一種混合模式干擾SAR的方法研究

摘要：本文分析討論了一種對SAR進行多模式干擾的方法。文中首先簡要分析了SAR的多模干擾的方式及種類，詳細討論了對SAR進行無源、有源功率壓制和欺騙式干擾的具體方法，建立了在三種不同干擾模式下的回波信號的數學模型，為今后的研究奠定了重要的理論基礎。最后結合文中建立的相關理論完成了對多點陣目標干擾的成像仿真實驗，取得了較為滿意的結果。

關鍵詞：合成孔徑雷達 干擾 回波信號 模擬

0 引言

合成孔徑雷達（SAR）是一種有源、二維相干成像的高分辨率雷達系統。在雷達距離向上它將回波信號的寬脈沖壓縮成窄脈沖信號以獲取距離向的高分辨率，方位向上通過在一個合成孔徑長度上對多次采樣信號進行矢量疊加，再經過一些相位補償措施后使其成為同相信號獲取方位向的高分辨。從雷達對抗角度來說，對于SAR的干擾目的就是采用合理的措施，阻止、擾亂或拖延敵方SAR探測系統對己方目標區域的偵查和監測，使敵方獲取的戰略信息受到抑制或損壞，從而保護自己爭取戰略主動。根據以往的研究和實踐經驗來看，單一模式的干擾方法未必能夠達到我們實施有效干擾的最終目的，即使可以基本達到目的其所花費的代價也可能過高（如單純提高干擾發射機的干擾功率后所引起的設備增重、費效比降低等）。本文從電磁波的傳播和雷達干擾的基本原理出發，探討了一種多模式干擾SAR的方法，并取得了較為滿意的結果，為后續開展更加深入的研究工作奠定了理論基礎。

1 多模式干擾分析

SAR系統的工作過程簡單來說就是將目標物體的電磁信息轉換為二維或三維（干涉SAR）的圖像信息的過程。以成像顯示為最終目的決定了在現有的雷達干擾體制下對SAR的有效干擾將包含三種方式，這三種干擾模式分別是無源干擾模式、功率有源壓制干擾模式和欺騙式干擾模式，這三種模式構成了一個干擾網絡，如何布局并合理地實施這個網絡系統，將考驗是否能夠完成對SAR的有效對抗。在后續的小結中我們將進一步地討論這三種模式的干擾方法。

2 無源干擾模式

SAR的無源干擾就是利用無源器材（主要有雷達角反射器，偽裝網和雷達誘餌等）人為刻意地改變從SAR發射的雷達電磁波的傳播路徑，削弱或增強電磁波對目標的散射場，以期改變接收信號的形式，并在SAR圖像中制造虛假目標或掩蓋真實目標，降低圖像的識別率。這里我們以一種雷達直角二面角反射器為研究對象，討論無源干擾模式的影響。作為雷達角反射器，它利用自身的物理結構特性使電磁波照射到上面時發生鏡面反射、透射、繞射和聚集等效應，波從來波的方向反射回去增強了散射場，從而達到隱藏自身原散射的目的。根據電磁計算的原理我們可以模擬計算得到直角二面角反射器的RCS曲線如圖1所示：

按照SAR回波信號原理，我們可以寫出SAR在受到無源干擾時基帶內的回波信號的數學模型為：

在上式中Pt為雷達發射功率；Ls為信號傳播綜合損耗；Gt為雷達發射天線增益；Gr為雷達接收天線增益；Rjref(t)為角反射器質心與雷達的瞬時斜距；σjref為角反射器后向散射參數。如果無源干擾是由“W”個角反器組成的陣列構成的，那么其回波的模型將變為：

3 功率壓制干擾模式

目前就大部分的SAR系統而言都是工作在寬頻帶范圍內，因此在功率壓制干擾中我們將采用“阻塞式干擾”的干擾模式。阻塞式干擾的具體方法就是讓干擾機在一個較寬的頻段范圍內發射干擾噪聲，使干擾噪聲的頻段覆蓋SAR的工作頻帶這樣在雷達的通帶內有用信號的能量被干擾抑制掉了。在阻塞式干擾的實施過程中，我們選用噪聲調頻干擾信號作為對SAR進行有源功率壓制干擾的信號形式。噪聲調頻干擾信號是一種廣義平穩隨機過程，符合阻塞式干擾的各項要求，其載波的瞬時頻率隨調制電壓（為一噪聲信號）的變化而變化，而振幅確保持不變。雷達接收到的噪聲調頻干擾信號模型的數學表達式為：

在（3）式中，λj為干擾機工作波長；Pj為干擾機發射平均功率； Lj為干擾發射信號的綜合損耗；Lr為雷達接收綜合損耗；Rj(t)為干擾機與雷達的距離；Gv(θj)為雷達天線方向圖在干擾方向上的電壓增益；Gj為干擾天線電壓增益；KRF為射頻電壓放大系數；Un(t)為零均值的廣義平穩隨機過程；ωj為載頻常數；φ(t)為服從[0，2π] 均勻分布的函數，且與Un(t)獨立；U0為噪聲調頻信號的幅度；KFM為調頻斜率。

4 欺騙式干擾模式

機載SAR與欺騙式干擾發射機和假目標P的位置關系如圖2所示，我們可以知道欺騙式干擾機位于（xG，yG，zG）坐標點上，假設我們需要產生的假目標位于（xP，yP，zP）坐標處，干擾機與假目標與載機飛行航線的垂直距離分別為RGO和RPO，任意時刻t干擾機和假目標與載機的距離為RG(t)和RP(t)，這里我們假設載機飛行高度為H，勻速飛行速度為v。任意時刻載機與目標的斜距為：

其中：

進一步近似得：

欺騙干擾的目的就是要使位于（xG，yG，zG）處的干擾源能夠產生出位于（xP，yP，zP）處的假目標信號。根據雷達回波延時定義我們知道位于（xP，yP，zP）的點目標延時為：

干擾機發射干擾信號到被SAR接收應為單程信號，其所經歷的時間為：

當干擾機產生出假目標點處的信號時它們之間應該滿足時間延時上的相等關系即為：

在上式中△τ為干擾機與假目標之間的時間延時差。將（7）和（8）兩式代入（9）中，經變換可以得到：

進一步將上式可以寫為：

由以上推導我們可以知道，只要干擾發射機調整不同的時延參數△τ，就可以產生出不同位置處的目標信號。根據以上推導我們可以得出SAR欺騙式干擾信號產生的假回波數學模型為：

在上式中σj為假目標電磁散射參數；Trj為干擾假信號的脈沖重復周期（一般采用數字信號處理方法測得）；RG(t)為干擾機與載機的瞬時距離；△τ為干擾機產生的假目標調制延遲時間；τcj為干擾機發射脈沖信號的脈沖寬度；Krj為干擾機發射脈沖信號的調頻指數；λj為干擾機模擬雷達波束的波長；fcj為干擾機發射信號的載頻； Aj(t)為干擾機發射信號的幅度函數，其具體表達式為：

在式中Pj干擾機發射平均功率；Br雷達接收機帶寬；Bj干擾信號帶寬；Lj干擾機發射信號綜合損耗；Lr雷達接收機綜合損耗；Gv(θj)雷達天線方向圖在干擾方向上的電壓增益；Gj干擾天線電壓增益。如果要產生多點假目標（12）式可以寫為：

SAR在受到無源干擾、調頻干擾和欺騙式干擾后總的回波信號為：

式中Sr(·)為SAR原始回波信號，SjrFM(·)為調頻干擾信號，Srj(·)為欺騙干擾信號，Srjref(·)為無源干擾信號。

5 仿真試驗

在本次仿真試驗中，我們模擬機載SAR對8點“X”型點陣目標探測時受到欺騙干擾、無源干擾和有源功率壓制干擾的情況。模擬過程中假定兩種干擾機都能正常工作且不會產生相互影響，未干擾SAR時它可以獲得3dB信噪比的圖像(S/N=3dB)，點陣中心點與載機航線的距離為12公里，調頻干擾機位于(100，10000，0)(單位:米)處，欺騙式干擾機位于(200，10000，0)(單位:米)處，產生的假目標1位于(0，10300，0)(單位:米)，假目標2位于(100，10300，0)(單位:米)處。當加入二面角反射器時，其中心點位于(0，10000，0)(單位:米)處，我們假設角反器占據1個分辨單元的大小，點陣目標具有相同的散射系數為1dB，系統仿真參數如表1所示：

在圖3中我們模擬了一個由8個點目標構成的“X”型的點陣像，在圖4中加入了由欺騙式干擾機產生的兩個假點目標，由圖中我們可以看到由于假目標的出現使得原有點陣形式發生了變化。在圖5中我們又進一步在點陣中心位置處加入了二面角雷達反射器，這里我們假設角反器是一個占據一個分辨單元的物體，從模擬圖像上來看由于角反器產生的強散射作用掩蓋了其余目標的圖像。圖6、7中，我們分別模擬了施加不同干擾功率的情況下混合模式的干擾效果。

6 小結

本文主要研究了一種對于機載SAR進行混合多模式干擾的方法，得到了目標在多種干擾模式下的SAR圖像仿真結果。從所得結果可以看出仿真實驗研究與理論分析基本相符，說明了混合模式的應用對SAR的干擾作用顯著，只要安排合理會收到很好的干擾效果。但是也應看到此次仿真實驗是在諸多理想假設條件基礎之上得到的，并未考慮到多種干擾模式共存時相互之間的干擾問題。在真實場景中實驗結果不可避免的要受到環境、載機非勻速直線運動，干擾機工作狀況等情況的影響，這些外部因素都會降低對SAR的干擾效果，因此還需要不斷地改進方法，提高干擾效果。

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作者簡介：張娟，女，1976年出生，陜西興平人，工程師，研究方向為機電工程。