SAR成像電子對抗技術綜述

紀朋徽，代大海，吳 昊，廖 斌，王雪松

(國防科技大學 電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，湖南 長沙 410073)

0 引言

雷達自誕生以來，針對其干擾的研究就一直在繼續，并且隨著雷達抗干擾技術的發展而不斷發展。雷達干擾和抗干擾始終是矛與盾的關系，一種新型雷達或新抗干擾技術出現，針對它的干擾技術也就隨之而來。雷達干擾和抗干擾這一矛盾，不斷推動著雷達技術向前發展。當前，戰爭已經進入了信息化時代，最近的幾場局部戰爭表明，雷達對抗在其中發揮著越來越重要的作用。不僅在戰時，和平年代雷達對抗也從沒有停歇。誰掌握先進地雷達對抗技術，誰就能在對抗中取得優勢。因此，雷達對抗技術的研究一直獲得國家的大力支持。我國的雷達干擾技術研究起步較晚，但一直在及時跟進。如何研究更先進的雷達對抗技術，贏取戰爭的勝利，是研究者需要不斷思考的問題[1-4]。SAR成像雷達作為雷達家族的重要一員，在軍用和民用領域發揮著重要作用。針對SAR成像的干擾技術，隨著成像雷達的發展不斷前進。本文回顧了SAR雷達系統的發展過程，介紹了SAR對抗研究情況，重點闡述了卷積調制干擾、微動調制干擾、間歇采樣轉發干擾及復合調制干擾等幾種新型干擾方法。最后介紹了干擾效果評估的研究狀況，并對成像干擾技術做了展望。

1 SAR研究現狀

SAR是一種高分辨率的微波成像雷達，自對其開展研究以來，經歷了60余年的發展，已經發展出了多種成像模式的高分辨雷達，在民用和軍用領域發揮著重要作用。早期的雷達由于分辨率低不具備雷達成像功能[5]。1951年，美國Goodyear航空公司的Carl Wiley等人提出了多普勒波束銳化的思想，為雷達成像研究奠定了理論基礎[6]。1953年，美國Illinois大學Sherwin等人根據多普勒銳化思想建造出第一個SAR系統；1957年，美國Michigan大學和空軍合作研制了第一部SAR系統，并獲得了第一幅全聚焦SAR圖像[5]。從此以后，SAR成像技術得到認可，并開始快速發展。1972年，美國的Apollo-17號宇宙飛船首次攜帶SAR在外層空間對地面成像，開啟了天基SAR發展[7]。1978年，美國宇航局發射的Seasat-A衛星安裝了SAR，把它推向實用階段[8]。此后，SAR的成像理論和成像算法不斷發展，出現了距離多普勒算法(RD)、距離走動算法(RMA)和Chrip Scaling算法(CS)，雷達的成像精度越來越高[5]。1985年，美國JPL實驗室利用極化信息研制出的機載PolSAR-NASAJPL/CV-990開啟了極化雷達成像研究新紀元，此后極化在成像中的應用越來越多，由傳統的單極化成像雷達發展為多極化、全極化成像雷達，使雷達成像的質量進一步提高[9]。此外，能夠顯示地面動目合成孔徑雷達(SAR-GMTI)也已出現[10]。未來的SAR成像雷達必將繼續朝著高分辨實時成像和自動目標識別的方向不斷發展。

2 SAR干擾技術研究現狀

SAR作為一種相干體制雷達具有二維匹配處理能力，可獲得高的處理增益，因此具有很強的抗干擾性能，結合不斷發展的雷達成像新技術，使得對SAR的干擾必須有別于傳統雷達[10]。針對SAR的電子對抗技術始于90年代初，1990年，Christopher J Condley首次開展了電子對抗技術的研究，分析了SAR干擾中出現的一些問題，并對其可行性做了闡釋[11]。隨后對SAR電子對抗技術的研究逐漸增多。1993 年，Goj W W 撰寫了《Synthetic Aperture Radar and Electronic Walfare》一書，論述了傳統噪聲壓制干擾對SAR的影響，并提出等功率密度線作為電子戰效果的度量[12]；1997 年，K Dumper 等人詳細給出了星載 SAR 的干擾方程，分析了影響干擾效果的因素[13]。梁百川于1995年最早開展對SAR的電子干擾技術研究，分析了阻塞式干擾、瞄準式干擾和隨機脈沖干擾等幾種干擾樣式的可行性[14]；中國電子科技集團公司某所于1997年率先研制出SAR大功率干擾機并開展了對抗實驗[15]。一直到21世紀初，該階段對SAR干擾技術的研究以噪聲壓制式干擾技術為主，包括射頻噪聲干擾、噪聲調幅干擾、噪聲調相干擾及噪聲調頻干擾等。由于這些干擾均為非相干干擾，需要較大的干擾機功率才能達到干擾效果，給裝載平臺提出了高要求。

進入新世紀，SAR干擾技術迎來了蓬勃發展，研究重心向相干干擾、SAR欺騙干擾技術過渡，相繼出現了多種有特色的新型干擾方法。2000年，美國海軍研究院提出了一種數字圖形合成干擾技術用于ISAR的干擾，可產生艦船等大型欺騙干擾目標[16]；2004 年，法國的Paul Leducq 提出了一種對極化 SAR 的干擾方法及其軟硬件實現框圖，該方法建立了全極化目標信息電磁散射特性的數據庫來實施SAR干擾，但該方法對偵察精度要求高，卷積運算量大，實用性差，只在理論層面具有深遠意義[17]；同年，挪威國防研究院研制的EKKO-Ⅱ合成目標生成器成功地對 MRS 高精度 ISAR實施了欺騙[18]。2002年胡東輝提出了散射波干擾技術，該技術并不直接向雷達發射或轉發干擾信號，而是將偵收到的信號調制后，投射到需要干擾的區域，利用地物散射形成干擾[19]。2003年，王勝利從原理上分析解釋了卷積調制干擾，并通過頻域相乘實現了欺騙干擾[20]；2005年，甘榮兵對卷積調制干擾進行了改進，該方法結合移頻干擾，在距離向進行延遲調制、 方位向進行移頻調制[21]；2006年，王雪松提出了間歇采樣轉發數學原理，為欺騙式干擾機的研制提供了新思路[22]；2010年，吳曉芳利用運動目標的成像原理，提出了微動干擾調制的新型干擾方法，對GMTI工作模式的成像雷達也能實現干擾[23]。隨后，相關研究人員以間歇采樣轉發和微動調制干擾為基礎，提出了多種類型的復合調制干擾[24-29]。從公開發表的文獻來看，目前國外相關研究的公開報道較少，有限的相關文獻涉及的單位主要包括：英國國防部海軍研究所(Ministry of Defence，Admiralty Research Establishment)[30-31]、英國系統工程與評估有限公司[32]、美國海軍研究生院 (Naval Postgraduate School，USA)[33]、美國阿拉巴馬大學(The University of Alabamain Huntsville)[34-35]、法國雷恩大學(The University of Rennes)[36]、挪威國防研究院(Norwegian Defence Research Establishment，FFI)[37-38]和伊斯坦布爾科技大學(Istanbul Technical University)[39]等機構。目前，國防科技大學、西安電子科技大學、電子科技大學、北京航空航天大學、中國科學院電子研究所、中國電子科技集團公司以及中國航天科工集團等單位都對雷達欺騙干擾進行了系統的研究。

在有源干擾發展的同時，無源干擾也在迅速發展。所謂無源干擾是指干擾器材本身不主動發射電磁信號，而通過干擾器材反射或吸收電磁波產生干擾的一類干擾技術。常用的干擾器材有假目標模型、角反射器、反雷達偽裝網、微波吸收材料和偶極子反射器(又稱箔條)[1]。角反射器能夠產生強烈的雷達回波，國防科技大學的吳曉芳、張靜克等研究了旋轉微動目標的SAR圖像特性，并將其用于SAR無源干擾的分析研究[23]；孫光才、朱燕等研究了旋轉微動目標的SAR-GMTI特性，結果表明旋轉干擾對SAR-GMTI也有很好的干擾效果[40]；周陽研究了旋轉微動目標的INSAR特性，并將其成功運用到INSAR無源干擾[41]。箔條是一種由金屬箔、金屬絲或涂覆金屬介質制成用以對敵方雷達實施無源干擾的器材，最早應用于無源干擾技術中，在歷次戰爭中表現出優越性能。陳靜等在其學術專著中論述了箔條物理特性、箔條單站/雙站散射特性、箔條運用特性、雷達箔條干擾原理以及箔條、箔條云散射場和雷達截面測量等內容[42]；國防科技大學李金梁等系統地研究了箔條干擾的運動擴散特性和雷達回波特性，并對雷達抗箔條干擾進行了深入研究[43]。軍事偽裝技術也得到了較快的發展，東北大學顏云輝等研究了軍事偽裝技術的發展現狀和發展趨勢，分析了包括遮障技術、示假技術和迷彩偽裝技術等幾種偽裝技術的原理及其應用，指出偽裝技術的發展正向著多波段、多元化和智能化[44]發展。杭州電子科技大學陳華杰等研究了偽裝網遮蔽目標在多波段多極化SAR圖像中的檢測方法和檢測性能[45]。國防科技大學徐樂濤等探索了利用傳統上主要用于隱身的相位調制表面技術[46-48]、電控頻率選擇表面技術[49]產生無源干擾的可行性[50-52]。總之，雖然無源干擾在形成、布置和產生時有一定的時空限制，但其簡單、廉價及優良的性能使其在SAR對抗中具有不可替代的作用。

2.1 卷積調制干擾

卷積調制是根據作戰需求對存儲的偵收信號進行調制，獲得干擾信號。卷積調制干擾通常包括匹配式卷積調制欺騙干擾和移頻式卷積調制欺騙干擾[53]。文獻[20]對匹配式卷積調制欺騙干擾進行了研究，匹配式的突出特點是調制生成的干擾信號與真實目標回波相匹配，即干擾信號具有很好的相干性，但是該種干擾對參數的精確估計要求較高，需要復雜的偵察設備和精密的參數估計算法作支撐。文獻[21]對匹配式卷積調制干擾進行了改進，提出了一種和傳統匹配濾波不一樣的新型卷積調制干擾方法，這種干擾方法是傳統移頻調制干擾在SAR欺騙干擾中的擴展，該文指出參數估計誤差對虛假散射中心的聚焦質量不會造成惡劣影響。

匹配式卷積調制干擾的實時信號生成具有一定困難，文獻[20]提出了一種頻域相乘實現實時卷積運算算法，該算法借助快速傅里葉變換提高了干擾信號的生成效率，但僅對少數點構成的虛假圖像有效，當假目標增多時，運算量會迅速增加，不能滿足實時處理要求。文獻[54-55]提出了兩步生成算法，該方法在距離向提前計算、在方位向進行實時調制，但該算法由于采用近似干擾機模型會導致方位向模型失配，影響干擾信號的聚焦效果。文獻[56]提出了一種頻域3階段算法即離線階段、初始化階段和實時調制3階段，該方法不需要重復計算二重積分，使得干擾信號生成效率大為提高，并且該方法建立的模型準確，干擾信號能達到較高聚焦效果，適用于擴展虛假場景和散布多假目標的干擾信號。

2.2 微動調制干擾

常規SAR的成像處理是針對地面靜止目標或場景，當目標運動時雖然在快時間內造成的影響較小，但對慢時間即目標方位像的影響較大。運動會使方位向相位發生調制，在進行匹配濾波處理時，會使目標方位向出現主瓣峰值降低、峰值偏移及展寬等現象，導致信號完全淹沒在噪聲中。文獻[23，58]以勻加速運動為例對由目標運動引起的附加相位項進行了分析，一次相位項會使方位像峰值位置發生偏移，2，3，4次相位項會使方位像波形展寬。文獻[23，57]分析了旋轉和振動2種典型微動目標的回波特征，經過壓縮成像處理后的圖像特征，并得出這2種微動目標在方位像會等間隔產生隨慢時間呈余弦規律分布的多個像元。這就為設計對SAR成像雷達干擾提供了思路，可以考慮產生微動干擾信號或者設置微動目標在SAR成像雷達中形成多個欺騙干擾假目標。文獻[57-58]分析了微動調制干擾對GMTI工作模式的對抗性能，分析了無源、有源微動調制干擾的3孔徑干涉對消處理，結果表明，3孔徑干涉對消處理并不能完全對消微動調制干擾，即微動調制干擾也能實現對GMTI工作模式的成像雷達干擾。總之，基于微動調制效應的干擾方法可以獲得距離向和部分方位向增益，彌補了常規干擾信號的處理增益的劣勢，并且利用了目標運動對SAR回波的復雜調制作用，可以同時實現對靜止目標和動目標的有效欺騙干擾，在豐富SAR對抗理論的同時，提高了地面重要軍事目標對SAR探測和識別的對抗能力，具有重要意義和實用價值。

2.3 間歇采樣干擾

間歇采樣轉發干擾是基于收發分時體制間歇采樣處理的新型相干干擾樣式，可產生前移和滯后的逼真假目標串的效果。其基本思想是采用欠采樣技術在線性調頻脈沖信號持續時間內間隔采樣并在間歇期進行轉發，既能降低采樣頻率也能實現干擾信號快速轉發[22]。文獻[26，59]對間歇采樣轉發干擾在SAR對抗中的應用進行了分析，并詳細研究了距離向和方位向的間歇采樣轉發干擾，分析了干擾參數對干擾效果的影響。結果表明，干擾圖像能在距離向和方位向產生多個高度逼真的假目標，盡管對SAR這種二維成像雷達的對抗效果不突出，可以利用其干擾思想，配合其他方位向干擾或二維干擾欺騙樣式使用，以達到想要的干擾效果，仍然具有重要的戰略意義。

2.4 復合調制干擾

復合調制干擾是為了彌補單一干擾樣式的不足，結合多種干擾優勢進行的一種有效干擾。文獻[24]結合微動調制干擾和間歇采樣轉發干擾進行了研究，干擾效果為二者干擾效果的乘性疊加，可實現方位向和距離向二維多假目標欺騙。文獻[60]結合傳統的移頻干擾、間歇采樣轉發干擾和微動調制干擾等多種樣式的干擾進行了研究，仿真結果表明該種復合干擾能實現方位向和距離向二維多假目標欺騙干擾。總之，復合干擾是一種有效的干擾，盡管相比單一干擾結構復雜，但干擾形成的欺騙假目標多，干擾效果好，具有重要的應用前景。

3 干擾效果評估研究現狀

當前，對SAR干擾的評估分為2類：主觀評估和客觀評估。主觀評估與評估者的知識面、理解水平和看待問題的立場等密切相關，容易受個人因素影響。而客觀評估是根據圖像的各性能指標進行評估，比較公正合理且易于實現。Goj W W于1993年最早提出用等功率曲線圖來衡量干擾效果[12]；2004年，馬俊霞使用歐幾里德距離空間的方法，給出了用來評估壓制干擾的方法[61]；2006年，焦遜等提出了基于模糊推理的 SAR 干擾效果評估方法，該方法采用定性與定量相結合的方法，充分利用專家知識，建立了定量化模型[62]；2009年，劉鵬軍等提出了基于 BP 神經網絡的 SAR 干擾效果評估方法，該方法能對干擾效果做出很好的評估，并具有一定的泛化能力，但需要大量的訓練數據，難以得到實際應用[63]。2010年，劉陽等提出了基于小波域加權結構相似度的 SAR 干擾效果評估方法，該方法結合了結構相似度和人眼視覺系統特性，實現了主客觀的評估[64]；2011年，韓國強等提出了基于視覺加權處理、基于結構相似度等一系列SAR干擾效果評估方法，這些方法考慮了像素點之間的相關性和人眼視覺系統感知特性，做到了主客觀盡量一致，使干擾效果評估更具有權威性[65-68]；2011年，柏仲干等提出了一種基于點擴展函數的 SAR 有源欺騙干擾效果評估方法，以及干擾效果的推算模型，為欺騙干擾效果的推算研究奠定了基礎[69]。

4 SAR干擾技術的發展趨勢

(1)由非相干干擾向相干干擾方向發展

隨著SAR系統性能和分辨率的不斷提高，SAR對抗傳統的非相干噪聲調制干擾的能力越來越強，非相干干擾已經滿足不了戰場需要。而相干干擾在功率利用和干擾效果的穩健性上更具優勢[4]。

(2)由小場景、單模式向大場景、多模式方向發展

未來的作戰環境區域更廣、雷達成像模式更多，單一小范圍的干擾樣式已經遠遠不能滿足要求，大場景、多模式的干擾技術成為必然需求[70]。

(3)由固定化、滯后性向著智能化、實時性方向發展

未來的一部干擾機需要發揮多部干擾機的功能，這就要求干擾機能隨時調整干擾樣式，實時對雷達實施干擾。

5 結束語

主要根據最近幾年雷達成像干擾技術的發展，結合之前幾十年的演究對雷達干擾技術的發展做了綜述，較為系統地介紹了雷達成像及其干擾的研究現狀，幾種新型的干擾樣式，干擾效果評估的最新方法等。當然，隨著雷達成像系統的發展，針對它的干擾技術也會及時跟進。未來，SAR干擾將會朝著大場景、多模式、智能化和實時性方向發展。