基于間歇采樣的合成孔徑雷達目標有源隱身方法

徐樂濤　馮德軍　王雪松

(國防科技大學 電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室,長沙 410073)

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基于間歇采樣的合成孔徑雷達目標有源隱身方法

徐樂濤馮德軍王雪松

(國防科技大學 電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室,長沙 410073)

摘要基于間歇采樣,從理論上提出了一種新型合成孔徑雷達目標有源隱身方法.對有源對消信號作間歇采樣處理,間歇采樣后的對消信號不僅可以對消真實目標回波信號,還可以在合成孔徑雷達(Synthetic Apertare Radar, SAR)圖像上形成二維多假目標.文中給出了合成孔徑雷達目標有源隱身的基本原理,從理論上推導了基于間歇采樣的有源隱身方法.在此基礎上,研究了對消信號參數誤差以及間歇采樣關鍵參數對有源對消和假目標生成的影響,給出了影響有源對消和二維假目標分布的關鍵因素,最后進行了仿真驗證.

關鍵詞間歇采樣;合成孔徑雷達;有源對消;二維假目標

DOI10.13443/j.cjors.2015040201

Active cancellation method against synthetic aperture radar based on intermittent sampling

XU LetaoFENG DejunWANG Xuesong

(StateKeyLaboratoryofComplexElectromagneticEnvironmentEffectsonElectronicsandInformationSystem,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Abstract A novel active cancellation method against synthetic aperture radar (SAR) is proposed theoretically based on the intermittent sampling. The cancellation signal is intermittent sampled to form the desired jamming signal. The jamming signal can both cancel the real target echo and form verisimilar false targets on SAR image simultaneously. First, the basic principles of SAR target active cancellation are introduced. Then, the active cancellation method based on intermittent sampling is theoretically derived. On this basis, the effects of the parameter error and key intermittent-sampling parameters on active cancellation and false-targets generation are studied. The key factors affecting the active cancellation and the distribution of two-dimensional false targets are also given. Simulation results verify the effectiveness of the proposed method.

Keywordsintermittent sampling; synthetic aperture radar; active cancellation; two-dimensional false targets

引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)

具有對地面目標全天時、全天候的高分辨成像能力[1-2],對地面目標的戰場生存能力構成了極大的威脅.如何有效削弱乃至破壞SAR成像能力從而保護地面目標,逐漸成為近年來SAR電子對抗領域研究的熱點問題[3-5].

根據SAR目標被保護的方式,可以將目前SAR電子對抗的方法分為兩類:一類是從破壞SAR對目標的發現檢測角度入手,通過干擾機發射類噪聲信號[6]或散射波干擾信號[7-8],使得目標圖像隱藏在噪聲圖像或強散射地貌背景中,從而避免目標直接暴露在SAR圖像上;另一類則是從破壞SAR對真假目標的識別角度入手,通過干擾機發射與真實目標回波高度相似的虛假目標回波[9],在真實目標圖像周圍形成單個或多個虛假目標圖像,使SAR無法單從圖像特征上區分真假目標.雖然上述兩類方法均能有效干擾SAR系統從而保護真實目標,但如何將兩類方法有效結合,同步實現SAR圖像上真實目標消隱和虛假目標產生的“隱真示假”能力,目前還未見研究.

雷達目標有源隱身技術通過發射一個與真實目標回波具有相同頻率、幅度、時延和相反相位的對消信號,使雷達收到的真實目標回波信號和對消信號在達到雷達接收天線之前實現有源對消,從而實現目標隱身[10-12].該技術在20世紀中期即被提出,但受限于當時的技術水平,該技術提出后即被擱置.近年來,隨著微電子、高性能計算技術的不斷發展,雷達信號相位幅度控制技術越發精確,有源隱身技術又逐漸受到重視.梁百川[10]、洪光啟[11]和Ufimtsev[12]分別指出了有源對消的基本原理和技術難點,楊小鵬[13]通過電磁計算分析了有源隱身被保護目標的雷達散射截面(Radar-Cross Section,RCS)和隱身效果,王玉軍等[14]提出了一種線性調頻(Linear Frequency Modulation,LFM)雷達回波對消干擾算法,曲長文、向迎春[15-17]提出了多種相干雷達目標的對消干擾方法,Xu[18]對有源隱身對消系統進行了仿真分析,Feng[19]提出了一種基于間歇采樣轉發的雷達回波脈內對消方法,Eleftheriades[20]首次搭建實驗平臺驗證了雷達有源隱身技術的可行性和有效性.

間歇采樣轉發[21]是一種基于收發分時的新型雷達相干欺騙干擾方法,通過對雷達回波信號的調制轉發,可以在真實目標距離向上生成具有逼真特征的虛假目標串.利用其對雷達信號間歇采樣的思想,本文提出了一種基于間歇采樣的SAR目標有源隱身方法:在滿足一定的前提條件下,該方法產生的有源對消信號與真實目標回波信號同時經過SAR成像處理后,既能有效消隱真實目標,又能在SAR圖像上產生多個位置靈活可控的二維欺騙假目標.

1SAR目標有源隱身方法

根據有源隱身的基本原理[19],為實現目標回波信號的有源對消,SAR干擾機應產生一個與SAR目標回波信號幅度、頻率、延遲相等,而相位相反的對消信號,該對消信號與真實目標回波信號一齊被SAR接收從而使SAR接收到的真實目標回波被有效對消掉,進而無法經過SAR成像處理獲得增益,最終實現真實目標在SAR圖像上的低可見性. SAR目標有源隱身方法的基本原理如圖1所示,對消信號的產生通常包括兩種方式:一是預先通過電磁計算、精確測量等方式獲得被保護目標的全向散射特性并存儲在干擾機數據庫中,當干擾機天線1截獲到SAR發射信號后,分析其信號參數及SAR與目標的相對位置關系,然后根據預先存儲的目標散射信息產生相應的對消信號,最后由天線1發射回SAR;二是通過干擾機天線2實時獲取目標的SAR回波信號,經干擾機調制處理后,由天線1轉發至SAR處.實際應用中為精確測量目標入射信號與反射信號,天線2可以由天線陣列構成[20].

圖1　SAR目標有源隱身方法示意圖

SAR通常采樣LFM信號作為發射信號.脈寬為T,帶寬為B,調頻斜率為Kr的發射信號sT(tr)可以表示為[2]

(1)

SAR接收到的歸一化回波信號sR(t)可以表示為

(2)

式中: c為電磁波傳播速度; RST為SAR到目標距離.

根據有源對消的要求,干擾機需要產生與真實目標回波信號幅度、頻率、延遲相等,相位相反的對消信號.因此,SAR接收到的對消信號sC(t)應滿足以下條件

sC(tr)=-sR(tr).

(3)

但是,干擾機內部產生的對消信號通常只能滿足頻率相等和相位相反的要求.由于干擾機與被保護目標不在同一位置,當干擾機天線1發射對消信號時,還需要對發射時間和發射功率進行嚴格的控制,才能保證對消信號的延遲和幅度滿足式(3)的要求.根據圖1所示,SAR到干擾機距離RSJ,干擾機到目標距離RJT. 假設SAR發射信號在目標處的入射功率為Pin,干擾機天線1發射功率為PJ1,增益為GJ1,則SAR天線處的對消信號功率

(4)

而目標回波信號在SAR天線處功率為

(5)

式中,σ表示目標散射強度.要滿足幅度相等的對消條件必須使得PSJ=PST,相應地,干擾機發射功率應滿足

(6)

RSJ和RST可以通過偵察系統估計SAR平臺位置獲得,σ包含在目標的散射特性數據庫中,目標處的入射信號強度Pin可以通過在目標處增加一個傳感器實現[7].

另一方面,為保證對消信號與目標回波信號延遲一致,干擾機可以通過SAR平臺、干擾機和目標三者關系確定對消信號的發射時間.假設干擾機發射信號相對于天線1截獲到SAR信號的延遲為τJ,應滿足

(7)

需要指出的是,當RSJ>RST時發射信號總是落在真實目標回波之后,此時干擾機需要估計的SAR信號脈沖重復時間，從而在下個脈沖來到前提前發射對消信號.

從上述可以看出,對消信號自身參數的準確性對于對消效果有著至關重要的作用,對消效果會隨著對消信號參數誤差的增加而變差.特別是對于SAR目標來說,由于其回波信號在距離向壓縮后還要進行方位向壓縮,距離向對消誤差會在方位向處理時被進一步放大,使對消效果下降得更為顯著.

2基于間歇采樣的有源隱身方法

本節給出基于間歇采樣的SAR目標有源隱身干擾方法基本原理.間歇采樣信號是一個矩形包絡脈沖串,記為p(t),其脈寬為τ,重復周期為Ts,采樣占空比D=τ/Ts.

(8)

根據傅里葉變換知,p(t)頻譜為

(9)

式中:sa(x)=sinx/x; 采樣頻率fs=1/Ts.

對干擾機內部對消信號x(t)做間歇采樣(也可以通過干擾機間歇發射對消信號實現)后發射,則SAR接收到的對消信號得到采樣后信號

sC,S(t)=sC(t)p(t) .

(10)

其頻譜可以表示為

(11)

其中幅度加權系數an為

(12)

從式(11)可以看出,經過間歇采樣后的信號可以看成是具有不同多普勒頻移nfs的目標回波之和.

從式(11)還可以看出,sC,S(t)中多普勒頻率為0(n=0)的子信號與對消信號sC(t)只差一個幅度加權系數a0,發射時調整天線發射功率PJ1為a0PJ1,則該子信號仍滿足對消信號對于幅度相等的要求.對消后剩余信號sL(t)可表示為

(13)

對消后剩余信號sL(t)的頻譜可以表示為

(14)

sL(t)經過SAR接收和二維脈壓處理后,得到[22]

IL(tr,ta)=sinc[Kata(T-|ta|)]·

sinc[(μrtr+nfs)(T-|tr|)],

(15)

式中: ta是方位向慢時間; Ka是方位向調頻率; Ta是方位向窗口寬度. 這些參數對后續處理影響可忽略不計,在這里不作詳細說明.

下面分析干擾信號的圖像特征.從式(15)可以看出,由于對消信號消去了真實回波信號,因此經過SAR匹配濾波后,真實目標回波信號(n=0)被有效對消而無圖像生成.與此同時,輸出的是多個逼真的假目標,假目標與真實目標處于相同的方位向單元并沿距離向分布,各個假目標在幅度上存在一定的差異.第n階假目標的距離向位置為

(16)

第n階假目標的幅度為

sinc[(μrtr+nfs)(T-|tr|)]·

sinc[μata(T-|ta|)].

(17)

值得注意的是,假目標中有一半超前于真實目標所在位置,即實現了所謂的導前假目標干擾[21].假目標間的峰值點間距為

(18)

該值與采樣頻率fs成正比,與調頻斜率Kr成反比,與階數無關.因為間歇采樣轉發采用的是距離向多假干擾,因此多普勒頻移nfs與帶寬的關系決定了假目標的總數量,即包含多少階假目標在通帶范圍內,由此可確定形成假目標個數的最大值為

(19)

由于多普勒失配會造成匹配濾波器輸出峰值展寬,第n階假目標的-4dB信號寬度為

(20)

式(20)表明,隨著多普勒頻移的增大,經匹配濾波后的失配越嚴重,輸出脈沖寬度逐漸展寬,這在SAR圖像表現為高階假目標圖像會出現一定程度的散焦.

為了定量分析對消效果,我們定義對消度的概念,計算公式如下

(21)

選定目標上強散射點作為參考點,對比對消前后幅度值.為保證參考點的選擇具有一般性,可以選取多個參考點用于分析對消效果.對消度越小,說明對消效果越好.

3仿真實驗

本節進行仿真驗證,仿真基本參數如表1所示.仿真中SAR成像采用經典的距離多普勒(Range Doppler, RD)算法.

表1　仿真參數設定

圖2來自于美國Sandia國家實驗室單視SAR復圖像[24],其中飛機目標清晰可見.我們采用文獻[25]的方法將該SAR復圖像還原為場景總回波信號,然后用同樣的方法,分割圖像中的飛機目標區域,并生成該區域的SAR回波作為對消信號.這種處理方式可以看作是模擬圖1中通過天線2獲取目標區域散射特性的對消信號生成方法.

首先分析無間歇采樣情況下,理想有源對消后SAR圖像特性.將仿真生成的飛機目標區域回波反相后疊加至場景總回波信號上,再將和信號經過RD算法處理后輸出SAR圖像如圖3所示.

圖2　真實場景SAR圖像

圖3　理想對消SAR圖像

從圖3可以看出,理想條件下,無誤差的對消干擾信號時可以有效對消目標區域的回波信號,降低目標在SAR圖像上的可見性.

接下來仿真分析基于間歇采樣的有源隱身干擾方法,取占空比D=0.1,采樣頻率fs分別設為36 MHz和45 MHz.對消結果如圖4所示.根據式(16)理論分析可知,兩種采樣頻率下假目標的位置應當分別出現于±36 m和±45 m及各自整數倍處.

(a) fs=36 MHz

(b) fs=45 MHz圖4　間歇采樣對消SAR圖像

從圖4可以看出,理想條件下對消信號無參數誤差,基于間歇采樣的對消方法可以有效消隱真實目標,同時在距離向上產生了成串假目標.假目標位置與間距與式(16)理論分析一致.圖4(a)中高階假目標出現了一定程度散焦,式(20)的理論分析也說明了這一點.除了因場景因素所限,不便觀察假目標的總個數外,其余的實驗結果和理論分析吻合.

我們選取圖4(a)和圖4(b)中飛機目標對消度進行分析,并與圖3的對消度進行比較,如表2所示.可以看出,理想條件下,真實目標的圖像幅度均下降了10 dB以上.分析該值沒有達到理想的負無窮的原因在于:SAR的二維壓縮增益以及天線副瓣能量泄漏,以及仿真過程中原始信號重建的部分誤差.然而,由于目標周圍的地物散射具有一定強度,10 dB的對消度可以使目標圖像上表現散射強度降到與周圍地物散射強度相同甚至更低,相當于將目標隱藏于地物背景之中. 需要指出的是,10 dB僅作為本文仿真條件下判斷有源隱身有效性的閾值,在實際應用中則應具體分析SAR和目標場景的特定而后確定.

表2　對消度/dB

下面仿真分析非理想條件下參數誤差對于對消效果的影響.由于上述實測數據具有一定誤差,這里為了定量分析,SAR成像采用理想點目標模型,僅保持表1的參數設定,并假設SAR成像處理方位向壓縮增益與距離向相同,均為BT=27.8 dB.

當有源對消干擾信號存在幅度誤差時,對消度如圖5(a)所示.可以看出,隨著幅度誤差的增大,對消度逐漸增大,對消效果逐漸變差.二維處理相對一維處理對消度大27.8 dB,這是由于方位向壓縮放大了誤差的影響,這與前面的理論分析相一致.為形象地顯示幅度誤差對二維對消影響,這里給出幅度誤差時SAR圖像如圖5(b)所示,從圖中可以看出由于誤差的存在,目標強度增加,對消效果減弱.

(a) 對消度與幅度誤差關系

(b) 成像效果圖圖5　幅度誤差對對消效果影響

當有源對消干擾信號存在延遲誤差時,對消度如圖6(a)所示.可以看出,對消效果隨著延遲誤差的增大而減弱.這里給出延遲誤差時SAR圖像如圖6(b)所示,從圖中可以看出,目標強度增加,對消效果減弱.

對比圖5(a)和圖6(a)還可以看出,延遲誤差相比幅度誤差對于對消度的影響更為顯著.因此在實際應用中,干擾機應特別需要注意對消信號與目標回波信號的延遲對齊.雖然有源對消對于延遲誤差的要求有些苛刻,但是從圖6(b)可以看出此時雖然延遲誤差導致了對消失效,但間歇采樣干擾仍然有效，能發揮作用生成多假目標,可以看成是對消失效時繼續保護目標的一種折衷方法.

(a) 對消度與延遲誤差關系

(b) 成像效果圖圖6　延遲誤差對對消效果影響

4結論

研究表明,當干擾機能夠精確產生對消信號時,基于間歇采樣的有源隱身方法可以同時實現對SAR目標的隱身和二維欺騙假目標的生成, 為保護合成孔徑雷達地面目標提供了新的思路.這種干擾方法的潛在優點包括:第一,有效地降低了目標在SAR圖像上的幅度,降低了目標的可觀測性;第二,該方法可在距離向上形成多個逼真的欺騙式假目標,且假目標位置靈活可控,可以給雷達對真假目標的識別造成了困難;第三,由于間歇采樣對對消信號的調制可以通過干擾機間歇發送對消信號實現,這意味著干擾機可以工作在較低的占空比條件下,有利于提高干擾機的工作效率.

但是值得指出的是,由于有源對消效果對于信號參數誤差特別是延遲誤差非常敏感,需要干擾機精確無誤差地產生對消信號,在工程中實現起來具有一定的困難,如何更加精確地產生對消信號,以及如何克服參數誤差導致的對消效果削弱,是后續要研究的問題.

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中圖分類號TN958

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)01-0031-08

收稿日期：2015-04-02

徐樂濤, 馮德軍, 王雪松. 基于間歇采樣的合成孔徑雷達目標有源隱身方法[J].電波科學學報,2016,31(1):31-38. DOI: 10.13443/j.cjors.2015040201

XU L T, FENG D J, WANG X S. Active cancellation method against synthetic aperture radar based on intermittent sampling[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(1):31-38. (in Chinese).DOI:10.13443/j.cjors.2015040201

資助項目: 國家自然科學基金(61372170,61490690)

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