對合成孔徑雷達的彈射式干擾研究

王 強

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radr，SAR)是利用合成孔徑原理、脈沖壓縮技術和信號處理方法，以真實的小孔徑天線獲得距離向和方位向雙向高分辨率遙感成像的雷達系統(tǒng)。具有全天候、全天時工作和實時處理信號的能力，它在不同頻段、不同極化下可得到目標的高分辨率雷達圖像。因此，SAR成像技術在戰(zhàn)略偵察、情報收集、戰(zhàn)場監(jiān)視、攻擊引導、打擊效果評估等諸多方面獲得了廣泛應用。在未來戰(zhàn)爭中，為能夠更好地隱蔽重要目標、保存己方部隊，就必須對敵方SAR實施有效干擾，破壞和擾亂敵方利用SAR檢測我方目標信息，因此對 SAR的干擾技術研究具有重要意義。

對合成孔徑雷達彈射式干擾的工作原理是偵察對方SAR發(fā)射的信號，然后向地面目標轉(zhuǎn)發(fā)此信號，信號通過地面反射被SAR接收，由于干擾信號與SAR回波信號性質(zhì)相同，將通過SAR系統(tǒng)，在成像處理中產(chǎn)生虛假目標，從而掩蓋真實目標［1］。

1 彈射式干擾模型

彈射式干擾的工作原理［2］:干擾機接收SAR信號，將信號放大并轉(zhuǎn)發(fā)到目標區(qū)域。干擾信號通過目標的散射一部分被SAR接收。這樣SAR接收到的信號不僅包含了目標對SAR發(fā)射波的后向散射波，而且包含了目標對干擾機產(chǎn)生干擾信號的散射波。其中干擾信號和目標信號相似，是線性調(diào)頻信號，并且也有多普勒頻率。圖1給出了在點目標的情況下，雷達、干擾機和目標的空間分布圖。

圖1 彈射式干擾空間區(qū)域分布圖

圖中干擾機位于B點，坐標為(xB，yB，zB)，距離地面高度為h;SAR高度為H，沿x軸以速度v作勻速運動;C為干擾區(qū)域內(nèi)一散射點，坐標為(xC，yC，zC)。由圖1可知，zB=h，干擾機與雷達之間的垂直斜距為rB=散射點與雷達之間的垂直斜距為

假設t=0時刻，SAR位于A點，則在任意時刻，雷達與干擾機的距離為

干擾機與目標散射點的距離

散射點與雷達的距離

1.1 SAR接收信號

假設t時刻，SAR發(fā)射線性調(diào)頻信號［3］是

若干擾機將接收到的雷達信號轉(zhuǎn)投到C點，信號經(jīng)C點散射后被雷達接收。則t時刻，雷達接收到來自C點的信號可表示為

式中，σt和σd分別代表回波中目標信號和干擾信號的散射強度;τd是干擾機轉(zhuǎn)發(fā)信號的延遲時間;RD(t)是從雷達到干擾機，然后到目標點，再回到雷達天線的總距離，即

RT(t)是雷達與目標之間距離的兩倍，即

由式(5)可見，雷達回波是同一信號不同延時的和。

1.2 干擾信號的距離向壓縮和多普勒頻率

對式(5)作距離向壓縮處理，處理后的表達式為

從式(8)可以看出，單點目標信號經(jīng)距離壓縮后，在距離向上得到兩個目標，位置分別為

式中，Sa反映了目標的真實距離，是雷達信號直接作用于目標產(chǎn)生回波的貢獻;Sb是產(chǎn)生的干擾目標的距離，它由干擾機位置、目標位置、干擾機延遲共同決定。真實目標和假目標的距離分辨率都是c/2Br。

接著考慮干擾信號的方位壓縮，將RD(t)對慢時間t求導得到多普勒頻率fdD。由式(1)～式(3)可得

再對式(10)求導可得多普勒頻率的變化率f'dD

假設rB≈rC，此時式(10)可以表示為，多普勒零頻率將出現(xiàn)在處。此時，多普勒頻率的變化率可表示為，由此可見，干擾信號在方位向上近似于線形調(diào)頻信號，而且調(diào)頻斜率與目標信號近似，多普勒中心是因此干擾信號能被壓縮成像。

1.3 干擾效果理論分析

彈射式干擾信號是干擾機轉(zhuǎn)發(fā)的雷達信號，再經(jīng)地面目標散射而形成，雷達接收到的干擾區(qū)域某目標的干擾信號與該目標點的真實回波信號的區(qū)別在于，信號所經(jīng)歷的路程不同，后向散射系數(shù)不同。由于彈射式干擾信號在傳播路徑中發(fā)生了改變，因此干擾信號經(jīng)成像處理后產(chǎn)生的干擾點相對應于真實目標點出現(xiàn)的位置會有偏差。這個位置偏差同干擾機和散射目標的相對位置以及干擾機的轉(zhuǎn)發(fā)延遲τd有關。

利用圖1對干擾后成像點的位置與真實目標點的位置之間的關系進行討論。設h?H，散射目標點與干擾機與雷達的垂直斜距近似相等，即rB≈rC，干擾機的轉(zhuǎn)發(fā)延時τd=0。

設C點真實信號的多普勒頻率為fcD，由式(7)可得

則由式(10)可得C點干擾信號的多普勒頻率可寫為

由式(9)可知，在經(jīng)過距離壓縮后，干擾目標與散射目標之間的距離向位置差為

將式(1)～式(3)、式(6)、式(7)代入式(15)中，可得

其中

由于 rC?(vt－xB)，rC?(vt－xC)，故 ζ(t)?xC－ xB。由式(16)知，ΔS的值同干擾機高度h、干擾機同散射點的方位向位置差(xB－xC)以及距離向位置差(yB－yC)有關。

2 實驗仿真

合成孔徑雷達接收機接收到的點目標彈射式干擾功率為

式中，Pj為干擾機接收到SAR信號經(jīng)放大后的功率;Gj為干擾機天線的增益;Gr(θ)為雷達天線的在干擾方向的天線增益;σj為目標散射截面積;Rj為干擾機到點目標的距離;Rr為目標點到雷達的距離。

合成孔徑雷達接收機接收到的點目標回波功率為

式中，Pt為雷達的發(fā)射功率;Rt為雷達到目標的距離，在信號處理中，由于干擾信號與回波信號相似，能獲得信號的處理增益，所得的點目標干信比為

為驗證彈射式干擾理論分析的正確性，將對面目標做干擾仿真。首先選取一幅河流圖像作為場景進行SAR成像。仿真參數(shù)設置:信號載頻10 GHz，脈沖重復頻率 500 Hz，脈寬 3 μs，帶寬 50 MHz，采樣頻率100 MHz，天線真實孔徑橫向尺寸10 m，SAR下視角β=70°;取導彈在慢時間為零時刻的高度為20 km，速度 vx=1 km/s，vy=0 m/s，vz=0 m/s，導彈做勻速直線飛行，取斜視角θ=0°，干信比定義為干擾功率與最強散射點回波功率的比值。用RD算法成像［4］，未加干擾時如圖2所示。

圖2 未加干擾時的SAR成像

當只加一部干擾機，它的坐標為(200，5.42×104，10)，單位m，此時加干擾后的SAR成像如圖3所示。從仿真中可以看出，干擾后的圖像是由原始圖像和干擾圖像疊加而成，干擾圖像正如理論分析的那樣，是原始圖像扭曲變形的結(jié)果，它只能遮蓋原始圖像的1/2。如果再加一部干擾機，坐標為(－200，5.42 ×104，10)，單位m，此時加干擾后的SAR成像如圖4所示。

從仿真圖像中可以看出，加了兩部干擾機后，干擾圖像就可以覆蓋整個原始圖像，從而對整個場景起到保護作用［5］。

3 結(jié)束語

從理論推導和實驗仿真結(jié)果分析可以看出，彈射式干擾的結(jié)果就是原始圖像與干擾圖像的疊加，其中干擾圖像相當于一幅由原始圖像形變移位后的圖像，它的干擾區(qū)域可以由干擾機位置和目標區(qū)域計算出。若要對整個目標場景進行保護，則需要兩部以上干擾機對SAR進行協(xié)同干擾;若只對場景中的重要目標進行保護，則只需一部干擾機。

彈射式干擾不直接發(fā)射電波到空中，所以具有一定的隱蔽性，而且干擾信號與原始信號的相似性，容易通過SAR的接收機，從而更好地進行干擾。

［1］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［2］李晨.合成孔徑雷達有源欺騙干擾研究［D］.南京:南京航空航天大學，2005.

［3］徐美林.對合成孔徑雷達干擾與抗干擾及效能評估的研究［D］.成都:電子科技大學，2005.

［4］保錚，邢孟道，王彤.雷達成像技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［5］羅強，朱守保，童創(chuàng)明，等.合成孔徑雷達隨機移頻干擾研究及效能評估［J］.電子科技，2011，24(10):11－13.