二維間歇采樣延遲轉發SAR干擾技術及其應用

蔡幸福,宋建社,鄭永安,張雄美

(第二炮兵工程大學,陜西西安710025)

二維間歇采樣延遲轉發SAR干擾技術及其應用

蔡幸福,宋建社,鄭永安,張雄美

(第二炮兵工程大學,陜西西安710025)

為確保重要目標的信息安全,提出了一種二維間歇采樣延遲轉發的SAR干擾技術,該技術直接攻擊SAR的脈內相干特性,使雷達在干擾機附近的距離向和方位向同時產生多個以主假目標為中心對稱分布的逼真假目標串,干擾效果取決于距離向和方位向的采樣周期和占空比。因結合延遲轉發技術,產生的距離向主假目標和方位向主假目標將不再重疊,且會偏離干擾機的所在位置,既可得到逼真的干擾效果,又保護了干擾機的安全。針對現有文獻研究干擾技術多、研究應用少的問題,建立了二維間歇采樣轉發干擾技術的應用模型,給出了高階假目標能量補償的調制系數。仿真實驗驗證了上述理論和方法的有效性和優越性。

合成孔徑雷達;二維間歇采樣;延遲轉發;應用模型

0 引 言

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)具有全天時、全天候、高分辨率的成像特點,已成為情報偵察的重要手段,探索有效的SAR干擾技術是當前雷達對抗領域的一個重要研究課題[13]。

間歇采樣轉發干擾立足于干擾機天線收發分時體制,對SAR信號進行低速率的間歇采樣處理,利用脈壓雷達的匹配濾波特性,可在距離向產生逼真假目標串的干擾效果,是一種靈活巧妙的SAR干擾技術[4],得到了國內外學者的廣泛關注。文獻[5-12]對間歇采樣轉發干擾技術進行了深入的研究,并將其成功地應用于對SAR、脈壓雷達、雙基地雷達、去斜體制雷達的干擾中,但是此類文獻均是在一維距離向或者方位向實現了干擾;文獻[13 15]將間歇采樣轉發干擾與卷積干擾、散射波干擾相結合,取得了較好的干擾效果,但仍停留在一維向上;文獻[16-17]提出了二維間歇采樣轉發干擾技術,可在距離向和方位向同時生成虛假目標串,但沒有解決假目標隨著階數的增大出現能量迅速衰減的難題,且未涉及該技術的具體應用問題。

本文在前人研究的基礎上,研究二維間歇采樣延遲轉發SAR干擾機理,分析其干擾效果及影響因素,建立應用模型,給出高階假目標能量補償的調制系數。

1 二維間歇采樣延遲轉發干擾機理

1.1 信號模型

二維間歇采樣信號可表示為

式中,sjcr(t)、sjca(s)分別表示距離向和方位向間歇采樣信號; nr、na分別表示距離向和方位向采樣周期數;Tsr、Twr分別表示距離向間歇采樣周期和信號脈寬,距離向占空比Dr= Twr/Tsr;Tsa、Twa分別表示方位向間歇采樣周期和信號脈寬,方位向占空比Da=Twa/Tsa。

1.2 距離向匹配濾波輸出

設SAR發射的線性調頻信號為

式中,Tp為脈沖寬度;f0為中心頻率;kr為調頻斜率。SAR與干擾機之間的瞬時斜距為

式中,R0為垂直斜距;s為方位向慢時間。相應的延遲時間為τ(s)=2R(s)/c,設轉發延遲時間為τz=Tw,忽略干擾機器件的延遲時間。

干擾機接收到的SAR發射信號為s(t-τ(s)/2,s),將接收到的SAR信號與間歇采樣信號sjc(t,s)相乘即得所需的干擾信號[18],即

干擾機將干擾信號轉發給SAR雷達,在接收機前端接收的干擾信號為

設發射信號的距離向頻譜為S(fr,s),則sjr(t,s)的頻譜為

SAR距離向匹配濾波器為hr(t)=s*(-t,s),其頻譜為

將間歇采樣轉發干擾信號送入SAR的距離向匹配濾波器,輸出為sjrc(t,s),則

其頻譜為

根據雷達信號的模糊函數理論[19],可得

式中,anr=Twrfsrsinc(nrπTwrfsr)為距離向幅度加權系數。

1.3 方位向脈沖壓縮輸出

式(8)中除了因子exp(j kas2/2)與方位時間有關外,其他的在方位向匹配濾波時可視為常數c(t,nr),即

式(8)變為

將sjrc(t,s)與式(1)中的sjca(s)相乘,即得方位向間歇采樣干擾信號[18],即

方位向匹配濾波函數為

其具體的計算過程與距離向匹配濾波一致,直接給出最后的匹配濾波輸出結果為

式中,Tsar為合成孔徑時間。將c(t,nr)代入srd(t,s)可得到二維間歇采樣延遲轉發干擾的最終成像結果為

2 干擾效果及其影響因素分析

2.1 干擾效果

由式(11)可知,干擾信號經SAR匹配濾波處理后輸出為多個高度逼真的假目標,各個目標在幅度上有差異。

首先在距離向進行分析。第nr階假目標的延遲時間和偏離干擾機的距離為

若SAR發射的是正調頻信號,當干擾具有多普勒頻移時,其回波經脈壓處理后輸出的最大值點將超前-nrfsr/kr+ Twr,距離上的超前量為-cnrfsr/(2kr)+c Twr/2,該超前量和調頻斜率成反比,和移頻量成正比,當nr=0時,產生一個主假目標,當nr=±1時,產生兩個1階假目標,當nr=±k(k=1,2,…,n)時,產生兩個k階假目標。其中與Twr相關的項是由于間歇采樣引起的,根據移頻干擾理論,則產生的虛假點目標必然與干擾機之間存在一定的偏移。若想改變虛假目標的位置,可在干擾信號中添加一個固定的移頻量,便可靈活地控制虛假目標在干擾機所在距離向的位置。

相鄰干擾輸出的峰值點間距為

該值與采樣頻率fsr成正比,和調頻斜率kr成反比,與階數nr無關。

由式(8)可知,距離向第nr階假目標的干擾幅度為

|anr|隨|nr|的增大近似按1/|nr|衰減。將峰值時刻tdr代入可得各階假目標的峰值幅度為

可見當anr=0或|nrfsr|≥Br時,無干擾輸出。由此可確定干擾信號在距離向形成假目標的最大個數為

且由于|anr|的衰減,階數越高的假目標,其幅度值越小,干擾效果越差。

同理,干擾信號經SAR匹配濾波處理后也將在方位向產生多個高度逼真的假目標,相鄰干擾輸出的峰值點間距為

干擾信號在方位向形成假目標的最大個數為

因此,二維間歇采樣延遲轉發干擾可產生的虛假目標個數為

n=nrmax+namax

但是需要指出的是,在一個方向上,相對于真實目標,主假目標和各階假目標的幅度都有了一定程度的衰減;在進行二維間歇采樣延遲轉發干擾時,由于多了一次衰減,所以假目標的幅度與真實目標相比,將衰減得更加嚴重,必須對其幅度進行補償。

2.2 影響因素分析

(1)采樣周期對干擾效果的影響

間歇采樣周期控制著假目標在距離向和方位向的位置、間隔和數量,是二維間歇采樣延遲轉發干擾的重要指標,假目標之間的間距與間歇采樣周期的長短成反比。

(2)占空比對干擾效果的影響

占空比直接影響著干擾輸出的幅度加權系數,進而影響干擾輸出的幅度。占空比越大,主假目標的幅度越高,主、次假目標群的幅度差異越明顯;反之,則主假目標的能量降低,假目標群的能量雖然也有所下降,但相比于主假目標較小,從而形成一個幅度相差不大的多個假目標干擾,可通過調整占空比,改變干擾能量在主假目標和次假目標群之間的分布。但也不能無限降低占空比,因為低占空比會使干擾的平均功率下降,因此在具體應用中需折中考慮。

3 應用模型

由式(12),偏離干擾機Rdr距離所需假目標的距離向階數為

式中,Tp=k1Tsr為脈沖寬度;Dr=Twr/Tsr為占空比。nr越小,需要進行的能量補償越小,干擾效果越容易實現。

同理,偏離干擾機Rda距離所需假目標的方位向階數na為

式中,Tsar=k2Tsa;Twa=DaTsa。同樣,在Rda一定時,na越小越好。

在二維間歇采樣延遲轉發干擾的實施過程中,nr和na直接決定著干擾機的部署位置。在干擾距離確定的情況下,即Rdr=Rda,且是一定值,若nr＞na,則干擾機應與被防護目標具有相同的距離向,著重進行方位向干擾,如圖1中的干擾機位置1;若nr＜na,則干擾機應與被防護目標具有相同的方位向,著重進行距離向干擾,如圖1中的干擾機位置2。

圖1 干擾機部署模型

為使產生的虛假目標具有更逼真的干擾效果,需在確定假目標階數nr和na的基礎上進行能量補償。在距離向,各階假目標的輸出峰值為

若要使第nr個假目標達到真實目標的幅度,干擾機的能量調制系數Ajr為

同理可得,若要使第na個假目標達到真實目標的幅度,干擾機的能量調制系數Aja為

4 仿真實驗

分別根據式(1)、式(4)和式(10)生成距離向和方位向干擾信號,將干擾信號和目標回波進行累加,按照RD算法進行成像處理,仿真中的SAR雷達參數見表1。成像場景的距離向范圍是[277 km,300 km],方位向范圍為[-500 m, 500 m],場景中心為(0,288 km),干擾機處于場景中心,干信比為5 d B。

表1 仿真中的SAR雷達參數

仿真1 二維間歇采樣延遲轉發干擾效果

根據式(1),設置距離向采樣周期Tsr=Tp/10,占空比Dr=1/3;方位向采樣周期Tsa=10PRT,占空比Da=1/5。干擾效果如圖2(a)所示。

由圖2可以看出:

(1)間歇采樣延遲轉發干擾可方便地在距離向和方位向產生逼真的虛假目標,虛假目標以主假目標中心對稱,其幅度向兩邊衰減;結合延遲轉發,可使產生的假目標出現在任意想定的位置,如圖2(d)所示。

(2)由于線性調頻信號經間歇采樣后,形成N個子線性調頻脈沖,它們的頻譜與發射信號基本一致。所以,它是一種相干干擾樣式,無論主假目標還是次假目標串,兩者均是對真實目標回波的精確復制,僅在幅度上有所差異,干擾效果為高度逼真的多假目標干擾。

圖2 二維間隙采樣延遲轉發干擾效果

仿真2 采樣周期對干擾效果的影響

以距離向實驗為例,保持方位向采樣周期與占空比不變,均為方位向采樣周期Tsa=10PRT,占空比Da=1/5;分別取距離向采樣周期為Tp/2、Tp/5、Tp/10和Tp/20,其占空比均為1/3,仿真結果如圖3所示。

由圖3可知,間歇采樣周期控制著假目標在距離向和方位向的位置、間隔和數量,間歇采樣周期越大,各個假目標之間的間距越小;反之,假目標間的距離越遠,干擾效果為一個分布范圍較大的假目標串。理論分析與仿真結果一致。

圖3 距離向采樣周期對干擾效果的影響

仿真3 占空比對干擾效果的影響

以距離向實驗為例,保持方位向采樣周期與占空比不變,均為方位向采樣周期Tsa=15PRT,占空比均為Da= 1/5;分別取占空比為1/2、1/5、1/10和1/20,采樣周期均為Tp/10,仿真結果如圖4所示。

由圖4可知,占空比控制著干擾能量在主次假目標之間的分配,占空比大,主假目標幅度高,主、次假目標群幅度差大;反之,主假目標幅度降低,但次假目標群的幅度相對降低較小,從而形成一個幅度相差不大的多個假目標干擾。仿真結果與理論分析一致。

仿真4 二維間歇采樣延遲轉發干擾的應用仿真

為對上述應用模型進行驗證,仿真實驗中設需防護目標距離干擾機的距離為5 km,距離和方位向占空比分別為1/10和1/5,k1和k2分別為20和50。

分別根據式(18)和式(19)計算nr和na的值,得nr= -4和na=-16,可見應將干擾機部署于位置2,著重進行距離向干擾,此時需防護目標處于第4階假目標處,干擾機的幅度調制系數為Ajr=455,即26.58 dB,經能量補償后的干擾圖像如圖5所示。

圖4 距離向占空比對干擾效果的影響

圖5采用了帶有距離向延遲的二維間歇采樣轉發干擾,干擾機處于方位向主假目標處,距離向主假目標處于干擾機的右側,第4階處為需防護的目標。與左側第4階處的虛假目標相比,經過能量補償后的右側第4階更接近于真實目標。

對于二維間歇采樣延遲轉發干擾,如果需要對較大的區域目標進行防護,且有足夠的干擾機可供使用時,可以將干擾機部署于防護目標的各個方位,從而實現更多虛假目標的欺騙性干擾效果。對于所需干擾機的數量及具體的部署位置,應根據實際情況確定,仿真效果如圖6所示。

圖5 能量補償后的干擾圖像

圖6 多部干擾機的干擾效果

圖6中,0表示真實存在的目標,也是需防護的目標, 1～4分別表示4部干擾機,若4部干擾機同時工作,并且不加延時,干擾效果如圖6(a)所示,此時的干擾比較規則,各虛假目標之間的間距比較清晰,所以雖然可以起到保護真實目標安全的作用,但無疑將干擾機的具體位置暴露給SAR雷達;如果在采用二維間歇采樣轉發干擾同時,在距離向進行延時,干擾效果如圖6(b)所示,則虛假目標之間的規則性被打亂,呈現出雜亂無章的虛假目標,一方面保護了真實目標,同時也保護了干擾機的安全;如果將方位向干擾也做一定的延時處理,并結合能量補償,其干擾效果必然更好。因此,二維間歇采樣轉發干擾是區域防護中的理想干擾樣式。

5 結 論

SAR對目標回波信號的相干處理致使常規欺騙性干擾技術難以奏效,為此需采用相干干擾策略。一般情況下,要保持干擾信號的相干性,干擾機的采樣頻率須滿足奈奎斯特采樣定理,此時干擾機的高速采樣和收發隔離之間的矛盾尤為突出。二維間歇采樣延遲轉發干擾是一種新型的干擾技術,可采用收發分時體制的單天線系統,且對其電子偵察精度要求不高。首先該方法通過對SAR信號進行低速率的間歇采樣處理,巧妙利用對雷達信號的間歇性“欠采樣”技術,降低了對寬帶雷達信號的高速率采樣要求;其次,由于采用了轉發技術,對電子偵察系統的參數測量精度要求不高。

二維間歇采樣延遲轉發干擾技術可在干擾機附近的距離向和方位向同時產生多個以主假目標為中心對稱分布的逼真假目標串,若將次假目標進行能量補償,則可產生更加復雜的干擾效果,是區域防護中的理想干擾樣式。其優勢在于:若能知道被干擾雷達的最小脈寬,實現多個逼真虛假目標的干擾便是方便可實現的,文中還對該干擾技術的具體應用進行了建模與分析。在看到二維間歇采樣延遲轉發干擾技術優越性的同時,需要進一步研究定量評估其干擾效果的指標和方法,這將是本文下一步研究的重點。

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SAR jamming technology based on 2-D intermittent sampling delay repeater and its application

CAI Xing-fu,SONG Jian-she,ZHENG Yong-an,ZHANG Xiong-mei
(The Second Artillery Engineering University,Xi’an 710025,China)

In order to ensure the safety of intelligence in important places,a novel synthetic aperture radar (SAR)jamming technology based on the 2-D intermittent sampling delay repeater is brought forward.This technique uses the intra-pulse coherent characteristic of SAR directly,so it can produce multiple false targets in both the range and theazimuth directions of the jammer nearby.The jamming effect is determined by the sampling period and the duty cycle in the range and the azimuth directions.Due to combination with the time delay repeating technique,the main false targets produced in the range and the azimuth directions will not overlap each other,and will deviate from the position of the jammer.So the jamming effect will not only be vivid,but also protect the jammer.In allusion to the phenomena of focus on the jamming technique but application,the application model of this technique brought forward in this paper is established,which is followed by the modulation factors in energy compensation of high order false targets.The availability and advantage of this method are proved in the simulation experiments.

synthetic aperture radar(SAR);2-D intermittent sampling;delay repeater;application model

TN 974

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2015.03.14

蔡幸福(1983-),男,講師,博士,主要研究方向為SAR成像與干擾技術。

E-mail:caimuhanhappy@sina.com

宋建社(1954-),男,教授,博士研究生導師,主要研究方向為SAR信息獲取與處理。

E-mail:songjshe@126.com

鄭永安(1978-),男,講師,博士,主要研究方向為SAR成像技術。

E-mail:Zhengya@sina.com

張雄美(1983-),女,講師,博士,主要研究方向為SAR圖像處理。

E-mail:zhangxm@sina.com

網址:www.sys-ele.com

1001-506X(2015)03-0566-06

2014 03 11;

2014 06 14;網絡優先出版日期:2014 10 17。

網絡優先出版地址:http:∥w ww.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141017.1604.002.html

國家自然科學基金(61072141,61132008);國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2010AAJ147)資助課題