星載SAR欺騙式干擾信號的實時產(chǎn)生技術(shù)研究

丁宸聰，孫清洋，舒　汀

(1. 海軍裝備研究院,　上海 200436；　2. 上海交通大學(xué) 上海市智能探測與識別重點實驗室，　上海 200240)

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·仿真技術(shù)·

星載SAR欺騙式干擾信號的實時產(chǎn)生技術(shù)研究

丁宸聰1，孫清洋2，舒汀2

(1. 海軍裝備研究院,上海 200436；2. 上海交通大學(xué) 上海市智能探測與識別重點實驗室，上海 200240)

為了在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中對敵方星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)雷達(dá)進(jìn)行有效干擾，文中提出了一種新穎的星載SAR欺騙式干擾信號的實時產(chǎn)生技術(shù)。該技術(shù)首先通過對分布式大場景的干擾調(diào)制函數(shù)的離線及分塊并行計算，降低了干擾信號產(chǎn)生的復(fù)雜度和計算量; 然后，通過實時卷積產(chǎn)生欺騙干擾信號，從而實現(xiàn)對敵方星載SAR系統(tǒng)的實時欺騙干擾的目的; 最后，試驗干擾機(jī)的測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果說明了方法的有效性。結(jié)果表明：該方法不但可以提供可信賴的干擾效果，而且在實踐應(yīng)用中具有一定的實時性。

星載合成孔徑雷達(dá)；干擾調(diào)制函數(shù)；欺騙式干擾；實時產(chǎn)生

0　引　言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)在戰(zhàn)場偵察和遙感領(lǐng)域正發(fā)揮著重要的角色[1]。因此，出于軍事應(yīng)用考慮，找到一種有效的干擾技術(shù)以防止己方的關(guān)鍵區(qū)域或者目標(biāo)被敵方SAR雷達(dá)偵測是非常必要的[2]。目前，針對SAR的主動干擾技術(shù)主要包括：噪聲干擾[3-4]和欺騙干擾[5-9]。噪聲干擾的原理在理論上比較簡單，但SAR成像處理的高增益，需要較高的干擾功率才能達(dá)到有效干擾。相比之下，基于數(shù)字射頻存儲器(DRFM)的SAR欺騙干擾機(jī)，雖然原理復(fù)雜，但在實際應(yīng)用中更適合干擾敵方SAR系統(tǒng)，因為其能產(chǎn)生成功率較低的相干干擾信號，經(jīng)敵方SAR成像合成虛假的場景，達(dá)到以假亂真的干擾效果。

對欺騙式干擾的研究，文獻(xiàn)[5-6]中的算法是利用二維卷積生成干擾信號，該方法需要偵察系統(tǒng)事先預(yù)估SAR系統(tǒng)的參數(shù)，但沒有給出明確的實現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[7]中的方法可得到一個好的干擾結(jié)果，但也難以在實際應(yīng)用中實現(xiàn)。文獻(xiàn)[8-9]是一種針對大場景的快速欺騙干擾算法，仍需要在每個方位時刻計算關(guān)于慢時間的依賴項。

本文提出了一種新穎和有效的星載SAR欺騙干擾技術(shù)?；赟AR干擾的幾何模型，首先，在方位時間-距離頻域上離線并行計算欺騙干擾調(diào)制函數(shù); 然后，將其與接收的雷達(dá)信號實時卷積產(chǎn)生干擾信號; 最后，干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾信號到敵方SAR雷達(dá)，從而實現(xiàn)實時欺騙干擾的目的。

1　欺騙干擾的模型

1.1SAR幾何模型

星載SAR雷達(dá)干擾的幾何模型，如圖1所示。

圖1　星載SAR雷達(dá)干擾的幾何模型

圖中，t表示慢時間，在慢時間t=0位置，SAR雷達(dá)在地面的投影位置是O點。假設(shè)星載SAR雷達(dá)沿著X方向飛行，v表示其速度。R(vt,yr,zr)表示雷達(dá)的瞬時位置，J(xj,yj,zj)和T(xk,yk,zk)分別表示預(yù)先定義的干擾機(jī)和其要產(chǎn)生的欺騙場景中第k個目標(biāo)的位置。SAR雷達(dá)與干擾機(jī)、虛假目標(biāo)的瞬時斜距分別由Rj(t)和Rk(t)表示。R0,j和t0,j分別表示干擾機(jī)和雷達(dá)之間的最短斜距和對應(yīng)的時延。R0,k和t0,k分別表示虛假目標(biāo)和雷達(dá)之間的最短斜距和對應(yīng)的時延。

根據(jù)圖1的幾何關(guān)系，虛假目標(biāo)和雷達(dá)之間的瞬時斜距Rk(t)可表示為

(1)

考慮星載SAR平臺的低斜視角和斜距較大的特點，我們可對距離方程Rk(t)進(jìn)行如下的近似

(2)

1.2欺騙干擾的基本原理

本部分將基于上面的幾何模型，介紹基本的SAR欺騙干擾技術(shù)的原理。干擾機(jī)截獲的基帶信號sj(τ,t)可表示為

(3)

式中：τ表示快時間；α(τ)表示距離向信號的矩形包絡(luò)；fc是載頻；c是光速；Kr是線性調(diào)頻信號(LFM)的調(diào)頻斜率。

假設(shè)干擾機(jī)生成的欺騙場景中第k個虛假目標(biāo)的干擾信號是sk(τ,t)。信號sj(τ,t)和sk(τ,t)經(jīng)距離向的傅里葉變換(FFT)后分別由Sj(fτ,t)和Sk(fτ,t)表示。

根據(jù)FFT的性質(zhì)，可以得到以下關(guān)系

Sk(fτ,t)=Sj(fτ,t)σ(xk,yk)×

exp[-j2π(fc+fτ)Δτjk(t)]

(4)

假設(shè)虛假場景的大小是M×N，其中M是距離向的大小，N是方位向上點數(shù)。那么干擾機(jī)產(chǎn)生的整個場景的干擾信號在距離頻域上可表示為

S(fτ,t)=Sj(fτ,t)H(fτ,t)

(5)

(6)

式中：H(fτ,t)為欺騙干擾調(diào)制函數(shù)。

綜上，干擾機(jī)對SAR雷達(dá)進(jìn)行欺騙干擾的原理是：干擾機(jī)接收來至于敵方SAR雷達(dá)的信號sj(τ,t)，然后，根據(jù)已知的干擾機(jī)和虛假場景目標(biāo)與雷達(dá)之間的瞬時距離Rj(t)和Rk(t)，計算出干擾調(diào)制函數(shù)H(fτ,t)，干擾機(jī)將其與干擾機(jī)截獲的信號在距離頻域上相乘，相乘后的信號再經(jīng)過傅里葉逆變換(IFFT)，從而產(chǎn)生時域上的虛假場景的干擾信號，轉(zhuǎn)發(fā)給敵方SAR雷達(dá)，最后，經(jīng)過敵方SAR雷達(dá)的成像處理，生成包含虛假目標(biāo)的SAR圖像，從而起到以假亂真的目的。但此方法所表示的干擾調(diào)制函數(shù)需要在每個方位時刻計算并疊加欺騙場景中所有目標(biāo)的干擾信號，結(jié)果表明這種方法不適合實時產(chǎn)生星載SAR的欺騙干擾信號。

1.3改進(jìn)的欺騙干擾調(diào)制函數(shù)

本節(jié)將在原有基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出一種新穎的干擾調(diào)制函數(shù)，并說明該方法可以實時產(chǎn)生欺騙干擾信號。

為了推導(dǎo)所提出的欺騙干擾調(diào)制函數(shù)，首先將式(6)重寫為

H(fτ,t)=G(fτ,t)·F(fτ,t)

(7)

(8)

其中，F(xiàn)(fτ,t)可在干擾開始前，根據(jù)偵察到的衛(wèi)星軌道參數(shù)和慢時間計算得到。根據(jù)式(2)，函數(shù)G(fτ,t)的傅里葉逆變換可表示為

(9)

一般說來，對于小的干擾場景，我們可以假設(shè)每一個虛假目標(biāo)的最近距離R0,k接近于場景中心參考點的最近距離Rref。而對于大場景，我們將根據(jù)SAR雷達(dá)方位聚焦深度，將其分成多個子場景，每個子場景點目標(biāo)的斜距與對應(yīng)場景中心參考點的最近距離近似相同。

因此，基于二維卷積的特點，我們將用不同子場景的參考斜距Rref代替R0,k，那么式(9)重寫為

(10)

(11)

(12)

式中：?表示二維卷積；p表示子場景的數(shù)目；a(τ,t)表示每個子場景虛假目標(biāo)在SAR信號空間的投影；b(τ,t)是二維參考函數(shù)。他們都可在干擾開始前離線計算得到，因為虛假場景每個目標(biāo)的最短距離和最短時間都是根據(jù)衛(wèi)星軌道和參數(shù)預(yù)先定義。

由上可得，干擾調(diào)制函數(shù)在距離頻域上的表達(dá)式

H(fτ,t)=FFT[a(τ,t)*b(τ,t)]·Fj(fτ,c)

(13)

結(jié)合偵測系統(tǒng)的偵察結(jié)果和先驗知識，獲得平臺速度、載頻，干擾機(jī)的斜距在波束照射范圍內(nèi)隨時間的變化規(guī)律Rj(t)，以及虛假場景各個點的最短斜距和零多普勒時刻，那么子調(diào)制信號a(τ,t)、b(τ,t)和Fj(fτ,c)均可以預(yù)先生成，那么干擾系統(tǒng)調(diào)制函數(shù)H(fτ,t)便可通過式(13)的方法一次性計算并存儲下來。

通過將干擾機(jī)截獲的信號變換到距離頻域上，再與儲存的欺騙干擾調(diào)制函數(shù)相乘，對相乘后的結(jié)果做傅里葉逆變換到時域上，由干擾機(jī)實時轉(zhuǎn)發(fā)給敵方SAR雷達(dá)，即可實現(xiàn)SAR雷達(dá)的實時欺騙干擾。由于干擾調(diào)制函數(shù)可預(yù)先離線生成，因此，所提出的算法將大大降低大場景實時欺騙干擾中的運算量。

2　欺騙式干擾信號的實時產(chǎn)生

2.1系統(tǒng)實現(xiàn)

本干擾機(jī)系統(tǒng)可支持多種先進(jìn)功能的干擾技術(shù)，本系統(tǒng)的兩個主要關(guān)鍵模塊是干擾調(diào)制函數(shù)計算板和寬帶數(shù)字射頻存儲器DRFM板，如圖2所示。

干擾調(diào)制系數(shù)生成板，是由4片TI公司的多核DSP處理器TMS320C6678和一片F(xiàn)PGA組成。該DSP的主頻可達(dá)到1.0 GHz，4塊DSP可提供32個核的處理能力從而實現(xiàn)快速調(diào)制函數(shù)的計算。FPGA負(fù)責(zé)將各子場景調(diào)制系數(shù)的疊加。本算法的干擾調(diào)制函數(shù)的生成是通過其進(jìn)行硬件實現(xiàn)的。寬帶DRFM板由高速的ADC和DAC，以及FPGA組成，可達(dá)到2.4 GHz的采樣率。本算法中的雷達(dá)信號的頻域變換與相乘和干擾信號的轉(zhuǎn)發(fā)也是通過其硬件實現(xiàn)的。

圖2　干擾系統(tǒng)

2.2欺騙干擾生成技術(shù)

根據(jù)文中推導(dǎo)，欺騙干擾生成技術(shù)的流程如圖3所示。圖3中涉及到的信號表達(dá)式可參考第一部分的算法介紹。從圖3可以看出，欺騙干擾調(diào)制函數(shù)H(fτ,t)可以被干擾調(diào)制系數(shù)生成板離線計算得到，然后通過寬帶DRFM板，達(dá)到實時欺騙干擾的目的。

圖3　欺騙干擾生成技術(shù)的流程圖

3　仿真結(jié)果分析

3.1干擾結(jié)果

我們選用一個C波段的SAR雷達(dá)進(jìn)行干擾測試，其距離向分辨率為1.5 m，放衛(wèi)星分辨率為3 m。該SAR雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)，如表1所示。

表1　系統(tǒng)參數(shù)

仿真中，干擾前的SAR圖像如圖4a)所示，包括河、建筑物和農(nóng)田等地物。為了保護(hù)河流周圍區(qū)域，我們根據(jù)相關(guān)先驗知識，選取圖4b)作為虛假圖像。虛假干擾場景的大小是2 880×925，我們根據(jù)聚焦深度將其分割成三個子場景。

圖4　干擾前后結(jié)果展示

在電子偵察系統(tǒng)提供的精確的敵方SAR雷達(dá)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用本文提出的算法，得到星載SAR的欺騙干擾結(jié)果如圖4c)所示，該干擾結(jié)果是通過CS成像算法得到的。從結(jié)果上看，干擾后的SAR圖像聚焦良好，而且干擾前的河流周圍的關(guān)鍵區(qū)域經(jīng)過欺騙干擾得到了有效的保護(hù)，因此說明了欺騙干擾算法的有效性。

3.2算法聚焦性能分析

本節(jié)將通過仿真分析生成虛假目標(biāo)的圖像聚焦性能，并與文獻(xiàn)[7]中的方法進(jìn)行比較。系統(tǒng)仿真參數(shù)仍采用表1。

為了說明圖像聚焦的性能，將選取5個虛假目標(biāo)，放置在以下坐標(biāo)上(0,-3 000 m,0), (0,-1 500 m,0), (0,0,0), (0,1 500 m,0)和(0,-3 000 m,0)。干擾機(jī)位置為(0，-2 000 m,25 m)。因為，欺騙干擾生成的過程中不改變發(fā)射信號的調(diào)頻斜率，生成的欺騙圖像在距離向上可以很好地聚焦，所以，我們主要分析方位向上的圖像聚焦性能。

圖5a)展示了文獻(xiàn)[7]中提出的欺騙干擾算法對應(yīng)的仿真結(jié)果，從結(jié)果上看，該方法在方位向上聚焦良好，但是該算法不適合實時干擾信號的生成。圖5c)是本文所提算法的欺騙干擾結(jié)果，結(jié)果表明在方位向上也得到較好的聚焦。

圖5　欺騙干擾算法評估結(jié)果

通過比較圖5b)和圖5d)展示的5個虛假點目標(biāo)在方位向上的干擾結(jié)果，證明采用本文算法得到干擾結(jié)果在方位向上接近于文獻(xiàn)[7]中算法得到的干擾結(jié)果，并且和理論上的sinc函數(shù)沒有較大差別，因此，驗證了本文中的算法的有效性。

4　結(jié)束語

本文提出了一種面向大場景的星載SAR欺騙式干擾信號實時產(chǎn)生技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)SAR的幾何模型，在干擾前預(yù)先離線生成欺騙干擾調(diào)制函數(shù)，然后干擾機(jī)通過將預(yù)先截獲的雷達(dá)信號與調(diào)制函數(shù)卷積得到干擾信號，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給敵方SAR雷達(dá)，從而達(dá)到實時欺騙干擾的目的。試驗和仿真結(jié)果說明算法的有效性，而且基于本算法的干擾系統(tǒng)易在實際應(yīng)用中實現(xiàn)。后續(xù)將對實時性進(jìn)行進(jìn)一步的論證和研究，從而使得該算法應(yīng)用在實際的干擾機(jī)系統(tǒng)中，實現(xiàn)星載SAR的欺騙干擾的目的。

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丁宸聰男，1981年生，碩士。研究方向為航空電子對抗。

孫清洋男，1990年生，博士生。研究方向為SAR系統(tǒng)仿真與對抗技術(shù)，實時信號處理技術(shù)。

舒汀男，1981年生，博士，講師。研究方向為雷達(dá)與電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真技術(shù)，實時信號處理技術(shù)。

俄羅斯制造的“向日葵”雷達(dá)將能夠探測F-35戰(zhàn)機(jī)

據(jù)俄羅斯自由報報道稱，洛克希德·馬丁公司的F-35閃電II是國防部武器庫中最先進(jìn)的飛機(jī)，但俄羅斯強(qiáng)大的超視距“向日葵”雷達(dá)能夠探測和跟蹤隱形的第五代戰(zhàn)機(jī)或任何其他旨在規(guī)避探測的戰(zhàn)斗機(jī)。

“向日葵”短程超視距表面波雷達(dá)由位于莫斯科的遠(yuǎn)程無線電通信科研所開發(fā)。俄羅斯國防部計劃在北極地區(qū)，以及俄羅斯南部和西部邊界部署這些雷達(dá)系統(tǒng)。

據(jù)報道，該雷達(dá)能以視線范圍內(nèi)和超視距的不同海拔高度下，最遠(yuǎn)500 km距離范圍內(nèi)探測海面和空中物體，也可以在自動模式下同時探測、追蹤和分類最多300個海上和100個空中目標(biāo)。

這種雷達(dá)還有另外一個優(yōu)勢，即短波電臺可以清楚地探測到隱身戰(zhàn)機(jī)，如那些已制造出避免被雷達(dá)或聲納探測到的飛機(jī)。

?；桶痘暰嗬走_(dá)系統(tǒng)正在沿海國家中越來越受歡迎。這些國家想要保護(hù)其專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)免受海盜、走私和非法捕魚的干擾，也想要軍事應(yīng)用。這些雷達(dá)能夠在侵略或顛覆活動發(fā)生時發(fā)出警報。

3個“向日葵”雷達(dá)站屆時將在俄羅斯運行，將被部署在鄂霍次克海，日本海和里海。

(蔡曉睿摘編)

Research on Real-time Generation Technique of Deceptive Jamming Signal for Space-borne SAR

DING Chencong1，SUN Qingyang2，SHU Ting2

(1. Naval Academy of Armament,Shanghai 200436, China) (2. Shanghai Key Laboratory of Intelligent Sensing and Recognition,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China)

In this paper, a novel deceptive jamming signal generation method against the space-borne synthetic aperture radar (SAR) is proposed for the electronic warfare (EW) system. By using the off-line parallel computing for jamming modulation function in the distributed sub-scenes, the proposed algorithm can highly reduce the computation burden of extended scenes for real-time deceptive jamming. The measured data from an experimental jammer system and the simulation results are used to demonstrate the performance of the proposed method. It is shown that the proposed method provides reliable jamming performance and can be implemented in real-time application.

space-borne synthetic aperture radar; jamming modulation function; deceptive jamming; real-time

丁宸聰Email：hksdcc@163.com

2016-03-08

2016-05-28

TN974

A

1004-7859(2016)07-0078-05

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.019