一種特征消除的SAR盲移頻干擾方法

房明星，畢大平，沈愛國

(電子工程學院 503教研室,　合肥 230037)

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一種特征消除的SAR盲移頻干擾方法

房明星，畢大平，沈愛國

(電子工程學院 503教研室,合肥 230037)

摘要：針對傳統移頻干擾存在移頻干擾特征和無法對抗波形捷變合成孔徑雷達(SAR)信號的缺點，文中提出了特征消除的SAR盲移頻干擾方法。首先，對接收到的兩路SAR信號分別進行延時和2倍頻譜擴展；然后，將兩路信號進行共軛相乘產生干擾信號，從而將頻譜擴展后的信號恢復成原來的SAR回波信號樣式，并引入移頻干擾相位調制項，可在SAR距離向產生前移、滯后假目標干擾。該方法不僅消除了移頻干擾特征，而且能夠有效對抗波形捷變SAR雷達信號，是一種盲移頻干擾方法。理論分析和仿真實驗證明了該方法的可行性和有效性。

關鍵詞：合成孔徑雷達；脈沖壓縮；移頻干擾特征；盲移頻干擾

0引言

合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率成像雷達，具有全天時、全天候和透視性等特點，已廣泛用于軍事偵查、地圖測繪以及導彈末端圖像匹配制導等方面[1]。尤其在高技術局部戰爭(如阿富汗戰爭、伊拉克戰爭等)中發揮了巨大作用，使得SAR干擾技術研究成為電子對抗領域的熱點問題[2]。

SAR通常采用脈壓體制，通過二維匹配處理能夠獲得極高的相干處理增益，因而傳統的壓制性干擾難以獲得與信號相同的處理增益，干擾效果比較有限[3-4]。針對SAR壓制性干擾存在的不足，不少學者對SAR欺騙性干擾展開了研究，其中，文獻[5]最早通過脈沖壓縮信號的時延-移頻耦合特性，提出了針對線性調頻脈壓雷達的移頻干擾技術；文獻[6]成功將移頻干擾技術應用于SAR雷達，并進行了詳細的定量分析；文獻[7-8]則針對固定移頻干擾只能形成點目標干擾的局限，分別提出了SAR隨機移頻干擾和步徑移頻干擾方法，兩種干擾方法的輸出為干擾條帶或干擾區域，具有一定的壓制干擾效果，但都是以犧牲干擾功率為代價的。上述方法雖然對SAR可以產生假目標欺騙或壓制干擾效果，但都沒能很好地克服傳統移頻干擾的兩個缺陷：(1)干擾信號回波中心頻率存在固定偏移量即移頻干擾特征，給被干擾方提供了有效的抗干擾信息；(2)精確控制假目標的位置，需要事先知道雷達信號的調頻斜率等參數信息，當SAR信號波形捷變時[9-10](主要指調頻斜率捷變或者采用不同調頻斜率的頻率分集)，假目標在多個不同距離進行跳變或無法獲得相干處理增益，從而容易被識別濾除，導致干擾效果嚴重降低。因此，必須研究靈巧有效的新型SAR移頻干擾方法，以適應SAR日益嚴峻的干擾需求。

本文針對傳統的SAR移頻干擾缺點，提出了特征消除的SAR盲移頻干擾方法。首先，探討了傳統SAR移頻干擾的原理和缺點；然后，提出了特征消除的SAR盲移頻干擾方法，探討了其原理及干擾信號產生技術，并對干擾信號匹配濾波器輸出結果和關鍵參數進行了分析；最后，進行了仿真驗證。

1傳統的SAR移頻干擾原理

設SAR發射的線性調頻信號表達式為

(1)

式中：rect(·)為矩形窗函數；tr為距離向快時間；ta=mT(m=0,1,2,…,M)為方位向慢時間；T為脈沖重復周期；全時間t=tr+ta；Tp為脈沖寬度；f0為載頻；ur為調頻斜率。

則SAR接收到的點目標基頻回波信號為

exp[jπur(tr-τr)2]exp(-j2πf0τr)

(2)

式中：τr=2R(ta)/c；tr-τr為回波到達接收機的時間；TL為合成孔徑時間。

傳統的SAR移頻干擾是指在距離向進行的固定移頻干擾，假設固定移頻量為ζ，則傳統的SAR移頻干擾信號表達式為[6]

sj(tr,ta)=sr(tr,ta)exp[j2πζ(tr-τr)]

(3)

采用經典 R-D成像算法進行距離向和方位向脈壓處理，并考慮回波信號中心頻率變化影響(忽略常數相位影響)，則經過脈壓處理后的回波信號和干擾信號表達式為

(4)

(5)

(6)

根據線性調頻信號模糊函數的時延-移頻耦合效應，頻移干擾信號回波經距離向匹配濾波處理后會引起失配，干擾功率會出現相應失配損失，由式(5)可得干擾信號峰值增益為

(7)

對比式(4)和式(5)快時間頻率項可知，傳統的SAR移頻干擾信號經過匹配濾波后相對真實信號回波發生ζ/ur時移，同時也使得干擾信號與真實信號回波的中心頻率相差ζ/2，通常將這種特點稱為移頻干擾特征。移頻干擾特征恰好成為抗干擾的有效手段，因為被干擾方通過回波信號中心頻率偏差ζ/2，可以得到真實目標與假目標的距離差ΔR=cζ/2ur；然后用此值去修正假目標距離R′，就可以反推出真實目標距離為R=R′±ΔR。可見，移頻干擾特征的存在，不僅使得假目標回波很容易被識別濾除，也容易暴露干擾方真實目標信息。

由式(6)可知，傳統移頻干擾要實現精確的假目標位置控制，必須知道準確的雷達信號調頻斜率等參數的先驗信息。當SAR雷達信號的波形捷變時，假目標位置在距離向進行跳變，無法進行方位向的脈沖積累，因而無法對波形捷變信號形成有效干擾[11-12]。

2特征消除的SAR盲移頻干擾原理

傳統的SAR移頻干擾存在移頻干擾特征，容易被識別、濾除，且對波形捷變信號難以產生有效干擾，針對傳統的SAR移頻干擾缺點，本節提出特征消除的SAR盲移頻干擾方法。

2.1干擾信號的產生

對SAR雷達接收的點目標基頻回波信號sr(tr,ta)在二維時域進行2次冪運算(N≥0)，即

exp[j2πur(tr-τr)2]exp(-j4πf0τr)

(8)

由式(8)可知，通過對回波信號的2次冪運算，SAR距離快時間域線性調頻信號調頻率變為2ur，頻譜擴展為原來的2倍；同時，方位慢時間域頻譜也擴展為原來的2倍。

SAR雷達無法對頻譜擴展后的信號進行脈壓處理，必須將式(8)恢復成原信號形式，并引入移頻干擾成分，此時對sr(tr,ta)在快時間域延時τ可得(忽略時間域微小延遲τ對慢時間域的影響)

exp[jπur(tr-τr-τ)2]·

exp(-j2πf0τr)

(9)

將式(8)和式(9)進行共軛相乘可得干擾信號為

(10)

令t=tr-τr，式(10)的具體表達式為

exp(j2πurt2)exp(-j4πf0τr)·

exp[-jπur(t-τ)2]exp(j2πf0τr)=

exp[j(πurt2+2πurτt-πurτ2)]exp(-j2πf0τr)=

(11)

式中：ζ=urτ為干擾信號移頻量；Δφ=-πurτ2為常數相位項。由式(11)可知，通過對回波信號進行2倍頻譜擴展和延時共軛相乘處理，不僅將頻譜擴展后的信號恢復成原來的SAR回波信號樣式，而且成功地引入了移頻干擾相位調制項，干擾信號產生原理框圖，如圖1所示。

圖1　正移頻干擾信號產生框圖

具體的干擾信號產生過程為：首先，干擾機將接收到的SAR雷達信號分成兩路，對第一路信號延時τ，對第二路進行2倍頻譜擴展；然后，將第一路信號取共軛后與第二路信號相乘，產生所需的干擾信號。此時就可以將頻譜擴展后的信號恢復為原來的SAR雷達信號樣式，并完成干擾信號的頻率調制。利用上述原理產生移頻量ζ>0，因此產生的是前移的假目標干擾；若要產生滯后的假目標干擾可以對接收信號直接進行延遲轉發，也可以利用本文方法產生負移頻干擾信號，這里不再贅述，其干擾信號產生原理框圖，如圖2所示。

圖2　負移頻干擾信號產生框圖

2.2匹配濾波器輸出

(12)

當正移頻時ζ=urτ，代入上式可得

(13)

式中：t*為經過距離徙動校正的距離向快時間。由式(13)可知，本文方法產生的移頻干擾信號經過SAR距離向匹配濾波后的表達式分為三個區間：

在第一區間即(-Tp+τ,0]范圍內時，輸出幅度和主瓣寬度都是關于1+(t*-τ)/Tp的變量，距離向快時間的附加相位項為ΔΨ=-πζτ，ΔΨ為常數相位項，此時干擾信號不存在傳統移頻干擾的固定移頻量ζ/2，信號中心頻率仍為f0，消除了移頻干擾特征，具有很強的抗干擾識別性能。

在第三區間即(τ,Tp]范圍內時，輸出信號表達式與傳統移頻干擾信號相同，距離向快時間附加相位項ΔΨ=πζtr，產生固定移頻量ζ/2，信號中心頻率為f0+ζ/2，仍然具有移頻干擾的特征。

式(13)是針對正移頻ζ=urτ的推導，由sinc函數性質可知，當t*=-τ時，SAR雷達干擾信號在距離向輸出峰值，此時t*始終處于第一區間(-Tp+τ,0]范圍內，干擾信號頻率不存在固定偏移量，達到了消除移頻干擾特征的目的。

Sjout(tr,ta)=Srout(tr,ta)*ha(ta)=

sinc[πuata(TL-|ta|)]，-Tp+τ

(14)

將t*=-τ代入式(13)中，可得干擾信號峰值增益為

(15)

距離向主瓣寬度展寬為原來的Tp/(Tp-2τ)倍，正移頻干擾對SAR所產生的前移假目標距離向偏移量為

(16)

對比式(6)和式(15)可知，假目標距離偏移量ΔR只與延時τ有關，與信號的調頻斜率無關。通過以上分析可知，本文移頻干擾相對傳統移頻干擾具有兩點明顯優勢：

(1) 干擾信號中心頻率不存在固定移頻，可消除移頻干擾特征；

(2) 假目標偏移量與信號調頻斜率無關，因而能夠有效對抗調頻率捷變和調頻率分集等信號樣式。

2.3干擾信號關鍵參數分析

根據式(10)可知，本文SAR雷達干擾信號產生只依賴于延時τ，且干擾信號峰值增益G和距離偏移量ΔR只與延時τ有關，則由式(15)、式(16)可得τ和G關于ΔR的表達式為

(17)

(18)

假目標距離偏移量ΔR是根據干擾需求預先設定的，則通過式(16)可計算延時τ，若SAR信號的脈沖寬度Tp也已知，則通過式(17)可得到假目標干擾信號峰值增益G。由于參數τ>0,G>0，分別代入式(16)和式(17)可得假目標距離偏移量的范圍為

(19)

在實際干擾中，SAR雷達的距離向成像帶通常不能做到很寬，因此要充分考慮ΔR取值，以避免假目標干擾功率過低或假目標位置偏離出成像帶。結合以上分析，本文移頻干擾方法主要分為兩步：

(1) 干擾信號產生：確定適當的距離偏移量ΔR，通過式(16)計算延遲τ，并根據式(10)產生盲移頻干擾信號；

(2) 干擾效果評估：利用脈沖時寬Tp和合成孔徑時間TL等先驗信息，結合式(18)和式(19)分別計算峰值增益G和ΔR的最大偏移量上限。

3仿真實驗

為了驗證本文SAR盲移頻干擾的可行性和有效性，下面進行如下仿真實驗，仿真實驗參數如表1所示。

表1仿真實驗參數

3.1與傳統移頻干擾方法對比

考慮到SAR距離向成像帶寬度和假目標最大偏移量上限的限制，分別用本文方法和傳統移頻干擾方法產生前移200 m和400 m的假目標，由表1可得SAR雷達發射信號的調頻斜率ur=6×1012Hz/s，并根據式(17)得到本文干擾信號產生所需延時τ=1.33 μs，傳統干擾的移頻量為16 MHz。在干擾功率和信號回波功率相同情況下，兩種移頻干擾信號經過SAR系統二維脈壓處理后在距離向成像帶范圍內的回波，如圖 3a)所示，從右到左依次為真實信號回波、本文干擾信號回波、傳統移頻干擾信號回波，圖3b)為對應的SAR二維成像結果。

圖3　調頻斜率為ur時干擾輸出

由圖3可知，本文干擾方法和傳統移頻干擾都能在SAR距離向形成假目標欺騙干擾，但是兩種方法在干擾功率上都有一定損失，在實際干擾中需要適當增加干擾機發射功率，從而補償移頻干擾的功率損失。為了體現本文方法對波形捷變信號具有適應性，通過改變SAR發射信號帶寬使調頻斜率變為4ur/3和5ur/3，在相同的干擾條件下，干擾輸出結果如圖4和圖5所示。對比圖3、圖4、圖5可以看出，當SAR信號的調頻斜率發生改變時，傳統移頻干擾產生的假目標相對原來的位置分別向真實目標移動了100 m和160 m，而本文干擾方法產生的假目標位置只與延時τ有關，不隨調頻斜率改變而發生偏移，因而對波形捷變信號具有適應性，是一種盲移頻干擾方式。

圖4　調頻斜率為4ur/3時干擾輸出

圖5　調頻斜率為5ur/3時干擾輸出

表2為三種不同調頻斜率情況下回波信號經過匹配濾波后的中心頻率測量值。通過比較可知，本文干擾方法的中心頻率偏移量在零值附近，與真實信號中心頻率大致相同，微小的偏移量主要是測量誤差造成的，很好的消除了移頻干擾特征；而傳統移頻干擾方法的中心頻率偏移量在8 MHz左右，約為移頻量ζ的一半，移頻干擾特征尤為明顯。

表2信號中心頻率比較MHz

調頻斜率取值本文方法中心頻率偏移量傳統方法中心頻率偏移量ur0.38.44ur/3-0.27.95ur/30.57.7

3.2干擾參數分析

由式(18)可知，干擾信號峰值增益G與偏移量ΔR有關，下面具體分析參數ΔR對G的影響。圖6為ΔR間隔50 m連續取值時G隨ΔR的變化關系。

圖6　偏移量ΔR對峰值增益的影響

從圖6可以看出，在相同條件下，G隨ΔR增大而變小，呈反比關系，與式(18)理論值分析基本一致，實際干擾中ΔR取值要滿足式(19)的限制條件，以避免假目標干擾功率過低或假目標位置偏離出成像帶。通過上述仿真分析，驗證了本文方法的可行性與理論推導的正確性。

4結束語

為了克服傳統移頻干擾的缺陷，本文提出了特征消除的SAR盲移頻干擾方法，可以在SAR距離向產生前移、滯后假目標干擾，既不依賴雷達信號的調頻斜率等參數信息，同時又消除了移頻干擾特征，能夠有效對抗波形捷變SAR雷達信號。雖然算法對SAR回波信號進行了2倍頻譜擴展，但通過兩路信號的共軛相乘，干擾信號恢復為原來SAR回波信號樣式，并未改變輸出信號的頻譜范圍，因此不會增加系統的采樣率和帶通濾波器的通帶寬度。理論分析和仿真結果證明了本文方法相對傳統移頻干擾的優勢，具有較強的軍事應用價值。本文方法目前只在SAR距離向產生移頻干擾效果，如何結合本文方法對SAR形成多維、多樣化的干擾效果，將是下一步研究的重點。

參 考 文 獻

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房明星男，1988年生，博士。研究方向為SAR信號處理及SAR對抗理論。

畢大平男，1965年生，教授，博士生導師。研究方向為電子對抗偵察和干擾新技術。

沈愛國男，1975年生，講師。研究方向為雷達信號處理、雷達干擾與抗干擾技術。

A Blind Shift-frequency Jamming Method of Eliminating Characteristic for SAR

FANG Mingxing，BI Daping，SHEN Aiguo

(Department of 503, Electronic Engineering Institute,Hefei 230037, China)

Abstract：The traditional shift-frequency jamming has the unique characteristic and is invalid for waveform agile synthetic aperture radar (SAR), so a blind shift-frequency jamming method of eliminating characteristic is proposed for SAR. One channel signal is time delayed and the signal spectrum of the other channel is expanded by 2 times, and then they are conjugated multiply to generate jamming signal. The signal of spread spectrum is restored to original form of SAR echo, and an additional modulation phase is added to the shift-frequency jamming signal, so it can produce fronted and lagged false targets in the range direction. This method not only eliminates the shift-frequency jamming characteristic, but also provides a new feasible approach against waveform agile SAR, so it's a blind shift-frequency jamming method. Theoretical analysis and computer simulation justify the validity and efficiency of the method.

Key words：synthetic aperture radar; pulse compression; shift-frequency jamming characteristic; blind shift-frequency jamming

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.019

通信作者：房明星Email：mingxingfang89@163.com

收稿日期：2015-12-30

修訂日期：2016-02-29

中圖分類號：TN974

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)05-0082-06