一種基于相鄰脈沖比相的高效SAR干擾方法

2014-04-26 06:09:38吳照憲

艦船電子對抗 2014年2期

吳照憲，吳海

（船舶重工集團公司723所，揚州 225001）

0 引言

合成孔徑雷達（SAR）作為一種成像雷達，利用脈沖壓縮和合成孔徑技術(shù)獲得距離和方位二維高分辨圖像。與普通光學成像設(shè)備相比，SAR能夠不受云霧等自然條件的限制，全天時、全天候地進行情報獲取和戰(zhàn)場監(jiān)控，是軍事領(lǐng)域重要的遙感偵察裝備，是戰(zhàn)場態(tài)勢感知的一種有效手段，因此對SAR的干擾必然是國內(nèi)外研究的熱點。

一方面，SAR具有較強的抗干擾潛力，這源于兩方面的原因：一是由于SAR具有很高的相干積累增益，通常二維積累增益在60dB以上，且分辨率越高積累增益越大，這給干擾帶來較大難度；二是由于SAR通常是干擾機的非合作方，干擾機要精確估計出SAR平臺的運動參數(shù)是有困難的，這也導致干擾信號無法在方位向?qū)崿F(xiàn)相干積累［1］。另一方面，SAR相對干擾機也有其弱點，主要包括兩方面：一是由于干擾機是單程工作，SAR是雙程工作，干擾機在工作方式上占優(yōu)；二是SAR需要足夠數(shù)量的脈沖才能形成窄波束，這給干擾機留下了寬裕的時間。

對SAR的干擾可分成三類［2］：一是干擾信號在距離和方位處理中都不能產(chǎn)生相干積累增益，這種方式一般只能形成噪聲壓制干擾，且通常需較高的干擾功率才能形成有效干擾；另一類是干擾信號僅在距離處理中產(chǎn)生相干積累增益，方位處理中不產(chǎn)生相干積累增益，這種方式主要包括各種轉(zhuǎn)發(fā)式干擾；第三類是干擾信號在距離和方位處理中都能產(chǎn)生相干積累增益，這種干擾方式既能形成噪聲壓制干擾，也能形成假目標欺騙干擾，且通常不需要太高的干擾機功率。

目前，SAR干擾方式主要集中在第一、二類，第三類方法由于無法精確測得平臺軌跡而難以實現(xiàn)，但只有第三類方法能夠制造出逼真的假目標，且所需干擾機功率最小［3-4］。一般要獲得SAR距離處理增益比較容易，只需轉(zhuǎn)發(fā)SAR發(fā)射信號即可，但要獲得方位處理增益需要知道SAR的多普勒信息，即需要知道SAR平臺的精確運行軌跡，但這一般是困難的。本文根據(jù)SAR信號處理的特點和SAR系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系，得到了一種基于相鄰脈沖比相的測距方法，其可以獲得相對精度較高的SAR平臺和干擾機的距離，利用該方法得到的SAR干擾方式能夠獲取二維處理積累增益，也能完成欺騙干擾和噪聲干擾，是一種高效的SAR干擾方式。

1 SAR方位積累對距離精度的要求

SAR發(fā)射信號經(jīng)距離處理后可表示為：

式中：t為方位慢時間；（）Rt為目標至雷達的距離為目標后向散射系數(shù)；c為光速；λ為SAR工作波長。

對目標信號做方位積累，可分為2個過程。過程一是計算目標的積累曲線軌跡，積累曲線軌跡由式（1）sinc函數(shù)中的（）Rt確定，目標積累曲線是相對距離門而言的，對米級分辨率的SAR，距離門通常也在米級，因此對距離的精度要求也是在米級的。過程二是方位匹配濾波。確定積累曲線后，目標的信息可以表示為：

要完成方位積累，需要補償?shù)羰剑?）后面的相位項，補償?shù)南辔粸椋?/p>

在目標積累過程中，目標距離（）Rt可以表示為：

式中：r為目標到雷達航線的距離；v為平臺速度。

距離測量值出現(xiàn)固定誤差，也就是r出現(xiàn)固定誤差。分析式（4）最后一個等式中的2個r，前一個r影響目標的位置，目標在斜距圖中的位置將增加ΔR，但由于圖像整體都平移了ΔR的距離，當ΔR誤差不大，圖像的形變是較小的。相距10km的干擾機和雷達距離，數(shù)百米的距離誤差導致的圖像形變有時是肉眼很難分辨的。后一個r不僅導致目標積累曲線呈空變特性，且影響方位聚焦的相位，導致目標散焦，但較小的距離誤差導致的散焦效應(yīng)不大，這在后面還會進行仿真分析。

目標方位積累對目標與雷達的相對距離精度要求較高，絕對精度要求較低。若能測得相對精度較高的距離值，再利用積累曲線沿方位的平移不變性，可以使干擾信號實現(xiàn)方位積累。

2 相鄰脈沖比相法測距

其中p（t）為SAR發(fā)射信號，R1和R2為相鄰2個脈沖的距離，對上述2個信號比相，得相位差為：

若相鄰脈沖的距離差較半波長小，即不存在相位纏繞，可以利用相位差Δφ反推出距離差ΔR12。對常見的SAR，相鄰脈沖的距離差小于半波長這個條件常是滿足的。若雷達平臺飛行速度200m／s，雷達脈沖重復頻率4 000Hz，干擾機至雷達航線20km，干擾機在航線上的投影點至雷達距離為1km，則距離差ΔR為2.5mm，因此當雷達的工作頻率小于60GHz時就能滿足要求。

相鄰脈沖的距離差小于半波長的條件有時是不能滿足的，但這影響并不大。一方面，方位積累主要依靠相位，相位的纏繞并不會影響相位主值，ΔR存在模糊，脈沖間仍能做到相干積累；另一方面，由于平臺的惰性，距離值在脈沖間不可能發(fā)生大的跳變，因此可以利用卡爾曼濾波等方法對距離進行平滑處理，獲得相對精度較高的距離值。

3 基于相鄰脈沖比相的SAR干擾方法

干擾信號要獲得二維處理增益，在距離向需要復制SAR發(fā)射信號，在方位向需要將SAR發(fā)射信號和假目標的后向散射系數(shù)（欺騙干擾）或噪聲（噪聲干擾）以及多普勒信息進行卷積，這其實是一種卷積轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。

要形成干擾，除了需要測得相對精度很高的干擾機至雷達的距離信息，還需要知道一些其它輔助信息，主要包括下面幾項：

（1）SAR發(fā)射信號的工作頻率f0，脈沖重復頻率fr。

（2）將干擾機在干擾起始時刻的雷達距離作為初始值，與用相鄰脈沖比相法得到的相對距離值求和得到絕對距離值，一般幾十米的測距誤差對成像的影響不大，這種誤差精度要求對現(xiàn)在的技術(shù)來說不困難［5］。

（3）雷達平臺的航向速度，它可以用相鄰脈沖比相法測得的相對距離值求得。由式（4）可知，航向速度可通過下式得到：

式中：diff（·）表示求差分。

較大的航向速度誤差會導致圖像散焦和形變，一般較高的距離精度得到的航向速度精度也是極高的，能滿足干擾機需求。

用上述方法形成的假目標欺騙干擾或噪聲干擾一般能形成較好的聚焦效果。相對于已有的干擾方法，本干擾方法由于能獲得二維處理增益，所需干擾機的有效發(fā)射功率較低，是一種高效的SAR干擾方法。由于雷達和目標距離的相對測量精度很高，因而可以實現(xiàn)對非合作目標的欺騙干擾。對假目標干擾，干擾功率只需和地面回波功率相當即可；對噪聲壓制干擾，需滿足一定的壓制比，干擾功率要較地面回波功率略大。

4 仿真分析

本文對上述基于相鄰脈沖比相的干擾方法進行了仿真，仿真模型如圖1所示。圖中以雷達航向在地面的投影線，高度方向，雷達側(cè)向為xyz軸建立直角坐標系，干擾機布置在地面上A點，坐標原點為干擾機在x軸的投影點，干擾機至x軸的距離為17 137.5m，雷達在圖中P1點時干擾機起始工作，雷達在P2點時干擾機結(jié)束工作，P1點和P2點距y軸的距離分別為1 632.5m和1 644.3m。SAR工作參數(shù)為：載波頻率15GHz，平臺高度10km，平臺速度200m／s，雷達入射角 60°，脈沖重復頻率1 000Hz，脈寬 10μs，帶寬 180MHz，采樣率200MHz，距離和方位波束寬度分別為6°和2°。

圖1 雷達平臺和干擾機模型圖

仿真中首先通過相鄰脈沖比相法得到干擾機和雷達的距離，得到的距離結(jié)果相對精度很高，和實際距離值僅相差1個固定常數(shù)，仿真中假設(shè)這個固定常數(shù)為30m，且較實際距離大30m。干擾機至雷達航線在地面投影線的距離較實際值大500m，即測量值為17 637.5m。雷達航速通過測得的距離值做2次差分求得，求得的航速為200.05m／s。假設(shè)雷達的工作頻率、脈沖重復頻率可精確測得。

4.1 點目標方位分辨率分析

首先仿真上述測量誤差對目標方位分辨率和位置的影響，分析沒有測量誤差和存在測量誤差2種情況下的差異。仿真了點目標分別為圖1中的A點（即干擾機所在點）和B點（z軸坐標較干擾機大2km）在2種情況下的結(jié)果。

圖2（a）為A點方位分辨率的仿真結(jié)果，圖中實線和虛線分別表示沒有誤差和有誤差時方位壓縮后的目標包絡(luò)，可分析得到?jīng)]有誤差時方位分辨率為0.334m，有誤差時方位分辨率為0.408m，目標位置在x軸較實際值增加約0.4m，在z軸較實際值增加約34.7m。圖2（b）為B點方位分辨率的仿真結(jié)果，圖中實線和虛線分別表示沒有誤差和有誤差時方位壓縮后的目標包絡(luò)，可分析得到?jīng)]有誤差時方位分辨率為0.343m，有誤差時方位分辨率為0.426m，目標位置在x軸較實際值增加約0.4m，在z軸較實際值增加約82.7m。從仿真結(jié)果可以看到，上述誤差對目標方位分辨率影響很小，對目標的側(cè)向位置影響較大，目標和干擾機測向距離差越大，目標位置偏離越大，從圖2還可看到上述誤差導致目標副瓣電平有一定的抬高。

圖2 測量誤差對點目標方位分辨率的影響

4.2 真實場景的干擾仿真

利用上述模型和參數(shù)仿真了對SAR的噪聲干擾。仿真中干擾機位于圖像中心，圖像上端平行于x軸放置于水平地面上，圖像上端（較下端）靠近x軸，圖像大小為2 500m×2 270m（方位×距離）。原場景見圖3（a），圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）為加入干擾后的成像結(jié)果。圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）的干信比分別為0dB、3dB和6dB。從圖3可以看到，圖3（d）的噪聲基本覆蓋了原來的場景，干擾效果較好。能獲得較好的干擾效果是因為噪聲能獲得二維處理增益，且其距離和方位帶寬都和SAR真實回波相匹配。

本文還利用上述模型和參數(shù)仿真了對SAR的欺騙干擾，原場景為圖3（a），仿真時在機場上設(shè)置了8個飛機作為假目標，在圖像右下方設(shè)置了一個正方形框用于分析圖像的形變。圖4（a）為沒有上述誤差時的欺騙干擾仿真結(jié)果，圖4（b）為有上述誤差時的欺騙干擾仿真結(jié)果。仿真時干信比為3dB。從仿真結(jié)果可知：飛機和正方形框聚焦效果很好，飛機因側(cè)向位置不同向下偏離15m到25m不等，正方形框向下偏離了約50m，尺寸由原來的250m×250m變?yōu)?50.1m×256m（方位×距離），發(fā)生了微小的形變。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于相鄰脈沖比相的高效SAR干擾方法，它可以獲取二維處理增益，克服了已有干擾方法因難以獲取干擾機至平臺高精度距離值而無法獲得二維處理增益的缺點，因此較之現(xiàn)有的SAR干擾方法它所需干擾機功率較低。由于該方法能獲得相對精度很高的雷達平臺和干擾機的距離，因而它可以對非合作目標實行欺騙干擾。通過仿真分析，所述方法既能進行二維假目標欺騙干擾，也能進行噪聲壓制干擾，具有一定的實用性。