一種基于相鄰脈沖比相的高效SAR干擾方法

2014-04-26 06:09:38吳照憲

艦船電子對抗 2014年2期

吳照憲，吳海

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州 225001）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)（SAR）作為一種成像雷達(dá)，利用脈沖壓縮和合成孔徑技術(shù)獲得距離和方位二維高分辨圖像。與普通光學(xué)成像設(shè)備相比，SAR能夠不受云霧等自然條件的限制，全天時、全天候地進(jìn)行情報(bào)獲取和戰(zhàn)場監(jiān)控，是軍事領(lǐng)域重要的遙感偵察裝備，是戰(zhàn)場態(tài)勢感知的一種有效手段，因此對SAR的干擾必然是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

一方面，SAR具有較強(qiáng)的抗干擾潛力，這源于兩方面的原因：一是由于SAR具有很高的相干積累增益，通常二維積累增益在60dB以上，且分辨率越高積累增益越大，這給干擾帶來較大難度；二是由于SAR通常是干擾機(jī)的非合作方，干擾機(jī)要精確估計(jì)出SAR平臺的運(yùn)動參數(shù)是有困難的，這也導(dǎo)致干擾信號無法在方位向?qū)崿F(xiàn)相干積累［1］。另一方面，SAR相對干擾機(jī)也有其弱點(diǎn)，主要包括兩方面：一是由于干擾機(jī)是單程工作，SAR是雙程工作，干擾機(jī)在工作方式上占優(yōu)；二是SAR需要足夠數(shù)量的脈沖才能形成窄波束，這給干擾機(jī)留下了寬裕的時間。

對SAR的干擾可分成三類［2］：一是干擾信號在距離和方位處理中都不能產(chǎn)生相干積累增益，這種方式一般只能形成噪聲壓制干擾，且通常需較高的干擾功率才能形成有效干擾；另一類是干擾信號僅在距離處理中產(chǎn)生相干積累增益，方位處理中不產(chǎn)生相干積累增益，這種方式主要包括各種轉(zhuǎn)發(fā)式干擾；第三類是干擾信號在距離和方位處理中都能產(chǎn)生相干積累增益，這種干擾方式既能形成噪聲壓制干擾，也能形成假目標(biāo)欺騙干擾，且通常不需要太高的干擾機(jī)功率。

目前，SAR干擾方式主要集中在第一、二類，第三類方法由于無法精確測得平臺軌跡而難以實(shí)現(xiàn)，但只有第三類方法能夠制造出逼真的假目標(biāo)，且所需干擾機(jī)功率最小［3-4］。一般要獲得SAR距離處理增益比較容易，只需轉(zhuǎn)發(fā)SAR發(fā)射信號即可，但要獲得方位處理增益需要知道SAR的多普勒信息，即需要知道SAR平臺的精確運(yùn)行軌跡，但這一般是困難的。本文根據(jù)SAR信號處理的特點(diǎn)和SAR系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系，得到了一種基于相鄰脈沖比相的測距方法，其可以獲得相對精度較高的SAR平臺和干擾機(jī)的距離，利用該方法得到的SAR干擾方式能夠獲取二維處理積累增益，也能完成欺騙干擾和噪聲干擾，是一種高效的SAR干擾方式。

1 SAR方位積累對距離精度的要求

SAR發(fā)射信號經(jīng)距離處理后可表示為：

式中：t為方位慢時間；（）Rt為目標(biāo)至雷達(dá)的距離為目標(biāo)后向散射系數(shù)；c為光速；λ為SAR工作波長。

對目標(biāo)信號做方位積累，可分為2個過程。過程一是計(jì)算目標(biāo)的積累曲線軌跡，積累曲線軌跡由式（1）sinc函數(shù)中的（）Rt確定，目標(biāo)積累曲線是相對距離門而言的，對米級分辨率的SAR，距離門通常也在米級，因此對距離的精度要求也是在米級的。過程二是方位匹配濾波。確定積累曲線后，目標(biāo)的信息可以表示為：

要完成方位積累，需要補(bǔ)償?shù)羰剑?）后面的相位項(xiàng)，補(bǔ)償?shù)南辔粸椋?/p>

在目標(biāo)積累過程中，目標(biāo)距離（）Rt可以表示為：

式中：r為目標(biāo)到雷達(dá)航線的距離；v為平臺速度。

距離測量值出現(xiàn)固定誤差，也就是r出現(xiàn)固定誤差。分析式（4）最后一個等式中的2個r，前一個r影響目標(biāo)的位置，目標(biāo)在斜距圖中的位置將增加ΔR，但由于圖像整體都平移了ΔR的距離，當(dāng)ΔR誤差不大，圖像的形變是較小的。相距10km的干擾機(jī)和雷達(dá)距離，數(shù)百米的距離誤差導(dǎo)致的圖像形變有時是肉眼很難分辨的。后一個r不僅導(dǎo)致目標(biāo)積累曲線呈空變特性，且影響方位聚焦的相位，導(dǎo)致目標(biāo)散焦，但較小的距離誤差導(dǎo)致的散焦效應(yīng)不大，這在后面還會進(jìn)行仿真分析。

目標(biāo)方位積累對目標(biāo)與雷達(dá)的相對距離精度要求較高，絕對精度要求較低。若能測得相對精度較高的距離值，再利用積累曲線沿方位的平移不變性，可以使干擾信號實(shí)現(xiàn)方位積累。

2 相鄰脈沖比相法測距

其中p（t）為SAR發(fā)射信號，R1和R2為相鄰2個脈沖的距離，對上述2個信號比相，得相位差為：

若相鄰脈沖的距離差較半波長小，即不存在相位纏繞，可以利用相位差Δφ反推出距離差ΔR12。對常見的SAR，相鄰脈沖的距離差小于半波長這個條件常是滿足的。若雷達(dá)平臺飛行速度200m／s，雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率4 000Hz，干擾機(jī)至雷達(dá)航線20km，干擾機(jī)在航線上的投影點(diǎn)至雷達(dá)距離為1km，則距離差ΔR為2.5mm，因此當(dāng)雷達(dá)的工作頻率小于60GHz時就能滿足要求。

相鄰脈沖的距離差小于半波長的條件有時是不能滿足的，但這影響并不大。一方面，方位積累主要依靠相位，相位的纏繞并不會影響相位主值，ΔR存在模糊，脈沖間仍能做到相干積累；另一方面，由于平臺的惰性，距離值在脈沖間不可能發(fā)生大的跳變，因此可以利用卡爾曼濾波等方法對距離進(jìn)行平滑處理，獲得相對精度較高的距離值。

3 基于相鄰脈沖比相的SAR干擾方法

干擾信號要獲得二維處理增益，在距離向需要復(fù)制SAR發(fā)射信號，在方位向需要將SAR發(fā)射信號和假目標(biāo)的后向散射系數(shù)（欺騙干擾）或噪聲（噪聲干擾）以及多普勒信息進(jìn)行卷積，這其實(shí)是一種卷積轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。

要形成干擾，除了需要測得相對精度很高的干擾機(jī)至雷達(dá)的距離信息，還需要知道一些其它輔助信息，主要包括下面幾項(xiàng)：

（1）SAR發(fā)射信號的工作頻率f0，脈沖重復(fù)頻率fr。

（2）將干擾機(jī)在干擾起始時刻的雷達(dá)距離作為初始值，與用相鄰脈沖比相法得到的相對距離值求和得到絕對距離值，一般幾十米的測距誤差對成像的影響不大，這種誤差精度要求對現(xiàn)在的技術(shù)來說不困難［5］。

（3）雷達(dá)平臺的航向速度，它可以用相鄰脈沖比相法測得的相對距離值求得。由式（4）可知，航向速度可通過下式得到：

式中：diff（·）表示求差分。

較大的航向速度誤差會導(dǎo)致圖像散焦和形變，一般較高的距離精度得到的航向速度精度也是極高的，能滿足干擾機(jī)需求。

用上述方法形成的假目標(biāo)欺騙干擾或噪聲干擾一般能形成較好的聚焦效果。相對于已有的干擾方法，本干擾方法由于能獲得二維處理增益，所需干擾機(jī)的有效發(fā)射功率較低，是一種高效的SAR干擾方法。由于雷達(dá)和目標(biāo)距離的相對測量精度很高，因而可以實(shí)現(xiàn)對非合作目標(biāo)的欺騙干擾。對假目標(biāo)干擾，干擾功率只需和地面回波功率相當(dāng)即可；對噪聲壓制干擾，需滿足一定的壓制比，干擾功率要較地面回波功率略大。

4 仿真分析

本文對上述基于相鄰脈沖比相的干擾方法進(jìn)行了仿真，仿真模型如圖1所示。圖中以雷達(dá)航向在地面的投影線，高度方向，雷達(dá)側(cè)向?yàn)閤yz軸建立直角坐標(biāo)系，干擾機(jī)布置在地面上A點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)為干擾機(jī)在x軸的投影點(diǎn)，干擾機(jī)至x軸的距離為17 137.5m，雷達(dá)在圖中P1點(diǎn)時干擾機(jī)起始工作，雷達(dá)在P2點(diǎn)時干擾機(jī)結(jié)束工作，P1點(diǎn)和P2點(diǎn)距y軸的距離分別為1 632.5m和1 644.3m。SAR工作參數(shù)為：載波頻率15GHz，平臺高度10km，平臺速度200m／s，雷達(dá)入射角 60°，脈沖重復(fù)頻率1 000Hz，脈寬 10μs，帶寬 180MHz，采樣率200MHz，距離和方位波束寬度分別為6°和2°。

圖1 雷達(dá)平臺和干擾機(jī)模型圖

仿真中首先通過相鄰脈沖比相法得到干擾機(jī)和雷達(dá)的距離，得到的距離結(jié)果相對精度很高，和實(shí)際距離值僅相差1個固定常數(shù)，仿真中假設(shè)這個固定常數(shù)為30m，且較實(shí)際距離大30m。干擾機(jī)至雷達(dá)航線在地面投影線的距離較實(shí)際值大500m，即測量值為17 637.5m。雷達(dá)航速通過測得的距離值做2次差分求得，求得的航速為200.05m／s。假設(shè)雷達(dá)的工作頻率、脈沖重復(fù)頻率可精確測得。

4.1 點(diǎn)目標(biāo)方位分辨率分析

首先仿真上述測量誤差對目標(biāo)方位分辨率和位置的影響，分析沒有測量誤差和存在測量誤差2種情況下的差異。仿真了點(diǎn)目標(biāo)分別為圖1中的A點(diǎn)（即干擾機(jī)所在點(diǎn)）和B點(diǎn)（z軸坐標(biāo)較干擾機(jī)大2km）在2種情況下的結(jié)果。

圖2（a）為A點(diǎn)方位分辨率的仿真結(jié)果，圖中實(shí)線和虛線分別表示沒有誤差和有誤差時方位壓縮后的目標(biāo)包絡(luò)，可分析得到?jīng)]有誤差時方位分辨率為0.334m，有誤差時方位分辨率為0.408m，目標(biāo)位置在x軸較實(shí)際值增加約0.4m，在z軸較實(shí)際值增加約34.7m。圖2（b）為B點(diǎn)方位分辨率的仿真結(jié)果，圖中實(shí)線和虛線分別表示沒有誤差和有誤差時方位壓縮后的目標(biāo)包絡(luò)，可分析得到?jīng)]有誤差時方位分辨率為0.343m，有誤差時方位分辨率為0.426m，目標(biāo)位置在x軸較實(shí)際值增加約0.4m，在z軸較實(shí)際值增加約82.7m。從仿真結(jié)果可以看到，上述誤差對目標(biāo)方位分辨率影響很小，對目標(biāo)的側(cè)向位置影響較大，目標(biāo)和干擾機(jī)測向距離差越大，目標(biāo)位置偏離越大，從圖2還可看到上述誤差導(dǎo)致目標(biāo)副瓣電平有一定的抬高。

圖2 測量誤差對點(diǎn)目標(biāo)方位分辨率的影響

4.2 真實(shí)場景的干擾仿真

利用上述模型和參數(shù)仿真了對SAR的噪聲干擾。仿真中干擾機(jī)位于圖像中心，圖像上端平行于x軸放置于水平地面上，圖像上端（較下端）靠近x軸，圖像大小為2 500m×2 270m（方位×距離）。原場景見圖3（a），圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）為加入干擾后的成像結(jié)果。圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）的干信比分別為0dB、3dB和6dB。從圖3可以看到，圖3（d）的噪聲基本覆蓋了原來的場景，干擾效果較好。能獲得較好的干擾效果是因?yàn)樵肼暷塬@得二維處理增益，且其距離和方位帶寬都和SAR真實(shí)回波相匹配。

本文還利用上述模型和參數(shù)仿真了對SAR的欺騙干擾，原場景為圖3（a），仿真時在機(jī)場上設(shè)置了8個飛機(jī)作為假目標(biāo)，在圖像右下方設(shè)置了一個正方形框用于分析圖像的形變。圖4（a）為沒有上述誤差時的欺騙干擾仿真結(jié)果，圖4（b）為有上述誤差時的欺騙干擾仿真結(jié)果。仿真時干信比為3dB。從仿真結(jié)果可知：飛機(jī)和正方形框聚焦效果很好，飛機(jī)因側(cè)向位置不同向下偏離15m到25m不等，正方形框向下偏離了約50m，尺寸由原來的250m×250m變?yōu)?50.1m×256m（方位×距離），發(fā)生了微小的形變。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于相鄰脈沖比相的高效SAR干擾方法，它可以獲取二維處理增益，克服了已有干擾方法因難以獲取干擾機(jī)至平臺高精度距離值而無法獲得二維處理增益的缺點(diǎn)，因此較之現(xiàn)有的SAR干擾方法它所需干擾機(jī)功率較低。由于該方法能獲得相對精度很高的雷達(dá)平臺和干擾機(jī)的距離，因而它可以對非合作目標(biāo)實(shí)行欺騙干擾。通過仿真分析，所述方法既能進(jìn)行二維假目標(biāo)欺騙干擾，也能進(jìn)行噪聲壓制干擾，具有一定的實(shí)用性。