二维间歇采样延迟转发SAR干扰技术及其应用

2015-06-05蔡幸福宋建社郑永安张雄美

系统工程与电子技术 2015年3期

关键词：干扰机干扰信号间歇

蔡幸福,宋建社,郑永安,张雄美

(第二炮兵工程大学,陕西西安710025)

二维间歇采样延迟转发SAR干扰技术及其应用

蔡幸福,宋建社,郑永安,张雄美

(第二炮兵工程大学,陕西西安710025)

为确保重要目标的信息安全,提出了一种二维间歇采样延迟转发的SAR干扰技术,该技术直接攻击SAR的脉内相干特性,使雷达在干扰机附近的距离向和方位向同时产生多个以主假目标为中心对称分布的逼真假目标串,干扰效果取决于距离向和方位向的采样周期和占空比。因结合延迟转发技术,产生的距离向主假目标和方位向主假目标将不再重叠,且会偏离干扰机的所在位置,既可得到逼真的干扰效果,又保护了干扰机的安全。针对现有文献研究干扰技术多、研究应用少的问题,建立了二维间歇采样转发干扰技术的应用模型,给出了高阶假目标能量补偿的调制系数。仿真实验验证了上述理论和方法的有效性和优越性。

合成孔径雷达;二维间歇采样;延迟转发;应用模型

0 引言

合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)具有全天时、全天候、高分辨率的成像特点,已成为情报侦察的重要手段,探索有效的SAR干扰技术是当前雷达对抗领域的一个重要研究课题[13]。

间歇采样转发干扰立足于干扰机天线收发分时体制,对SAR信号进行低速率的间歇采样处理,利用脉压雷达的匹配滤波特性,可在距离向产生逼真假目标串的干扰效果,是一种灵活巧妙的SAR干扰技术[4],得到了国内外学者的广泛关注。文献[5-12]对间歇采样转发干扰技术进行了深入的研究,并将其成功地应用于对SAR、脉压雷达、双基地雷达、去斜体制雷达的干扰中,但是此类文献均是在一维距离向或者方位向实现了干扰;文献[13 15]将间歇采样转发干扰与卷积干扰、散射波干扰相结合,取得了较好的干扰效果,但仍停留在一维向上;文献[16-17]提出了二维间歇采样转发干扰技术,可在距离向和方位向同时生成虚假目标串,但没有解决假目标随着阶数的增大出现能量迅速衰减的难题,且未涉及该技术的具体应用问题。

本文在前人研究的基础上,研究二维间歇采样延迟转发SAR干扰机理,分析其干扰效果及影响因素,建立应用模型,给出高阶假目标能量补偿的调制系数。

1 二维间歇采样延迟转发干扰机理

1.1 信号模型

二维间歇采样信号可表示为

式中,sjcr(t)、sjca(s)分别表示距离向和方位向间歇采样信号; nr、na分别表示距离向和方位向采样周期数;Tsr、Twr分别表示距离向间歇采样周期和信号脉宽,距离向占空比Dr= Twr/Tsr;Tsa、Twa分别表示方位向间歇采样周期和信号脉宽,方位向占空比Da=Twa/Tsa。

1.2 距离向匹配滤波输出

设SAR发射的线性调频信号为

式中,Tp为脉冲宽度;f0为中心频率;kr为调频斜率。SAR与干扰机之间的瞬时斜距为

式中,R0为垂直斜距;s为方位向慢时间。相应的延迟时间为τ(s)=2R(s)/c,设转发延迟时间为τz=Tw,忽略干扰机器件的延迟时间。

干扰机接收到的SAR发射信号为s(t-τ(s)/2,s),将接收到的SAR信号与间歇采样信号sjc(t,s)相乘即得所需的干扰信号[18],即

干扰机将干扰信号转发给SAR雷达,在接收机前端接收的干扰信号为

设发射信号的距离向频谱为S(fr,s),则sjr(t,s)的频谱为

SAR距离向匹配滤波器为hr(t)=s*(-t,s),其频谱为

将间歇采样转发干扰信号送入SAR的距离向匹配滤波器,输出为sjrc(t,s),则

其频谱为

根据雷达信号的模糊函数理论[19],可得

式中,anr=Twrfsrsinc(nrπTwrfsr)为距离向幅度加权系数。

1.3 方位向脉冲压缩输出

式(8)中除了因子exp(j kas2/2)与方位时间有关外,其他的在方位向匹配滤波时可视为常数c(t,nr),即

式(8)变为

将sjrc(t,s)与式(1)中的sjca(s)相乘,即得方位向间歇采样干扰信号[18],即

方位向匹配滤波函数为

其具体的计算过程与距离向匹配滤波一致,直接给出最后的匹配滤波输出结果为

式中,Tsar为合成孔径时间。将c(t,nr)代入srd(t,s)可得到二维间歇采样延迟转发干扰的最终成像结果为

2 干扰效果及其影响因素分析

2.1 干扰效果

由式(11)可知,干扰信号经SAR匹配滤波处理后输出为多个高度逼真的假目标,各个目标在幅度上有差异。

首先在距离向进行分析。第nr阶假目标的延迟时间和偏离干扰机的距离为

若SAR发射的是正调频信号,当干扰具有多普勒频移时,其回波经脉压处理后输出的最大值点将超前-nrfsr/kr+ Twr,距离上的超前量为-cnrfsr/(2kr)+c Twr/2,该超前量和调频斜率成反比,和移频量成正比,当nr=0时,产生一个主假目标,当nr=±1时,产生两个1阶假目标,当nr=±k(k=1,2,…,n)时,产生两个k阶假目标。其中与Twr相关的项是由于间歇采样引起的,根据移频干扰理论,则产生的虚假点目标必然与干扰机之间存在一定的偏移。若想改变虚假目标的位置,可在干扰信号中添加一个固定的移频量,便可灵活地控制虚假目标在干扰机所在距离向的位置。

相邻干扰输出的峰值点间距为

该值与采样频率fsr成正比,和调频斜率kr成反比,与阶数nr无关。

由式(8)可知,距离向第nr阶假目标的干扰幅度为

|anr|随|nr|的增大近似按1/|nr|衰减。将峰值时刻tdr代入可得各阶假目标的峰值幅度为

可见当anr=0或|nrfsr|≥Br时,无干扰输出。由此可确定干扰信号在距离向形成假目标的最大个数为

且由于|anr|的衰减,阶数越高的假目标,其幅度值越小,干扰效果越差。

同理,干扰信号经SAR匹配滤波处理后也将在方位向产生多个高度逼真的假目标,相邻干扰输出的峰值点间距为

干扰信号在方位向形成假目标的最大个数为

因此,二维间歇采样延迟转发干扰可产生的虚假目标个数为

n=nrmax+namax

但是需要指出的是,在一个方向上,相对于真实目标,主假目标和各阶假目标的幅度都有了一定程度的衰减;在进行二维间歇采样延迟转发干扰时,由于多了一次衰减,所以假目标的幅度与真实目标相比,将衰减得更加严重,必须对其幅度进行补偿。

2.2 影响因素分析

(1)采样周期对干扰效果的影响

间歇采样周期控制着假目标在距离向和方位向的位置、间隔和数量,是二维间歇采样延迟转发干扰的重要指标,假目标之间的间距与间歇采样周期的长短成反比。

(2)占空比对干扰效果的影响

占空比直接影响着干扰输出的幅度加权系数,进而影响干扰输出的幅度。占空比越大,主假目标的幅度越高,主、次假目标群的幅度差异越明显;反之,则主假目标的能量降低,假目标群的能量虽然也有所下降,但相比于主假目标较小,从而形成一个幅度相差不大的多个假目标干扰,可通过调整占空比,改变干扰能量在主假目标和次假目标群之间的分布。但也不能无限降低占空比,因为低占空比会使干扰的平均功率下降,因此在具体应用中需折中考虑。

3 应用模型

由式(12),偏离干扰机Rdr距离所需假目标的距离向阶数为

式中,Tp=k1Tsr为脉冲宽度;Dr=Twr/Tsr为占空比。nr越小,需要进行的能量补偿越小,干扰效果越容易实现。

同理,偏离干扰机Rda距离所需假目标的方位向阶数na为

式中,Tsar=k2Tsa;Twa=DaTsa。同样,在Rda一定时,na越小越好。

在二维间歇采样延迟转发干扰的实施过程中,nr和na直接决定着干扰机的部署位置。在干扰距离确定的情况下,即Rdr=Rda,且是一定值,若nr＞na,则干扰机应与被防护目标具有相同的距离向,着重进行方位向干扰,如图1中的干扰机位置1;若nr＜na,则干扰机应与被防护目标具有相同的方位向,着重进行距离向干扰,如图1中的干扰机位置2。

图1 干扰机部署模型

为使产生的虚假目标具有更逼真的干扰效果,需在确定假目标阶数nr和na的基础上进行能量补偿。在距离向,各阶假目标的输出峰值为

若要使第nr个假目标达到真实目标的幅度,干扰机的能量调制系数Ajr为

同理可得,若要使第na个假目标达到真实目标的幅度,干扰机的能量调制系数Aja为

4 仿真实验

分别根据式(1)、式(4)和式(10)生成距离向和方位向干扰信号,将干扰信号和目标回波进行累加,按照RD算法进行成像处理,仿真中的SAR雷达参数见表1。成像场景的距离向范围是[277 km,300 km],方位向范围为[-500 m, 500 m],场景中心为(0,288 km),干扰机处于场景中心,干信比为5 d B。

表1 仿真中的SAR雷达参数

仿真1 二维间歇采样延迟转发干扰效果

根据式(1),设置距离向采样周期Tsr=Tp/10,占空比Dr=1/3;方位向采样周期Tsa=10PRT,占空比Da=1/5。干扰效果如图2(a)所示。

由图2可以看出:

(1)间歇采样延迟转发干扰可方便地在距离向和方位向产生逼真的虚假目标,虚假目标以主假目标中心对称,其幅度向两边衰减;结合延迟转发,可使产生的假目标出现在任意想定的位置,如图2(d)所示。

(2)由于线性调频信号经间歇采样后,形成N个子线性调频脉冲,它们的频谱与发射信号基本一致。所以,它是一种相干干扰样式,无论主假目标还是次假目标串,两者均是对真实目标回波的精确复制,仅在幅度上有所差异,干扰效果为高度逼真的多假目标干扰。

图2 二维间隙采样延迟转发干扰效果

仿真2 采样周期对干扰效果的影响

以距离向实验为例,保持方位向采样周期与占空比不变,均为方位向采样周期Tsa=10PRT,占空比Da=1/5;分别取距离向采样周期为Tp/2、Tp/5、Tp/10和Tp/20,其占空比均为1/3,仿真结果如图3所示。

由图3可知,间歇采样周期控制着假目标在距离向和方位向的位置、间隔和数量,间歇采样周期越大,各个假目标之间的间距越小;反之,假目标间的距离越远,干扰效果为一个分布范围较大的假目标串。理论分析与仿真结果一致。

图3 距离向采样周期对干扰效果的影响

仿真3 占空比对干扰效果的影响

以距离向实验为例,保持方位向采样周期与占空比不变,均为方位向采样周期Tsa=15PRT,占空比均为Da= 1/5;分别取占空比为1/2、1/5、1/10和1/20,采样周期均为Tp/10,仿真结果如图4所示。

由图4可知,占空比控制着干扰能量在主次假目标之间的分配,占空比大,主假目标幅度高,主、次假目标群幅度差大;反之,主假目标幅度降低,但次假目标群的幅度相对降低较小,从而形成一个幅度相差不大的多个假目标干扰。仿真结果与理论分析一致。

仿真4 二维间歇采样延迟转发干扰的应用仿真

为对上述应用模型进行验证,仿真实验中设需防护目标距离干扰机的距离为5 km,距离和方位向占空比分别为1/10和1/5,k1和k2分别为20和50。

分别根据式(18)和式(19)计算nr和na的值,得nr= -4和na=-16,可见应将干扰机部署于位置2,着重进行距离向干扰,此时需防护目标处于第4阶假目标处,干扰机的幅度调制系数为Ajr=455,即26.58 dB,经能量补偿后的干扰图像如图5所示。

图4 距离向占空比对干扰效果的影响

图5采用了带有距离向延迟的二维间歇采样转发干扰,干扰机处于方位向主假目标处,距离向主假目标处于干扰机的右侧,第4阶处为需防护的目标。与左侧第4阶处的虚假目标相比,经过能量补偿后的右侧第4阶更接近于真实目标。

对于二维间歇采样延迟转发干扰,如果需要对较大的区域目标进行防护,且有足够的干扰机可供使用时,可以将干扰机部署于防护目标的各个方位,从而实现更多虚假目标的欺骗性干扰效果。对于所需干扰机的数量及具体的部署位置,应根据实际情况确定,仿真效果如图6所示。

图5 能量补偿后的干扰图像

图6 多部干扰机的干扰效果

图6中,0表示真实存在的目标,也是需防护的目标, 1～4分别表示4部干扰机,若4部干扰机同时工作,并且不加延时,干扰效果如图6(a)所示,此时的干扰比较规则,各虚假目标之间的间距比较清晰,所以虽然可以起到保护真实目标安全的作用,但无疑将干扰机的具体位置暴露给SAR雷达;如果在采用二维间歇采样转发干扰同时,在距离向进行延时,干扰效果如图6(b)所示,则虚假目标之间的规则性被打乱,呈现出杂乱无章的虚假目标,一方面保护了真实目标,同时也保护了干扰机的安全;如果将方位向干扰也做一定的延时处理,并结合能量补偿,其干扰效果必然更好。因此,二维间歇采样转发干扰是区域防护中的理想干扰样式。

5 结论

SAR对目标回波信号的相干处理致使常规欺骗性干扰技术难以奏效,为此需采用相干干扰策略。一般情况下,要保持干扰信号的相干性,干扰机的采样频率须满足奈奎斯特采样定理,此时干扰机的高速采样和收发隔离之间的矛盾尤为突出。二维间歇采样延迟转发干扰是一种新型的干扰技术,可采用收发分时体制的单天线系统,且对其电子侦察精度要求不高。首先该方法通过对SAR信号进行低速率的间歇采样处理,巧妙利用对雷达信号的间歇性“欠采样”技术,降低了对宽带雷达信号的高速率采样要求;其次,由于采用了转发技术,对电子侦察系统的参数测量精度要求不高。

二维间歇采样延迟转发干扰技术可在干扰机附近的距离向和方位向同时产生多个以主假目标为中心对称分布的逼真假目标串,若将次假目标进行能量补偿,则可产生更加复杂的干扰效果,是区域防护中的理想干扰样式。其优势在于:若能知道被干扰雷达的最小脉宽,实现多个逼真虚假目标的干扰便是方便可实现的,文中还对该干扰技术的具体应用进行了建模与分析。在看到二维间歇采样延迟转发干扰技术优越性的同时,需要进一步研究定量评估其干扰效果的指标和方法,这将是本文下一步研究的重点。

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SAR jamming technology based on 2-D intermittent sampling delay repeater and its application

CAI Xing-fu,SONG Jian-she,ZHENG Yong-an,ZHANG Xiong-mei
(The Second Artillery Engineering University,Xi’an 710025,China)

In order to ensure the safety of intelligence in important places,a novel synthetic aperture radar (SAR)jamming technology based on the 2-D intermittent sampling delay repeater is brought forward.This technique uses the intra-pulse coherent characteristic of SAR directly,so it can produce multiple false targets in both the range and theazimuth directions of the jammer nearby.The jamming effect is determined by the sampling period and the duty cycle in the range and the azimuth directions.Due to combination with the time delay repeating technique,the main false targets produced in the range and the azimuth directions will not overlap each other,and will deviate from the position of the jammer.So the jamming effect will not only be vivid,but also protect the jammer.In allusion to the phenomena of focus on the jamming technique but application,the application model of this technique brought forward in this paper is established,which is followed by the modulation factors in energy compensation of high order false targets.The availability and advantage of this method are proved in the simulation experiments.

synthetic aperture radar(SAR);2-D intermittent sampling;delay repeater;application model

TN 974

10.3969/j.issn.1001-506X.2015.03.14

蔡幸福(1983-),男,讲师,博士,主要研究方向为SAR成像与干扰技术。

E-mail:caimuhanhappy@sina.com

宋建社(1954-),男,教授,博士研究生导师,主要研究方向为SAR信息获取与处理。

E-mail:songjshe@126.com

郑永安(1978-),男,讲师,博士,主要研究方向为SAR成像技术。

E-mail:Zhengya@sina.com

张雄美(1983-),女,讲师,博士,主要研究方向为SAR图像处理。

E-mail:zhangxm@sina.com

网址:www.sys-ele.com