常見SAR相關(guān)干擾技術(shù)對(duì)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(xué)士官學(xué)校, 北京 102249; 2. 電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610036)

0 引 言

合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)是一種能夠滿足全天時(shí)、全天候和高分辨需求的微波成像雷達(dá),通過(guò)發(fā)射具有大時(shí)寬帶寬積的線性調(diào)頻(linear frequency modulated, LFM)信號(hào)并利用脈沖壓縮技術(shù),在距離向獲得高分辨率,通過(guò)合成孔徑技術(shù),在方位向上獲取高分辨率。自從20世紀(jì)以來(lái),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(dá)到0.1 m以下,因此其收集情報(bào)、獲取信息的能力越來(lái)越強(qiáng)。為了防止利用SAR雷達(dá)實(shí)施的偵察,就必須釋放有效的SAR雷達(dá)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(hào)與雷達(dá)輻射信號(hào)無(wú)關(guān),容易被抗干擾技術(shù)濾除,同時(shí)噪聲壓制干擾在距離向和方位向都不相關(guān),無(wú)法產(chǎn)生積累增益,雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但是由于干擾效果有限,越來(lái)越不被大家所接受,而采用數(shù)字射頻存儲(chǔ)(digital radio frequency memory,DRFM)的干擾技術(shù)卻受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

本文將分別討論SAR目標(biāo)的回波信號(hào)模型、DRFM相關(guān)壓制干擾技術(shù)和二維面目標(biāo)干擾技術(shù),通過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)比噪聲壓制干擾、DRFM相關(guān)壓制干擾、面目標(biāo)干擾的效果,驗(yàn)證這兩類SAR雷達(dá)干擾技術(shù)的特點(diǎn)。

1 SAR雷達(dá)信號(hào)模型

雷達(dá)輻射的LFM周期脈沖信號(hào),在距離向的單個(gè)脈沖的基帶信號(hào)表達(dá)式為

(1)

如圖1所示,慢時(shí)間軸與雷達(dá)在方位向的位置坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為=,雷達(dá)輻射信號(hào)被點(diǎn)目標(biāo)反射后,經(jīng)過(guò)往返距離2()再次被雷達(dá)所接收到。

(2)

式中：0為點(diǎn)目標(biāo)位置到雷達(dá)飛行路徑上的最短距離；為雷達(dá)飛行的速度。為載頻頻率,則由點(diǎn)目標(biāo)反射得到的雷達(dá)回波的基帶信號(hào)可以表示成:

(3)

式中：是點(diǎn)目標(biāo)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(diǎn)目標(biāo)的時(shí)刻。

(4)

傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)關(guān)系分析過(guò)程中普遍采用靜態(tài)圖模型描述節(jié)點(diǎn)之間的連接狀態(tài)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)間相遇信息如圖1所示,其中頂點(diǎn)表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn),邊表示節(jié)點(diǎn)之間存在連接。根據(jù)抽象所得到的節(jié)點(diǎn)關(guān)系可知,網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)均相互可達(dá),即各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以相互通信。

圖1 點(diǎn)目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離變化Fig.1 Range between point target and radar

2 DRFM干擾技術(shù)

DRFM干擾是以雷達(dá)輻射信號(hào)為參考信號(hào)。干擾機(jī)首先接收敵方雷達(dá)信號(hào),將信號(hào)作數(shù)字儲(chǔ)頻,然后根據(jù)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理后向敵方雷達(dá)釋放干擾。

2.1 DRFM相關(guān)壓制式干擾技術(shù)

DRFM相關(guān)壓制式干擾是希望通過(guò)干擾信號(hào)與雷達(dá)回波信號(hào)在距離上具有相同的形式,能與目標(biāo)信號(hào)一樣進(jìn)入接收機(jī),完成距離壓縮。干擾在SAR圖形中能夠覆蓋整個(gè)成像區(qū)域,同時(shí)干擾信號(hào)能順利進(jìn)入接收機(jī)而不被部分濾除掉。

干擾機(jī)接收到雷達(dá)發(fā)射信號(hào),然后將信號(hào)按不同時(shí)延相疊加,得到的信號(hào)作為干擾信號(hào)。以式(1)中的雷達(dá)輻射信號(hào)脈沖為參考,則干擾機(jī)輻射的干擾信號(hào)為

(5)

式中：是干擾機(jī)與敵方雷達(dá)的距離。雷達(dá)接收到的基帶干擾信號(hào)為

(6)

式(6)經(jīng)過(guò)距離壓縮處理后,在距離上形成個(gè)像。為了覆蓋大面積的雷達(dá)圖像,時(shí)延序列{}應(yīng)采用隨機(jī)量。這樣干擾信號(hào)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(biāo)干擾技術(shù)

二維面目標(biāo)干擾技術(shù)的原理是偵收敵方雷達(dá)信號(hào),然后將信號(hào)按照目標(biāo)回波模擬方式,發(fā)射回?cái)撤嚼走_(dá),使敵方雷達(dá)同時(shí)接收到目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)。干擾信號(hào)與真實(shí)目標(biāo)回波空間疊加后通過(guò)成像處理在雷達(dá)形成虛假的目標(biāo)。

假設(shè)式(1)中雷達(dá)輻射脈沖信號(hào)的傅里葉變換為()。干擾機(jī)接收的敵方雷達(dá)信號(hào)為

(7)

式(7)的傅里葉變換為

()=()exp(jc)

(8)

若干擾機(jī)的系統(tǒng)相應(yīng)為(),則雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)頻譜為

()=()()exp(j2c)

(9)

假目標(biāo)處的回波應(yīng)具有的信號(hào)形式為

(10)

式中：是干擾機(jī)與敵方雷達(dá)的距離。式(10)的傅里葉變換為

()=()()exp(j2c)

(11)

式中：是目標(biāo)后向散射系數(shù)?？梢?為使干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)具有高度的相關(guān)性,干擾機(jī)的系統(tǒng)響應(yīng)為

()=exp[j2(-)c]

(12)

對(duì)于二維面目標(biāo)干擾,等價(jià)于面目標(biāo)上每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)產(chǎn)生的回波干擾信號(hào)的線性疊加。

3 仿真分析

SAR回波數(shù)據(jù)利用目標(biāo)回波模型式(4)和式(5)仿真產(chǎn)生,假設(shè)SAR雷達(dá)處于條帶式工作模式,所用到的參數(shù)如下:LFM信號(hào)帶寬為60 MHz,脈沖寬度為30 μs,載頻為1.275 GHz,脈沖重復(fù)頻率為1.257 kHz,雷達(dá)所在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(jié)果如圖2所示。

圖2 ISR=-10 dB時(shí),SAR不同干擾信號(hào)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(shí),SAR不同干擾信號(hào)產(chǎn)生的效果仿真圖。對(duì)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(qiáng)于噪聲壓制干擾,而面目標(biāo)欺騙干擾有一定效果。這是由于噪聲壓制干擾信號(hào)在距離向和方位向上都沒(méi)有積累增益,DRFM壓制干擾信號(hào)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(méi)有積累增益,而面目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)會(huì)在假目標(biāo)所在的距離向和方位向同時(shí)積累產(chǎn)生增益,相比于噪聲壓制干擾和DRFM壓制干擾信號(hào),面目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)的能量更加集中在局部區(qū)域,因此在成像結(jié)果中的干擾效果更加明顯。

圖3為ISR為10 dB時(shí),原始回波成像結(jié)果、高斯白噪聲壓制干擾、DRFM壓制干擾效果和面目標(biāo)欺騙干擾效果的仿真圖。對(duì)比圖3中的3幅圖可以看出,噪聲壓制干擾、DRFM相關(guān)壓制干擾效果和二維面目標(biāo)干擾都非常明顯,DRFM相關(guān)壓制干擾效果略強(qiáng)于噪聲壓制干擾,已經(jīng)將原始成像結(jié)果中的跑道圖像淹沒(méi)在其中,而二維面目標(biāo)干擾成像的飛機(jī)成像結(jié)果強(qiáng)度遠(yuǎn)超原跑道成像結(jié)果的強(qiáng)度。圖3同樣也驗(yàn)證了,DRFM相關(guān)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(biāo)干擾,壓制干擾信號(hào)能量分布更加分散,因此在成像結(jié)果中二維面目標(biāo)的效果更加明顯。

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

對(duì)比圖2和圖3可以看出,不同的干擾模式有不同的特點(diǎn),噪聲壓制干擾在距離向和方位向上都不相關(guān),無(wú)能量累積增益,DRFM相關(guān)壓制干擾技術(shù)產(chǎn)生的干擾信號(hào)僅僅在距離向上相關(guān)。因此,噪聲干擾和DRFM相關(guān)壓制干擾信號(hào)的能量均勻地分布在整個(gè)成像結(jié)果二維平面,適合對(duì)SAR成像結(jié)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(biāo)干擾信號(hào)在距離向和方位向上都是高度相關(guān)的,其成像結(jié)果中會(huì)聚焦于局部區(qū)域,即使干擾功率不盡如人意,也會(huì)產(chǎn)生一定的干擾效果;而當(dāng)干擾功率較大時(shí),干擾效果將會(huì)十分顯著。因此,更適合做欺騙干擾或者局部的強(qiáng)壓制干擾。

4 結(jié) 論

針對(duì)SAR雷達(dá)干擾技術(shù),本文重點(diǎn)研究了噪聲壓制干擾技術(shù)、DRFM相關(guān)壓制干擾技術(shù)和二維面目標(biāo)干擾技術(shù)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析干擾效果,可知噪聲壓制干擾技術(shù)、DRFM相關(guān)壓制干擾信號(hào)的能量平均地分布在整個(gè)成像結(jié)果二維平面,而二維面目標(biāo)干擾由于干擾信號(hào)在距離向和方位向上二維相關(guān),其干擾效果會(huì)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(biāo)干擾在局部的干擾效果更加明顯。但面目標(biāo)干擾需要基于回波模板的二維運(yùn)算,因此對(duì)硬件設(shè)備的要求較高?？傮w來(lái)說(shuō),在工程中由于DRFM壓制干擾技術(shù)對(duì)硬件的要求低,并且相比于噪聲壓制干擾信號(hào),DRFM壓制干擾信號(hào)具有與雷達(dá)輻射信號(hào)高度相關(guān)的干擾信號(hào)樣式,不易被雷達(dá)濾除。DRFM壓制干擾技術(shù)在應(yīng)對(duì)大帶寬高分辨SAR對(duì)象更有優(yōu)勢(shì),被普遍應(yīng)用。而面目標(biāo)干擾的二維相關(guān)性更好,在欺騙干擾的應(yīng)用研究中的應(yīng)用更加廣泛。