基于調(diào)頻率捷變的抗移頻干擾SAR成像方法

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,四川成都611731)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是20世紀(jì)發(fā)展起來的主動式微波成像雷達(dá),它利用合成孔徑原理和脈沖壓縮技術(shù),能全天候、全天時獲取二維高分辨雷達(dá)圖像,在軍事偵察領(lǐng)域具有重大價值。合成孔徑雷達(dá)的干擾和抗干擾手段已是當(dāng)前電子對抗領(lǐng)域的一個重要研究對象[1-3]。

合成孔徑雷達(dá)采用脈沖壓縮信號,具有高分辨率、低截獲概率和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢。但脈沖壓縮信號的時延和頻移具有強(qiáng)耦合性,固定移頻干擾利用這個特性,常常采用數(shù)字射頻存儲器(DRFM)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對合成孔徑雷達(dá)的干擾[4-7]。

數(shù)字射頻存儲器需要截獲雷達(dá)信號,提取波形參數(shù),再利用這些波形參數(shù)重組雷達(dá)信號發(fā)射給被干擾雷達(dá)實(shí)施欺騙干擾,針對數(shù)字射頻存儲器干擾原理,將固定參數(shù)的發(fā)射信號改為非固定參數(shù),防止數(shù)字射頻存儲器復(fù)制正確的波形參數(shù),以達(dá)到抗干擾的目的[8-10]。

1 基于調(diào)頻率極性捷變的抗干擾SAR成像原理

條帶式合成孔徑雷達(dá)斜視成像如圖1所示,假設(shè)平臺沿著曲線ABC運(yùn)動,x軸為方位向,y軸為距離向,z軸為垂直向,Q為點(diǎn)目標(biāo)位置,τ為距離向時間(快時間),ta為方位向時間(慢時間)。

圖1 雷達(dá)平臺斜視成像的幾何關(guān)系

假設(shè)經(jīng)過任意時刻ta,雷達(dá)平臺到達(dá)了位置C,此時雷達(dá)平臺到點(diǎn)目標(biāo)Q的瞬時斜距為

將上式在ta=0時處進(jìn)行泰勒級數(shù)展開,可以得到

1.1 回波模擬信號

合成孔徑雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號為

式中,T為合成孔徑時間,Kr為線性調(diào)頻信號的調(diào)頻率,ω0為載頻。

上述信號經(jīng)過接收機(jī),去除載頻信號,將回波信號調(diào)制到基帶,可以得到

式中,Ar和Aa分別為距離向和方位向的窗函數(shù)。

當(dāng)干擾機(jī)接收到發(fā)射的線性調(diào)頻信號,并附加固定角頻移量ωd后轉(zhuǎn)發(fā),則在雷達(dá)接收機(jī)輸入端的信號為

將由干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號去除載頻信號,調(diào)制到基帶,可以得到

比較式(4)和式(6),可以得到

1.2 調(diào)頻率極性捷變

因移頻干擾利用脈沖壓縮信號時延和頻移的強(qiáng)耦合特性對SAR系統(tǒng)實(shí)施有效干擾,為抑制移頻干擾,可以采用改變信號波形的方法,事先在發(fā)射的波形中加入捷變的脈間信號參數(shù),系統(tǒng)就可以在不同慢時間使用不同的信號參數(shù),這使得干擾機(jī)很難使用先前偵獲的雷達(dá)信號慢時間參數(shù)來干擾當(dāng)前慢時間的雷達(dá)工作。

改變調(diào)頻率是改變信號波形中較為容易的一種方法,該方法將在相鄰慢時間的雷達(dá)發(fā)射信號的調(diào)頻率乘上一個交替變化的常數(shù)+1、-1,讓調(diào)頻率的正負(fù)極性交替變化。

假設(shè)雷達(dá)第n個脈沖重復(fù)周期間隔內(nèi)接收的信號為

式中,Sr(τ)=s n(τ,ta)為雷達(dá)接收到的真實(shí)目標(biāo)信號,由 式 (7)可 以 得 到J(τ)=s n-1(τ,ta)·為雷達(dá)在相同周期內(nèi)接收到的由干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的固定移頻干擾信號,它由雷達(dá)對上一個脈沖重復(fù)周期發(fā)射的脈沖調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)而成。

對加入基于調(diào)頻率極性捷變的抗干擾方法進(jìn)行SAR成像算法處理,由線性調(diào)頻信號的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性可知,真實(shí)目標(biāo)信號匹配而干擾信號失配。

1.3 調(diào)頻率極性捷變結(jié)合限幅

鑒于直接目標(biāo)匹配脈壓處理對高干信比或是強(qiáng)干擾信號效果甚微,為了加強(qiáng)其抗干擾效果,需要在真實(shí)目標(biāo)信號匹配濾波前降低干擾信號的影響。由于已知雷達(dá)發(fā)射信號,利用偵獲的干擾信號,得到干擾信號的調(diào)頻率,先利用干擾信號的調(diào)頻率進(jìn)行匹配濾波,限幅后進(jìn)行逆匹配濾波得到恢復(fù)后的信號,恢復(fù)后的信號包含了被大幅削弱的干擾信號和受影響甚微的真實(shí)目標(biāo)信號,最后使用恢復(fù)后信號的調(diào)頻率的匹配濾波函數(shù)進(jìn)行脈沖壓縮,此過程中干擾信號再次被削弱?？垢蓴_流程如圖2所示。

圖2 基于調(diào)頻率極性捷變結(jié)合限幅的抗干擾流程圖

調(diào)頻率極性捷變結(jié)合限幅的方法與調(diào)頻率極性捷變的方法類似,僅對固定移頻干擾在距離向產(chǎn)生的干擾有抑制效果,并不改變方位向的信息,因此處理流程上僅對距離脈沖壓縮進(jìn)行改變,即在基于級數(shù)反演的成像算法中對二維頻域中使用調(diào)頻率極性捷變與幅度限制相結(jié)合的方法。

2 仿真結(jié)果

應(yīng)用上述的干擾方法和抗干擾處理,采用了表1仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 雷達(dá)實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)

圖3(a)為干擾機(jī)對合成孔徑雷達(dá)進(jìn)行固定移頻干擾的成像結(jié)果,其干信比為0 dB并且保留了脈間相位相干特性,其固定移頻量fd=Br/10=7.5 MHz。圖3(a)上方的點(diǎn)為條帶內(nèi)真實(shí)點(diǎn)目標(biāo)成像,下方的點(diǎn)為保留了脈間相位相干特性時固定移頻干擾所產(chǎn)生的虛假點(diǎn)目標(biāo)。圖3(b)為去除脈間相位相干特性固定移頻干擾的成像結(jié)果,此時合成孔徑雷達(dá)在距離向作相干處理,方位向作非相干處理,虛假目標(biāo)成像輸出在方位向會是一條線。

圖3 固定移頻干擾仿真成像

圖4(a)為調(diào)頻率極性捷變的抗干擾仿真成像,干信比為0 d B;圖4(b)為調(diào)頻率極性捷變的抗干擾仿真成像,干信比為20 dB?？垢蓴_仿真均保留了脈間相位相干特性。

圖5(a)為調(diào)頻率極性捷變的抗干擾仿真距離峰值旁瓣比(PSLR),干信比為0 dB;圖5(b)為調(diào)頻率極性捷變的抗干擾仿真距離峰值旁瓣比,干信比為20 dB。對比圖4(a)與圖4(b)、圖5(a)與圖5(b)可以發(fā)現(xiàn),在高干信比的情況下,盡管干擾信號失配,但由于其能量大,依然可以覆蓋真實(shí)信號目標(biāo)。

圖6(a)為調(diào)頻率極性捷變結(jié)合限幅的抗干擾仿真成像,干信比為20 dB;圖6(b)為調(diào)頻率極性捷變結(jié)合限幅的抗干擾仿真距離峰值旁瓣比,干信比為20 d B。分別對比圖4(b)與圖6(a)、圖5(b)與圖6(b)可以看出,基于調(diào)頻率捷變結(jié)合限幅的抗干擾方法有更明顯的抗干擾效果。

圖4 基于調(diào)頻率極性捷變抗干擾成像

圖5 基于調(diào)頻率極性捷變抗干擾距離峰值旁瓣比

圖6 基于調(diào)頻率捷變結(jié)合限幅的抗干擾成像

3 結(jié)束語

從前面的分析和仿真可以看出,固定移頻干擾對合成孔徑雷達(dá)有很明顯的欺騙干擾作用,而本身對于處理距離向欺騙干擾的基于調(diào)頻率極性捷變的抗干擾方法,在對于固定移頻干擾有較明顯的抑制作用,當(dāng)遇到強(qiáng)干擾時,結(jié)合限幅的調(diào)頻率極性捷變的抗干擾方法能提高抗干擾性能。通過仿真成像,可以清楚地看到基于調(diào)頻率極性捷變的抗干擾方法能有效抑制固定移頻干擾對合成孔徑雷達(dá)的影響。

[1]趙國慶.雷達(dá)對抗原理[M].2版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2012:145-178.

[2]GARMATYUK D S,NARAYANAN R M.ECCM Capabilities of an Ultrawideband Bandlimited Random Noise Imaging Radar[J].IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems,2002,38(4):1243-1255.

[3]MITTERMAYER J,MARTíNEZ J M.Analysis of Range Ambiguity Suppression in SAR by Up and Down Chirp Modulation for Point and Distributed Targets[C]∥IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Toulouse,France:IEEE,2003:4077-4079.

[4]張宏榮,唐月生.SAR干擾信號產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2010,8(1):20-25.ZHANG Hong-rong,TANG Yue-sheng.Design of SAR Jamming Signal Generating System[J].Radar Science and Technology,2010,8(1):20-25.(in Chinese)

[5]SOUMEKH M.SAR-ECCM Using Phase-Perturbed LFM Chirp Signals and DRFM Repeat Jammer Penalization[J].IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems,2006,42(1):191-205.

[6]DUMPER K,COOPER P S,WONS A F,et al.Spaceborne Synthetic Aperture Radar and Noise Jamming[C]∥Radar International Conferene,Edinburgh,UK:IEE,1997:411-414.

[7]LU G,ZENG D,TANG B.Anti-Jamming Filtering for DRFM Repeat Jammer Based on Stretch Processing[C]∥2nd International Conference on Signal Processing Systems(ICSPS),Dalian:IEEE,2010:78-82.

[8]ROSENBERG L,GRAY D.Anti-Jamming Techniques for Multichannel SAR Imaging[J].IEE Proceedings:Radar,Sonar and Navigation,2006,153(3):234-242.

[9]AKHTAR J.An ECCM Signaling Approach for Deep Fading of Jamming Reflectors[C]∥IET International Conference on Radar Systems,Edinburgh,UK:IET,2007:1-5.

[10]AKHTAR J.An ECCM Scheme for Orthogonal Independent Range-Focusing of Real and False Targets[C]∥IEEE Radar Conferene,Boston,MA:IEEE,2007:846-849.