基于间歇采样的合成孔径雷达目标有源隐身方法

徐乐涛　冯德军　王雪松

(国防科技大学 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室,长沙 410073)



基于间歇采样的合成孔径雷达目标有源隐身方法

徐乐涛冯德军王雪松

(国防科技大学 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室,长沙 410073)

摘要基于间歇采样,从理论上提出了一种新型合成孔径雷达目标有源隐身方法.对有源对消信号作间歇采样处理,间歇采样后的对消信号不仅可以对消真实目标回波信号,还可以在合成孔径雷达(Synthetic Apertare Radar, SAR)图像上形成二维多假目标.文中给出了合成孔径雷达目标有源隐身的基本原理,从理论上推导了基于间歇采样的有源隐身方法.在此基础上,研究了对消信号参数误差以及间歇采样关键参数对有源对消和假目标生成的影响,给出了影响有源对消和二维假目标分布的关键因素,最后进行了仿真验证.

关键词间歇采样;合成孔径雷达;有源对消;二维假目标

DOI10.13443/j.cjors.2015040201

Active cancellation method against synthetic aperture radar based on intermittent sampling

XU LetaoFENG DejunWANG Xuesong

(StateKeyLaboratoryofComplexElectromagneticEnvironmentEffectsonElectronicsandInformationSystem,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Abstract A novel active cancellation method against synthetic aperture radar (SAR) is proposed theoretically based on the intermittent sampling. The cancellation signal is intermittent sampled to form the desired jamming signal. The jamming signal can both cancel the real target echo and form verisimilar false targets on SAR image simultaneously. First, the basic principles of SAR target active cancellation are introduced. Then, the active cancellation method based on intermittent sampling is theoretically derived. On this basis, the effects of the parameter error and key intermittent-sampling parameters on active cancellation and false-targets generation are studied. The key factors affecting the active cancellation and the distribution of two-dimensional false targets are also given. Simulation results verify the effectiveness of the proposed method.

Keywordsintermittent sampling; synthetic aperture radar; active cancellation; two-dimensional false targets

引言

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)

具有对地面目标全天时、全天候的高分辨成像能力[1-2],对地面目标的战场生存能力构成了极大的威胁.如何有效削弱乃至破坏SAR成像能力从而保护地面目标,逐渐成为近年来SAR电子对抗领域研究的热点问题[3-5].

根据SAR目标被保护的方式,可以将目前SAR电子对抗的方法分为两类:一类是从破坏SAR对目标的发现检测角度入手,通过干扰机发射类噪声信号[6]或散射波干扰信号[7-8],使得目标图像隐藏在噪声图像或强散射地貌背景中,从而避免目标直接暴露在SAR图像上;另一类则是从破坏SAR对真假目标的识别角度入手,通过干扰机发射与真实目标回波高度相似的虚假目标回波[9],在真实目标图像周围形成单个或多个虚假目标图像,使SAR无法单从图像特征上区分真假目标.虽然上述两类方法均能有效干扰SAR系统从而保护真实目标,但如何将两类方法有效结合,同步实现SAR图像上真实目标消隐和虚假目标产生的“隐真示假”能力,目前还未见研究.

雷达目标有源隐身技术通过发射一个与真实目标回波具有相同频率、幅度、时延和相反相位的对消信号,使雷达收到的真实目标回波信号和对消信号在达到雷达接收天线之前实现有源对消,从而实现目标隐身[10-12].该技术在20世纪中期即被提出,但受限于当时的技术水平,该技术提出后即被搁置.近年来,随着微电子、高性能计算技术的不断发展,雷达信号相位幅度控制技术越发精确,有源隐身技术又逐渐受到重视.梁百川[10]、洪光启[11]和Ufimtsev[12]分别指出了有源对消的基本原理和技术难点,杨小鹏[13]通过电磁计算分析了有源隐身被保护目标的雷达散射截面(Radar-Cross Section,RCS)和隐身效果,王玉军等[14]提出了一种线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)雷达回波对消干扰算法,曲长文、向迎春[15-17]提出了多种相干雷达目标的对消干扰方法,Xu[18]对有源隐身对消系统进行了仿真分析,Feng[19]提出了一种基于间歇采样转发的雷达回波脉内对消方法,Eleftheriades[20]首次搭建实验平台验证了雷达有源隐身技术的可行性和有效性.

间歇采样转发[21]是一种基于收发分时的新型雷达相干欺骗干扰方法,通过对雷达回波信号的调制转发,可以在真实目标距离向上生成具有逼真特征的虚假目标串.利用其对雷达信号间歇采样的思想,本文提出了一种基于间歇采样的SAR目标有源隐身方法:在满足一定的前提条件下,该方法产生的有源对消信号与真实目标回波信号同时经过SAR成像处理后,既能有效消隐真实目标,又能在SAR图像上产生多个位置灵活可控的二维欺骗假目标.

1SAR目标有源隐身方法

根据有源隐身的基本原理[19],为实现目标回波信号的有源对消,SAR干扰机应产生一个与SAR目标回波信号幅度、频率、延迟相等,而相位相反的对消信号,该对消信号与真实目标回波信号一齐被SAR接收从而使SAR接收到的真实目标回波被有效对消掉,进而无法经过SAR成像处理获得增益,最终实现真实目标在SAR图像上的低可见性. SAR目标有源隐身方法的基本原理如图1所示,对消信号的产生通常包括两种方式:一是预先通过电磁计算、精确测量等方式获得被保护目标的全向散射特性并存储在干扰机数据库中,当干扰机天线1截获到SAR发射信号后,分析其信号参数及SAR与目标的相对位置关系,然后根据预先存储的目标散射信息产生相应的对消信号,最后由天线1发射回SAR;二是通过干扰机天线2实时获取目标的SAR回波信号,经干扰机调制处理后,由天线1转发至SAR处.实际应用中为精确测量目标入射信号与反射信号,天线2可以由天线阵列构成[20].

图1　SAR目标有源隐身方法示意图

SAR通常采样LFM信号作为发射信号.脉宽为T,带宽为B,调频斜率为Kr的发射信号sT(tr)可以表示为[2]

(1)

SAR接收到的归一化回波信号sR(t)可以表示为

(2)

式中: c为电磁波传播速度; RST为SAR到目标距离.

根据有源对消的要求,干扰机需要产生与真实目标回波信号幅度、频率、延迟相等,相位相反的对消信号.因此,SAR接收到的对消信号sC(t)应满足以下条件

sC(tr)=-sR(tr).

(3)

但是,干扰机内部产生的对消信号通常只能满足频率相等和相位相反的要求.由于干扰机与被保护目标不在同一位置,当干扰机天线1发射对消信号时,还需要对发射时间和发射功率进行严格的控制,才能保证对消信号的延迟和幅度满足式(3)的要求.根据图1所示,SAR到干扰机距离RSJ,干扰机到目标距离RJT. 假设SAR发射信号在目标处的入射功率为Pin,干扰机天线1发射功率为PJ1,增益为GJ1,则SAR天线处的对消信号功率

(4)

而目标回波信号在SAR天线处功率为

(5)

式中,σ表示目标散射强度.要满足幅度相等的对消条件必须使得PSJ=PST,相应地,干扰机发射功率应满足

(6)

RSJ和RST可以通过侦察系统估计SAR平台位置获得,σ包含在目标的散射特性数据库中,目标处的入射信号强度Pin可以通过在目标处增加一个传感器实现[7].

另一方面,为保证对消信号与目标回波信号延迟一致,干扰机可以通过SAR平台、干扰机和目标三者关系确定对消信号的发射时间.假设干扰机发射信号相对于天线1截获到SAR信号的延迟为τJ,应满足

(7)

需要指出的是,当RSJ>RST时发射信号总是落在真实目标回波之后,此时干扰机需要估计的SAR信号脉冲重复时间，从而在下个脉冲来到前提前发射对消信号.

从上述可以看出,对消信号自身参数的准确性对于对消效果有着至关重要的作用,对消效果会随着对消信号参数误差的增加而变差.特别是对于SAR目标来说,由于其回波信号在距离向压缩后还要进行方位向压缩,距离向对消误差会在方位向处理时被进一步放大,使对消效果下降得更为显著.

2基于间歇采样的有源隐身方法

本节给出基于间歇采样的SAR目标有源隐身干扰方法基本原理.间歇采样信号是一个矩形包络脉冲串,记为p(t),其脉宽为τ,重复周期为Ts,采样占空比D=τ/Ts.

(8)

根据傅里叶变换知,p(t)频谱为

(9)

式中:sa(x)=sinx/x; 采样频率fs=1/Ts.

对干扰机内部对消信号x(t)做间歇采样(也可以通过干扰机间歇发射对消信号实现)后发射,则SAR接收到的对消信号得到采样后信号

sC,S(t)=sC(t)p(t) .

(10)

其频谱可以表示为

(11)

其中幅度加权系数an为

(12)

从式(11)可以看出,经过间歇采样后的信号可以看成是具有不同多普勒频移nfs的目标回波之和.

从式(11)还可以看出,sC,S(t)中多普勒频率为0(n=0)的子信号与对消信号sC(t)只差一个幅度加权系数a0,发射时调整天线发射功率PJ1为a0PJ1,则该子信号仍满足对消信号对于幅度相等的要求.对消后剩余信号sL(t)可表示为

(13)

对消后剩余信号sL(t)的频谱可以表示为

(14)

sL(t)经过SAR接收和二维脉压处理后,得到[22]

IL(tr,ta)=sinc[Kata(T-|ta|)]·

sinc[(μrtr+nfs)(T-|tr|)],

(15)

式中: ta是方位向慢时间; Ka是方位向调频率; Ta是方位向窗口宽度. 这些参数对后续处理影响可忽略不计,在这里不作详细说明.

下面分析干扰信号的图像特征.从式(15)可以看出,由于对消信号消去了真实回波信号,因此经过SAR匹配滤波后,真实目标回波信号(n=0)被有效对消而无图像生成.与此同时,输出的是多个逼真的假目标,假目标与真实目标处于相同的方位向单元并沿距离向分布,各个假目标在幅度上存在一定的差异.第n阶假目标的距离向位置为

(16)

第n阶假目标的幅度为

sinc[(μrtr+nfs)(T-|tr|)]·

sinc[μata(T-|ta|)].

(17)

值得注意的是,假目标中有一半超前于真实目标所在位置,即实现了所谓的导前假目标干扰[21].假目标间的峰值点间距为

(18)

该值与采样频率fs成正比,与调频斜率Kr成反比,与阶数无关.因为间歇采样转发采用的是距离向多假干扰,因此多普勒频移nfs与带宽的关系决定了假目标的总数量,即包含多少阶假目标在通带范围内,由此可确定形成假目标个数的最大值为

(19)

由于多普勒失配会造成匹配滤波器输出峰值展宽,第n阶假目标的-4dB信号宽度为

(20)

式(20)表明,随着多普勒频移的增大,经匹配滤波后的失配越严重,输出脉冲宽度逐渐展宽,这在SAR图像表现为高阶假目标图像会出现一定程度的散焦.

为了定量分析对消效果,我们定义对消度的概念,计算公式如下

(21)

选定目标上强散射点作为参考点,对比对消前后幅度值.为保证参考点的选择具有一般性,可以选取多个参考点用于分析对消效果.对消度越小,说明对消效果越好.

3仿真实验

本节进行仿真验证,仿真基本参数如表1所示.仿真中SAR成像采用经典的距离多普勒(Range Doppler, RD)算法.

表1　仿真参数设定

图2来自于美国Sandia国家实验室单视SAR复图像[24],其中飞机目标清晰可见.我们采用文献[25]的方法将该SAR复图像还原为场景总回波信号,然后用同样的方法,分割图像中的飞机目标区域,并生成该区域的SAR回波作为对消信号.这种处理方式可以看作是模拟图1中通过天线2获取目标区域散射特性的对消信号生成方法.

首先分析无间歇采样情况下,理想有源对消后SAR图像特性.将仿真生成的飞机目标区域回波反相后叠加至场景总回波信号上,再将和信号经过RD算法处理后输出SAR图像如图3所示.

图2　真实场景SAR图像

图3　理想对消SAR图像

从图3可以看出,理想条件下,无误差的对消干扰信号时可以有效对消目标区域的回波信号,降低目标在SAR图像上的可见性.

接下来仿真分析基于间歇采样的有源隐身干扰方法,取占空比D=0.1,采样频率fs分别设为36 MHz和45 MHz.对消结果如图4所示.根据式(16)理论分析可知,两种采样频率下假目标的位置应当分别出现于±36 m和±45 m及各自整数倍处.

(a) fs=36 MHz

(b) fs=45 MHz图4　间歇采样对消SAR图像

从图4可以看出,理想条件下对消信号无参数误差,基于间歇采样的对消方法可以有效消隐真实目标,同时在距离向上产生了成串假目标.假目标位置与间距与式(16)理论分析一致.图4(a)中高阶假目标出现了一定程度散焦,式(20)的理论分析也说明了这一点.除了因场景因素所限,不便观察假目标的总个数外,其余的实验结果和理论分析吻合.

我们选取图4(a)和图4(b)中飞机目标对消度进行分析,并与图3的对消度进行比较,如表2所示.可以看出,理想条件下,真实目标的图像幅度均下降了10 dB以上.分析该值没有达到理想的负无穷的原因在于:SAR的二维压缩增益以及天线副瓣能量泄漏,以及仿真过程中原始信号重建的部分误差.然而,由于目标周围的地物散射具有一定强度,10 dB的对消度可以使目标图像上表现散射强度降到与周围地物散射强度相同甚至更低,相当于将目标隐藏于地物背景之中. 需要指出的是,10 dB仅作为本文仿真条件下判断有源隐身有效性的阈值,在实际应用中则应具体分析SAR和目标场景的特定而后确定.

表2　对消度/dB

下面仿真分析非理想条件下参数误差对于对消效果的影响.由于上述实测数据具有一定误差,这里为了定量分析,SAR成像采用理想点目标模型,仅保持表1的参数设定,并假设SAR成像处理方位向压缩增益与距离向相同,均为BT=27.8 dB.

当有源对消干扰信号存在幅度误差时,对消度如图5(a)所示.可以看出,随着幅度误差的增大,对消度逐渐增大,对消效果逐渐变差.二维处理相对一维处理对消度大27.8 dB,这是由于方位向压缩放大了误差的影响,这与前面的理论分析相一致.为形象地显示幅度误差对二维对消影响,这里给出幅度误差时SAR图像如图5(b)所示,从图中可以看出由于误差的存在,目标强度增加,对消效果减弱.

(a) 对消度与幅度误差关系

(b) 成像效果图图5　幅度误差对对消效果影响

当有源对消干扰信号存在延迟误差时,对消度如图6(a)所示.可以看出,对消效果随着延迟误差的增大而减弱.这里给出延迟误差时SAR图像如图6(b)所示,从图中可以看出,目标强度增加,对消效果减弱.

对比图5(a)和图6(a)还可以看出,延迟误差相比幅度误差对于对消度的影响更为显著.因此在实际应用中,干扰机应特别需要注意对消信号与目标回波信号的延迟对齐.虽然有源对消对于延迟误差的要求有些苛刻,但是从图6(b)可以看出此时虽然延迟误差导致了对消失效,但间歇采样干扰仍然有效，能发挥作用生成多假目标,可以看成是对消失效时继续保护目标的一种折衷方法.

(a) 对消度与延迟误差关系

(b) 成像效果图图6　延迟误差对对消效果影响

4结论

研究表明,当干扰机能够精确产生对消信号时,基于间歇采样的有源隐身方法可以同时实现对SAR目标的隐身和二维欺骗假目标的生成, 为保护合成孔径雷达地面目标提供了新的思路.这种干扰方法的潜在优点包括:第一,有效地降低了目标在SAR图像上的幅度,降低了目标的可观测性;第二,该方法可在距离向上形成多个逼真的欺骗式假目标,且假目标位置灵活可控,可以给雷达对真假目标的识别造成了困难;第三,由于间歇采样对对消信号的调制可以通过干扰机间歇发送对消信号实现,这意味着干扰机可以工作在较低的占空比条件下,有利于提高干扰机的工作效率.

但是值得指出的是,由于有源对消效果对于信号参数误差特别是延迟误差非常敏感,需要干扰机精确无误差地产生对消信号,在工程中实现起来具有一定的困难,如何更加精确地产生对消信号,以及如何克服参数误差导致的对消效果削弱,是后续要研究的问题.

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中图分类号TN958

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)01-0031-08

收稿日期：2015-04-02

徐乐涛, 冯德军, 王雪松. 基于间歇采样的合成孔径雷达目标有源隐身方法[J].电波科学学报,2016,31(1):31-38. DOI: 10.13443/j.cjors.2015040201

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资助项目: 国家自然科学基金(61372170,61490690)

联系人： 徐乐涛 E-mail：xuletaowin@126.com