机载合成孔径雷达散射波干扰研究

徐　锋，刘佳琪，刘洪艳，白锦良，江志烨

(北京航天长征飞行器研究所试验物理与计算数学国家级重点实验室,北京 100076)



·工程应用·

机载合成孔径雷达散射波干扰研究

徐锋，刘佳琪，刘洪艳，白锦良，江志烨

(北京航天长征飞行器研究所试验物理与计算数学国家级重点实验室,北京 100076)

根据机载合成孔径雷达理论模型和散射波干扰原理,提出了一种散射波干扰的实现方法——干扰机转发雷达信号散射波干扰，即干扰机接收到雷达信号进行处理后向成像区域照射，经地物散射的SAR信号，由SAR接收系统接收，形成散射波干扰。通过分析机载合成孔径雷达的理论模型，指出了影响成像效果最重要的因素是方位二次相位误差。散射波干扰能够在距离向和方位向实现二维相干干扰，使机载SAR图像散焦，形成散焦图像压制干扰。最后通过计算机仿真验证了干扰机转发雷达信号形成地物散射波干扰的干扰效果。

机载合成孔径雷达；雷达理论模型；散射波；干扰

0　引言

机载合成孔径雷达(SAR)是一种大带宽、高分辨率的微波成像雷达系统，它具有全天候、全天时的工作能力，已广泛用于军事侦察、图像制导等领域中，是未来战场最具威胁的高技术武器之一。目前对SAR的干扰方法的研究主要局限于直达波干扰，但合成孔径雷达图像的高信噪比特性对直达波噪声干扰的干扰功率提出了很高的要求。过低的干扰功率难以对图像造成有效的噪声压制，根据相位梯度自聚焦的原理，尤其是在大量的强散射点存在的情况下，噪声压制的效果不是很好。其次，图像的高分辨特性要求直达波假目标干扰必须逼真地模拟真实目标，这对直达波干扰来说也是难以实现的。而散射波干扰和直达波干扰不同，它并不直接向雷达发射或转发干扰信号，而是接收雷达发射的线性调频脉冲并形成干扰相参脉冲串，将其投射到需要干扰的区域，经地物散射后形成地物干扰回波与雷达原始回波信号混合在一起被雷达接收，从而破坏雷达对地物目标的识别，造成对地探测和侦察的失败。因此，本文通过分析SAR信号的理论模型、传播途径及散射波干扰原理，对SAR散射波干扰的实现方法进行了分析研究，并通过计算机仿真验证了散射波干扰的效果。

1　机载合成孔径雷达理论模型

机载SAR几何关系如图1所示。装载着雷达的飞机沿x坐标方向以速度va匀速直线前进，雷达向正侧视发射并接收波束。波束的水平宽度角为β，垂直宽度角为φ。图中阴影区即为波束与地面的交界面。随着雷达匀速前进，将在地面形成带状辐照带(即测绘带)，这就是雷达成像的对象。

图1　机载SAR几何关系图

雷达一面以匀速直线前进，一面以固定的重复频率发射并接收信号。如果把接收信号的幅度和相位信息存储起来并与以前的接收信号叠加，则随着雷达的前进将形成等效的阵列天线。合成天线阵列的波束宽度将比真实天线的波束宽度小许多倍。也就是说，雷达的角分辨率将大为改善。

根据点目标的回波信号经过匹配滤波的输出信号，推导SAR的冲激响应函数。设雷达发射信号为：

(1)

式中，μ(t)为窄带信号的复振幅，a(t)为窄带信号的包络函数，φ(t)为窄带信号的相位函数。通过点目标反射，接收到的信号为：

(2)

式中，K为一常数，其值与点目标至雷达的距离R和点目标的散射系数有关，一般为复数，Kr为线性调频率，X为点目标的x轴坐标。

将接收到的回波信号sr(x,t)进行同步检波，去除载频ωc，并将幅度归一化得：

(3)

将此信号经过匹配滤波，求其自相关积分，即可得输出信号。按定义，这时的输出信号即为SAR的冲击响应h(x,t)。

(4)

式中，τ为信号脉宽， τr=2π/(krτ)为线性调频压缩后的主瓣宽度，它决定雷达距离向分辨率， ρA=λR/(2Ls)为合成孔径处理后的主瓣宽度，它就是雷达方位向分辨率。

由式(4)可见，由于分离变量的结果，SAR的冲击响应可以分成距离向冲击响应与方位向冲击响应的乘积，即有h(x,t)=hR(x,t)hA(x,t)，式中hR(x,t)、hA(x,t)分别表示SAR距离向和方位向冲击响应的复数形式。因此，可以把信号处理分成两步，即距离向的脉冲压缩和方位向的波束锐化。通过以上分析，可以得出机载SAR的理论模型如图2所示。

图2　机载SAR理论模型

2　散射波干扰工作原理

通过机载SAR理论模型可知，对机载SAR最好的干扰方式为二维相干干扰，其干扰信号的形式必须在距离向和方位向与原始回波信号相干。如果单个干扰脉冲信号具有机载SAR发射信号的形式，则满足距离向的相干性；如果在一个合成孔径的时间内，脉冲串在方位向具有与原始回波信号脉冲串相同的线性调频特性，则满足方位向的相干性。本文提出了一种新的散射波干扰的实现方式，即干扰机转发雷达信号后地物散射波对机载SAR实施干扰，下面进行详细的分析。

机载SAR发射的线性调频信号在空间传播，经干扰机接收与地物散射后，又被雷达接收形成原始回波信号，经过数据成像处理形成机载SAR图像。把机载SAR信号的传播空间作为一个系统，发射信号作为系统的输入信号，接收信号作为系统的输出信号，其传输流程如图3所示。

图3　机载SAR信号传播途径

散射波干扰原理如图4所示。

图4　机载SAR散射波干扰原理图

由图4可见，从t0时刻到t1时刻雷达波束照射到目标，与一般的SAR模式相比，雷达脉冲从发射到接收过程中的传播路径不再是雷达与目标之间的双倍程距离，而是从雷达到干扰机，再从干扰机转发到目标，经目标散射最后被雷达接收所走过的过程。干扰脉冲转播路径的改变使得干扰回波与匹配滤波器之间存在着多普勒参数失配现象。假设目标干扰脉冲的传播途径为：

(5)

式中，t为合成孔径时间，rrj为雷达与干扰机之间的距离，rjt为干扰机与目标之间的距离(固定值)，rtr为目标与雷达之间的距离，rrj和rtr为：

(6)

(7)

式中，Rt为目标与雷达的最近斜距，Rj为干扰机与雷达的最近斜距，θt为目标与雷达之间的等效斜视角，θj为干扰机与雷达之间的等效斜视角，va为雷达航向速度，Δt为干扰机与目标之间的方位时间偏移。Rt与Rj的关系为：

(8)

式中，ΔR为目标相对于干扰机地面投射点的斜距偏移，h为干扰机的投影高程。

3　散射波干扰效果分析

干扰回波与匹配滤波器之间存在的多普勒参数失配现象，使得经处理后的干扰输出存在距离徙动误差与方位二次相位误差等问题。

多普勒参数失配使得干扰回波存在距离徙动误差Δr。成像理论表明，Δr在合成孔径时间内最大跨度不超过半个距离分辨单元ρr时，可忽略距离徙动误差对输出的误差影响。

因多普勒调频率失配而产生的方位二次相位误差Δφ使输出结果散焦。成像理论表明，在信号通带边缘时的相位误差小于π/4时，可忽略调频率失配对聚焦质量的误差影响。

散射波干扰中干扰地区内不同目标的干扰回波与匹配滤波器之间的多普勒参数失配程度是不一样的。当它们之间的多普勒参数失配同时得到满足时，可以认为干扰目标能得到近似完全的匹配处理。此时散射干扰对SAR图像的干扰影响为虚假图像欺骗干扰，随着干扰回波与匹配滤波器之间的多普勒参数失配的增大，干扰目标的输出质量将出现恶化，当多普勒参数失配达到相当程度时，这种恶化程度会逐渐明显起来。此时散射干扰对SAR图像的干扰影响为散焦图像压制干扰。

综上所述，散射波干扰对SAR图像的干扰影响有以下3种可能：1)虚假图像欺骗干扰；2)虚假图像欺骗干扰+散焦图像压制干扰；3)散焦图像压制干扰。

由成像理论可知，与距离徙动误差Δr相比，最大二次相位误差是影响目标成像质量的更为重要的因素。 对于机载SAR与干扰区域内所有目标而言，其二次相位误差远远大于π/4，因此散射波干扰对机载SAR图像的干扰影响可看作散焦图像压制干扰。

4　仿真试验

在仿真试验中，从点目标角度研究了散射波干扰对机载SAR图像的干扰影响。相关参数如表1所示。

表1　机载SAR散射干扰仿真试验中的相关参数

雷达系统参数机载SAR雷达波长λ/m0.03线性调频信号脉宽τ/μs1距离带宽B/MHz50距离采样率/MHz200距离调频率k/(Hz/s)50×1012PRF/Hz1000合成孔径时间/s5多普勒中心/Hz0多普勒调频率/(Hz/s)-95干扰地区距离跨度ΔR/km3干扰机投影高程h/km2

在机载SAR散射干扰仿真试验中，分别从距离向和方位向进行分析，选择与匹配滤波器存在最小多普勒调频率失配和最大多普勒调频率失配的干扰目标进行处理，以此研究散射波干扰对机载SAR图像的干扰影响，试验结果如图5～10所示。

图5　距离向参数完全匹配输出结果

图6　距离向参数失配较小输出结果

由图5～10所示的输出结果可见，对于机载SAR系统，即使当干扰目标与匹配滤波器存在最小多普勒调频率失配时，其干扰输出也出现非常严重的散焦，因此散射波干扰对机载SAR图像的干扰影响应为散焦图像压制干扰。

图7　距离向参数失配较大输出结果

图8　方位向参数完全匹配输出结果

图9　方位向参数失配较小输出结果

图10　方位向参数失配较大输出结果

5　结束语

从本质上讲，散射波干扰中的干扰信号是保留了信号相干性和地物散射特性的地物回波，是与直达波干扰完全不一样的干扰方式。与直达波噪声压制干扰相比，由于散焦图像压制干扰中的干扰回波与SAR在距离向完全相关，在方位向部分相关，其系统干扰功率增益明显高于直达波噪声压制干扰，在相同的系统干扰输入功率下，压制干扰效果强于噪声干扰。■

[1]张澄波.综合孔径雷达[M].北京:科学出版社,1990.

[2]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[3]胡东辉,吴一戎,王宏琦,等.基于移相调制的合成孔径雷达虚假图像干扰[J].雷达与对抗,2002(2):1-10.

[4]吴一戎,胡东辉.一种新的合成孔径雷达压制干扰方法[J].电子与信息学报,2002,24(11):1664-1667.

[5]李田,彭世蕤,王广学,等.机载SAR有源干扰分析与比较[J].雷达科学与技术,2013,10:486-491.

Study on scattered-wave jamming of airborne-SAR system

Xu Feng, Liu Jiaqi, Liu Hongyan, Bai Jinliang, Jiang Zhiye

(National Key Laboratory of Science and Technology on Test Physics and Numerical Mathematics，Beijing Institute of Space Long March Vehicle,Beijing 100076，China)

An implementation method of scatter-wave jamming is given which is based on the radar theory of airborne-sar and the theory of scatter-wave jamming.The jammer transmits the signal to the imaging region that is received by radar.The receiver of SAR gets the signal through the ground scattering characters and generates the scatter-wave jamming.By analyzing the theory model of airborne-sar ,the most important factor of image quality is secondary phase error.The jamming of scatter-wave can do the job on the range and azimuth and make the SAR image worse.The results of simulation and experimentation on the computer prove this method is effective and can get the good effects of oppressive jamming.

airborne-SAR;radar theory model;scatter-wave;jamming

2015-12-16；2016-02-20修回。

徐锋(1979-)，男，高级工程师，研究方向为雷达信号处理、电子对抗系统设计。

TN97

A