雙干擾機InISAR微動調制干擾

唐崢釗，趙國慶

(西安電子科技大學電子工程學院， 陜西西安 710071)

0 引言

逆合成孔徑雷達(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)具有對非合作機動目標的二維高分辨成像能力，同時也存在以下缺陷：首先，二維ISAR圖像是目標在距離-多普勒平面上的投影圖像，不包含目標各散射中心的高程信息；其次，二維ISAR圖像多普勒維坐標不反映目標真實橫向尺寸；此外，ISAR成像對象多為非合作機動目標，成像效果依賴于目標運動狀態，目標二維ISAR圖像可能隨時間變化而顯著不同，這對非合作目標識別造成一定困難。

干涉逆合成孔徑雷達(Interferometric Inverse Synthetic Aperture Radar, InISAR)是將干涉技術與逆合成孔徑成像技術相結合的高分辨三維成像雷達[1]。其基本思想是利用位置分布不同的多個天線獲得具有一定視角差的多幅目標二維ISAR圖像，再通過干涉相位處理[2]，恢復出目標各散射中心的高程信息，從而得到目標真實三維分布[3]。相比與傳統ISAR，InISAR可以獲得遠距離運動目標的三維結構及真實尺寸[4]，且受目標姿態變化影響較小，為非合作目標識別提供了更加全面、穩定的信息，具有一定理論研究意義和工程應用價值。因此，開展針對InISAR的干擾技術研究也成為雷達電子對抗領域的一個熱點和難點。

目前公開發表的文獻資料中關于InISAR干擾技術的研究較少，對于干涉合成孔徑雷達(InSAR) 干擾技術的研究也尚處于起步階段。文獻[5]提出了利用多部干擾機對單航過InSAR產生場景欺騙干擾的干擾方法。文獻[6]研究了常規噪聲調制干擾和彈射式干擾對InSAR成像的影響。文獻[7]指出單個天線任意波形調制干擾最終干涉相位都近似為常數。文獻[8]研究了通過雙(多)干擾機的合理配置實現對InSAR三維欺騙干擾的可能性。

此前研究表明，單部干擾機所發射干擾信號在InISAR成像期間具有近似恒定的干涉相位，導致其無法對InISAR產生具有高程信息的干擾效果，針對這一問題本文提出了基于雙干擾機的In- ISAR微動調制干擾方法。雷達目標的微多普勒效應指由于目標部件旋轉、進動、振動等微運動[9]導致成像雷達二維距離-多普勒圖像方位向擴展進而使成像質量下降的現象[10]。兩部干擾機通過發射帶有微動調制信息的干擾信號，可在InISAR天線各通道內形成等效于真實微動假目標回波信號的干涉相位圖，從而產生具有高程信息的三維干擾效果。文中首先給出了InISAR成像原理，并在此基礎上推導了干擾信號合成方法，最后通過仿真驗證方法的有效性。

1 InISAR成像原理

InISAR系統通常采用具有正交基線的多天線構型，包括L型和十字型天線結構等，前者因結構簡單、相干性好等優點被較多使用，其幾何結構如圖1所示。收發天線A分別與接收天線B、C構成兩對互相垂直干涉基線，基線長度都為D。M、N分別為AB、AC基線中點。以基線方向為X、Z軸建立如圖三維坐標系XYZA。目標點散射模型如圖2所示，初始時刻目標散射中心O點坐標為(XO,YO,ZO)，θ為OM與Y軸正向夾角，目標上任意一散射點P坐標為(XP,YP,ZP)，O、P兩點與三天線及M點間距離分別為RAO、RBO、RCO、ROM、RAP、RBP、RCP、RPM,目標速度矢量為V，以O為中心、與XYZA坐標軸平行方向建立目標本地三維坐標系xyzO。

圖2 目標散射點模型

設天線A發射線性調頻脈沖信號為

(1)

exp[j2π(fc(t-2RAP/c)+

(2)

設RrefA為參考距離，對式(2)進行dechirp處理得

(3)

在距離向作傅里葉變換，得一維距離像為

(4)

Tr為相干積累時間，將式(5)對慢時間作傅里葉變換可得二維ISAR距離-多普勒圖像：

(6)

同理可得天線B接收回波經成像處理后的ISAR圖像為

(7)

則可得P點處干涉相位為

(8)

式中，Angle(·)表示取復數值相位。InISAR成像過程中，通過對各天線接收回波的包絡對齊及相位校正等運動補償處理，目標可等效為遠場轉臺模型，此時P點干涉相位可表示為

(9)

可得P點在AB基線方向坐標為

(10)

同理，利用AC兩天線接收回波數據干涉處理可得P點在AC基線方向坐標為

(11)

在遠場條件下，P點在Y軸坐標YP與斜距RAP近似相等，可通過測距獲得。則經過以上步驟，可得P點三維空間坐標，實現了對該散射點的三維干涉成像。

2 單站干擾分析

采用如圖1所示系統模型，假設單部干擾機位置坐標為J1(XJ1,YJ1,ZJ1)，干擾機與天線距離分別為RJ1A(t),RJ1B(t),RJ1C(t)。則tm時刻干擾信號在AB天線通道內相位差為

(12)

式中，

RJ1A(tm)-RJ1B(tm)=

(13)

將式(13)在XJ1處泰勒展開并忽略高次項得

(14)

由式(14)可知，由于InISAR成像期間XJ1近似不變，則單干擾機干涉相位近似為恒定值，因此無法對InISAR產生具有高程信息的干擾效果。

3 雙站干擾信號產生

干擾信號產生流程如圖3所示。

圖3 干擾信號產生流程圖

仍采用圖1系統模型。設兩干擾機位置坐標為J1(XJ1,YJ1,ZJ1)，J2(XJ2,YJ2,ZJ2)，兩干擾機與天線距離分別為RJ1A,RJ1B,RJ1C，RJ2A,RJ2B,RJ2C。設假目標模板由N個散射點組成，各假目標點初始位置隨機分布在O點周圍半徑RP范圍內，且繞O點作角速度為ωP的圓周運動。

設第i個假目標點在tm時刻三維坐標為Pi(xi(tm),yi(tm),zi(tm))，與AB天線距離差為ΔRABPi(tm)。則由式(8)可得tm時刻假目標模板在AB天線對的干涉相位為

(15)

設兩干擾機發射的干擾信號分別為J1和J2，兩干擾信號在A，B天線聚焦后的復圖像分別為SAJ1，SAJ2和SBJ1，SBJ2，A天線聚焦后復圖像SA(x,y)可表示為兩干擾信號復圖像的疊加，即

SA(x,y)=SAJ1(x,y)+SAJ2(x,y)

(16)

設兩干擾機自身在A、B天線對的干涉相位分別為ΔφABJ1和ΔφABJ2，由式(9)可知干涉相位由干擾機和天線相對位置決定，在本系統模型中為常數。

B天線復圖像等效于由A天線復圖像補償假目標干涉相位得到，實際通過補償兩干擾機干涉相位后疊加得到，即

SA(x,y)exp(jΔφAB(tm))=

SAJ1(x,y)exp(jΔφABJ1)+

SAJ2(x,y)exp(jΔφABJ2)

(17)

由式(16)、式(17)可得

SAJ1(x,y)=SA(x,y)·

(18)

SAJ2(x,y)=SA(x,y)·

(19)

即當J1和J2在A天線聚焦后圖像SAJ1(x,y)和SAJ2(x,y)滿足式(18)、式(19)時，可在AB基線方向產生等效于假目標模板的干涉相位。

SA(x,y)等效于假目標模板在A天線成像效果，則由式(6)得其相位信息φA(tm)為

(20)

式中，RAi(tm)為tm時刻第i個假目標點到天線A的距離。SA(x,y)可表示為

(21)

式中，σi為第i個假目標點的散射系數。

由式(8)得兩干擾機在AB天線對的干涉相位為

(22)

(23)

將式(15)、式(21～23)分別代入式(18)、式(19)可求得SAJ1,SAJ2。至此，將兩干擾機在AB基線方向干擾問題轉化為對天線A的兩個二維干擾問題。根據傳統欺騙調制干擾方法，可求得此時干擾信號相位模板，設為ΔφJ1AB(tm)，ΔφJ2AB(tm)。

同理，可求得AC基線方向，兩干擾信號應滿足的調制相位模板，記為ΔφJ1AC(tm)，ΔφJ2AC(tm)。

由于AB、AC兩基線方向垂直，干擾信號在某一基線方向產生的高程信息在另一基線方向表現為同一分辨單元內，可相互疊加，則可得兩干擾機實時調制相位模板為

φJ1(tm)=ΔφJ1AB(tm)+ΔφJ1AC(tm)

(24)

φJ2(tm)=ΔφJ2AB(tm)+ΔφJ2AC(tm)

(25)

最后將干擾信號與截獲的雷達信號卷積并轉發可得到三維微動調制干擾效果。

4 仿真及結果分析

本仿真采用如圖1所示場景，目標點散射模型如圖2所示。以天線A為坐標原點，基線長度為10 m，目標散射中心坐標為O(50 km,20 km,10 km)。目標在XOY及XOZ平面內正向旋轉角速度均為0.02 rad/s，雷達信號載頻為10 GHz，帶寬為200 MHz，脈寬為10 μs，重頻為200 Hz，脈沖積累個數為512個，干擾機采樣率為480 MHz。

圖4為無干擾時InISAR成像效果圖。圖5為附加單部干擾機射頻噪聲干擾的目標InISAR圖像，由圖5可以看出單部干擾機的干擾效果具有恒定的高程信息，無法有效對InISAR圖像造成影響。

圖4 無干擾時InISAR圖像

圖5 單干擾機射頻噪聲干擾

圖6為雙干擾機微動調制干擾效果圖。設存在10個旋轉微動假目標點，其初始位置隨機分布在目標散射中心周圍半徑rp內，同時各假目標點繞目標散射中心以角速度10 rad/s進行圓周運動。圖6(a)和圖6(b)分別為rp為0.8 m和3 m的干擾效果。可以看出，旋轉微動假目標點可在InISAR圖像中產生具有高程信息的干擾條帶，且干擾條帶高程范圍與假目標點運動范圍一致。根據需要設置假目標點運動模型，可分別達到部分遮蓋和完全遮蓋真實目標InISAR圖像的效果，對InISAR目標識別及特征信息提取造成一定影響，達到三維干擾的目的。

(a) rp=0.8 m

(b) rp=3 m圖6 雙干擾機微動干擾

5 結束語

本文研究了雙干擾機的InISAR微動調制干擾方法。根據旋轉微動假目標散射點模板，兩部干擾機分別發射具有特定相位關系的干擾信號，干擾信號在InISAR收發天線通道內疊加，可產生等效于微動假目標散射點回波的干涉相位，經過成像處理后可產生具有高程信息的干擾條帶，且干擾條帶范圍可根據假目標模板變化，從而達到對InISAR的三維干擾效果。