對SAR噪聲壓制干擾仿真與干擾效果評估

徐聲海，周傳晟，許炎義

（1.海軍駐揚州723所軍事代表室，揚州225001；2.海軍工程大學，武漢430033）

0 引 言

合成孔徑雷達是一種二維成像雷達。它利用合成孔徑技術、脈沖壓縮技術，以真實的小孔徑天線獲得距離向和方位向的高分辨率遙感圖像［1］。SAR已成為軍事偵察的重要手段，是當前電子對抗研究的一個熱點。干擾效果是衡量干擾模式有效性以及雷達干擾設備性能的一項重要綜合性指標。定量的評估干擾效果對實戰、試驗和電子對抗裝備的研究都十分重要［2］。但是SAR干擾效果的評估具有很大的不確定性，評估難度相當大。國外對SAR干擾效果評估的研究很少有公開報道，國內對此研究的理論成果也十分有限。

本文把等效視數的概念引入對SAR干擾效能的評估，得出了SAR壓制干擾效果的定量評估方法，采用此辦法對2種壓制性干擾噪聲的干擾仿真結果進行了定量的評估，對其干擾的有效性進行了比較，并得出了結論。

1 基于等效視數的干擾效果評估方法

1.1 圖像的相似度

SAR圖像是地面對電磁輻射的后向反射系數的反映，反射特性相同或相近的地表物體在雷達圖像上表現為灰度相同或相近的圖像。可以利用干擾前后SAR圖像灰度的變化情況來判斷干擾對圖像的影響情況，評估干擾對圖像的干擾效果。目前較為常用的基于圖像相似度的評估準則包括相關系數準則、等效視數準則和歐幾里得空間距離等。

1.2 等效視數評估準則

等效視數（ENL）是衡量一幅圖像斑點噪聲相對強度的一種指標，它是圖像評估最常用的標準，其定義為［3］：

式中：μ為圖像灰度統計均值；σ2為圖像灰度方差。

圖像均值是指整個圖像的平均強度，即圖像所包含的平均后向散射系數。圖像方差代表了圖像區域所有點偏離均值的程度，反映了圖像的不均勻性。噪聲干擾的情況下，圖像均值等于原有值和輸出噪聲均值的和，隨著噪聲功率的增加而變大。圖像方差隨著噪聲功率的增加將不斷逼近輸出噪聲的方差，輸出圖像也不斷向隨機圖像逼近。

分別表示兩幅圖像的灰度，其中f（xi，yj），g（xi，yj）分別為圖像F、圖像G中各點的灰度值，m、n分別為圖像矩陣的行數和列數。

圖像F的灰度統計均值和方差可以表示如下：

同樣，圖像G的灰度統計均值和方差為：

由此可以得到圖像F和G的等效視數為：

等效視數ENL體現了圖像灰度的對比度，ENL越大圖像對比度越小，整體圖像就越顯得模糊不清，若取圖像F和G分別為干擾前后同一目標的兩幅圖像，則兩者的等效視數差ΔENL才真正體現了干擾對圖像作用的效果［4］：

對于同一種干擾方式來說，ΔENL越小，表明受到的干擾越小，受干擾圖像就越接近真實圖像。對于2種不同的干擾樣式來說，如果滿足ΔENL1＞ΔENL2，就可以認為干擾樣式1的干擾效果優于干擾樣式2。

2 SAR噪聲壓制干擾仿真

2.1 噪聲干擾信號模型

（1）噪聲調頻信號

調頻噪聲干擾是目前應用最多的一種壓制干擾信號形式，它具有寬的干擾帶寬和較大的噪聲功率，并經過適當的處理，還可以獲得在干擾帶寬范圍內較均勻的功率譜。其信號的表達式為：

式中：u（t）為零均值的高斯噪聲；Φ為相位函數在［0，2π］內均勻分布且與u（t）相互獨立的隨機變量；u0（t）為信號幅度；載頻wj為常數；KFM為調頻斜率。

（2）射頻噪聲信號

射頻噪聲的平均功率遠低于峰值功率，同時微波器件產生的噪聲功率電平太低，難以對其作微波功率放大，實際中很少得到應用。本文也將其作為噪聲壓制干擾的一種，與幾種干擾樣式進行比較并作為干擾效果計算的基礎。

射頻噪聲可由理想的高斯白噪聲通過一個帶限的功率放大器得到，為一窄帶高斯過程。其信號模型為：

包絡函數un（t）服從瑞利分布，相位函數Φ滿足 ［0，2π］均勻分布，且與un（t）互相獨立，載頻wj為常數，遠大于J（t）譜寬。

2.2 仿真參數和流程

仿真用實測數據來自加拿大航天局RADRSAT－1衛星的原始數據。成像處理方式采用距離－多普勒（RD）算法。雷達系統主要參數如表1所示。

表1 雷達系統的主要參數

SAR壓制干擾效果評估仿真流程如圖2所示［5］。

圖1 SAR壓制干擾效果評估仿真流程圖

仿真中，假設干擾機位置固定在SAR照射條帶內，雷達運動過程中干擾機天線主瓣始終對準雷達的方向，噪聲干擾帶寬設置為50MHz，使干擾頻帶占據了雷達整個帶寬。

仿真采用的干信比（JSR）公式為：

式中：PJ為干擾信號的平均功率；Ps為目標回波平均功率。

需要指出的是，以上計算的JSR是指雷達接收機輸入端接收到的干擾信號與目標回波信號功率之比。

2.3 SAR壓制干擾仿真結果

把不同干信比的射頻干擾信號加入到回波數據中，成像后得到的干擾圖像如圖2所示。

圖2 不同干信比射頻干擾信號加入回波數據中的干擾圖像

把不同干信比的噪聲調頻干擾信號加入到回波數據中，成像后得到的干擾圖像如圖3所示。

由圖可知，干信比為20dB時，目標雖然受到了干擾，還可分辨；干信比為30dB時，目標圖像受到嚴重破壞；干信比為40dB時，目標圖像基本被噪聲所覆蓋，無法分辨和判讀任何有價值的目標信息。

圖3 不同干信比的噪聲調頻干擾信號加入到回波數據中的干擾圖像

3 定量的干擾效果評估

以射頻噪聲和噪聲調頻2種干擾模式分別對SAR進行干擾仿真，按公式（8）計算不同干信比下2種干擾圖像與真實圖像之間的等效系數差，2種干擾模式的等效系數差隨干信比變化的關系曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨著干信比的增大，干擾前后的等效視數差越來越大，按等效視數評估準則可得出，相同干信比的條件下，射頻噪聲的干擾效果要好于調頻噪聲。從圖中可以看出隨著干信比的增加，2條曲線的等效視數差越來越大，當達到一定干信比后，目標受到嚴重干擾，等效視數差曲線趨于平坦。

圖4 等效視數差曲線

4 結束語

本文介紹了2種針對SAR的噪聲壓制干擾樣式，并進行了計算機仿真和干擾效果評估。結果表明，采用等效視數的干擾效果評估方法可以獲得定量的評估結論，對SAR采用射頻噪聲壓制干擾相對于調頻噪聲來說是一種較好的干擾樣式。

［1］保錚，刑孟道，王彤，等.雷達成像原理［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［2］韓國強，吳曉芳.代大海.對SAR干擾效果評估方法［J］.雷達科學與技術，2010，8（1）：26－31.

［3］崔瑞，薛磊，汪波.基于等效視數的ISAR干擾效果評估方法 ［J］.系 統 工 程 與 電 子 技 術，2006，30（5）：887－888.

［4］苗艷紅，趙國慶.SAR雷達干擾效果的度量［J］.電子對抗技術，2008，19（6）：19－25.

［5］李源，陳惠連.基于相關系數的ISAR干擾效果評估方法［J］.電子科技大學學報，2008，35（4）：468－470.