一種彈載SAR相位域調(diào)制欺騙干擾方法

和小冬，唐　斌

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，　成都 611731)

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一種彈載SAR相位域調(diào)制欺騙干擾方法

和小冬，唐斌

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731)

摘要：從相位域假目標(biāo)調(diào)制的角度提出了一種針對(duì)彈載合成孔徑雷達(dá)的欺騙干擾信號(hào)產(chǎn)生方法。首先，干擾機(jī)根據(jù)偵察系統(tǒng)提供的彈載合成孔徑雷達(dá)平臺(tái)參數(shù)，將假目標(biāo)模板按散射單元?jiǎng)澐志嚯x向單元，計(jì)算距離向單元內(nèi)各散射單元對(duì)應(yīng)的多普勒頻率、多普勒頻率的和函數(shù)、相位及幅度信息；其次，對(duì)截獲的彈載合成孔徑雷達(dá)信號(hào)按距離單元進(jìn)行相位延時(shí)調(diào)整、假目標(biāo)相位調(diào)制；然后，利用假目標(biāo)模板獲取的多普勒信號(hào)幅度信息進(jìn)行雷達(dá)散射截面重建；最后，對(duì)各距離單元干擾信號(hào)求和后轉(zhuǎn)發(fā)。仿真結(jié)果表明：由該方法產(chǎn)生的干擾信號(hào)能夠形成期望的假目標(biāo)，是一種有效的干擾方法。

關(guān)鍵詞：相位調(diào)制；假目標(biāo)模板；欺騙干擾；彈載；合成孔徑雷達(dá)

0引言

傳統(tǒng)的導(dǎo)彈導(dǎo)引頭通常采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)與末段紅外成像作為制導(dǎo)方法。雖然INS制導(dǎo)技術(shù)的隱蔽性好，且不受氣象條件影響，但其導(dǎo)航積累誤差將降低與末制導(dǎo)技術(shù)的交接成功率，進(jìn)而降低打擊精度。目前，將合成孔徑雷達(dá)(SAR)應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)已成為導(dǎo)引頭技術(shù)應(yīng)用的又一研究方向[1]。

采用INS/SAR復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)可以修正INS的位置誤差提高制導(dǎo)精度，對(duì)時(shí)敏目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別，對(duì)成像區(qū)域內(nèi)的多目標(biāo)進(jìn)行甄別與重要目標(biāo)選擇，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行毀傷評(píng)估與打擊戰(zhàn)略制定[2]。國(guó)外在彈載SAR導(dǎo)引頭技術(shù)方面較早地開展了相關(guān)研究，且已在目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、INS修正等方面取得了成功應(yīng)用。主要有美國(guó)空地導(dǎo)彈Hammerhead項(xiàng)目SAR導(dǎo)引頭[2]、寬域搜索WASSAR導(dǎo)引頭[3]、雷聲公司Ka波段對(duì)地導(dǎo)彈SAR導(dǎo)引頭[4]、德國(guó)對(duì)地導(dǎo)彈EADS紅外/毫米波雙模導(dǎo)引頭[5]、EADS MMW-SAR導(dǎo)引頭[6]，以及法國(guó)對(duì)地導(dǎo)彈達(dá)索、湯姆遜-CFS SAR匹配制導(dǎo)系統(tǒng)[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)彈載SAR導(dǎo)引頭技術(shù)的研究主要在超高速、大斜視、曲線運(yùn)動(dòng)軌跡條件下的成像算法理論研究[7-11]。

在曲線航跡條件下，彈載SAR系統(tǒng)需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及成像、圖像幾何畸變校正、目標(biāo)特征提取、場(chǎng)景匹配、導(dǎo)彈位置的求解及導(dǎo)航校正[12]。因此，彈載SAR必然采用“快視”成像算法，以降低運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算量，提高成像速度。這必然降低彈載SAR圖像的分辨率、目標(biāo)特征提取數(shù)量與精度以及目標(biāo)匹配精度，從而為假目標(biāo)欺騙干擾的實(shí)施提供了可行性。然而，彈載SAR“快視”成像算法，使干擾機(jī)的反應(yīng)速度、干擾信號(hào)的實(shí)時(shí)產(chǎn)生面臨著一定的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于曲線航跡彈載SAR的干擾主要為噪聲壓制[13]、二維移頻[14]等常規(guī)干擾方法。盡管文獻(xiàn)[15]利用延時(shí)調(diào)頻的方法實(shí)現(xiàn)彈載SAR二維假目標(biāo)干擾，但如果假目標(biāo)模板包含的散射點(diǎn)數(shù)較大，則該方法的計(jì)算量較大，使得彈載SAR假目標(biāo)干擾的實(shí)時(shí)性較低。

根據(jù)上述分析，本文從線性調(diào)頻信號(hào)相位域調(diào)制的角度，提出了一種基于假目標(biāo)相位模板調(diào)制的彈載SAR欺騙干擾信號(hào)產(chǎn)生方法。首先，根據(jù)分辨率要求將假目標(biāo)模板按散射單元?jiǎng)澐志嚯x單元，計(jì)算距離單元內(nèi)各散射單元對(duì)應(yīng)的多普勒頻率、多普勒頻率的和函數(shù)，并取其相位及幅度信息；其次，對(duì)截獲的彈載SAR信號(hào)按距離單元進(jìn)行相位延時(shí)調(diào)整、假目標(biāo)相位調(diào)制，相較頻域調(diào)制[16]、延時(shí)卷積[17]以及時(shí)域多普勒頻率調(diào)制、級(jí)聯(lián)疊加[15]等運(yùn)算量較大的干擾信號(hào)產(chǎn)生方法，假目標(biāo)相位域調(diào)制方法提高了干擾信號(hào)生成的實(shí)時(shí)性；然后，利用假目標(biāo)模板提取的距離單元多普勒信號(hào)的幅度調(diào)制經(jīng)相幅轉(zhuǎn)換的干擾信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)散射截面(RCS)重建；最后，對(duì)各距離單元干擾信號(hào)求和并轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾信號(hào)。

1彈載SAR模型

假設(shè)在方位向起始時(shí)刻以彈載SAR在地面的投影為原點(diǎn)建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系。方位向慢時(shí)間τ=0時(shí)，彈體SAR位于B點(diǎn)，高度為H，且以速度為V=(vx,vy,vz)、加速度為a=(ax,ay,az)沿軌道ABC作曲線運(yùn)動(dòng)，干擾機(jī)J與假目標(biāo)位于地面波束照射范圍(x0,y0,0)與(x0+d, y0+l,0)的位置。

圖1　彈載SAR與干擾機(jī)配置幾何關(guān)系

干擾機(jī)的瞬時(shí)斜距可表示為

RJ(τ)=

[(vxτ+axτ2/2-x0)2+(vyτ+ayτ2/2-y0)2

(1)

干擾機(jī)處的多普勒信號(hào)的中心頻率為

(2)

多普勒信號(hào)的調(diào)頻斜率為

(3)

式中：λ為載波波長(zhǎng)。

根據(jù)彈載SAR斜距模型、多普勒中心頻率與調(diào)頻斜率分析距離向、方位向假目標(biāo)欺騙干擾調(diào)制的多普勒頻率相位特性及干擾信號(hào)產(chǎn)生方法。

2欺騙干擾信號(hào)產(chǎn)生原理

2.1方位向多普勒頻率

若假目標(biāo)一散射單元A與干擾機(jī)處于同一方位向，間距為X，則假目標(biāo)A處多普勒信號(hào)的中心頻率與調(diào)頻斜率分別為

(4)

(5)

假目標(biāo)A與干擾機(jī)間的多普勒中心頻率與調(diào)頻斜率的差值分別為

(6)

(7)

在實(shí)際成像過程中，彈載SAR利用雷達(dá)波束中心與地面足跡中心間的距離替代波速照射范圍內(nèi)各散射點(diǎn)的實(shí)際距離。因此，假目標(biāo)與干擾機(jī)間的多普勒中心頻率與調(diào)頻斜率的差值可分別近似表示為

(8)

由上述分析可知，要在彈載SAR圖像中距離干擾機(jī)X處形成假目標(biāo)A，干擾機(jī)對(duì)截獲彈載SAR信號(hào)調(diào)制的相位可表示為

φAJ(τ)=2πfAJτ+πKAJτ2

(9)

由于SAR成像主要用于中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈平飛段的INS位置誤差輔助校正、下降搜索段的目標(biāo)識(shí)別與精確定位。因此，可以認(rèn)為彈載SAR發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)成像區(qū)域?yàn)槠矫娌?。相較干擾機(jī)處的多普勒頻率與調(diào)頻斜率，由式(8)可知，假目標(biāo)方位向單元內(nèi)各散射點(diǎn)的多普勒頻率、調(diào)頻斜率僅與散射點(diǎn)到干擾機(jī)的方位向間距有關(guān)。因此，假目標(biāo)模板任意方位向內(nèi)各散射點(diǎn)的多普勒信號(hào)的相位可表示為

(10)

式中：N=1,2,…,N為距離單元內(nèi)散射點(diǎn)數(shù)。

若假目標(biāo)在方位向上到干擾機(jī)的距離為X，假目標(biāo)在方位向的分辨單元為a，式(10)可表示為

(11)

對(duì)式(11)進(jìn)行分解

φa(τ)=N×φXJ(τ)+φmt(τ)

(12)

式中：m=1,2,…,M為距離單元序號(hào)。

(13)

表示假目標(biāo)在方位向距干擾機(jī)間距對(duì)應(yīng)的多普勒頻率的相位。該相位根據(jù)不同干擾策略實(shí)時(shí)產(chǎn)生，用于產(chǎn)生不同位置的單/多假目標(biāo)。

(14)

表示假目標(biāo)模板距離單元對(duì)應(yīng)的多普勒頻率的相位。該相位可根據(jù)假目標(biāo)模板預(yù)先生成。從而使得方位向各散射單元的多普勒頻率調(diào)制只需一次加法即可完成，降低了干擾信號(hào)生成的計(jì)算量，提高了欺騙干擾算法的實(shí)時(shí)性。

2.2距離向多普勒頻率

若假目標(biāo)一散射單元B與干擾機(jī)處于同一距離向，間距為Y。假目標(biāo)B處的多普勒中心頻率與調(diào)頻率分別為

(15)

(16)

假目標(biāo)B與干擾機(jī)間的多普勒中心頻率與調(diào)頻斜率的差值可分別近似表示為

(17)

在彈載SAR圖像中，若假目標(biāo)B在距離向上到干擾機(jī)的距離為Y，干擾機(jī)對(duì)截獲的彈載SAR信號(hào)調(diào)制的相位可表示為

φBJ(τ)=2πfBJτ+πKBJτ2

(18)

對(duì)距離單元上任意散射單元調(diào)制的多普勒信號(hào)的相位表示為

φmJ(τ)=2πfmJτ+πKmJτ2

(19)

其中

(20)

分解式(20)的多普勒中心頻率與調(diào)頻斜率

(21)

(22)

根據(jù)式(21)與式(22)，式(19)可改寫為

φmJ(τ)=φBJ(τ)+m×φinc(τ)

(23)

其中

(24)

表示距離向分辨率單元間的相位增量，通過相位增量級(jí)聯(lián)疊加以產(chǎn)生假目標(biāo)模板距離單元的相位調(diào)制量。

與方位向多普勒頻率調(diào)制相比較，由于彈載SAR發(fā)射信號(hào)在距離向上的傳播延遲，使得同一距離單元內(nèi)不同散射點(diǎn)處的反射信號(hào)相位不同。因此，距離單元內(nèi)各散射點(diǎn)干擾信號(hào)需對(duì)彈載SAR發(fā)射信號(hào)延時(shí)調(diào)制、多普勒頻率調(diào)制。其延遲時(shí)間由假目標(biāo)距干擾機(jī)最近的距離向間距Y與距離向分辨率d確定。

假目標(biāo)距干擾機(jī)最近的距離向間距的延遲時(shí)間為

(25)

式中：Rrange(τ)為假目標(biāo)B的斜距。

距離向分辨率d確定的延遲時(shí)間為

T2=2d/c

(26)

對(duì)任意距離單元假目標(biāo)，其延遲時(shí)間為

T=T1+m×T2

(27)

可由延遲單元經(jīng)過級(jí)聯(lián)確定。

2.3RCS重建

假設(shè)彈載SAR發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)，則任意距離單元的干擾信號(hào)解調(diào)后可表示為

sa(t,τ)=wr(t-2RJ(t,τ)/c-T1)wa(τ)×

exp(jπK(t-2RJ(t,τ)/c-T1)2)×

exp(-j(4πRJ(t,τ)/λ+T1))×sd(τ)

(28)

其中

(29)

即為距離單元調(diào)制的多普勒信號(hào)。

根據(jù)式(12)所示的相位關(guān)系，將式(29)分解為

sd(τ)=sAJ(τ)st(τ)

(30)

其中

(31)

為假目標(biāo)在方位向距干擾機(jī)的位置對(duì)應(yīng)的多普勒頻率，由式(13)實(shí)時(shí)產(chǎn)生、調(diào)制。

(32)

為假目標(biāo)模板距離單元內(nèi)各散射單元對(duì)應(yīng)的多普勒頻率。由于各散射單元的后向反射系數(shù)包含在多普勒頻率調(diào)制信號(hào)的和函數(shù)中，因此對(duì)其幅度歸一化預(yù)處理。利用歸一化數(shù)據(jù)調(diào)制相幅轉(zhuǎn)化后的欺騙干擾信號(hào)，重建假目標(biāo)后向散射系數(shù)。

2.4干擾信號(hào)產(chǎn)生流程分析

將假目標(biāo)圖像模板按分辨率單元分割為如圖2中方格所示的散射單元集合。其中，σij表示該散射單元的后向反射系數(shù)，M與N分別表示假目標(biāo)模板距離向與方位向單元數(shù)。計(jì)算假目標(biāo)模板中各散射單元相對(duì)于干擾機(jī)的多普勒頻率，各距離單元的多普勒頻率和信號(hào)的相位，并對(duì)其幅度歸一化以獲取各距離單元干擾信號(hào)的幅度調(diào)制信息。

圖2　假目標(biāo)模板預(yù)處理

假目標(biāo)模板生成干擾信號(hào)的框圖，如圖3所示。

圖3　干擾信號(hào)產(chǎn)生流程

干擾機(jī)根據(jù)偵察系統(tǒng)得到的關(guān)于彈載SAR平臺(tái)的配置參數(shù)，利用預(yù)先生成的距離單元多普勒調(diào)制頻率的相位模板對(duì)幅度相位轉(zhuǎn)換后的SAR信號(hào)的瞬時(shí)相位進(jìn)行方位向多普勒頻率相位調(diào)制，使距離單元內(nèi)各散射點(diǎn)處于期望的方位向位置；同時(shí)，計(jì)算各距離單元的多普勒調(diào)制頻率、距離單元間的延遲單元數(shù)，通過延時(shí)調(diào)整、多普勒頻率相位調(diào)制，使假目標(biāo)各距離單元處于期望的方位向；將距離向、方位向多普勒頻率調(diào)制后的干擾信號(hào)相位進(jìn)行相位幅度轉(zhuǎn)換，并利用距離單元-多普勒頻率和信號(hào)的歸一化幅度對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，從而將距離單元各散射點(diǎn)的RCS信息調(diào)制到干擾信號(hào)中，并將各距離單元干擾信號(hào)相加，從而得到假目標(biāo)模板欺騙干擾信號(hào)。

2.5計(jì)算量對(duì)比分析

以M×N個(gè)散射單元的假目標(biāo)模板為例，頻域調(diào)制[16]與延時(shí)卷積[17]假目標(biāo)干擾信號(hào)產(chǎn)生方法需要一次M點(diǎn)快速傅里葉變換(FFT)、N點(diǎn)列信號(hào)乘法與N-1點(diǎn)加法，一次M點(diǎn)延時(shí)性卷積與一次M點(diǎn)逆快速傅里葉變換，計(jì)算量分別為(M/2)log2M次乘法及Mlog2M次加法、N次乘法及N-1次加法、M次乘法及M-1次加法、(M/2)×log2M次乘法及Mlog2M次加法，總計(jì)算量為Mlog2M+M+N次乘法及M+N-2次加法。時(shí)域多普勒頻率調(diào)制、級(jí)聯(lián)疊加[15]假目標(biāo)干擾信號(hào)產(chǎn)生方法需要M×N次乘法及M×N-1次加法。本文算法需要一次幅相轉(zhuǎn)換、M次相幅轉(zhuǎn)換、M次相位調(diào)制、M次RCS調(diào)制與M-1次距離單元求和，其計(jì)算量分別為基于泰勒級(jí)數(shù)的63次乘法、2M次加法、7M次乘法、M次乘法、M-1次加法，總計(jì)算量為7M+63次乘法、3M-1次加法。

由上述計(jì)算量對(duì)比分析可知，本文提出的欺騙干擾信號(hào)產(chǎn)生方法所需的計(jì)算量較低，從而提高了干擾信號(hào)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)性。值得注意的是，該方法的計(jì)算量由假目標(biāo)模板的距離單元數(shù)確定，與距離單元內(nèi)的散射點(diǎn)數(shù)無關(guān)。因此，可以使用距離單元內(nèi)的散射點(diǎn)數(shù)較多的假目標(biāo)模板，從而擴(kuò)展方位向干擾場(chǎng)景。

3仿真分析

為了驗(yàn)證本文方法的干擾效果，采用如表1所示的彈載SAR運(yùn)動(dòng)參數(shù)與信號(hào)參數(shù)，對(duì)上述彈載SAR欺騙干擾信號(hào)產(chǎn)生方法進(jìn)行假目標(biāo)成像仿真分析。

表1　彈載SAR仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

若假目標(biāo)模板由如圖4所示的散射點(diǎn)陣組成。設(shè)干擾機(jī)位于(200 m,10 000 m)處，若假目標(biāo)與干擾機(jī)在同一距離向上，在方位向上距離干擾機(jī)300 m，根據(jù)表1中所示的參數(shù)及式(9)，得到假目標(biāo)模板散射點(diǎn)陣對(duì)應(yīng)的距離單元多普勒頻率模板，如圖5所示。其中縱坐標(biāo)表示該距離向單元內(nèi)各個(gè)散射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多普勒頻率值。將各距離單元多普勒頻率信號(hào)求和，則和信號(hào)的相位模板如圖6所示，其中各點(diǎn)目標(biāo)的RCS值服從[0,1]均勻分布。將各距離單元多普勒頻率和信號(hào)幅度歸一化得到的RCS調(diào)制模板，如圖7所示。

圖4　假目標(biāo)模板散射點(diǎn)陣

圖5　距離單元多普勒頻率

圖6　相位模板

圖7　RCS調(diào)制模板

利用點(diǎn)陣假目標(biāo)模板產(chǎn)生的干擾信號(hào)經(jīng)成像處理，其結(jié)果如圖8所示。

圖8　點(diǎn)陣艦船目標(biāo)欺騙干擾圖像

由圖8可以看出：由點(diǎn)陣假目標(biāo)模板產(chǎn)生的假目標(biāo)干擾信號(hào)，能夠在彈載SAR圖像中期望的位置形成與調(diào)制模板相似的欺騙干擾圖像，取得了較好的成像效果，從而驗(yàn)證了該方法的有效性。

4結(jié)束語

本文利用距離單元多普勒調(diào)制頻率的相位與幅度模板，對(duì)截獲信號(hào)的瞬時(shí)相位調(diào)制，對(duì)相位幅度轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行RCS調(diào)制，避免了對(duì)截獲信號(hào)作FFT或距離單元各反射單元的干擾信號(hào)的級(jí)聯(lián)求和，降低了距離單元干擾信號(hào)生成的復(fù)雜度，提高了干擾信號(hào)的實(shí)時(shí)性。仿真結(jié)果表明：由該方法產(chǎn)生的干擾信號(hào)能夠在彈載SAR圖像期望的位置產(chǎn)生假目標(biāo)圖像，為彈載SAR假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)的實(shí)時(shí)產(chǎn)生提供了一種可行性方法。

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和小冬男，1984年生，博士。研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)電子對(duì)抗技術(shù)。

唐斌男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗、雷達(dá)抗干擾與新一代雷達(dá)、通信接收機(jī)技術(shù)。

·仿真系統(tǒng)· DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.11.019

A Method of Deceptive Jamming for Countering Missile-borne SAR

Based on Phase Domain Modulation

HE Xiaodong，TANG Bin

(School of Electronic Engineering,

University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731, China)

Abstract：A false target deceptive jamming signal generation method for countering missile-borne systsetic aperture radar (SAR) is proposed in this paper, which is based on phase domain false target template modulation. According to the parameters of missile-borne SAR detected by the reconnaissance system, the false target template is divided into scatter units by the jammer, the Doppler frequency of every scatter unit in the range bin, and the sum, phase and amplitude of the entire Doppler frequency are calculated. Then, the phase delay and modulation of the false target for the intercepted missile-borne SAR signal are made. Third, the amplitude extracted from the summed Doppler frequency of the range bin is used to rebuild the radar cross section of the false target template. Finally, jamming signals of the entire range bins are summed and retransmitted. Simulation indicated that the jamming signal generated by the proposed method in this paper could produce a false target in the missile-borne SAR image, proving this method to be effective one.

Key words：phase modulation; false target template; deceptive jamming; missile-borne; synthetic aperture radar

收稿日期：2015-07-22

修訂日期：2015-09-23

通信作者：和小冬Email：winterhe@hotmail.com

中圖分類號(hào)：TN972+.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2015)11-0081-06