合成孔径雷达双通道对消的多站干扰方法

房明星,毕大平,沈爱国，刘 乾

(1. 解放军电子工程学院，安徽 合肥 230037；2. 国防信息学院， 湖北 武汉 430000)

合成孔径雷达双通道对消的多站干扰方法

房明星1,毕大平1,沈爱国1，刘 乾2

(1.解放军电子工程学院，安徽合肥230037；2.国防信息学院，湖北武汉430000)

针对单部干扰站难以对合成孔径雷达双通道对消系统实施有效干扰的问题，提出了合成孔径雷达双通道对消的多站干扰方法。该方法利用多部干扰站实施分布式协同干扰，使SAR系统无法通过估计每个采样时刻的补偿相位对双通道的干扰信号进行对消，并给出了使双通道对消系统失效的相位条件和多干扰站沿方位向的部署方案。仿真实验表明，该方法可有效破坏SAR双通道干扰对消的性能，显著增强直达波干扰和散射波干扰对双通道SAR系统的干扰效果。

合成孔径雷达；电子对抗；双通道对消；多干扰站

0 引言

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种不同于红外和可见光的微波成像传感器，具有全天时、全天候和高分辨等特点，在军事和民用领域均得到了广泛应用[1-2]。尤其在高技术局部战争(如阿富汗战争、伊拉克战争等)中发挥的巨大作用，使得SAR干扰技术研究成为电子对抗领域的热点问题[3-4]。随着SAR及其对抗技术的快速发展，单通道SAR已难以满足世界各国在军事、民用及抗干扰等领域的需求，多通道SAR应运而生并成为重要的发展趋势[5-6]。多通道SAR相对传统单通道SAR具有更强的抗干扰能力，其通常利用多通道对消、动目标检测 (Moving Target Indication, MTI)、相位干涉、空域滤波等方式，对直达波压制干扰、欺骗干扰以及散射波干扰等进行抑制和对消[7-9]。

目前，SAR多通道对消技术已成为重要的抗干扰手段，文献[10]讨论了SAR双通道对消原理，分析了双通道干扰对消对SAR成像的影响，指出由于双通道对消导致目标信息出现周期性损失；文献[11]提出三通道对消方法抑制SAR压制性干扰，给出了回波信号损失周期的表达式，相对双通道对消而言，该方法有效增大了回波信号的损失周期，从而降低了目标信息损失量。文献[12]结合动目标检测技术和空域对消技术，针对欺骗干扰提出了沿航迹和跨航迹的双天线干涉对消检测方法，有效提高了对欺骗干扰目标的检测和识别能力。文献[13]则提出双通道对消抑制SAR散射波干扰方法，并分析了干扰站定位误差、SAR平台速度误差对干扰抑制性能的影响；针对文献[13]干扰信号相位差估计问题，文献[14]提出以对消后散射波干扰信号能量最小为准则的自动搜索算法。SAR多通道对消技术的快速发展严重削弱了常规干扰方法的干扰性能，因此，文献[15]针对单部干扰站压制性干扰容易被SAR双通道对消的缺陷，提出采用多干扰站对SAR双通道对消系统实施干扰，该方法大幅削弱了双通道SAR的抗干扰能力；文献[16]针对运动干扰站难以对双通道对消实施全程持续干扰的缺点，提出利用旋转运动的干扰站对InSAR双通道对消实施干扰，并通过多干扰天线的分时收发来模拟干扰站的旋转。文献[15—16]仅针对单航过的InSAR双通道对消系统的噪声压制性干扰进行了研究，目前，关于破坏SAR双通道对消系统抑制欺骗干扰和散射波干扰的研究还未见报道。本文针对上述问题，提出了合成孔径雷达双通道对消的多站干扰方法。

1 直达波干扰的SAR双通道对消原理

相干噪声干扰和欺骗干扰都是由干扰站对截获到的SAR雷达信号进行相应调制后，直接向SAR平台转发而形成，因此，相对下文的SAR散射波干扰，这里将二者统称为直达波干扰。相干噪声干扰和欺骗干扰信号在空间具有相同的传播路径，故二者的对消原理是相同的，本节主要以欺骗干扰的双通道对消原理为例展开分析，其对消原理如图1所示。两通道子孔径天线沿航迹排列，采用一发两收模式，即A天线发射雷达信号，A、B两天线同时接收信号，设SAR信号脉冲重复周期为PRT，SAR平台以速度v沿x轴正方向运动，则两天线间距需满足对消条件D=PRT·v，当天线间距D不满足对消条件时需对两路信号进行插值配准。

图1 欺骗干扰的双通道对消原理图Fig.1 Dual-channel cancellation theory diagram of deceptive jamming

干扰站采用DRFM技术对截获到的SAR信号进行采样、存储，并依据欺骗干扰原理对雷达信号进行延时、幅度和多普勒频率调制后向SAR平台直接转发，如图1所示，假设干扰站J产生的假目标点为F，场景中任意真实目标点为T，A、B表示两天线位于SAR方位向第n个采样点时刻，A1、B1表示两天线位于方位向第n+1个采样点时刻，可得第n个采样点时刻两天线接收到的回波信号分别为：

(1)

其中，sat(n)、saj(n)分别为A天线在第n个采样点时刻接收到的真实目标信号和欺骗干扰信号，sbt(n)、sbj(n)分别为B天线在第n个采样点时刻接收到的真实目标信号和欺骗干扰信号。第n+1采样点时刻天线A位于A1处且与第n个采样点时刻B天线位置重合，则A天线在第n+1采样点时刻接收到的信号为：

sa(n+1)=sat(n+1)+saj(n+1)

(2)

欺骗干扰信号在A、B两通道间的相位关系取决于干扰站J的位置，而与虚假点F的位置无关[12]，则由信号传播路径关系可得B天线n时刻和A天线n+1时刻接收信号的相位表达式为：

(3)

其中，Rat、Rbt分别为真实目标T到A、B两天线的瞬时斜距，Raj、Rbj分别为干扰站到A、B两天线的瞬时斜距。由式(3)可得B天线n时刻和A天线n+1时刻目标信号和欺骗干扰信号的相位关系为：

(4)

其中,

(5)

从而可得B天线n时刻和A天线n+1时刻接收信号的关系为：

(6)

依据双通道对消原理，Δφj为对消所需的补偿相位，由于难以精确测量SAR平台到干扰站的距离值，所以很难通过式(5)计算得到每个慢时间采样时刻的Δφj，实际中以对消后散射波干扰信号能量最小为准则，采用自动相位搜索算法对Δφj进行求解[14]，求取Δφj后，对sa(n+1)进行相位补偿并与sb(n)相减即可消除欺骗干扰信号：

Δs=sb(n)-sa(n+1)·exp(jΔφj)=

(7)

其中，Δφ=Δφj-Δφt。将式(5)代入式(7)，并进行Fresnel近似可得：

Δφ=2π(Rat-Rbt+Rbj-Raj)/λ≈

2πD(xt-xj)/(λRrj0)

(8)

2 散射波干扰的SAR双通道对消原理

与直达波干扰不同，SAR散射波干扰原理为：当雷达波束照射到干扰站时，干扰站接收SAR信号，并将信号放大后投射到选定的散射区域，SAR接收到经地物散射形成的散射波干扰信号，从而对其时域、频域、极化域形成多维干扰效果[13]。假设散射目标为S，则SAR双通道对消抑制散射波干扰的原理如图2所示。

图2 散射波干扰的双通道对消原理图Fig.2 Dual-channel cancellation theory diagram of scatter-wave jamming

依据散射波干扰原理，设sbj(n)、saj(n+1)分别为B天线n时刻和A天线n+1时刻接收到的散射波干扰信号，此时两天线接收信号仍用式(1)和式(2)表示，但由于散射波干扰与直达波干扰的信号传播路径不同，导致两天线接收信号的相位关系不同，则散射波干扰时两天线接收信号的相位表达式为：

(9)

其中，Rjs为干扰站到散射目标S的固定斜距，Rsb为散射目标S到B天线的瞬时斜距。则由式(9)可得B天线n时刻和A天线n+1时刻目标信号和散射波干扰信号的相位关系为：

(10)

其中，

(11)

从而可得B天线n时刻和A天线n+1时刻接收信号的关系为：

(12)

对比式(6)和式(12)可知，尽管散射波干扰与直达波干扰信号传播路径不同，但两天线在n时刻和n+1时刻接收信号的关系是相同的，因此，采用自动相位搜索算法求取Δφj对sa(n+1)进行相位补偿，可得散射波干扰的双通道对消结果为：

Δs=sb(n)-sa(n+1)·exp(jΔφj)=

(13)

3 SAR双通道对消的多站干扰原理

SAR双(多)通道对消对直达波干扰和散射波干扰均具有较好的抑制性能，显著增强了SAR系统的抗干扰性能，给干扰技术研究带来很大挑战，因此必须针对SAR双(多)通道对消技术提出更加有效的干扰手段。

依据双通道对消原理，SAR系统通过估计每个采样时刻的补偿相位Δφj可对双通道的干扰信号进行对消，单部干扰站难以有效对抗SAR双通道对消系统，因此，本文提出利用多干扰站对其实施有效干扰。由于直达波干扰和散射波干扰具有统一的双通道对消结果，为了简化模型和分析方便，这里以散射波干扰为例给出SAR双通道对消系统的双站干扰原理。如图2所示，两部干扰站J1和J2同时对SAR实施散射波干扰，依据式(12)，设B天线n时刻和A天线n+1时刻接收到J1发射的散射波干扰信号相位差为Δφj1，接收到J2发射的散射波干扰信号相位差为Δφj2，则有

(14)

其中，sj1b(n)表示B通道n时刻接收到J1发射的干扰信号，sj1a(n+1)表示A通道n+1时刻接收到J1发射的干扰信号，sj2b(n)表示B通道n时刻接收到J2发射的干扰信号，sj2a(n+1)表示A通道n+1时刻接收到J2发射的干扰信号，则两通道在不同时刻接收的干扰信号分别为(主要分析干扰信号的对消情况)：

(15)

将式(15)代入式(14)可得：

sbj(n)=saj(n+1)·exp(jΔφj1)+sj2b(n)·

(16)

由上文分析可知，为有效干扰双通道对消系统，需满足相位条件Δφj1-Δφj2≠2kπ，由式(11)可得Δφj1=2π(Raj1-Rbj1)/(λRrj1)，Δφj2=2π(Raj2-Rbj2)/(λRrj2)，为保证干扰的实时性、有效性以和干扰功率利用效率，干扰站通常布置在待保护区域附近，假设两部干扰站沿方位向不同位置部署，两部干扰站到SAR平台最短斜距可近似为Rrj1≈Rrj2=Rrj0，依据干扰信号传播路径关系并进行Fresnel近似可得：

Δφj1-Δφj2≈2πD(xj1-xj2)/(λRrj0)

(17)

其中，xj1-xj2为两部干扰站方位向距离差，可见相位差Δφj1-Δφj2与两部干扰站的方位向距离差成线性关系。图3为不同参数情况下相位差Δφj1-Δφj2随干扰站方位向距离差的变化曲线，从图中可以看出两者基本符合式(17)的线性关系，且通常情况下都能够满足条件Δφj1-Δφj2≠2kπ。实际干扰中无法实时准确获得干扰站与SAR平台的相对位置关系，因此可沿方位向不同位置部署多部干扰站同时对SAR实施分布式协同干扰，以达到大范围持续性干扰效果。

图3 相位差随方位向距离差变化曲线Fig.3 The change curve of phase difference with distancedifference in Azimuth

4 仿真实验分析

SAR双通道对消系统参数如表1所示，设SAR成像场景距离向范围为[9 800,10 200](单位/m)，方位向范围为[-150,150]，场景中心坐标为[10 000,0](斜距-方位坐标)，图4为无干扰时SAR场景成像结果。

表1 仿真实验参数

4.1 SAR双通道对消的干扰抑制效果

假设单部干扰站J1坐标为[9 900,-60]，图5为不同干扰样式时SAR单通道场景成像结果(A、B两通道成像结果相同)，其中图5(a)为干信比10 dB时相干噪声干扰效果；依据SAR欺骗干扰原理产生9个虚假目标，图5(b)为干信比5 dB时虚假欺骗干扰效果；根据SAR散射波干扰原理，在场景中设置3个强散射点作为散射目标，图5(c)为干信比10 dB时散射波干扰效果。由图5可知，三种干扰样式均可对单通道SAR实施有效干扰。采用本文方法对A、B两通道干扰信号进行对消，由于直达波干扰和散射波干扰的双通道对消结果是统一的，故三种干扰样式的双通道对消成像结果均如图6所示，从图中可以看出干扰信号均被完全对消，且由于对消后目标信号受调制项影响，目标图像沿方位向产生周期性的明暗变化，将导致目标信息的周期性损失，其中黑色条纹区域是由于干扰信号与目标信号的相位差接近2π整数倍造成的，以上仿真结果均与理论分析一致。

图4 无干扰时场景成像Fig.4 Scene imaging without jamming

图5 不同干扰时SAR单通道成像结果Fig.5 Imaging result of single channel with different jamming styles

图6 SAR双通道干扰对消结果Fig.6 Imaging result after SAR dual-channel cancellation

4.2 SAR双通道对消的多站干扰效果

对比图5和图6可知，SAR双通道对消技术可有效抑制单部干扰站的直达波干扰和散射波干扰，显著增强了SAR系统抗干扰性能，因此必须采用多部干扰站才能实施有效干扰。以双干扰站为例进行仿真分析，设干扰站J1坐标保持不变，干扰站J2坐标为[9 900,60]，其余仿真条件不变，两部干扰站同时向SAR平台实施直达波干扰和散射波干扰，图7为不同干扰样式时SAR双通道对消结果。对比图6和图7可知，由于A、B两通道接收到的干扰信号经矢量叠加后具有不同的幅度和相位，因此双通道对消后干扰仍然存在，且成像场景沿方位向产生周

期性的明暗变化，验证了多干扰站对SAR双通道对消系统实施干扰的可行性和有效性。其中图7(a)为两部干扰站同时实施相干噪声干扰的双通道对消结果，对比图5(a)可知，两部干扰站产生了累加干扰效果，遮盖效果更好，明暗区域在噪声干扰下表现不明显；图7(b)为虚假欺骗干扰时双通道对消结果，此时依据欺骗干扰原理，两部干扰站在同一区域分别产生位置相同的9个虚假目标，将形成叠加干扰效果，对消后周期性的明暗区域比较明显；图7(c)为散射波干扰时双通道对消结果，此时3个散射目标位置不变，两部干扰站同时向散射目标投射干扰信号，依据散射波干扰原理，两部干扰站在不同区域形成了两组散射波干扰目标。

综合以上仿真分析可知，双干扰站能够有效削弱SAR双通道的干扰对消性能，并显著增强了直达波干扰和散射波干扰对双通道SAR系统的对抗性能。在实际干扰应用中，应依据干扰的战术、技术需求，充分利用干扰资源，沿场景方位向不同位置部署多部分布式干扰站，且每部干扰站协同发射不同强度的干扰信号，此时两通道的干扰信号经矢量叠加后在幅度和相位上均存在较大差异，采用双通道对消将无法消除干扰信号，从而确保干扰的有效性和持续性。

图7 双干扰站时SAR双通道干扰对消结果Fig.7 Imaging result after SAR dual-channel cancellation with two jammers

5 结论

本文提出了合成孔径雷达双通道对消的多站干扰方法。该方法利用多部干扰站实施分布式协同干扰，使SAR系统无法通过估计每个采样时刻的补偿相位对双通道的干扰信号进行对消，并给出了使双通道对消系统失效的相位条件和多干扰站沿方位向的部署方案。仿真实验表明，该方法可有效破坏SAR双通道干扰对消的性能，显著增强直达波干扰和散射波干扰对双通道SAR系统的干扰效果。该方法还可以推广到多干扰站对SAR多通道对消系统干扰中去，能够显著提升对多通道SAR的对抗能力，具有较强的军事应用价值。

[1]保铮, 邢孟道, 王彤. 雷达成像技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

[2]Cumming I G, Wong F H. Digital processing of synthetic aperture radar data: algorithms and implementation [M]. Boston: Artech House, 2009.

[3]吴晓芳, 代大海, 王雪松, 等. 合成孔径雷达电子对抗技术综述[J]. 信号处理, 2010, 26(3): 424-435.

[4]贾鑫, 叶伟, 吴彦鸿, 等. 合成孔径雷达对抗技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014.

[5]Sjogren T K, Viet T V, Pettersson M I, et al. Suppression of clutter in multichannel SAR-GMTI[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2014, 52(7): 4005-4013.

[6]Zhang S X, Xing M D, Xia X G, et al. Robust clutter suppression and moving target imaging approach for multichannel in azimuth high-resolution and wide-swath synthetic aperture radar[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2015, 53(2): 687-709.

[7]Rosenberg L, Gray D. Anti-jamming techniques for multichannel SAR imaging[J]. IEEE Proc-Radar Sonar Navig, 2006, 153(3): 234-242.

[8]唐波, 王卫延. 干涉合成孔径雷达抗干扰性能分析[J]. 电子与信息学报, 2006, 28(10): 1809-1811.

[9]Huang L, Dong C X, Shen Z B, et al. The influence of rebound jamming on SAR-GMTI[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2015, 12(2): 399-403.

[10]王爱军, 褚建祥, 王平, 等. 双通道对消方法抑制SAR干扰对目标的影响分析[J]. 航天电子对抗, 2007, 23(1): 35-39.

[11]马晓岩, 秦江敏, 贺照辉, 等. 抑制SAR压制性干扰的三通道对消方法[J]. 电子学报, 2007, 35(6): 1015-1020.

[12]李晨, 朱岱寅. 利用双天线干涉检测针对SAR的欺骗干扰[J]. 电子与信息学报, 2007, 29(6): 1412-1415.

[13]甘荣兵, 王建国, 何川. 双路对消抑制对合成孔径雷达的弹射式干扰[J]. 信号处理, 2005, 21(1): 27-30.

[14]甘荣兵, 王建国, 何川. 双天线对消弹射式干扰中的相位估计[J]. 电子学报, 2005, 33(9): 1691-1693.

[15]黄龙, 董春曦, 赵国庆. 利用多干扰站对抗SAR 双通道干扰对消技术的研究[J]. 电子与信息学报, 2014, 34(4): 903-907.

[16]黄龙, 董春曦, 沈志博. 多天线干扰站对抗InSAR双通道干扰对消的研究[J]. 电子与信息学报, 2015, 37(4): 913-918.

JammingTechniqueofMulti-jammersAgainstSARDual-channelCancellation

FANG Mingxing1, BI Daping1, SHEN Aiguo1, LIU Qian2

(1. Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China; 2. National Defense Information Academy, Wuhan 430000, China)

SAR dual-channel cancellation technique can suppress the jamming signal of single jammer. An jamming method of multi-jammers against SAR dual-channel cancellation system was proposed. The proposed method used multi-jammers to implement distributed cooperative jamming, thus the SAR system could not estimate the compensation phase of each sampling time, which made SAR dual-channel cancellation technique invalid. Then, phase condition and jammer configuration scheme that made the dual-channel cancellation invalid were discussed. The simulation results showed that the method could effectively destroyed the SAR dual-channel cancellation system, and enhanced the jamming performance of direct wave and scatter-wave against dual-channel SAR system.

synthetic aperture radar (SAR); electronic countermeasures; dual-channel cancellation; multi-jammers

2017-02-12

:国家自然科学基金项目资助(61171170)

:房明星(1988—)，男，安徽蚌埠人，博士研究生，研究方向：SAR信号处理及SAR对抗理论。E-mail:mingxingfang89@163.com。

TN974

：A

：1008-1194(2017)04-0054-06