對CRPJ-SAR間歇采樣散射波轉發(fā)干擾效果分析

張靜克，戚宗鋒，胡明明，曾勇虎，汪連棟

(電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室，河南 洛陽 471000 )

0 引言

具有全天時、全天候以及高處理增益等工作特點的合成孔徑雷達(SAR)是當前軍事領域應用最為廣泛的偵察手段之一[1-3]，相應地，對SAR干擾技術也成為雷達對抗領域的關注重點。SAR干擾可分為壓制干擾和欺騙干擾，其中欺騙干擾極具迷惑性，難以被SAR察覺，一直是業(yè)界研究的熱點。基于數(shù)字射頻存儲器(DRFM)的相干轉發(fā)干擾是現(xiàn)階段應用最為廣泛的欺騙干擾[4-7]，該類干擾通過DRFM接收并存儲雷達信號，然后對信號進行相應的延時、相位調制、復制疊加等變化再轉發(fā)到雷達，不僅可以生成逼真的假目標，而且能夠可以獲得相當?shù)奶幚碓鲆妗Ｈ欢捎谠擃惛蓴_若在當前脈沖重復周期內進行轉發(fā)，只能形成滯后的假目標，易被雷達通過脈沖前沿跟蹤技術識別，因此通常是在下一個脈沖來臨時轉發(fā)基于當前脈沖形成的干擾信號。針對這一缺陷，文獻[8～9]提出了基于調頻斜率極性捷變SAR(CRPJ-SAR)的抗欺騙干擾方法，其基本原理是通過在相鄰脈沖發(fā)射調頻斜率極性相反的LFM信號，使得傳統(tǒng)的基于DRFM的欺騙干擾信號與當前雷達匹配濾波器失配，從而實現(xiàn)對欺騙干擾的抑制。

目前關于CRPJ-SAR干擾的研究較少。文獻[10～11]分別分析了間歇采樣和欠采樣轉發(fā)干擾對調頻斜率極性捷變SAR的干擾效果，證明間歇采樣和欠采樣轉發(fā)干擾不僅能夠在CRPJ-SAR中形成沿距離向等間隔分布的導前和滯后的點假目標，而且能夠在方位向形成三個等間隔分布的假目標，假目標的幅度和分布由采樣參數(shù)決定。

然而真實目標多為分布式目標，其圖像表現(xiàn)為多個強散射點的集合，這就意味著單純的間歇采樣或欠采樣轉發(fā)干擾難以實現(xiàn)對CRPJ-SAR的欺騙干擾，需要附加目標散射信息的調制才能夠實現(xiàn)真正意義上的欺騙干擾。由于CRPJ-SAR干擾時效性的要求，基于卷積調制的傳統(tǒng)SAR欺騙干擾方法并不適用，而散射波干擾[12-13]作為一種極具特色的干擾手段，其通過目標散射完成干擾信號的散射特性調制而無需干擾機進行實時調制，顯然能夠滿足CRPJ-SAR干擾即時性的要求。基于此，本文將間歇采樣轉發(fā)干擾和散射波干擾有機結合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，研究對CRPJ-SAR間歇采樣散射波轉發(fā)干擾。

1 間歇采樣散射波轉發(fā)干擾機理

1.1 間歇采樣散射波轉發(fā)干擾信號模型

以機載正側視CRPJ-SAR為例，其發(fā)射信號可表示為：

s(τ,η)=Tp-1/2rect(τ/Tp)exp(j2πfct+jπkr(η)τ2)

(1)

式中，τ表示SAR距離向快時間；η=mT(m為整數(shù))為方位向慢時間；T為脈沖重復周期；t=η+τ為全時間；Tp為脈沖寬度；fc表示發(fā)射信號的載頻；kr(η)=α(η)kr表示η時刻發(fā)射脈沖的調頻斜率，其中kr為調頻斜率絕對值，α(η)∈{1,-1}為脈沖調頻斜率的極性，其取值在相鄰脈沖間是相反的。

間歇采樣散射波干擾幾何示意圖如圖 1所示，SAR平臺以正側視模式沿直線勻速運動，速度記為Va。以SAR波束中心穿過干擾機時刻為方位向零時刻，以此時刻SAR平臺在地面的投影為坐標原點，平行于運動方向為X軸，垂直向上方向為Z軸，建立左手坐標系。SAR到干擾機的最小斜距記為RJ，SAR到散射目標的最小斜距記為RT，干擾機到散射目標的斜距記為rJT，散射目標的方位向坐標為xT，散射強度為σ(xT,RT)。

間歇采樣散射波轉發(fā)干擾的實施方式為：干擾機對截獲的SAR信號進行間歇采樣，同時將采樣信號轉發(fā)至散射目標，SAR接收到散射目標的反射信號形成干擾信號。由圖 1所示SAR平臺、干擾機以及散射目標的相對位置可得干擾信號的距離歷程為：

RJT(η)=RJ(η) +RT(η) +rJT

(2)

以p(t)表示間歇采樣信號，則SAR接收到的基帶干擾信號可表示為：

J(τ,η)=σ(xT,RT)p(t-τj(η))s0(τ-τd(η),η)

(3)

式中，σ(xT,RT)表示目標的散射強度；τj(η)=RJT(η)/c；τd(η)=τj(η)+τs表示干擾信號總的時延，τs為干擾機的系統(tǒng)延遲，通常忽略不計。由文獻[10]可知修正后的間歇采樣信號模型為：

p(t)=

(4)

1.2 間歇采樣散射波轉發(fā)干擾成像結果

對式所示間歇采樣散射波轉發(fā)干擾信號進行距離向匹配濾波以及距離徙動校正，參考文獻[10]可得：

(5)

式中，fs=1/Ts為間歇采樣周期，K=fix(Br/(2fs))，x(η)=rect(η/TL)exp(-j2πRJT(η)/c)，τ0=(RJ+RT+rJT)/c，An(τ,η)=an(1-|τ-τ0|/Tp)sinc(Br(τ-τ0+nfs/kr(η))) ，an=asinc(na)，Δt為間歇采樣時間因子。

令Ani(τ)=an(1-|τ-τ0|/Tp)sinc(Br(τ-τ0+(-1)infs/kr))，間歇采樣散射波轉發(fā)干擾信號可進一步表示為：

(6)

對式(5)進行傅里葉變換可得：

(-1)l(fa/2-Ba/4))/(Ba/2)Yi(τ,fη-(-1)lfa/2)

(7)

(8)

cos(jπnfs(τ+ 2Δt-τ0)) + 2-1σ(xT,RT)·

(9)

2 間歇采樣散射波轉發(fā)干擾效果分析

由式(9)可知，間歇采樣散射波轉發(fā)干擾形成的假目標的位置為：

rn=(RJ+RT+rJT)/2-cnfs/(kr2)

(10)

相鄰假目標的距離向間隔為Δr=cfs/2kr，與采樣頻率成正比。若散射目標成像后的距離向范圍為ΔR，當Δr≤ΔR時，不同階假目標會重疊在一起。

當n=0時，在r0處只有一個假目標，且其方位向為RJxT/((RJ+RT)Va)；當n≠0時，在rn處有三個沿著方位向分布的假目標，方位向位置為：

(11)

由式(11)可知，當RJ與RT相差不大時，第n階主假目標的方位向位置近似位于干擾機和真實目標的中間位置。若散射目標的方位向范圍為Δx，則間歇采樣散射波轉發(fā)干擾形成的各階主、次假目標的方位向范圍近似為Δx/2。

由式(9)以及文獻[10]可得第n階主、次假目標的幅度分別為：

(12)

(13)

可以看出，幅度受到相位項2πnfsΔt-π(nfs)2/kr影響，這就意味間歇采樣散射波轉發(fā)干擾形成的假目標的能量分布很復雜。

3 仿真分析與驗證

本節(jié)基于美國Sandia國家實驗室的MiniSAR切片圖像數(shù)據(jù)，仿真驗證間歇采樣散射波轉發(fā)干擾對CPRJ-SAR的干擾效果。仿真方法是將MiniSAR圖像數(shù)據(jù)作為目標場景的散射系數(shù)，然后按照CRPJ-SAR信號采集以及間歇采樣散射波轉發(fā)干擾的實施過程進行回波模擬，最后再進行SAR成像處理。SAR系統(tǒng)參數(shù)如表 1所示。成像場景的距離向范圍為[7650 m，8350 m]，方位向范圍為[-200 m，200 m]。無干擾時的CPRJ-SAR成像結果如圖 2 (a)所示，其中紅框內區(qū)域設定為散射區(qū)域，其距離向范圍為[7975 m，8025 m]，方位向范圍為[-42 m，42 m]。散射區(qū)域內有一個形似坦克的分布式目標，其放大圖像如圖 2 (b)所示。設定干擾機位置為(0 m，7800 m)，驗證間歇采樣散射波轉發(fā)干擾的干擾效果。

表1 SAR系統(tǒng)參數(shù)

圖4 不同間歇采樣周期對間歇采樣散射波轉發(fā)干擾效果的影響

考慮到間歇采樣轉發(fā)干擾在CPRJ-SAR形成的假目標能量的分布較為分散，干信比設置為10 dB。設定間歇采樣信號周期Ts=0.1 μs，占空比a=0.4，則fs=10 MHz，N=50，Δt=(2-a)Ts/2=0.8Ts，忽略目標散射特性隨視角變化的影響，間歇采樣散射波轉發(fā)干擾的CPRJ-SAR成像結果如圖 3(a)所示。由圖 3(a)可以看出間歇采樣散射波轉發(fā)干擾在CPRJ-SAR中形成多個虛假分布式目標，其中零階假目標與真實目標混疊在一起。占空比為0.4，其中±5階假目標無輸出，各虛假目標的距離向間隔為50 m，方位向間隔為90 m，均與理論值吻合。與常規(guī)SAR不同，假目標幅度受到相位項2πnfsΔt-π(nfs)2/kr的影響，導致其對稱階假目標的幅度不相等，而呈現(xiàn)出無規(guī)律的隨機分布，增加了干擾的復雜性。為了更好地觀察和分析虛假目標的特性，圖 3(b)給出了只存在干擾時的零階虛假目標的放大圖，與圖 2(b)所示真實目標相比，干擾存在一定的散焦和模糊，這也是散射波干擾的固有缺陷，而且虛假分布式目標的方位向范圍近似縮小了一半，這與理論分析一致。

圖3 間歇采樣散射波轉發(fā)干擾CPRJ-SAR成像結果(Ts=0.1 μs)

由于間歇采樣散射波轉發(fā)干擾形成的虛假目標的間隔由間歇采樣周期決定，當間歇采樣參數(shù)選取不合理時，虛假目標會混疊在一起，導致欺騙效果變差，甚至惡化為壓制干擾。取間歇采樣信號周期分別為0.05 μs、0.2 μs和0.4 μs，占空比均為a=0.4，則對應頻率分別為20 MHz、5 MHz和2.5 MHz，相應的假目標距離向間隔分別為100 m、25 m、12.5 m，干擾的成像結果如圖 4所示。由圖 4可以看出隨著采樣周期的增大，虛假目標的距離向間隔變小。當距離向間隔小于虛假目標距離向范圍時(如圖 4(b)和(c)所示)，相鄰階虛假目標將會混疊在一起，欺騙效果變差，因此在實施間歇采樣散射波干擾時應根據(jù)散射區(qū)域的范圍選擇合適的間歇采樣參數(shù)。

4 結束語

本文研究了間歇采樣轉發(fā)散射波干擾對CRPJ-SAR的干擾效果。研究結果表明間歇采樣散射波轉發(fā)干擾充分結合了間歇采樣轉發(fā)干擾和散射波干擾的優(yōu)勢，能夠在CRPJ-SAR中生成多個攜帶真實目標散射特性且分布有規(guī)律的虛假分布式目標，可實現(xiàn)對CRPJ-SAR的欺騙干擾。同時，由于假目標的個數(shù)較多，能量分布較為分散，因此在對CRPJ-SAR實施間歇采樣轉發(fā)散射波干擾時需適當提高干擾機的發(fā)射功率，以獲取更好的干擾效果。■