針對星載SAR的散射式干擾應用研究

唐立科，李圣衍

(南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039)

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針對星載SAR的散射式干擾應用研究

唐立科，李圣衍

(南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039)

針對星載SAR的特點，簡述了散射波干擾的干擾原理，并針對其工程實現中的幾個關鍵問題進行了分析。最后針對典型星載SAR進行了干擾驗證試驗，給出了試驗結果，證明了該樣式的有效性。

SAR干擾；散射系數；收發同時；散射波干擾；軌道預測

0 引言

根據對星載SAR特點的研究，對星載SAR的干擾主要分為兩大類：直達波干擾和散射波干擾。直達波干擾研究較多，國內相關單位研制過裝備，文獻[1]提出了基于DRFM實現點狀目標和分布式目標進行干擾的算法，文獻[2]分析了SAR目標回波特性，提出了有源應答式干擾產生的方法。直達波干擾技術從理論到工程實現已經較成熟，但為了實現直達波相參干擾，需要詳細了解目標的飛行軌跡、SAR信號參數，這對SAR的偵察跟蹤提出了較高的要求。

所以，研究采用散射波干擾的方式對SAR進行干擾成為熱點，目前理論上已經逐漸成熟。文獻[3]首次提出SAR的散射波干擾技術，給SAR的相干干擾提供了全新的思路。文獻[4]提出了散射波干擾的模型，并分析了對SAR干擾效果，積累了豐富的試驗數據。本文在前人研究的基礎上，針對星載SAR軌道基本固定且可預測的特點，提出散射波干擾的實現方法，分析了工程實踐中遇到的關鍵問題及解決辦法，最后利用商用衛星開展驗證試驗，驗證了干擾效果的有效性。

1 散射波干擾原理

散射波干擾主要是利用地面的干擾設備接收SAR發射信號后，進行延時、多普勒調制產生干擾信號；干擾信號通過發射天線向投射區進行照射，利用投射地面區域的自然散射形成連續面積真實地物的散射波，這些散射波被SAR接收后，經過成像處理，將形成一幅反映真實地物特征的但又不同于真實地物圖像的連續虛假圖像。散射波干擾示意圖如圖1所示。

圖1 散射波干擾示意圖

從圖1可知，干擾回波的距離歷程(相對衛星的單程距離)為：

式中，Rs、RJ、RT分別為慣性坐標系中SAR、干擾機和地面目標的位置矢量。

(2)

式中，Vs、VJ、VT分別為慣性坐標系中SAR天線相位中心、干擾機和目標的速度矢量。

目標點和干擾點的二次距離逼近模型分別為：

(λ/4)fdr(t-(ΔtT+ΔtJ)/2)2+

(λ/16)fdr(ΔtT-ΔtJ)2

(5)

式(5)可寫為：

(6)

式中，xE=(xT+xJ)/2+RTJ/2+(λ/16)fdr·(ΔtT-ΔtJ)2,ΔtE=(ΔtT+ΔtJ)/2。

地面目標回波距離歷程RT(t)、干擾機的距離歷程RJ(t)和干擾回波距離歷程RE(t)，三者的距離歷程相近，這說明干擾回波信號可以聚焦生成目標圖像。

干擾回波信號的數學表達式為：

(2RE(t))/c)exp(-j4πRE(t)/λ-

jφ(t-nT-(2RE(t)/c)))

(7)

式中，σJ為干擾機照射目標散射到SAR方向的等效散射系數，Wa為SAR方位向方向圖函數，αJw為干擾回波信號包絡，φ(t)為脈內相位調制。

2 幾個關鍵問題分析

2.1 位置控制問題

散射波干擾位置控制是基于SAR目標定位原理，星載SAR目標定位采用距離-多普勒信息定位法對地面目標定位，依據距離方程、多普勒頻率方程和地球模型方程進行聯立獲得，即：

R=((Rs-RT)(Rs-RT)T)1/2

(8)

fdc=(2/λR)(Vs-VT)(Rs-RT)

(9)

(10)

式中，Ra為地球赤道半徑，Rb為地球極地半徑，H為標準地球橢球模型的本地高程，Vs、VT分別為衛星和目標的速度矢量，Rs、RT為衛星和目標的空間位置矢量。

假目標的定位模型為以下方程的聯立，即：

c(τ+τJ)/2

(11)

(12)

(13)

式中，τJ為干擾機附加延時，fdJ為干擾機附加多普勒頻移，其余參數同上。上述方程決定了干擾圖像的位置，利用該特性通過調制不同的信號延時和頻移，就可以實現散射波干擾的位置控制。

2.2 照射區散射系數問題

照射區散射系數將直接影響到進入SAR的干擾信號功率，不同類型照射區散射系統相差較大，對干擾效果影響也較大。

SAR雷達所接收信號的干信比為：

(14)

式中，Pt為雷達發射機功率，Gt為雷達天線增益；Pj為干擾發射機功率，Gj為干擾天線增益，RT為雷達與地面距離，R0為干擾機與地面距離，σt為雷達信號對地面散射系數，σj為干擾信號對地面散射系數。

由于干擾信號與雷達信號入射到地面的入射角不同，所獲得的地面散射系數不同，雷達信號散射系數的計算根據單站散射計算：

σt=γsin(θs)

(15)

式中，γ為歸一化掩護區散射系數，根據掩護區地面地形的不同而不同,θs為入射角。

干擾信號的散射系數，按照低入射角雙站計算：

σj=γsin((θi+θs)/2)

(16)

式中，γ為歸一化照射區散射系數，θi為入射角，θs為反射角。

由此可知，干擾的有效性除了干擾機本身的性能外，還取決于照射區的散射系數，再細化取決于照射的反射系數和入、反射角。在掩護區一定的情況下，通過調整反射系數、照射區的位置和干擾機的高度可以有效提高散射系數。

2.3 方向引導問題

對SAR進行干擾時，需要對其進行測向，一般裝備上均配有測向系統，特別是直達波干擾時，更需要精確測向，在利用彈射波對星載SAR進行干擾時，我們可以利用衛星軌道穩定這一特點，利用軌道預測的方法，播報衛星的方向，這樣在沒有測向的情況下，也可以引導偵察干擾波束方向。衛星軌道預測主要根據給定衛星某一初始時刻的運動狀態，以及衛星的受力情況，得到任意時刻的衛星的運動狀態，進而得到衛星在測站坐標系下的高度角和方位角。衛星高度角、方位角的預測基本流程圖如圖2所示。

圖2 衛星軌道預測流程圖

衛星運動方程及各種攝動力的建模是衛星軌道預測的關鍵。以衛星的精密定軌為例，在地心天球坐標系中，衛星的運動方程為：

表1 衛星參數

假設，初軌位置誤差：x、y、z各100m，速度誤差：0.01m/s，大氣阻力模型誤差100%，太陽光壓模型誤差100%。

通過仿真分析，結果如圖3～4所示。

圖3 30天的方位角誤差圖

圖4 5天的方位角誤差圖(對圖3局部的放大)

所以偵察天線波束寬度控制在15°左右時，在上述初軌誤差情況下，預報5天的數據可以滿足系統使用。

2.4 收發隔離問題

彈射波干擾必須采用流水方式對SAR駐留中的每個脈沖進行實時調制處理，這樣才能把照射區的干擾信號系準確搬到掩護區，所以彈射波干擾必須采用收發同時流水方式工作。實際工作時，地面干擾機對設備量的限制較少，提高隔離度可以通過拉開收發天線的距離、正交極化、收發天線采用背向安裝、收發天線間加裝金屬隔離板等方式，提高收發隔離度，滿足收發同時工作的要求。

3 試驗驗證

通過借用加拿大RADASAT-2衛星，在某地構建試驗場景，對散射波干擾技術進行了驗證。

試驗時，接收天線指向衛星，接收天線波束寬度滿足合成孔徑時間內能主瓣接收衛星SAR信號。接收信號功分兩路，一路送直達波干擾設備，另一路送散射波干擾設備。直達波干擾發射天線指向衛星，波束寬度滿足合成孔徑時間內干擾信號進入衛星SAR接收通道。散射波干擾發射天線指向指定地面，干擾信號經地面反射后進入衛星SAR接收通道。干擾效果如圖5～6所示。

圖5 無干擾時的圖像

圖6 實施干擾后的圖像

圖6中圓圈標示區域為形成的散射波干擾圖像。

試驗結果表明所采用的散射波干擾能產生有效的干擾圖像，從而驗證了對SAR散射波欺騙干擾技術的可行性及工程可實現性。

4 結束語

散射波干擾中的干擾信號保留了信號相干性和地物散射特性，具備更為豐富的干擾信息，干擾綜合效果較強。基于目前的干擾配置和實施方式，可增加多普勒調制和延時的信號通道或者采用多個發射天線或多個波束進行照射，干擾效果會更好。另外，投射地面區域的后向散射系數等因素造成的有效干擾功率損失需進一步研究，在多個虛假圖斑搬移疊加條件下對于實際干擾功率的需求與可達到的實際掩護面積需進一步核算。■

[1] 王茹，吳志宏，趙國慶．基于DRFM 的合成孔徑雷達干擾技術研究[J]．電子信息對抗技術，2006，28(1)：30-33.

[2] 孫云輝,陳永光,焦遜.星載SAR應答式欺騙干擾研究[J]．電子對抗技術，2004，19(3):23-26.

[3] 胡東輝，吳一戎.合成孔徑雷達散射波干擾研究[J].電子學報，2002，30(12)：1882-1884.

[4] 劉業明，劉忠，代大海，等.散射波干擾對合成孔徑雷達成像干擾效果的分析[J].電波科學學報，2011,26(2):400-404.

[5] 賈鑫,葉偉,吳彥鴻,等. 合成孔徑雷達對抗技術[M].北京：國防工業出版社，2015：139-144.

Application research on scatter-wave jamming for spaceborne SAR

Tang Like, Li Shengyan
(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,Jiangsu,China)

For the characteristics of spaceborne SAR, the principles of scatter-wave jamming are discussed briefly, and several key problems for engineering implementation are analyzed. Finally, typical spaceborne SAR interference experiment is carried out, and the results prove the effectiveness of this jamming type.

SAR jamming；scattering coefficient；receive and transmit signal simultaneously；scatter-wave jamming；orbit prediction

2016-09-08；2016-11-02修回。

唐立科(1984-)，男，工程師，主要研究方向為雷達電子對抗電訊總體設計。

TN97

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