多天线干扰机对抗InSAR双通道干扰对消的研究

黄 龙 董春曦沈志博 赵国庆

(西安电子科技大学电子信息攻防对抗与仿真技术教育部重点实验室 西安 710071)

多天线干扰机对抗InSAR双通道干扰对消的研究

黄 龙 董春曦*沈志博 赵国庆

(西安电子科技大学电子信息攻防对抗与仿真技术教育部重点实验室 西安 710071)

干扰机运动能给双通道干扰对消带来困难，但连续运动的干扰机只在一定范围内有较好的干扰效果。旋转干扰机具有运动的重复性，该文分析了旋转运动的干扰机对InSAR双通道干扰对消的影响，针对旋臂过长不易实现的问题，提出用分布式的多干扰发射天线通过分时发射模拟旋转干扰机的方法，仿真结果证明了该方法的有效性。

电子对抗；干涉合成孔径雷达(InSAR)；干扰抑制；多天线

1 引言

合成孔径雷达(SAR)能够通过在方位向上进行孔径合成，获得很高的方位向分辨率；同时采用线性调频信号和脉冲压缩技术获得良好的距离向分辨率[1]。而干涉合成孔径雷达(InSAR)是在SAR的基础上发展起来的一种测量技术，它能通过相位干涉测量获得目标的高程信息[2]。成像雷达在民用和军事领域发挥着极其重要的作用[3−7]，因此，针对成像雷达的干扰方法的研究具有重要意义。目前针对SAR的干扰手段比较成熟，无源干扰一般采用强散射体布阵或旋转角反射器使SAR图像在方位向上产生干扰条带[8]。有源干扰主要是相干噪声干扰[9]、弹射式干扰[10]和欺骗干扰[11−13]，相干噪声能获得一定的SAR处理增益；弹射式干扰的回波特征和真实目标一致，所以能获取全部SAR处理增益；欺骗干扰通过预设的图像模板和截获的雷达信息生成雷达回波，使雷达呈现虚假目标。SAR的抗干扰手段也相继提出，在相应条件下，通过改变信号参数可以使干扰失效，通过时频分析对抗脉冲干扰，通过相干平均、小波变换等抑制白噪声干扰[14]。双通道的InSAR系统可以利用地面固定干扰站的干扰信号在两个接收通道内干涉相位几乎不变的特点，通过相位补偿和对消减少干扰的影响[15,16]。双通道对消不用区分干扰信号类型而有很好的抗干扰性能，运算量小，只是对目标回波有周期性的损失。文献[15]指出，运动的干扰机会对InSAR双通道干扰对消产生影响，但是因为干扰机运动方向和干扰机与雷达的距离对多普勒影响较大，所以实际上干扰机运动对干扰对消的影响有限。旋转干扰机具有运动的周期性，可以长时间地对抗双通道干扰对消。以单航过InSAR为例，本文分析了旋转的干扰机及其参数对双通道干扰对消效果的影响。针对悬臂过长难以实现的问题，通过多个布阵的干扰发射天线的分时发射，达到干扰机高速旋转运动的效果。

2 双通道对消技术

双通道对消技术的思想来自于相位中心偏置天线(DPCA)技术。其原理是把两个或多个天线的相位中心在飞行方向上作物理或电子上的移位，然后通过对消抑制慢变的杂波[17]。

如图1所示的干涉合成孔径雷达模型，R1和R2是InSAR的两部天线，其中天线R1发射，两部天线同时接收，雷达高度为H，基线长度为B。雷达沿x轴正方向匀速飞行，成像区域为F。设慢时刻tm，两通道接收到区域F内一点目标(x,y)的回波聚焦后的复图像分别为st1(x,y)和st2(x,y)：

其中，At(x,y)是点(x,y)的回波在雷达通道中聚焦后的幅度，且认为其在两通道内是相等的。φt1(x,y)是点(x,y)在通道1中聚焦后的相位，且φt1(x,y)=−4πRB1/λ，其中RB1为点(x,y)到R1航线上的最短直线距离。Δφt(x,y)是点(x,y)到两通道的相位差，且Δφt(x,y)=−2π(RB2−RB1)/λ, RB2为点(x,y)到R2航线上的最短直线距离。

地面有一干扰机J，对雷达进行干扰。因为干扰信号总是由同一点发出，经两条不同路径到达雷达两通道，所以在tm时刻，雷达两通道接收同一干扰机信号的相位差为

其中，Rj1(tm)和Rj2(tm)分别是tm时刻干扰机到两雷达接收通道的距离。

设干扰机的坐标为(x0,y0,0)，通道1坐标为(X,0,H)，通道2坐标为(X,Bh,H+Bv)。其中，X代表不同的方位向距离，Bh和Bv分别为基线在水平和垂直方向上的分量。则有

对式(4)进行泰勒展开并忽略二次项得：

图1 InSAR双通道模型

由式(5)可以看出，当基线垂直于航迹方向时，Δφj(tm)近似不变，可以将其记为Δφj。双通道中干扰信号聚焦后的复图像可以表示为

目标和干扰的复合信号在两通道内的复图像可以表示为

将s1(x,y)进行exp(jΔφj)的相位补偿后与s2(x,y)相消，得到对消后的图像为

式中，st2为无干扰时通道2的复图像。从式(10)可以看出，双通道干扰对消后的图像消除了干扰分量的影响，但是由于exp[jΔφj−jΔφt(x,y )]相位项的影响，当Δφt(x,y)−Δφj≈2k π, k为整数时，图像会变暗；而当Δφt(x,y)−Δφj≈(2k +1)π时，图像会变亮。由于难以对雷达和干扰机的距离Rj1(tm)和Rj2(tm)做精确估计，Δφj无法通过式(3)计算。一般采用搜索法估计干扰信号相位差[18]，先建立代价函数，然后在[0,2π]范围内搜索，找到性能函数的极值，即最优干扰机干涉相位。当干信比较大时，由于干扰信号在复图像中起主导地位，所以Δφj的相位还会体现在复图像的相位图上，也就是说干信比的增大会使Δφj的估计变得容易。

3 旋转干扰机对InSAR双通道干扰对消的影响

文献[15]证明了垂直于航线的直线运动干扰机会对InSAR双通道干扰对消造成影响，同时也说明了当雷达和干扰机距离在一定范围时，理论上干扰效果最好。但是干扰机载体的飞行过程是连续的，无法实现成像期间的全程干扰。

如果将干扰机置于旋臂上，通过旋臂的旋转获得位移，能够使干扰信号到达两雷达通道的相位差产生变化，并且其位移是周期性的，不会受到直线运动对其干扰效果的影响。另外，通过设置旋臂的参数，也能获得良好的干扰性能。

旋转干扰机和InSAR的空间关系如图2所示。干扰机的旋臂长度为r，旋转角速度为ω。干扰机旋转中心坐标为(x0,y0,0)。设在tm时刻，干扰机的坐标为(rcos(ωtm),rsin(ωtm),0)，式(3)所表示的干扰信号到两通道的相位差不再随时间tm慢变，则

RB1(tm)和RB2(tm)分别是tm时刻干扰机到两个雷达通道航线上的最短直线距离，只和干扰机在tm时刻的距离向距离rsin(ωtm)有关。如果rsin(ωtm)随tm变化较大，则干扰信号相位差Δφj(tm)在不同慢时间有不同的值。雷达进行双通道干扰对消时，如果还要达到比较好的效果，则要对每一个慢时间干扰信号的相位差Δφj(tm)做精确估计，无疑增加了干扰对消的难度。另一方面，由于对消后图像上黑色区域的出现是因为此区域的干涉相位和干扰信号干涉相位接近。由于固定干扰机发射干扰信号的干涉相位几乎不变，所以干扰对消后的图片有沿距离向周期出现的黑色条纹，这些位置的干涉相位和干扰信号的干涉相位接近；而旋转干扰机发射的干扰信号的干涉相位是周期变化的，所以对消后出现的不再是黑色条纹，而是黑色圆弧。且旋转周期越小则圆弧数量越多，悬臂越长则圆弧在距离向的长度越长。

4 仿真分析

4.1 固定干扰机时的双通道干扰对消

图 2 旋转干扰机和 InSAR 的空间关系

图3分别给出了固定干扰机时仿真场景的SAR图像、受干扰时的SAR图像和干扰对消结果。实验所用仿真参数为：基线长度为14 m，基线倾角为45°，下视角为70°，雷达高度为10000 m，载频为10 GHz，重复频率为1200 Hz，雷达工作模式为正侧视，干扰机与雷达直线距离约为30000 m，场景方位向宽度约600 m，距离向宽度约750 m，成像时间约为2 s。

图3(a)是无干扰时任意一副SAR图像；图3(b)是受到干信比为10 dB的宽带射频噪声干扰时的SAR图像，图中除了河流能依稀分辨外，其他地物都被遮盖了；图3(c)是干扰对消后的图像，图中有沿着距离向周期出现的暗条纹。

4.2 旋转参数对干扰对消的影响分析

为了给干扰对消增加难度，Δφj(tm)在成像期间变化的范围要尽量大。当成像时间T内Δφj(tm)变化范围达到2π，就能达到很好的干扰效果。Δφj(tm)的范围和旋臂长度r，旋转角速度ω以及基线垂直方向分量Bv成正比，和RB成反比。其中只有r和ω是干扰方可控变量。表1给出了在不同旋臂长度和旋转角速度下，干扰机干涉相位的最大变化范围。

图3 固定干扰机对消结果

表1 旋臂旋转速度和干涉相位范围的关系

从表1中可以看出，旋臂越长，旋转角速度越快，其干涉相位范围越大。旋臂长度决定了干涉相位最大可能的范围，而旋转速度是决定干涉相位能否在有限时间内到达最大范围的因素。对于一般机载InSAR系统，地面干涉相位近似周期变化，且周期在几十米到几百米的范围，要达到较好的干扰效果，干涉相位范围要接近一个周期(即2π)，那么悬臂也要在几十米到几百米的量级。在表1所设仿真条件下，旋臂要达到100 m才能满足要求，这在实际情况中根本实现不了。

图4是采用不同参数的旋转干扰机时的干扰对消结果。

图4(a)和图4(b)分别为悬臂10 m和100 m，旋转速度每秒1圈时的干扰对消结果。悬臂为10 m时，对消结果和固定干扰机时接近，而悬臂100 m能明显看到黑色圆弧，这是因为悬臂越长，干扰信号的干涉相位变化越大。图4(c)和图4(d)分别为悬臂10 m和100 m，旋转速度每秒10圈时的干扰对消结果。可以看出，旋转周期越小，沿方位向出现的圆弧越多，图像信息损失越大。

4.3 多发射天线干扰机仿真及分析

以4.2节中的参数进行仿真发现，要达到较好的干扰效果，悬臂长度要达到100 m，且每秒旋转10圈以上，这在现有条件下是无法做到的。然而，我们可以在不同位置上布置多个干扰发射天线，通过不同天线的交替发射，能够达到干扰机运动的效果。

在每个慢时间，雷达和干扰机都可以用“stop-and-go”模型近似，即认为雷达和干扰机是“一步一停”的工作方式，那么旋转干扰机可以看作是沿圆弧均匀摆放的多个干扰机按时间顺序依次发射的。由式(10)可知，干扰信号到雷达两通道的相位差为Δφj，且Δφj关系到干扰对消后图像的情况，又由式(5)可知，Δφj只和干扰机的距离向位置有关。如果在距离向布置多个干扰天线，每个干扰天线按时间先后依次发射干扰信号，就可以达到近似的干扰效果了。

如图5所示，若要达到最好的干扰效果，根据式(5)，干扰机天线应在距离向上呈直线排列；根据式(10)，Δφj要覆盖至少一个相位周期，即2π ，这样才能保证最大的干涉相位范围。若是预先不知道雷达沿什么航线飞行，则可以采用菱形布阵，保证每个方向上都能达到较好的干扰效果。下面通过仿真说明两种布阵的干扰效果。

图4 旋转干扰机对消结果

图5 干扰机天线布置

图6(a)和图6(b)为4个发射天线采用100 m间隔的菱形布阵时，天线切换频率10 Hz和100 Hz时的干扰对消结果，图6(c)和图6(d)为4个发射天线采用100 m间隔的直线布阵时，天线切换频率10 Hz和100 Hz时的干扰对消结果。由于天线切换造成干扰信号干涉相位的不连续性，所以干扰对消后图像中的条纹是位置不断变换的线段。当切换速度变快时，线段的长度变短，呈现出图6(b)和图6(d)的网纹，能够有效遮盖图像中的信息。

5 结论

运动的干扰机会给InSAR双通道干扰带来困难，但不能保证成像期间的全程干扰。本文分析了干扰机对InSAR干扰相位的特点，提出了利用旋转干扰机对抗InSAR双通道干扰抑制，并通过地面固定布阵的方式解决了旋臂过长而不易实现的问题。仿真证明了干扰的有效性，给双通道干扰对消的对抗提供了理论依据。

图6 多天线干扰机干扰对消效果

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黄 龙： 男，1988年生，博士，研究方向为InSAR干扰、电子战信号处理.

董春曦： 男，1970年生，副教授，研究方向为电子对抗技术及电子对抗系统仿真.

沈志博： 男，1986年生，博士，研究方向为电子对抗、电子战信号处理.

赵国庆： 男，1953年生，教授，研究方向为信息对抗、电子战系统仿真、电子战信号处理.

Investigation on Countermeasure against InSAR Dual-channel Cancellation Technique with Multi-antenna Jammer

Huang Long Dong Chun-xi Shen Zhi-bo Zhao Guo-qing
(Key Laboratory of Electronic Information Countermeasure and Simulation, Ministry of Education, Xidian University, Xi'an 710071, China)

Jammer motion brings trouble to the dual-channel cancellation, but the good result is restricted to a limited range. The rotation motion of a jammer is periodic, the effect of rotating jammer on InSAR dual-channel cancellation is studied in this paper. Since the rotating arm is too long to put into practice, an alternative method using multi-antenna jammer is presented, the antennas emit interference signal on a time division basis. Simulation result shows that the proposed method is effective.

Electronic countermeasures; Interferometric SAR (InSAR); Interference suppression; Multi-antenna

TN974

： A

：1009-5896(2015)04-0913-06

10.11999/JEIT140769

2014-06-13收到，2014-07-31改回

中央高校基本科研业务费专项资金(K5051202026, JB140203)，国家部委基金(41101020301)和国家973计划项目(613181)资助课题

*通信作者：董春曦 chxdong@mail.xidian.edu.cn