偵察模式下星載合成孔徑雷達工作模式鑒別

夏周越，鐘 華，陳 維

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

偵察模式下星載合成孔徑雷達工作模式鑒別

夏周越，鐘 華，陳 維

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

星載合成孔徑雷達SAR技術(shù)在偵察領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用推動了星載SAR干擾技術(shù)的快速發(fā)展，SAR偵察技術(shù)正是SAR干擾的關(guān)鍵環(huán)節(jié).在星載SAR常用工作模式的基礎(chǔ)上，基于SAR信號地基偵察模型，進行了信號偵察與模式鑒別的研究.從截獲的星載SAR信號入手，提出了基于分數(shù)階傅立葉變換與最小熵估計的處理算法，通過有效估計得到星載SAR的方位向接收功率圖，從而鑒別星載SAR的工作模式.仿真實驗驗證了算法的有效性與可靠性.

雷達偵察；工作模式；分數(shù)階傅立葉變換；最小熵估計

0 引 言

星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)作為一種全天候、全天時的主動成像雷達，具有遠程、寬幅、高分辨等優(yōu)點.此外，波長較長的SAR信號還可以穿透覆蓋物，對隱藏在地表偽裝物以下的目標進行成像[1].因此，星載SAR技術(shù)在區(qū)域偵察、活動監(jiān)測、目標識別等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-3].針對這種狀況，必須積極發(fā)展星載SAR的干擾對抗技術(shù)，以破壞和削弱對方星載SAR的性能優(yōu)勢.當(dāng)前，在SAR偵察方面，研究人員已經(jīng)進行了若干探索性研究.例如，文獻[3]介紹了利用截獲信號信息對星載SAR的干擾方法，但其對星載SAR的工作模式信息主要是利用SAR衛(wèi)星的軌道信息來預(yù)測的.文獻[4]利用SAR衛(wèi)星天線及軌道參數(shù)，建立了星載SAR地基偵察信號的偵察模型.文獻[5-6]根據(jù)該星載SAR地基偵察模型，研究了不同工作模式下SAR信號的截獲難易程度和接收功率的形態(tài)，但并未對SAR信號的截獲、估計與模式判決方法進行深入的研究.

本文在接收功率形態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于分數(shù)階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform，F(xiàn)rFT)與最小熵估計法提出了一種對回波數(shù)據(jù)的接收功率形態(tài)和多普勒參數(shù)進行估計的星載SAR工作模式鑒別方法，并在星載SAR地基偵察機的背景下，利用TerraSAR-X的工作參數(shù)和軌道參數(shù)進行了仿真驗證.

1 工作模式與接收功率

1.1 常見的工作模式

隨著SAR技術(shù)的發(fā)展，星載SAR已經(jīng)具備了多模式成像的工作能力.星載SAR常見工作模式分為條帶模式、聚束模式和滑動聚束模式.條帶模式是星載SAR最常用的工作模式，波束隨衛(wèi)星平動在觀測區(qū)域呈現(xiàn)條帶狀測繪帶.聚束式可以獲得比條帶式更大的合成孔徑長度，從而獲得更高的方位分辨率.滑動聚束式可以獲得比條帶式更高的分辨率，比聚束式更大的測繪區(qū)域，從而在高分辨率和大面積成像中得到很好的權(quán)衡.3種工作模式的偵察模型如圖1所示.圖1中，t為方位慢時間，t0為起始時刻，θ為偵察機偏離主瓣的夾角，θs為斜視角，R(t)為偵察機到衛(wèi)星的斜距，v為衛(wèi)星等效飛行速度.

圖1 星載SAR常見工作模式的偵察模型

1.2 接收功率

設(shè)SAR衛(wèi)星的發(fā)射天線功率為Pt，天線增益為Gt(θ)，它與偏離主瓣的夾角成正比[6]，即：

(1)

其中，Da為天線方位向尺寸，λ為波長.信號經(jīng)饋線從接收天線到接收機會產(chǎn)生損耗，設(shè)損耗率為φ(φ≤0.5).由于偵察天線的極化方向與SAR的極化方向不同，只能接收信號功率的一半.因此，取極化系數(shù)η=0.5.

在地基偵察機處星載SAR信號的功率密度Sr為：

(2)

信號經(jīng)饋線到偵察機輸入端的功率為Pr為：

(3)

其中，A為接收天線等效面積，α=0.5，φ=0.5，η=0.5.

2 基本原理

地基偵察機截獲到的星載SAR信號是一個未聚焦的周期性脈沖串，假設(shè)對接收信號進行了接收功率方向圖補償和距離衰減功率補償，那么接收信號可表示為

(4)

其中，τ為距離向快時間，t為方位向慢時間，wrg()和waz()分別為距離向和方位向包絡(luò)函數(shù)，K為調(diào)頻斜率，R(t)為瞬時距離，c為光速，Δf為頻差，λ為波長.

由式(4)可見，方位向接收功率形態(tài)就是由包絡(luò)函數(shù)waz()決定的.由于waz()和多普勒調(diào)制函數(shù)exp{j2πR(t)/λ}分布在距離延遲曲線R(t)/c上，而星載SAR的方位向積累時間較長，距離延遲曲線橫跨了數(shù)十到數(shù)百個距離分辨單元，必須進行距離徙動矯正，才能對方位向天線方向圖進行有效估計.因此在脈沖壓縮之前需進行距離向參數(shù)估計，以獲取距離匹配濾波參數(shù).

2.1 距離壓縮

對星載SAR信號進行距離壓縮，必須獲取chirp信號的調(diào)頻斜率.在常規(guī)雷達的信號處理中，估計線性調(diào)頻信號的參數(shù)一般采用時域估計和短時傅里葉變換的方法.而在SAR偵察中對工作頻率和調(diào)頻斜率等細微特征參數(shù)的估計精度要求較高，可以采用FrFT的方法.

檢測星載SAR的距離向信號的基本思想就是以旋轉(zhuǎn)角度α為變量進行掃描，求距離信號的FrFT，從而形成信號能量在參數(shù){α,u}平面上的二維分布，在此平面上按閾值進行峰值點的二維搜索即：

(5)

星載SAR距離向信號的調(diào)頻率K和頻差Δf與參數(shù){α,u}的關(guān)系為：

(6)

然后利用估計出來的距離向信號的調(diào)頻率K進行距離壓縮，處理后得到距離向聚焦的星載SAR信號，再進行距離走動矯正.

2.2 自適應(yīng)距離走動矯正

距離徙動可以分解為距離走動和距離彎曲兩部分，而在星載條件下距離走動絕對占優(yōu).基于上述結(jié)論，本文采用基于最小熵的自適應(yīng)線性距離走動矯正法.從SAR成像處理研究可知，接收信號是對比度絕對占優(yōu)的點輻射源信號，該方法可以取得較好的估計和矯正效果[8].

無論處于何種成像模式下，偵察機到衛(wèi)星的瞬時斜距R(t)都是相同的，可表示為：

(7)

由式(7)可見，距離走動單元可表示為：

ΔR(t)=Kt=-vsin(θs)t

(8)

進行距離走動矯正的相位乘法器為：

(9)

距離走動斜率初始值K0=-vsin(θs)，ΔK為迭代步長，以K=K0+ΔK對信號進行距離走動矯正，在方位向?qū)?jīng)距離走動矯正后的數(shù)據(jù)進行積分得到E，然后計算整個迭代過程中距離走動矯正后的信號的熵：

(10)

其中，N為距離向采樣點數(shù).最小熵Hemin對應(yīng)的距離走動斜率K即為所求的距離走動斜率.基于最小熵的單點目標距離走動矯正仿真結(jié)果如圖2所示.

圖2 基于最小熵的單點目標距離走動矯正

2.3 工作模式判決

經(jīng)距離匹配濾波和自適應(yīng)距離走動矯正后的星載SAR信號，其信噪比得到了提高.然后從距離延遲曲線中估計出方位向接收功率，得到方位向功率圖.條帶模式下的功率變換速度最快，聚束模式下的功率變換最小，滑動聚束模式介于兩者之間.方位接收功率形態(tài)只能定性判決3種工作模式，為了使本方法更加有效，利用Radon變換估計不同工作模式的多普勒參數(shù)并重建多普勒歷程[9].利用多普勒頻率的變化范圍和多普勒調(diào)頻率來輔助判決工作模式.

3 仿真計算

3.1 接收功率估計的仿真

基于FrFT和最小熵的接收功率估計仿真參數(shù)如表1所示，在仿真中加入了與信號等幅度的高斯白噪聲.

表1 仿真參數(shù)

接收功率估計的仿真結(jié)果如圖3所示，其中接收功率是歸一化的接收功率.

圖3 基于最小熵接收功率估計的仿真結(jié)果圖

3.2 3種工作模式的仿真

利用STK衛(wèi)星工具箱對星載SAR常見的3種工作模式建立偵察模型，生成3種工作模式下星載SAR的發(fā)射信號(時長20 s).仿真中發(fā)射信號加入了與信號等幅度的高斯白噪聲，仿真采用的衛(wèi)星軌道參數(shù)為TerraSAR-X衛(wèi)星的軌道參數(shù)，如表2所示.

表2 TerraSAR-X衛(wèi)星軌道參數(shù)

地基偵察機截獲到星載SAR信號后，利用FrFT與最小熵的算法進行距離壓縮和距離走動矯正，估計出3種工作模式下的方位向接收功率如圖4所示.

圖4 3種工作模式的方位向接收功率圖

為了定量分析3種工作模式的多普勒差異，根據(jù)文獻[9]的方法對3種工作模式的偵察信號進行多普勒參數(shù)估計.由于STK衛(wèi)星工具箱生成的數(shù)據(jù)時長為20 s，分別取2 s～3 s，8 s～9 s和11 s～12 s的數(shù)據(jù)段進行估計.參數(shù)估計的結(jié)果如表3所示.

表3 3種工作模式的多普勒參數(shù)估計結(jié)果

利用表3的數(shù)據(jù)重建3種工作模式的多普勒歷程.首先，比較條帶模式與聚束模式，從表3可知，這2種模式的調(diào)頻率均值分別為-4 516.85 Hz/s和-4 798.91 Hz/s，聚束式模式明顯占優(yōu).其次，比較條帶模式和滑動聚束模式，滑動聚束模式有一個顯著特點可以被觀測到，即由于其波束沿著虛擬中心轉(zhuǎn)動，接收功率的變化沒有條帶模式明顯，因此再結(jié)合圖4的接收功率形態(tài)可以判斷出條帶模式和滑動聚束模式.

仿真實驗結(jié)果表明，接收功率形態(tài)和多普勒歷程兩者可以綜合判決3種工作模式.

4 結(jié)束語

本文在偵察模式下，對星載SAR的工作模式進行了研究和鑒別.在截獲的星載SAR信號基礎(chǔ)上，提出了一種利用分數(shù)階傅里葉變換與最小熵的方位向功率估計算法，并綜合利用參數(shù)估計的結(jié)果對星載SAR進行工作模式的鑒別.仿真實驗結(jié)果證明了本文所提的模式判決方法的可靠性和功估計方法的有效性，為后期的SAR干擾對抗系統(tǒng)的研究提供了一定的信息保障.在本文的研究基礎(chǔ)上可以進一步提高估計算法的速度，而且可以利用更多的特征輔助鑒別工作模式，這也是下一步研究的方向和重點.

[1]鄧云凱,趙鳳軍,王宇.星載SAR技術(shù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用淺析[J].雷達學(xué)報,2012,1(1):1-10.

[2]劉寒艷,宋紅軍,程增菊.條帶模式、聚束模式和滑動聚束模式的比較[J].中國科學(xué)院研究生院學(xué)報,2011,28(3):410-417.

[3]INGLADA J, VINCENT A, ARIAS M, et al. Improved Early Crop Type Identification By Joint Use of High Temporal Resolution SAR And Optical Image Time Series[J]. Remote Sensing, 2016,8(5):362.

[4]葉偉,劉鑫,高陽.星載SAR地基偵察信號建模與仿真[J].艦船電子對抗,2012,35(5):61-65.

[5]陳穎穎,賈鑫,吳彥鴻.對聚束和滑動聚束模式下星載合成孔徑雷達的旁瓣偵察比較研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,20(8):1785-1789.

[6]陳穎穎,吳彥鴻,賈鑫.對不同工作模式星載合成孔徑雷達的偵察研究[J].計算機工程與應(yīng)用,2013,49(12):223-227.

[7]LI W, YANG J, HUANG Y, et al. A geometry-based Doppler centroid estimator for bistatic forward-looking SAR[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2012,9(3):388-392.

[8]鐘華,宋廣華,杜昌平.一種雙站合成孔徑雷達的高分辨率成像與合成方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2014,48(3):317-322.

[9]鐘華,陳維,楊萌.偵察模式下星載SAR多普勒參數(shù)估計[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報,2016,36(5):17-21.

Identification of the Spaceborne SAR Operating Modes under Reconnaissance Mode

XIA Zhouyue, ZHONG Hua, CHEN Wei

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Spaceborne synthetic aperture radar(SAR) technology has been widely used in the field of reconnaissance, which has promoted the rapid development of the spaceborne SAR jamming technology, and the SAR reconnaissance technology is the key of SAR interference. In this paper, on the basis of the common operating mode of SAR, the signal detection and pattern identification are carried out based on the SAR signal ground detection model. From intercepted spaceborne SAR signal, this paper introduces the processing algorithm based on fractional Fourier transform and the minimum entropy to estimate the effective estimation of the Spaceborne SAR power, and to identify the operation mode of SAR. The simulation results verify the validity and reliability of the algorithm.

radar reconnaissance; operation mode; fractional Fourier transforms; minimum entropy

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.008

2016-12-21

夏周越(1994-)，男，浙江湖州人，本科生，信號與信息處理.通信作者：鐘華講師，E-mail:hzhong@hdu.edu.cn.

TN958.4

A

1001-9146(2017)04-0036-05