賈 麗,賈 鑫,尹燦斌,王 威

(裝備指揮技術(shù)學(xué)院光電裝備系,北京 101416)

0 引言

干涉式合成孔徑雷達(dá)(INSAR)以SAR復(fù)數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源獲取地表的三維信息及變化信息,具有全天時(shí)、全天候的特點(diǎn),在地形測(cè)繪、軍事偵察、武器系統(tǒng)精確制導(dǎo)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1-2]。本文首先論證了對(duì)干涉式合成孔徑雷達(dá)實(shí)施干擾的可行性,通過分析和仿真,得出彈射式干擾能有效對(duì)抗INSAR的結(jié)論。

1 INSAR原理[3]

以單航過、雙天線測(cè)高INSAR為例,它通過兩副天線同時(shí)獲取同一地面區(qū)域的復(fù)圖像對(duì),利用目標(biāo)與兩副天線的不同幾何關(guān)系在復(fù)圖像上產(chǎn)生的相位差,形成干涉紋圖,并根據(jù)這些“指紋”特征得到地形的高度信息。它的基本原理如圖1所示。

圖1 INSAR成像原理圖

在單航過、雙天線工作模式下,假設(shè)干涉基線與飛行方向垂直且干涉SAR正側(cè)視工作并由天線1發(fā)射信號(hào),而兩部天線同時(shí)接收回波?；夭ㄐ盘?hào)的相位差與天線的空間幾何關(guān)系和地面點(diǎn)相對(duì)于參考平面的高度Z有關(guān)。根據(jù)圖1的空間幾何關(guān)系,對(duì)由1、2天線接收到的信號(hào)得的SAR圖像對(duì)進(jìn)行處理,即可形成干涉相位圖。

干涉相位圖每一點(diǎn)的相位φ與回波傳輸?shù)穆窂讲町惁成正比,并且具有恒定的比率2π/λ。兩幅復(fù)圖像的相位差可表示為:

因此有:

根據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系:

可以將雷達(dá)波束側(cè)視角表達(dá)為斜距、干涉基線等的函數(shù):

再利用高程表達(dá)式:

可求出所測(cè)區(qū)域的高程信息。

2 對(duì)INSAR實(shí)施干擾的可行性分析

INSAR可看作SAR的一種工作模式。它對(duì)滿足一定時(shí)間相關(guān)性、空間相關(guān)性以及相位相關(guān)性的SAR圖像對(duì)進(jìn)行處理,提取SAR圖像對(duì)的相位差異來獲得所觀測(cè)目標(biāo)區(qū)域的高程信息。由于INSAR處理的數(shù)據(jù)來源是SAR成像系統(tǒng),而對(duì)SAR干擾方法的研究是目前國(guó)內(nèi)外比較熱門的領(lǐng)域,取得的研究成果也比較多。由于SAR很容易受到干擾,對(duì)受到干擾的SAR圖像對(duì)進(jìn)行干涉處理時(shí),干擾信息可能被保留在相位信息里,從而使獲得的高程信息與觀測(cè)區(qū)域的真實(shí)高程信息存在差異,因此對(duì)INSAR實(shí)施干擾是可行的。

盡管INSAR與SAR關(guān)系緊密,但是INSAR成像技術(shù)具有特殊性,使得對(duì)SAR的干擾與對(duì)INSAR的干擾存在著差異:SAR的干擾效果在單視復(fù)圖像上就能表現(xiàn)出來,并且對(duì)SAR干擾效果的分析在單視復(fù)圖像上就可以進(jìn)行,而INSAR成像技術(shù)處理的是SAR圖像對(duì),它利用的是相位信息,單視復(fù)圖像并不能體現(xiàn)出干擾的效果,因此,兩者受干擾影響的表現(xiàn)途徑是不同的;INSAR是對(duì)目標(biāo)區(qū)域地形的成像,最終獲得的是目標(biāo)區(qū)域地形起伏的高程信息,所以對(duì)SAR有效的干擾方法不一定對(duì)INSAR有效,但是只要干擾能夠產(chǎn)生虛假的“指紋”特征,就可能實(shí)現(xiàn)對(duì)INSAR的干擾。

綜上所述,對(duì)INSAR實(shí)施干擾是可行的,采取適當(dāng)?shù)母蓴_方式就可以破壞其對(duì)觀測(cè)區(qū)域真實(shí)地形的準(zhǔn)確成像,使其不能獲得正確的地形高程信息。

3 干擾對(duì)INSAR的影響分析

由于INSAR最重要的信息是復(fù)圖像對(duì)的相位差,只要相位差受到了影響,INSAR成像就一定會(huì)受到影響。在研究干擾對(duì)INSAR產(chǎn)生的影響時(shí),只要得到相位解纏后的相位圖即可判斷干擾效果,因此,本文給出的處理結(jié)果止于解纏后的相位圖,限于本文的主旨及篇幅,這里不再就INSAR的相關(guān)處理算法進(jìn)行詳細(xì)描述,僅簡(jiǎn)單地給出處理流程[4]如圖2所示。

圖2 INSAR的仿真處理流程

通過分析可知,在不考慮目標(biāo)散射特性變化及處理誤差的情況下,未受干擾時(shí)INSAR的兩副天線收到的信號(hào)可以表示為:

式中Δφt(x,y)表示兩天線所接收目標(biāo)復(fù)圖像信號(hào)的相位差。由于采用了單發(fā)雙收的工作模式,此值與兩天線位置到目標(biāo)區(qū)域的路徑差有關(guān):

式中,k=2π/λ為電波傳播波數(shù),rt1和rt2分別代表兩副天線到目標(biāo)的距離。

當(dāng)SAR受到常規(guī)直達(dá)式干擾時(shí),兩天線收到的干擾信號(hào)的相位差為φjz,其表達(dá)式為:

式中rsj1和rsj2分別代表INSAR的兩副天線到干擾機(jī)的距離,而?為干擾信號(hào)的相位調(diào)制引入的相位誤差。

當(dāng)SAR受到彈射式干擾[5](其原理如圖1所示)時(shí)。兩天線所接收的信號(hào)中不僅有目標(biāo)對(duì)SAR發(fā)射信號(hào)的后向散射,且包含了目標(biāo)對(duì)干擾信號(hào)的散射波或經(jīng)目標(biāo)散射又被干擾機(jī)接收并直接轉(zhuǎn)發(fā)給SAR接收機(jī)的信號(hào),干擾信號(hào)中總是具有與真實(shí)目標(biāo)回波相似的信號(hào)分量。記兩天線收到的與真實(shí)目標(biāo)回波相似的干擾信號(hào)相位差為φj,其表達(dá)式總可以表示為:

式中,rjt代表干擾機(jī)到目標(biāo)的距離,而rsj則代表INSAR的發(fā)射天線到干擾機(jī)的距離。

對(duì)比(7)、(8)及(9)式可知,常規(guī)直達(dá)式干擾對(duì)INSAR產(chǎn)生的干涉相位與真實(shí)回波的干涉相位差異較大,而且當(dāng)采用常規(guī)的噪聲壓制干擾時(shí),受?的影響,干涉相位之間的差異會(huì)更大,經(jīng)INSAR成像處理后只能形成隨機(jī)性很強(qiáng)的類似相位噪聲的效果,并在干涉相位去噪的過程中被抑制掉。因此,在干擾功率較低的情況下,它們并不足以改變地形的“指紋”特征,導(dǎo)致其干擾效果非常有限。采用普通的彈射式干擾(干擾機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的過程中不對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制)時(shí)則完全不同,干擾引入的干涉相位與真實(shí)目標(biāo)回波引起的干涉相位形成原理相同,經(jīng)過成像處理后,這些干涉相位能夠形成具有一定“指紋”特征的虛假信息,從而改變真實(shí)地形的“指紋”特征,形成對(duì)INSAR的有效干擾。

采用常規(guī)的彈射式干擾技術(shù)時(shí),兩天線所接收的干擾信號(hào)相位差與真實(shí)目標(biāo)回波相位差非常相似,它們都與天線到目標(biāo)區(qū)域的路徑差有關(guān),并且隨著天線的位置及目標(biāo)區(qū)域地型的變化而發(fā)生變化。此時(shí),干擾信號(hào)可以表達(dá)為:

因此,兩天線所接收到的信號(hào)表達(dá)為:

故兩天線接收信號(hào)的比值為:

式中Rj/t=Aj(x,y)/At(x,y)是干擾-信號(hào)比。

由式(12)可以看出,當(dāng)沒有受到干擾或者干擾極弱時(shí)(Rj/t?1),兩信號(hào)比值近似為exp[jΔφt(x,y)],INSAR可進(jìn)行正常的高程測(cè)繪;當(dāng)接收的干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)電平相當(dāng)時(shí)(Rj/t≈1),最后所獲得高程信息是真實(shí)目標(biāo)高程信息與虛假高程信息的疊加;當(dāng)遭受到嚴(yán)重干擾時(shí)(Rj/t?1),兩信號(hào)比值接近exp[j Δφj(x,y)],此時(shí)干擾信號(hào)相位差占據(jù)了干涉相位的主導(dǎo)地位,經(jīng)過INSAR處理得到的高程信息與目標(biāo)區(qū)域真實(shí)的高程信息差異巨大,即INSAR在進(jìn)行高程信息的測(cè)量時(shí)已經(jīng)完全被干擾了。

4 仿真試驗(yàn)及分析

為了使結(jié)果更易于比較,設(shè)計(jì)了如圖3所示的目標(biāo)區(qū)域,仿真試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置如表1所示,而仿真結(jié)果如圖4～6所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖3 目標(biāo)區(qū)域原始高程信息

仿真結(jié)果表明,純?cè)肼晧褐聘蓴_可能有效地干擾SAR成像,但對(duì)INSAR的干擾效果有限。相位解纏后的干涉相位在干擾前后取值范圍明顯地發(fā)生了變化,盡管這種純?cè)肼暩蓴_引起的變化能夠在一定程度上影響INSAR系統(tǒng)對(duì)地形高程的提取,使地形高度出現(xiàn)偏差,但它并不足以改變地形的特征,因?yàn)楦蓴_前后相關(guān)的地形“指紋”仍然非常相似,并沒有發(fā)生根本性的變化。然而在彈射式干擾的影響下,最終所得到的高程信息與原地形的高程信息存在比較大的差異,甚至已經(jīng)與原始的地形信息完全不一致了,說明彈射式干擾能夠有效地干擾INSAR。這與前面的分析結(jié)果非常吻合。

5 結(jié)束語

干涉式合成孔徑雷達(dá)是合成孔徑雷達(dá)的新發(fā)展,兩者之間有著緊密的聯(lián)系也有著一定的差別,經(jīng)過分析,對(duì)干涉式合成孔徑雷達(dá)進(jìn)行有效干擾是可行的,但是其干擾方法有別于對(duì)合成孔徑雷達(dá)的干擾方法。

單航過測(cè)高干涉式合成孔徑雷達(dá)對(duì)地面固定的直達(dá)式干擾站的欺騙干擾具有抗干擾性能[6],但是彈射式干擾可以有效地對(duì)其獲取觀測(cè)區(qū)域地形高程信息進(jìn)行干擾,為了達(dá)到更好的干擾效果,還可以在轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的過程中進(jìn)行調(diào)制,也可使干擾機(jī)按照一定的路徑運(yùn)動(dòng)起來。這些都是下一步研究的重點(diǎn)。

通過計(jì)算仿真表明,常規(guī)的彈射式干擾對(duì)INSAR是非常有效的。并且彈射式干擾的功率需求并不大,這一點(diǎn)相對(duì)于常規(guī)噪聲干擾或直達(dá)式轉(zhuǎn)發(fā)干擾而言,優(yōu)勢(shì)非常明顯。此外,還應(yīng)該引起注意的是,INSAR處理的前提是能夠獲取配準(zhǔn)度極高的單視復(fù)圖像對(duì)。當(dāng)常規(guī)噪聲干擾功率非常高時(shí),INSAR系統(tǒng)很可能根本完成不了圖像配準(zhǔn),更談不上后續(xù)的干涉處理了。此時(shí),INSAR的使用者很可能拋棄該數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)而利用別的數(shù)據(jù),因而就談不上對(duì)敵方的干擾了;而采用彈射式干擾時(shí),情況完全不同,極具迷惑特征的干擾效果并不影響INSAR系統(tǒng)對(duì)單視復(fù)圖像對(duì)的配準(zhǔn),因而INSAR的使用者很容易會(huì)被其得到的虛假信息迷惑,從而達(dá)到對(duì)敵方實(shí)施干擾的目的。

綜上所述,彈射式干擾確實(shí)能夠?qū)NSAR系統(tǒng)形成較好的干擾效果?！?/p>

[1] 王秋生.星載干涉SAR圖像處理技術(shù)研究[D].中科院計(jì)算技術(shù)研究所博士后研究工作報(bào)告,2004.

[2] 周曉群.精確制導(dǎo)武器技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)[J].艦船電子對(duì)抗,2001(5):12-18.

[3] 王超,等.星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量[M].科學(xué)出版社,2002.

[4] 蘇世龍,孫希龍,余安嘉.利用InSAR生成DEM技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].科技信息,2009(9):72-73.

[5] 甘榮兵,王建國(guó),何川.對(duì)合成孔徑雷達(dá)的彈射式干擾性能分析[J].信號(hào)處理,2003,19(增刊):382-385.

[6] 唐波,王衛(wèi)廷.干涉合成孔徑雷達(dá)抗干擾性能分析[J].電子與信息學(xué)報(bào),2006,28(10):1810-1812.