星载SAR欺骗式干扰信号的实时产生技术研究

丁宸聪，孙清洋，舒　汀

(1. 海军装备研究院,　上海 200436；　2. 上海交通大学 上海市智能探测与识别重点实验室，　上海 200240)



·仿真技术·

星载SAR欺骗式干扰信号的实时产生技术研究

丁宸聪1，孙清洋2，舒汀2

(1. 海军装备研究院,上海 200436；2. 上海交通大学 上海市智能探测与识别重点实验室，上海 200240)

为了在电子战系统中对敌方星载合成孔径雷达(SAR)雷达进行有效干扰，文中提出了一种新颖的星载SAR欺骗式干扰信号的实时产生技术。该技术首先通过对分布式大场景的干扰调制函数的离线及分块并行计算，降低了干扰信号产生的复杂度和计算量; 然后，通过实时卷积产生欺骗干扰信号，从而实现对敌方星载SAR系统的实时欺骗干扰的目的; 最后，试验干扰机的测试数据和仿真结果说明了方法的有效性。结果表明：该方法不但可以提供可信赖的干扰效果，而且在实践应用中具有一定的实时性。

星载合成孔径雷达；干扰调制函数；欺骗式干扰；实时产生

0　引　言

合成孔径雷达(SAR)在战场侦察和遥感领域正发挥着重要的角色[1]。因此，出于军事应用考虑，找到一种有效的干扰技术以防止己方的关键区域或者目标被敌方SAR雷达侦测是非常必要的[2]。目前，针对SAR的主动干扰技术主要包括：噪声干扰[3-4]和欺骗干扰[5-9]。噪声干扰的原理在理论上比较简单，但SAR成像处理的高增益，需要较高的干扰功率才能达到有效干扰。相比之下，基于数字射频存储器(DRFM)的SAR欺骗干扰机，虽然原理复杂，但在实际应用中更适合干扰敌方SAR系统，因为其能产生成功率较低的相干干扰信号，经敌方SAR成像合成虚假的场景，达到以假乱真的干扰效果。

对欺骗式干扰的研究，文献[5-6]中的算法是利用二维卷积生成干扰信号，该方法需要侦察系统事先预估SAR系统的参数，但没有给出明确的实现方法。文献[7]中的方法可得到一个好的干扰结果，但也难以在实际应用中实现。文献[8-9]是一种针对大场景的快速欺骗干扰算法，仍需要在每个方位时刻计算关于慢时间的依赖项。

本文提出了一种新颖和有效的星载SAR欺骗干扰技术。基于SAR干扰的几何模型，首先，在方位时间-距离频域上离线并行计算欺骗干扰调制函数; 然后，将其与接收的雷达信号实时卷积产生干扰信号; 最后，干扰机转发欺骗干扰信号到敌方SAR雷达，从而实现实时欺骗干扰的目的。

1　欺骗干扰的模型

1.1SAR几何模型

星载SAR雷达干扰的几何模型，如图1所示。

图1　星载SAR雷达干扰的几何模型

图中，t表示慢时间，在慢时间t=0位置，SAR雷达在地面的投影位置是O点。假设星载SAR雷达沿着X方向飞行，v表示其速度。R(vt,yr,zr)表示雷达的瞬时位置，J(xj,yj,zj)和T(xk,yk,zk)分别表示预先定义的干扰机和其要产生的欺骗场景中第k个目标的位置。SAR雷达与干扰机、虚假目标的瞬时斜距分别由Rj(t)和Rk(t)表示。R0,j和t0,j分别表示干扰机和雷达之间的最短斜距和对应的时延。R0,k和t0,k分别表示虚假目标和雷达之间的最短斜距和对应的时延。

根据图1的几何关系，虚假目标和雷达之间的瞬时斜距Rk(t)可表示为

(1)

考虑星载SAR平台的低斜视角和斜距较大的特点，我们可对距离方程Rk(t)进行如下的近似

(2)

1.2欺骗干扰的基本原理

本部分将基于上面的几何模型，介绍基本的SAR欺骗干扰技术的原理。干扰机截获的基带信号sj(τ,t)可表示为

(3)

式中：τ表示快时间；α(τ)表示距离向信号的矩形包络；fc是载频；c是光速；Kr是线性调频信号(LFM)的调频斜率。

假设干扰机生成的欺骗场景中第k个虚假目标的干扰信号是sk(τ,t)。信号sj(τ,t)和sk(τ,t)经距离向的傅里叶变换(FFT)后分别由Sj(fτ,t)和Sk(fτ,t)表示。

根据FFT的性质，可以得到以下关系

Sk(fτ,t)=Sj(fτ,t)σ(xk,yk)×

exp[-j2π(fc+fτ)Δτjk(t)]

(4)

假设虚假场景的大小是M×N，其中M是距离向的大小，N是方位向上点数。那么干扰机产生的整个场景的干扰信号在距离频域上可表示为

S(fτ,t)=Sj(fτ,t)H(fτ,t)

(5)

(6)

式中：H(fτ,t)为欺骗干扰调制函数。

综上，干扰机对SAR雷达进行欺骗干扰的原理是：干扰机接收来至于敌方SAR雷达的信号sj(τ,t)，然后，根据已知的干扰机和虚假场景目标与雷达之间的瞬时距离Rj(t)和Rk(t)，计算出干扰调制函数H(fτ,t)，干扰机将其与干扰机截获的信号在距离频域上相乘，相乘后的信号再经过傅里叶逆变换(IFFT)，从而产生时域上的虚假场景的干扰信号，转发给敌方SAR雷达，最后，经过敌方SAR雷达的成像处理，生成包含虚假目标的SAR图像，从而起到以假乱真的目的。但此方法所表示的干扰调制函数需要在每个方位时刻计算并叠加欺骗场景中所有目标的干扰信号，结果表明这种方法不适合实时产生星载SAR的欺骗干扰信号。

1.3改进的欺骗干扰调制函数

本节将在原有基础上，推导出一种新颖的干扰调制函数，并说明该方法可以实时产生欺骗干扰信号。

为了推导所提出的欺骗干扰调制函数，首先将式(6)重写为

H(fτ,t)=G(fτ,t)·F(fτ,t)

(7)

(8)

其中，F(fτ,t)可在干扰开始前，根据侦察到的卫星轨道参数和慢时间计算得到。根据式(2)，函数G(fτ,t)的傅里叶逆变换可表示为

(9)

一般说来，对于小的干扰场景，我们可以假设每一个虚假目标的最近距离R0,k接近于场景中心参考点的最近距离Rref。而对于大场景，我们将根据SAR雷达方位聚焦深度，将其分成多个子场景，每个子场景点目标的斜距与对应场景中心参考点的最近距离近似相同。

因此，基于二维卷积的特点，我们将用不同子场景的参考斜距Rref代替R0,k，那么式(9)重写为

(10)

(11)

(12)

式中：⊗表示二维卷积；p表示子场景的数目；a(τ,t)表示每个子场景虚假目标在SAR信号空间的投影；b(τ,t)是二维参考函数。他们都可在干扰开始前离线计算得到，因为虚假场景每个目标的最短距离和最短时间都是根据卫星轨道和参数预先定义。

由上可得，干扰调制函数在距离频域上的表达式

H(fτ,t)=FFT[a(τ,t)*b(τ,t)]·Fj(fτ,c)

(13)

结合侦测系统的侦察结果和先验知识，获得平台速度、载频，干扰机的斜距在波束照射范围内随时间的变化规律Rj(t)，以及虚假场景各个点的最短斜距和零多普勒时刻，那么子调制信号a(τ,t)、b(τ,t)和Fj(fτ,c)均可以预先生成，那么干扰系统调制函数H(fτ,t)便可通过式(13)的方法一次性计算并存储下来。

通过将干扰机截获的信号变换到距离频域上，再与储存的欺骗干扰调制函数相乘，对相乘后的结果做傅里叶逆变换到时域上，由干扰机实时转发给敌方SAR雷达，即可实现SAR雷达的实时欺骗干扰。由于干扰调制函数可预先离线生成，因此，所提出的算法将大大降低大场景实时欺骗干扰中的运算量。

2　欺骗式干扰信号的实时产生

2.1系统实现

本干扰机系统可支持多种先进功能的干扰技术，本系统的两个主要关键模块是干扰调制函数计算板和宽带数字射频存储器DRFM板，如图2所示。

干扰调制系数生成板，是由4片TI公司的多核DSP处理器TMS320C6678和一片FPGA组成。该DSP的主频可达到1.0 GHz，4块DSP可提供32个核的处理能力从而实现快速调制函数的计算。FPGA负责将各子场景调制系数的叠加。本算法的干扰调制函数的生成是通过其进行硬件实现的。宽带DRFM板由高速的ADC和DAC，以及FPGA组成，可达到2.4 GHz的采样率。本算法中的雷达信号的频域变换与相乘和干扰信号的转发也是通过其硬件实现的。

图2　干扰系统

2.2欺骗干扰生成技术

根据文中推导，欺骗干扰生成技术的流程如图3所示。图3中涉及到的信号表达式可参考第一部分的算法介绍。从图3可以看出，欺骗干扰调制函数H(fτ,t)可以被干扰调制系数生成板离线计算得到，然后通过宽带DRFM板，达到实时欺骗干扰的目的。

图3　欺骗干扰生成技术的流程图

3　仿真结果分析

3.1干扰结果

我们选用一个C波段的SAR雷达进行干扰测试，其距离向分辨率为1.5 m，放卫星分辨率为3 m。该SAR雷达的系统参数，如表1所示。

表1　系统参数

仿真中，干扰前的SAR图像如图4a)所示，包括河、建筑物和农田等地物。为了保护河流周围区域，我们根据相关先验知识，选取图4b)作为虚假图像。虚假干扰场景的大小是2 880×925，我们根据聚焦深度将其分割成三个子场景。

图4　干扰前后结果展示

在电子侦察系统提供的精确的敌方SAR雷达参数的基础上，采用本文提出的算法，得到星载SAR的欺骗干扰结果如图4c)所示，该干扰结果是通过CS成像算法得到的。从结果上看，干扰后的SAR图像聚焦良好，而且干扰前的河流周围的关键区域经过欺骗干扰得到了有效的保护，因此说明了欺骗干扰算法的有效性。

3.2算法聚焦性能分析

本节将通过仿真分析生成虚假目标的图像聚焦性能，并与文献[7]中的方法进行比较。系统仿真参数仍采用表1。

为了说明图像聚焦的性能，将选取5个虚假目标，放置在以下坐标上(0,-3 000 m,0), (0,-1 500 m,0), (0,0,0), (0,1 500 m,0)和(0,-3 000 m,0)。干扰机位置为(0，-2 000 m,25 m)。因为，欺骗干扰生成的过程中不改变发射信号的调频斜率，生成的欺骗图像在距离向上可以很好地聚焦，所以，我们主要分析方位向上的图像聚焦性能。

图5a)展示了文献[7]中提出的欺骗干扰算法对应的仿真结果，从结果上看，该方法在方位向上聚焦良好，但是该算法不适合实时干扰信号的生成。图5c)是本文所提算法的欺骗干扰结果，结果表明在方位向上也得到较好的聚焦。

图5　欺骗干扰算法评估结果

通过比较图5b)和图5d)展示的5个虚假点目标在方位向上的干扰结果，证明采用本文算法得到干扰结果在方位向上接近于文献[7]中算法得到的干扰结果，并且和理论上的sinc函数没有较大差别，因此，验证了本文中的算法的有效性。

4　结束语

本文提出了一种面向大场景的星载SAR欺骗式干扰信号实时产生技术。该技术根据SAR的几何模型，在干扰前预先离线生成欺骗干扰调制函数，然后干扰机通过将预先截获的雷达信号与调制函数卷积得到干扰信号，并将其转发给敌方SAR雷达，从而达到实时欺骗干扰的目的。试验和仿真结果说明算法的有效性，而且基于本算法的干扰系统易在实际应用中实现。后续将对实时性进行进一步的论证和研究，从而使得该算法应用在实际的干扰机系统中，实现星载SAR的欺骗干扰的目的。

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丁宸聪男，1981年生，硕士。研究方向为航空电子对抗。

孙清洋男，1990年生，博士生。研究方向为SAR系统仿真与对抗技术，实时信号处理技术。

舒汀男，1981年生，博士，讲师。研究方向为雷达与电子战系统仿真技术，实时信号处理技术。

俄罗斯制造的“向日葵”雷达将能够探测F-35战机

据俄罗斯自由报报道称，洛克希德·马丁公司的F-35闪电II是国防部武器库中最先进的飞机，但俄罗斯强大的超视距“向日葵”雷达能够探测和跟踪隐形的第五代战机或任何其他旨在规避探测的战斗机。

“向日葵”短程超视距表面波雷达由位于莫斯科的远程无线电通信科研所开发。俄罗斯国防部计划在北极地区，以及俄罗斯南部和西部边界部署这些雷达系统。

据报道，该雷达能以视线范围内和超视距的不同海拔高度下，最远500 km距离范围内探测海面和空中物体，也可以在自动模式下同时探测、追踪和分类最多300个海上和100个空中目标。

这种雷达还有另外一个优势，即短波电台可以清楚地探测到隐身战机，如那些已制造出避免被雷达或声纳探测到的飞机。

海基和岸基超视距雷达系统正在沿海国家中越来越受欢迎。这些国家想要保护其专属经济区免受海盗、走私和非法捕鱼的干扰，也想要军事应用。这些雷达能够在侵略或颠覆活动发生时发出警报。

3个“向日葵”雷达站届时将在俄罗斯运行，将被部署在鄂霍次克海，日本海和里海。

(蔡晓睿摘编)

Research on Real-time Generation Technique of Deceptive Jamming Signal for Space-borne SAR

DING Chencong1，SUN Qingyang2，SHU Ting2

(1. Naval Academy of Armament,Shanghai 200436, China) (2. Shanghai Key Laboratory of Intelligent Sensing and Recognition,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China)

In this paper, a novel deceptive jamming signal generation method against the space-borne synthetic aperture radar (SAR) is proposed for the electronic warfare (EW) system. By using the off-line parallel computing for jamming modulation function in the distributed sub-scenes, the proposed algorithm can highly reduce the computation burden of extended scenes for real-time deceptive jamming. The measured data from an experimental jammer system and the simulation results are used to demonstrate the performance of the proposed method. It is shown that the proposed method provides reliable jamming performance and can be implemented in real-time application.

space-borne synthetic aperture radar; jamming modulation function; deceptive jamming; real-time

丁宸聪Email：hksdcc@163.com

2016-03-08

2016-05-28

TN974

A

1004-7859(2016)07-0078-05

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.019