對CRPJ-SAR間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果分析

張靜克，戚宗鋒，胡明明，曾勇虎，汪連棟

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471000 )

0 引言

具有全天時、全天候以及高處理增益等工作特點(diǎn)的合成孔徑雷達(dá)(SAR)是當(dāng)前軍事領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的偵察手段之一[1-3]，相應(yīng)地，對SAR干擾技術(shù)也成為雷達(dá)對抗領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)。SAR干擾可分為壓制干擾和欺騙干擾，其中欺騙干擾極具迷惑性，難以被SAR察覺，一直是業(yè)界研究的熱點(diǎn)。基于數(shù)字射頻存儲器(DRFM)的相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的欺騙干擾[4-7]，該類干擾通過DRFM接收并存儲雷達(dá)信號，然后對信號進(jìn)行相應(yīng)的延時、相位調(diào)制、復(fù)制疊加等變化再轉(zhuǎn)發(fā)到雷達(dá)，不僅可以生成逼真的假目標(biāo)，而且能夠可以獲得相當(dāng)?shù)奶幚碓鲆妗Ｈ欢捎谠擃惛蓴_若在當(dāng)前脈沖重復(fù)周期內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，只能形成滯后的假目標(biāo)，易被雷達(dá)通過脈沖前沿跟蹤技術(shù)識別，因此通常是在下一個脈沖來臨時轉(zhuǎn)發(fā)基于當(dāng)前脈沖形成的干擾信號。針對這一缺陷，文獻(xiàn)[8～9]提出了基于調(diào)頻斜率極性捷變SAR(CRPJ-SAR)的抗欺騙干擾方法，其基本原理是通過在相鄰脈沖發(fā)射調(diào)頻斜率極性相反的LFM信號，使得傳統(tǒng)的基于DRFM的欺騙干擾信號與當(dāng)前雷達(dá)匹配濾波器失配，從而實(shí)現(xiàn)對欺騙干擾的抑制。

目前關(guān)于CRPJ-SAR干擾的研究較少。文獻(xiàn)[10～11]分別分析了間歇采樣和欠采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對調(diào)頻斜率極性捷變SAR的干擾效果，證明間歇采樣和欠采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾不僅能夠在CRPJ-SAR中形成沿距離向等間隔分布的導(dǎo)前和滯后的點(diǎn)假目標(biāo)，而且能夠在方位向形成三個等間隔分布的假目標(biāo)，假目標(biāo)的幅度和分布由采樣參數(shù)決定。

然而真實(shí)目標(biāo)多為分布式目標(biāo)，其圖像表現(xiàn)為多個強(qiáng)散射點(diǎn)的集合，這就意味著單純的間歇采樣或欠采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾難以實(shí)現(xiàn)對CRPJ-SAR的欺騙干擾，需要附加目標(biāo)散射信息的調(diào)制才能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的欺騙干擾。由于CRPJ-SAR干擾時效性的要求，基于卷積調(diào)制的傳統(tǒng)SAR欺騙干擾方法并不適用，而散射波干擾[12-13]作為一種極具特色的干擾手段，其通過目標(biāo)散射完成干擾信號的散射特性調(diào)制而無需干擾機(jī)進(jìn)行實(shí)時調(diào)制，顯然能夠滿足CRPJ-SAR干擾即時性的要求。基于此，本文將間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾和散射波干擾有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，研究對CRPJ-SAR間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

1 間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾機(jī)理

1.1 間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號模型

以機(jī)載正側(cè)視CRPJ-SAR為例，其發(fā)射信號可表示為：

s(τ,η)=Tp-1/2rect(τ/Tp)exp(j2πfct+jπkr(η)τ2)

(1)

式中，τ表示SAR距離向快時間；η=mT(m為整數(shù))為方位向慢時間；T為脈沖重復(fù)周期；t=η+τ為全時間；Tp為脈沖寬度；fc表示發(fā)射信號的載頻；kr(η)=α(η)kr表示η時刻發(fā)射脈沖的調(diào)頻斜率，其中kr為調(diào)頻斜率絕對值，α(η)∈{1,-1}為脈沖調(diào)頻斜率的極性，其取值在相鄰脈沖間是相反的。

間歇采樣散射波干擾幾何示意圖如圖 1所示，SAR平臺以正側(cè)視模式沿直線勻速運(yùn)動，速度記為Va。以SAR波束中心穿過干擾機(jī)時刻為方位向零時刻，以此時刻SAR平臺在地面的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)，平行于運(yùn)動方向?yàn)閄軸，垂直向上方向?yàn)閆軸，建立左手坐標(biāo)系。SAR到干擾機(jī)的最小斜距記為RJ，SAR到散射目標(biāo)的最小斜距記為RT，干擾機(jī)到散射目標(biāo)的斜距記為rJT，散射目標(biāo)的方位向坐標(biāo)為xT，散射強(qiáng)度為σ(xT,RT)。

間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾的實(shí)施方式為：干擾機(jī)對截獲的SAR信號進(jìn)行間歇采樣，同時將采樣信號轉(zhuǎn)發(fā)至散射目標(biāo)，SAR接收到散射目標(biāo)的反射信號形成干擾信號。由圖 1所示SAR平臺、干擾機(jī)以及散射目標(biāo)的相對位置可得干擾信號的距離歷程為：

RJT(η)=RJ(η) +RT(η) +rJT

(2)

以p(t)表示間歇采樣信號，則SAR接收到的基帶干擾信號可表示為：

J(τ,η)=σ(xT,RT)p(t-τj(η))s0(τ-τd(η),η)

(3)

式中，σ(xT,RT)表示目標(biāo)的散射強(qiáng)度；τj(η)=RJT(η)/c；τd(η)=τj(η)+τs表示干擾信號總的時延，τs為干擾機(jī)的系統(tǒng)延遲，通常忽略不計(jì)。由文獻(xiàn)[10]可知修正后的間歇采樣信號模型為：

p(t)=

(4)

1.2 間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾成像結(jié)果

對式所示間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號進(jìn)行距離向匹配濾波以及距離徙動校正，參考文獻(xiàn)[10]可得：

(5)

式中，fs=1/Ts為間歇采樣周期，K=fix(Br/(2fs))，x(η)=rect(η/TL)exp(-j2πRJT(η)/c)，τ0=(RJ+RT+rJT)/c，An(τ,η)=an(1-|τ-τ0|/Tp)sinc(Br(τ-τ0+nfs/kr(η))) ，an=asinc(na)，Δt為間歇采樣時間因子。

令A(yù)ni(τ)=an(1-|τ-τ0|/Tp)sinc(Br(τ-τ0+(-1)infs/kr))，間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號可進(jìn)一步表示為：

(6)

對式(5)進(jìn)行傅里葉變換可得：

(-1)l(fa/2-Ba/4))/(Ba/2)Yi(τ,fη-(-1)lfa/2)

(7)

(8)

cos(jπnfs(τ+ 2Δt-τ0)) + 2-1σ(xT,RT)·

(9)

2 間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果分析

由式(9)可知，間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾形成的假目標(biāo)的位置為：

rn=(RJ+RT+rJT)/2-cnfs/(kr2)

(10)

相鄰假目標(biāo)的距離向間隔為Δr=cfs/2kr，與采樣頻率成正比。若散射目標(biāo)成像后的距離向范圍為ΔR，當(dāng)Δr≤ΔR時，不同階假目標(biāo)會重疊在一起。

當(dāng)n=0時，在r0處只有一個假目標(biāo)，且其方位向?yàn)镽JxT/((RJ+RT)Va)；當(dāng)n≠0時，在rn處有三個沿著方位向分布的假目標(biāo)，方位向位置為：

(11)

由式(11)可知，當(dāng)RJ與RT相差不大時，第n階主假目標(biāo)的方位向位置近似位于干擾機(jī)和真實(shí)目標(biāo)的中間位置。若散射目標(biāo)的方位向范圍為Δx，則間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾形成的各階主、次假目標(biāo)的方位向范圍近似為Δx/2。

由式(9)以及文獻(xiàn)[10]可得第n階主、次假目標(biāo)的幅度分別為：

(12)

(13)

可以看出，幅度受到相位項(xiàng)2πnfsΔt-π(nfs)2/kr影響，這就意味間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾形成的假目標(biāo)的能量分布很復(fù)雜。

3 仿真分析與驗(yàn)證

本節(jié)基于美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的MiniSAR切片圖像數(shù)據(jù)，仿真驗(yàn)證間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾對CPRJ-SAR的干擾效果。仿真方法是將MiniSAR圖像數(shù)據(jù)作為目標(biāo)場景的散射系數(shù)，然后按照CRPJ-SAR信號采集以及間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾的實(shí)施過程進(jìn)行回波模擬，最后再進(jìn)行SAR成像處理。SAR系統(tǒng)參數(shù)如表 1所示。成像場景的距離向范圍為[7650 m，8350 m]，方位向范圍為[-200 m，200 m]。無干擾時的CPRJ-SAR成像結(jié)果如圖 2 (a)所示，其中紅框內(nèi)區(qū)域設(shè)定為散射區(qū)域，其距離向范圍為[7975 m，8025 m]，方位向范圍為[-42 m，42 m]。散射區(qū)域內(nèi)有一個形似坦克的分布式目標(biāo)，其放大圖像如圖 2 (b)所示。設(shè)定干擾機(jī)位置為(0 m，7800 m)，驗(yàn)證間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾的干擾效果。

表1 SAR系統(tǒng)參數(shù)

圖4 不同間歇采樣周期對間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果的影響

考慮到間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在CPRJ-SAR形成的假目標(biāo)能量的分布較為分散，干信比設(shè)置為10 dB。設(shè)定間歇采樣信號周期Ts=0.1 μs，占空比a=0.4，則fs=10 MHz，N=50，Δt=(2-a)Ts/2=0.8Ts，忽略目標(biāo)散射特性隨視角變化的影響，間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾的CPRJ-SAR成像結(jié)果如圖 3(a)所示。由圖 3(a)可以看出間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾在CPRJ-SAR中形成多個虛假分布式目標(biāo)，其中零階假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)混疊在一起。占空比為0.4，其中±5階假目標(biāo)無輸出，各虛假目標(biāo)的距離向間隔為50 m，方位向間隔為90 m，均與理論值吻合。與常規(guī)SAR不同，假目標(biāo)幅度受到相位項(xiàng)2πnfsΔt-π(nfs)2/kr的影響，導(dǎo)致其對稱階假目標(biāo)的幅度不相等，而呈現(xiàn)出無規(guī)律的隨機(jī)分布，增加了干擾的復(fù)雜性。為了更好地觀察和分析虛假目標(biāo)的特性，圖 3(b)給出了只存在干擾時的零階虛假目標(biāo)的放大圖，與圖 2(b)所示真實(shí)目標(biāo)相比，干擾存在一定的散焦和模糊，這也是散射波干擾的固有缺陷，而且虛假分布式目標(biāo)的方位向范圍近似縮小了一半，這與理論分析一致。

圖3 間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾CPRJ-SAR成像結(jié)果(Ts=0.1 μs)

由于間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾形成的虛假目標(biāo)的間隔由間歇采樣周期決定，當(dāng)間歇采樣參數(shù)選取不合理時，虛假目標(biāo)會混疊在一起，導(dǎo)致欺騙效果變差，甚至惡化為壓制干擾。取間歇采樣信號周期分別為0.05 μs、0.2 μs和0.4 μs，占空比均為a=0.4，則對應(yīng)頻率分別為20 MHz、5 MHz和2.5 MHz，相應(yīng)的假目標(biāo)距離向間隔分別為100 m、25 m、12.5 m，干擾的成像結(jié)果如圖 4所示。由圖 4可以看出隨著采樣周期的增大，虛假目標(biāo)的距離向間隔變小。當(dāng)距離向間隔小于虛假目標(biāo)距離向范圍時(如圖 4(b)和(c)所示)，相鄰階虛假目標(biāo)將會混疊在一起，欺騙效果變差，因此在實(shí)施間歇采樣散射波干擾時應(yīng)根據(jù)散射區(qū)域的范圍選擇合適的間歇采樣參數(shù)。

4 結(jié)束語

本文研究了間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)散射波干擾對CRPJ-SAR的干擾效果。研究結(jié)果表明間歇采樣散射波轉(zhuǎn)發(fā)干擾充分結(jié)合了間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾和散射波干擾的優(yōu)勢，能夠在CRPJ-SAR中生成多個攜帶真實(shí)目標(biāo)散射特性且分布有規(guī)律的虛假分布式目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)對CRPJ-SAR的欺騙干擾。同時，由于假目標(biāo)的個數(shù)較多，能量分布較為分散，因此在對CRPJ-SAR實(shí)施間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)散射波干擾時需適當(dāng)提高干擾機(jī)的發(fā)射功率，以獲取更好的干擾效果。■