào)頻率失配和最大多普勒調(diào)頻率失配的干擾目標(biāo)進(jìn)行處理，以此研究散射波干擾對(duì)機(jī)載SAR圖像的干擾影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5～10所示。

圖5　距離向參數(shù)完全匹配輸出結(jié)果

圖6　距離向參數(shù)失配較小輸出結(jié)果

由圖5～10所示的輸出結(jié)果可見，對(duì)于機(jī)載SAR系統(tǒng)，即使當(dāng)干擾目標(biāo)與匹配濾波器存在最小多普勒調(diào)頻率失配時(shí)，其干擾輸出也出現(xiàn)非常嚴(yán)重的散焦，因此散射波干擾對(duì)機(jī)載SAR圖像的干擾影響應(yīng)為散焦圖像壓制干擾。

圖7　距離向參數(shù)失配較大輸出結(jié)果

圖8　方位向參數(shù)完全匹配輸出結(jié)果

圖9　方位向參數(shù)失配較小輸出結(jié)果

圖10　方位向參數(shù)失配較大輸出結(jié)果

5　結(jié)束語(yǔ)

從本質(zhì)上講，散射波干擾中的干擾信號(hào)是保留了信號(hào)相干性和地物散射特性的地物回波，是與直達(dá)波干擾完全不一樣的干擾方式。與直達(dá)波噪聲壓制干擾相比，由于散焦圖像壓制干擾中的干擾回波與SAR在距離向完全相關(guān)，在方位向部分相關(guān)，其系統(tǒng)干擾功率增益明顯高于直達(dá)波噪聲壓制干擾，在相同的系統(tǒng)干擾輸入功率下，壓制干擾效果強(qiáng)于噪聲干擾?！?/p>

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Study on scattered-wave jamming of airborne-SAR system

Xu Feng, Liu Jiaqi, Liu Hongyan, Bai Jinliang, Jiang Zhiye

(National Key Laboratory of Science and Technology on Test Physics and Numerical Mathematics，Beijing Institute of Space Long March Vehicle,Beijing 100076，China)

An implementation method of scatter-wave jamming is given which is based on the radar theory of airborne-sar and the theory of scatter-wave jamming.The jammer transmits the signal to the imaging region that is received by radar.The receiver of SAR gets the signal through the ground scattering characters and generates the scatter-wave jamming.By analyzing the theory model of airborne-sar ,the most important factor of image quality is secondary phase error.The jamming of scatter-wave can do the job on the range and azimuth and make the SAR image worse.The results of simulation and experimentation on the computer prove this method is effective and can get the good effects of oppressive jamming.

airborne-SAR;radar theory model;scatter-wave;jamming

2015-12-16；2016-02-20修回。

徐鋒(1979-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、電子對(duì)抗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TN97

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