杨保平, 魏茂刚, 鲍志超, 杨林森, 王晓玉
(1. 航天工程大学士官学校, 北京 102249; 2. 电子信息控制重点实验室, 四川 成都 610036)
合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)是一种能够满足全天时、全天候和高分辨需求的微波成像雷达,通过发射具有大时宽带宽积的线性调频(linear frequency modulated, LFM)信号并利用脉冲压缩技术,在距离向获得高分辨率,通过合成孔径技术,在方位向上获取高分辨率。自从20世纪以来,随着研究的深入,SAR成像的分辨率不断地提高,目前的分辨率甚至可以达到0.1 m以下,因此其收集情报、获取信息的能力越来越强。为了防止利用SAR雷达实施的侦察,就必须释放有效的SAR雷达干扰。常规的压制式干扰主要采用噪声压制干扰,干扰信号与雷达辐射信号无关,容易被抗干扰技术滤除,同时噪声压制干扰在距离向和方位向都不相关,无法产生积累增益,虽然实现简单,但是由于干扰效果有限,越来越不被大家所接受,而采用数字射频存储(digital radio frequency memory,DRFM)的干扰技术却受到越来越广泛的关注。
本文将分别讨论SAR目标的回波信号模型、DRFM相关压制干扰技术和二维面目标干扰技术,通过Matlab仿真实验,对比噪声压制干扰、DRFM相关压制干扰、面目标干扰的效果,验证这两类SAR雷达干扰技术的特点。
雷达辐射的LFM周期脉冲信号,在距离向的单个脉冲的基带信号表达式为
(1)
如图1所示,慢时间轴与雷达在方位向的位置坐标的对应关系为=,雷达辐射信号被点目标反射后,经过往返距离2()再次被雷达所接收到。
(2)
式中：0为点目标位置到雷达飞行路径上的最短距离；
为雷达飞行的速度。为载频频率,则由点目标反射得到的雷达回波的基带信号可以表示成:
(3)
式中：是点目标的后向散射系数；
()为方位向波束方向图；
为波束中心穿越点目标的时刻。
(4)
传统的节点关系分析过程中普遍采用静态图模型描述节点之间的连接状态。假设节点间相遇信息如图1所示,其中顶点表示网络中的节点,边表示节点之间存在连接。根据抽象所得到的节点关系可知,网络中任意两节点均相互可达,即各个节点可以相互通信。
图1 点目标与雷达之间的距离变化Fig.1 Range between point target and radar
DRFM干扰是以雷达辐射信号为参考信号。干扰机首先接收敌方雷达信号,将信号作数字储频,然后根据需要对信号进行相应处理后向敌方雷达释放干扰。
2.1 DRFM相关压制式干扰技术
DRFM相关压制式干扰是希望通过干扰信号与雷达回波信号在距离上具有相同的形式,能与目标信号一样进入接收机,完成距离压缩。干扰在SAR图形中能够覆盖整个成像区域,同时干扰信号能顺利进入接收机而不被部分滤除掉。
干扰机接收到雷达发射信号,然后将信号按不同时延相叠加,得到的信号作为干扰信号。以式(1)中的雷达辐射信号脉冲为参考,则干扰机辐射的干扰信号为
(5)
式中：是干扰机与敌方雷达的距离。雷达接收到的基带干扰信号为
(6)
式(6)经过距离压缩处理后,在距离上形成个像。为了覆盖大面积的雷达图像,时延序列{}应采用随机量。这样干扰信号在距离向被压缩成像,方位向不能压缩成像。
2.2 二维面目标干扰技术
二维面目标干扰技术的原理是侦收敌方雷达信号,然后将信号按照目标回波模拟方式,发射回敌方雷达,使敌方雷达同时接收到目标信号和干扰信号。干扰信号与真实目标回波空间叠加后通过成像处理在雷达形成虚假的目标。
假设式(1)中雷达辐射脉冲信号的傅里叶变换为()。干扰机接收的敌方雷达信号为
(7)
式(7)的傅里叶变换为
()=()exp(jc)
(8)
若干扰机的系统相应为(),则雷达接收到的干扰信号频谱为
()=()()exp(j2c)
(9)
假目标处的回波应具有的信号形式为
(10)
式中：是干扰机与敌方雷达的距离。式(10)的傅里叶变换为
()=()()exp(j2c)
(11)
式中：是目标后向散射系数。可见,为使干扰信号与目标回波信号具有高度的相关性,干扰机的系统响应为
()=exp[j2(-)c]
(12)
对于二维面目标干扰,等价于面目标上每个点目标产生的回波干扰信号的线性叠加。
SAR回波数据利用目标回波模型式(4)和式(5)仿真产生,假设SAR雷达处于条带式工作模式,所用到的参数如下:LFM信号带宽为60 MHz,脉冲宽度为30 μs,载频为1.275 GHz,脉冲重复频率为1.257 kHz,雷达所在平台运动速度为7 514 m/s,飞行高度为700 km,方位角为3°,俯仰角为60°。SAR成像算法采用Chirp Scaling成像算法，仿真结果如图2所示。
图2 ISR=-10 dB时,SAR不同干扰信号产生的效果仿真图Fig.2 Simulation diagram of SAR different jamming signals when ISR=-10 dB
图2为干信比ISR为-10 dB时,SAR不同干扰信号产生的效果仿真图。对比图2中的4幅图可以看出,噪声压制和DRFM压制干扰效果不明显,DRFM压制干扰效果略强于噪声压制干扰,而面目标欺骗干扰有一定效果。这是由于噪声压制干扰信号在距离向和方位向上都没有积累增益,DRFM压制干扰信号只能在距离向上利用脉冲压缩产生积累增益,在方位向上并没有积累增益,而面目标欺骗干扰信号会在假目标所在的距离向和方位向同时积累产生增益,相比于噪声压制干扰和DRFM压制干扰信号,面目标欺骗干扰信号的能量更加集中在局部区域,因此在成像结果中的干扰效果更加明显。
图3为ISR为10 dB时,原始回波成像结果、高斯白噪声压制干扰、DRFM压制干扰效果和面目标欺骗干扰效果的仿真图。对比图3中的3幅图可以看出,噪声压制干扰、DRFM相关压制干扰效果和二维面目标干扰都非常明显,DRFM相关压制干扰效果略强于噪声压制干扰,已经将原始成像结果中的跑道图像淹没在其中,而二维面目标干扰成像的飞机成像结果强度远超原跑道成像结果的强度。图3同样也验证了,DRFM相关压制干扰相比于噪声干扰有一定的能量积累增益,但相比于二维面目标干扰,压制干扰信号能量分布更加分散,因此在成像结果中二维面目标的效果更加明显。
图3 ISR=10 dB时,SAR不同干扰信号产生的效果仿真图Fig.3 Simulation diagram of SAR different jamming signals when ISR=10 dB
对比图2和图3可以看出,不同的干扰模式有不同的特点,噪声压制干扰在距离向和方位向上都不相关,无能量累积增益,DRFM相关压制干扰技术产生的干扰信号仅仅在距离向上相关。因此,噪声干扰和DRFM相关压制干扰信号的能量均匀地分布在整个成像结果二维平面,适合对SAR成像结果全局的干扰,但所需的干扰功率较大,否则难有理想的干扰效果。而二维面目标干扰信号在距离向和方位向上都是高度相关的,其成像结果中会聚焦于局部区域,即使干扰功率不尽如人意,也会产生一定的干扰效果;而当干扰功率较大时,干扰效果将会十分显著。因此,更适合做欺骗干扰或者局部的强压制干扰。
针对SAR雷达干扰技术,本文重点研究了噪声压制干扰技术、DRFM相关压制干扰技术和二维面目标干扰技术。通过仿真实验,对比分析干扰效果,可知噪声压制干扰技术、DRFM相关压制干扰信号的能量平均地分布在整个成像结果二维平面,而二维面目标干扰由于干扰信号在距离向和方位向上二维相关,其干扰效果会聚焦于局部区域,相比于噪声压制干扰和DRFM相参压制干扰,面目标干扰在局部的干扰效果更加明显。但面目标干扰需要基于回波模板的二维运算,因此对硬件设备的要求较高。总体来说,在工程中由于DRFM压制干扰技术对硬件的要求低,并且相比于噪声压制干扰信号,DRFM压制干扰信号具有与雷达辐射信号高度相关的干扰信号样式,不易被雷达滤除。DRFM压制干扰技术在应对大带宽高分辨SAR对象更有优势,被普遍应用。而面目标干扰的二维相关性更好,在欺骗干扰的应用研究中的应用更加广泛。
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