合成孔徑雷達干擾技術研究綜述

李永禎 黃大通 邢世其 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 長沙 410073)

1 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種先進的微波成像設備[1]，能獲得類似光學照片的目標圖像，具備全天時、全天候、處理增益高、反干擾能力強等眾多優點，是戰略情報偵察和戰場偵察的重要手段。在爆發的科索沃戰爭、阿富汗戰爭、伊拉克戰爭和利比亞戰爭等高技術局部戰爭中SAR發揮了顯著作用，已日益成為信息戰場中獲取對方重要情報的關鍵節點。隨著SAR成像技術的快速發展，其軍事應用呈現出“偵察打擊一體化”、“動靜目標兼顧化”、“平時戰時結合化”等新特點、新趨勢，不僅具有對地面靜止目標的高分辨成像偵察能力，而且具備對地面運動目標的指示能力[2]，如圖1所示，以及實現目標干涉三維成像的能力[3]。

目前，世界各軍事強國均大力發展以SAR為關鍵傳感器的情報偵察、火力引導和“察打一體”系統，其中已發展的代表性情報偵察系統包括美國“長曲棍球”SAR成像衛星、“全球鷹”無人偵察機、日本PALSAR成像衛星和德國TerraSAR成像衛星等，有代表性的“察打一體”系統包括美國的F-16,F-22,F-35戰斗機，“捕食者”系列無人機，印度的光輝戰斗機等。這些系統大都具備多普勒波束銳化(Doppler Beam Sharpening,DBS)、條帶SAR、聚束SAR和地面動目標指示(Ground Moving Target Indication,GMTI)成像能力。不同成像模式服務于不同作戰需求，DBS和條帶SAR模式成像分辨率較低，一般用于大范圍目標搜索；聚束SAR成像分辨率高，主要用于小范圍感興趣目標區域詳查；而GMTI模式則用于捕獲成像區域內運動目標。這些系統不僅能夠全天時、全天候進行區域偵察，使得對方武器裝備的部署、機動、日常訓練面臨極大的暴露風險，而且有人/無人機載“察打一體”系統還具備在復雜地形和惡劣氣象條件下對戰場地面目標實施快速、精確打擊的能力，使得高價值目標戰時面臨著嚴重的生存威脅。因此，SAR干擾技術的研究一直備受世界軍事強國的大力支持和長期投入，相關科研機構與院校也不斷研發出新的SAR干擾技術和系統，以適應未來戰爭的需求。

本文第2節總結梳理了國內外相關研究機構和院校在SAR干擾技術領域的研究進展；第3節結合仿真實驗，對比分析了典型SAR干擾技術的干擾效果及優缺點；第4節歸納了現有SAR干擾技術中存在的不足，進而指出其未來發展趨勢，為該領域今后的研究課題提供一定參考。

圖1 典型SAR-GMTI觀測結果Fig.1 The typical SAR-GMTI observation results

2 SAR干擾技術的發展脈絡

為搶奪信息“高地”，世界各國不斷研發出新的電子干擾技術和系統。然而，一旦某種干擾技術被公開或被使用，在以后的作戰中可能不再奏效或難以達到理想效果，故公開發表的文獻資料較為有限。盡管如此，強烈的軍事需求始終推動著國內外眾多科研單位與院所對SAR干擾的理論和技術進行著發展與完善。其中，代表性的國外研究機構有美國海軍研究生院、英國國防部海軍研究所、挪威國防研究院、伊斯坦布爾科技大學以及埃及軍事工程學院等；而國內在該領域的研究比較活躍，較為突出的單位主要有中國電子科技集團、航天科工集團、國防科技大學、火箭軍工程大學(原第二炮兵工程大學)、航天工程大學(原中國人民解放軍裝備學院)、西安電子科技大學、原中國科學院電子學研究所、電子科技大學等。縱觀SAR干擾技術的發展歷程，至今可將其大致劃分為如下3個階段。

2.1 SAR干擾技術的序幕階段

20世紀末的后10年拉開了SAR干擾技術的序幕，重點以星載SAR作為攻擊對象，以噪聲干擾作為研究重點。從公開文獻來看，美國學者Goj[4]于1989年在《Synthetic Aperture Radar and Electronic Warfare》一書中首次提到了對SAR的噪聲干擾技術，分析了特定空間位置處干擾機的干擾性能，定義了等功率密度線的概念。1990年，英國學者Condley[5]根據干擾機接收靈敏度和發射功率等參數，對噪聲干擾的可行性等幾個關鍵系統問題作了理論分析，并給出了對SAR的干擾效果仿真。1995年，西安電子科技大學的梁百川等人[6]分析了對SAR實施阻塞式干擾、瞄準式干擾和隨機脈沖干擾的可能性。1997年，英國Dumper等人[7]給出了SAR干擾方程，闡述了平均發射功率、干擾機有效輻射功率、成像幾何場景以及雷達系統參數等對干擾效果的影響。同年，中國電子科技集團第29研究所[8]采用等功率密度線，討論了噪聲干擾有效輻射功率和SAR成像區域的關系，并研制出了某型大功率噪聲壓制干擾機。

2.2 SAR干擾技術的蓬勃發展階段

第2階段是2000—2010年，該階段的干擾對象仍以星載SAR為主，同時兼顧了機載SAR成像系統，工作模式為常規條帶模式，以欺騙或靈巧壓制干擾作為研究重點，涌現出了大量的新型干擾樣式，極大豐富了SAR干擾的理論方法，提升了干擾效能。2000年，美國海軍研究院[9]提出了由數字射頻存儲器、數字延遲線、幅度和頻率調制器等輔助電路組成的數字圖像合成(Digital Image Synthesizer,DIS)干擾技術：根據設定的虛假目標參數，對截獲信號調制相應相位和幅度，形成欺騙信號，繼而在圖像中產生艦船等虛假目標。可以說，DIS干擾技術的提出為后來深入研究SAR欺騙干擾具有很好啟發和借鑒作用。2002年，原中國科學院電子學研究所的胡東輝等人[10]提出了散射波干擾的概念，闡述了其干擾機理，為SAR干擾技術研究提供了新思路。2003年，南京電子技術研究所的王盛利等人[11]根據SAR目標回波模型，提出了基于卷積調制的欺騙干擾原理，并給出了其頻域實現的方法，后來的欺騙干擾都不同程度地借鑒了其思想。2005年，電子科技大學的李江源等人[12]提出了類雜波干擾樣式，指出其能從時域和頻域對回波作多維有效覆蓋[13]。2006年，國防科技大學的李偉等人[14]提出了基于卷積調制的欺騙式動目標干擾方法，但文中缺乏在GMTI處理下的干擾效果驗證。國防科技大學的黃洪旭等人[15–17]根據線性調頻(Linear Frequency Modulation,LFM)信號的時頻耦合特性，提出了3種移頻調制干擾樣式，實現了對SAR的點、線、面的干擾效果。針對欺騙干擾計算量大的問題，2006年電子科技大學的甘榮兵等人[18]將線性累加轉換為矩陣乘積，提高了運算效率。同年，張錫祥院士[19]推導出了常規脈沖雷達干擾與SAR干擾的統一干擾方程。2009年，國防科技大學的吳曉芳等人[20]把間歇采樣轉發干擾技術[21]應用到SAR干擾上，成功產生了距離向等間距假目標串。同年，吳曉芳[22]還在分析了固定移頻干擾、隨機移頻干擾和步進移頻干擾等多種移頻干擾樣式的基礎上，歸納總結出了分段移頻調制干擾的統一形式。國防科技大學電子對抗學院(原電子工程學院)的沈愛國等人[23]研究了隨機脈沖串卷積和相同噪聲樣本卷積的SAR干擾效果。2010年，國防科技大學的吳曉芳等人[24]利用SAR回波的方位向時頻耦合特性，提出了多普勒調制干擾。此外，吳曉芳等人[25]進一步將間歇性采樣技術拓展到了慢時間上，產生了方位向等間距假目標串。同年，軍械工程學院的Lv[26]和航天工程大學的Ye等人[27]則提出了在慢時間上采用隨機噪聲樣本卷積的SAR干擾方法，產生了距離向范圍可控的壓制條帶。

2.3 SAR干擾技術的博弈對抗階段

第3階段是2010年至今，各類新體制SAR系統的不斷涌現使其性能得到了很大提升，并由此針對不同的干擾樣式發展出了相應的抗干擾技術，具備了特定的反干擾能力。與之相呼應，為有效對抗各類新體制SAR，相關科研單位和院所在上一階段的研究基礎上投入了大量精力，研究出了相應的干擾樣式和方法。

(1) 在常規SAR干擾方面，隨著SAR系統分辨率和信息處理能力的不斷提升，原來單一、簡單的干擾樣式易被辨識和濾除，因此此時的SAR干擾研究重點是如何對基本干擾樣式進行優化組合和對SAR的場景欺騙。電子科技大學的王文欽等人[28,29]將頻控陣技術應用于干擾機設計，并驗證了該體制下的微動干擾和散射波干擾效果。國防科技大學的陳思偉等人[30]、國防科技大學電子對抗學院的房明星等人[31]、西安電子科技大學的董春曦等人[32]、航天工程大學的賈鑫等人[33,34]、火箭軍工程大學的朱守保等人[35–37]則基于間歇采樣干擾、余弦調相干擾、散射波干擾以及移頻調制干擾等提出了多種復合干擾方法，有效地彌補了單一干擾樣式的缺陷，達到了更優的干擾效果。在場景欺騙干擾方面，主要工作則放在了降低算法計算量，提高干擾實時性和虛假目標逼真度上。國防科技大學的林曉烘等人[38]以分辨率為代價提出了基于逆RD欺騙算法；國防科技大學的劉永才等人[39–41]以滿足雷達斜視角為目的提出了基于逆W-K的欺騙算法和頻域三階段欺騙算法，并兼顧了假目標的聚焦性；西安電子科技大學的孫光才[42]和趙博等人[43]通過拆分干擾機頻域響應，將實時累加轉化為了線下模板預生成和對截獲信號的實時卷積。西安電子科技大學的暢鑫[44]、上海交通大學的Sun等人[45]以及航天工程大學的Yang[46]則將欺騙模板分割為多個小場景模板，對其作并行時延和移頻調制處理。此外，國防科技大學的劉慶富[47]還提出了時頻交叉乘積的欺騙算法，通過對截獲信號作時域乘積調制，直接避免了對干擾機頻域響應的計算。在提高欺騙的真實性上，西安電子科技大學的周峰等人[48–50]采用多接收機協同定位，直接獲取斜距差，避免了泰勒展開造成的誤差積累。上海交通大學的Sun等人[51]采用計算機軟件模擬不同場景的目標散射特性，提高了虛假目標和場景的適應性；電子科技大學的馬德嬌等人[52]通過消除真實目標的陰影特征，使場景中的真假目標無法辨識。電子科技大學的趙明明[53]通過提取模板庫的目標特征，改變了場景中真實目標的SAR圖像形狀和散射特性。此外，航天工程大學的盧慶林等人[54]和西安電子科技大學的Fan等人[55]還提出了采用生成對抗網絡產生高逼真虛假模板的方法。

(2) 在波形捷變SAR干擾方面，波形捷變使干擾信號與SAR回波間不再相干而達到了抑制干擾的目的。鑒于此，國防科技大學的楊偉宏等人[56–58]充分利用了間歇采樣技術能實現對當前脈沖內截獲信號的同時轉發，將其分別與快/慢時間調制、散射波干擾以及運動干擾機相復合，為有效對抗波形捷變SAR提供了一種全新的途徑。此后，國防科技大學的張靜克等人[59,60]在研究了欠采樣對調頻斜率極性捷變SAR干擾效果的基礎上，將其與散射波干擾相復合。國防科技大學的劉立新等人[61]則將時頻交叉乘積與間歇采樣相結合，實現了尺寸和形狀均可靈活控制的分布式虛假目標欺騙。

(3) 在多通道SAR-GMTI干擾方面，GMTI處理不僅可以實現對干擾信號的部分對消，還能破壞虛假目標的重定位效果，降低干擾效能。鑒于此，國防科技大學的吳曉芳等人[62–64]將運動目標成像特性用于干擾，提出了高逼真勻(加)速運動調制和微動調制干擾技術，實現了對多通道SAR-GMTI的高效動目標欺騙干擾。國防科技大學的張靜克等人[65]分析了單干擾機的動目標欺騙效果，指出GMTI處理會對假目標的速度估計和重定位發生偏差。針對該問題，上海交通大學的Sun等人[66,67]采用雙干擾機協同調幅的方法，控制了虛假目標相位，以抵消單干擾機產生的附加相位，使其重定位于預定位置。鑒于噪聲干擾的GMTI輸出受正弦調制影響，西安電子科技大學的暢鑫等人[68]通過設置干擾機的方位向間距實現了對GMTI輸出的全平面壓制。同樣，為達到更理想和豐富的干擾效果，國防科技大學電子對抗學院的畢大平等人[69–74]、國防科技大學的劉業民[75,76]、航天工程大學的降佳偉等人[77]將勻(加)速運動調制和微動調制與移頻調制、間歇性采樣、卷積調制以及散射波干擾等相組合，提出了多種SAR-GMTI復合干擾方法。

(4) 在InSAR干擾方面，由于該體制具備了對目標和場景的高程反演能力，因此可鑒別只具備二維干擾效果的干擾樣式。鑒于此，國防科技大學的張靜克等人[78]分析了微動干擾對InSAR的干擾效果，表明其能夠在InSAR圖像中形成沿方位向分布的形似“連續的柵欄”或“離散的柵欄”的多假目標。國防科技大學的劉慶富[47]則在研究了單天線干擾存在“斜坡”效應的基礎上，提出了基于雙天線幅相控制的干擾方法，提高了干擾所形成的虛假地形的逼真度。西安電子科技大學的黃龍等人[79]通過協同調制雙(多)干擾機產生的虛假目標時延和補償相位，實現了二維圖像和數字高程欺騙。北京航空航天大學的Wu等人[80]則提出了通過雙干擾機協同布站和調制附加相位的方法，實現虛假目標高度欺騙。而在對抗雙通道干擾對消技術方面，北京科技大學的唐波[81]推導了干擾機運動與雙通道對消時圖像惡化程度之間的關系。在此基礎上，西安電子科技大學的黃龍等人[82,83]采用分布式多天線分時發射模擬旋轉干擾機和雙干擾機同時工作的方法，破壞了雷達對干擾相位差的估計，達到了對抗干擾對消的目的。國防科技大學電子對抗學院的張云鵬等人[84,85]采用慢時間域間歇性采樣和余弦調相的方法來擾亂成像雷達對消后的真實場景。

3 典型的SAR干擾樣式

鑒于可對地面作高分辨率成像，SAR系統可通過搭載于多種飛行平臺(如戰略轟炸機、電子戰飛機、衛星等)，被廣泛應用于對敵軍事設施和部署的偵察，以及時掌控戰場態勢，建立軍事斗爭中的“不對稱信息”優勢。對此，SAR干擾的主要目的是削弱、破壞或欺騙敵方的成像結果，阻止敵對我敏感區域的監控和對我高價值目標的檢測識別，爭奪戰場主動權。

作為電子戰領域[86]的一個重要分支，SAR干擾技術是在繼承了傳統雷達干擾技術的基礎上作的發展與創新，由最簡單的噪聲干擾，發展到了如今種類繁多的特色干擾樣式，下面重點介紹典型的SAR有源干擾樣式的優缺點。其中，典型的噪聲干擾樣式[87]有射頻噪聲干擾、噪聲調幅干擾和噪聲調頻干擾等。典型的欺騙干擾樣式有卷積調制欺騙干擾[88]和時頻交叉乘積欺騙干擾[47]等，如圖2(a)所示，欺騙干擾在真實坦克目標附近均產生了高逼真的虛假坦克，可有效迷惑敵SAR偵察系統；間歇性采樣轉發干擾[20,25]，如圖2(b)所示，距離向間歇采樣轉發干擾在圖像的距離向產生了等間距分布的高逼真虛假目標串；移頻調制干擾[15–17]，如圖2(c)所示，步進移頻干擾在圖像中產生了一個壓制面，可實現對分布式目標和小尺寸設施的掩護；運動調制干擾[62–64]，如圖2(d)所示，微動干擾在方位向產生了成對等間隔分布的虛假點目標串；靈巧噪聲干擾[26,27]，如圖2(e)所示，噪聲卷積調制干擾產生了擴散于方位向的壓制條帶，實現了對該區域場景的覆蓋。

此外，從表1的干擾樣式對比可見，除噪聲干擾外，其余轉發干擾樣式的調制方法均是基于截獲的雷達信號波形，因此干擾信號與雷達信號間具有一定相干性，可獲得雷達信號處理增益，降低對干擾功率的需求。然而，沒有一種干擾樣式是萬能的，可達到絕對理想的效果，都有其各自的缺陷與局限性。鑒于此，復合干擾充分利用了各干擾樣式的優勢，巧妙地將其融合在一起，達到了取其“長”，補己“短”的目的。圖2(f)所示為勻加速運動調制與距離向間歇采樣相復合的干擾結果，圖像中產生了多條超前和滯后的等間距壓制線，其密集程度可通過調節采樣周期和采樣脈沖寬度來改變，相比于單一的勻加速運動調制干擾[63]，其干擾效果更加顯著。

4 SAR干擾技術存在的問題及發展趨勢

4.1 SAR干擾技術存在的不足

雖然現已存在大量的SAR干擾方法，但依然存在著以下3個方面的問題待專家學者們作進一步研究：

(1) 現有干擾技術多以單通道SAR或雙/三通道SAR-GMTI作為攻擊目標，干擾對象設想仍較為理想簡單。然而，陣列技術的廣泛應用(如SARDBF,SAR-STAP等)使SAR具備了更高的系統自由度，提高了其反干擾能力，因此有必要展開對先進SAR系統的干擾技術研究。

(2) 極化技術的應用使得SAR能獲得更為豐富的目標信息，有利于虛假目標識別，而現有針對極化SAR欺騙干擾技術的研究尚未深入研究涉及，如何在研究目標極化散射特性的基礎上，將其應用到電子干擾是一個值得深入思考的問題。

圖2 典型SAR干擾樣式Fig.2 The typical SAR jamming models

表1 典型干擾樣式對比分析Tab.1 The comparison of typical jamming models

(3) 作為電子對抗中的“矛”與“盾”，干擾與反干擾始終相互博弈。然而，現有的SAR干擾技術多數只考慮了簡單的系統級反干擾措施(如多通道對消等)。因此，為深入加強我干擾技術的實戰化，需進一步研究在先進反干擾技術[89]下的干擾對抗技術，只有當我干擾技術反制了敵反干擾技術時，才能擾亂其SAR偵察設備。

4.2 SAR干擾技術的發展趨勢

綜上所述，不難發現SAR干擾技術存在著以下5個發展趨勢：

(1) 由非相干干擾向相干干擾方向發展。雖然噪聲干擾對偵察參數的需求較低，適應性強，但對干擾機發射功率的需求很高，反之相干干擾卻能獲得部分乃至全部的雷達信號處理增益，極大降低了干擾設備負擔，對干擾能量的利用率較高，使用價值更高。

(2) 由小場景欺騙向大場景、高分辨率和實時性欺騙方向發展。SAR系統分辨率不斷提高，觀測域更廣，需掩護的己方要地范圍更大，實現對SAR的大場景、高分辨欺騙，并兼顧算法計算量，提高干擾實時性將更加符合未來戰場的需求。

(3) 由單一化向多樣化、復合化和智能化方向發展。復合干擾可充分利用各干擾樣式的優勢，將其作多樣化組合，彌補單一干擾的缺陷，加強其對抗能力；此外，通過建立干擾決策模型，采用智能學習算法，選擇最優干擾樣式和方法，以最大化干擾效果。

(4) 由場景壓制向特征欺騙方向發展。針對壓制性干擾已間接顯示了敏感區域的問題，如何靈巧地使用欺騙干擾技術，巧妙地改變待掩護目標的散射特性與形狀，以此實現“電磁偽裝”，將具有更大的應用潛力。

(5) 由單干擾機向多干擾機協同方向發展。多通道技術的應用使SAR具備了更高的系統自由度，提高了其反干擾能力。基于此，多干擾機協同可有效擴大保護區域，彌補單部干擾機的不足，使調制方法更加靈活，形成“多”對“多”的對抗局面。

5 結束語

SAR系統性能的不斷提升，使其在現代高科技戰爭中發揮著越來越重要作用，推動著“察打一體化”系統的不斷優化。受強烈的軍事需求和國際電子對抗形勢刺激，研究新一代SAR干擾技術對提高我國土防御能力起到了至關重要的作用。在此背景下，本文較為詳細地闡述了SAR干擾技術的發展歷程，介紹了典型的有源干擾樣式，以便專家學者能快速了解該領域的研究動態。最后，筆者總結歸納了現有SAR干擾技術中存在的缺陷，并結合自己的淺薄感悟與理解指出了其發展趨勢，為該領域未來的研究方向提供一定的參考與思路。