摘 要:雷達欺騙式干擾性能評估是電子對抗領(lǐng)域的一個重要課題?，F(xiàn)有評估技術(shù)都是基于某單一特征，評估結(jié)果比較片面。針對這一不足，提出一種基于目標識別與模糊綜合評判的SAR欺騙式干擾性能評估方法，綜合考慮目標識別系統(tǒng)可能應(yīng)用的識別特征，利用模糊綜合評判的方法對虛假目標圖像的逼真度進行綜合評判，然后考慮系統(tǒng)處理時間對干擾性能的影響，對綜合評判結(jié)果進行修正，該方法具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞: SAR; 欺騙式干擾; 性能評估; 目標識別; 模糊綜合評判

中圖分類號:TN95 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0014-04

New Method for Evaluation of SAR Deception Jamming

ZENG Yue， XU Shao-kun

(School of Electronic Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China)

Abstract: Performance evaluation of radar deception jamming is important in the field of electronic countermeasures. The existed evaluation methods are mostly based on certain single recognition feature， and corresponding evaluation results are unilateral. A new evaluation method for SAR deception jamming based on target recognition and fuzzy synthetical evaluation is proposed for the disadvantages. The similarity of 1 target image is evaluated by using fuzzy synthetical evaluation method in light of the features used by automatic target recognition system， and the synthetical evaluation result is modified by thinking over the influence of processing time to jamming performance.

Keywords: SAR; deception jamming; performance evaluation; target recognition; fuzzy synthetical evaluation

0 引 言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)[1]是一種利用微波進行感知的主動式相干成像雷達，由于具有全天時、全天候的工作能力，且具有一定的穿透特性，因此已經(jīng)成為空間感知的重要手段，在戰(zhàn)場偵察監(jiān)視、打擊效果評估等方面發(fā)揮著極其重要的作用。對SAR的干擾技術(shù)已成為電子對抗領(lǐng)域的重要課題。目前，對SAR的干擾措施主要分為壓制式干擾和欺騙式干擾，欺騙式干擾由于其靈活性和較小的工作功率受到了越來越多的關(guān)注。

干擾效果評估是對干擾技術(shù)性能的一個綜合性評價，已成為雷達對抗領(lǐng)域中的重要課題。由于技術(shù)保密等原因，國外可參考的SAR對抗方面的文獻少之又少，有關(guān)SAR干擾性能評估的文獻更是難以找到。壓制式干擾是通過降低SAR對目標成像質(zhì)量來阻止敵方獲取被保護目標的正確信息，干擾后SAR圖像質(zhì)量越差，干擾效果越好。針對壓制式干擾技術(shù)，國內(nèi)學(xué)者從圖像質(zhì)量的角度，先后提出了壓制系數(shù)準則、信息準則、功率準則、EMJ準則、熵譜準則、戰(zhàn)術(shù)運用準則、模糊綜合評判準則[2]等，并且研制出了以EMJ準則為基礎(chǔ)的壓制式噪聲干擾度量設(shè)備。但由于干擾方式不同，這些度量準則都不適合用于通過產(chǎn)生虛假目標對進行SAR欺騙干擾的效果評估。

欺騙干擾是通過在SAR圖像中產(chǎn)生逼真的虛假目標來阻止敵方獲取被保護區(qū)域的正確信息，擾亂敵方判決系統(tǒng)。產(chǎn)生的虛假目標圖像與所希望模擬的實際目標圖像越相似，干擾效果越好。因此，可以采用干擾后產(chǎn)生的虛假目標SAR圖像與實際目標圖像之間的相似性度量作為準則，評估SAR欺騙式干擾的性能。文獻[3]提出了一種基于目標幾何尺寸的評估方法，文獻[4]提出了一種基于圖像區(qū)域紋理的評估方法。兩種方法都可以在一定條件下實現(xiàn)對SAR的欺騙式干擾性能評估，但都存在以下缺陷:

(1) 只考慮了圖像中目標的一種特征，而敵方目標識別系統(tǒng)究竟采用哪種或哪幾種特征進行識別并不確定。例如，文獻[5]報道了利用目標圖像在方向上的連續(xù)性來識別基于數(shù)字圖像合成技術(shù)生成的虛假目標。

(2) 在進行干擾性能評估時，沒有考慮識別系統(tǒng)辨別目標真?zhèn)嗡牡臅r間。實際上，系統(tǒng)能否及時辨別圖像中目標的真?zhèn)?，對情報的獲取至關(guān)重要，有時，只要能延緩敵方情報系統(tǒng)根據(jù)SAR圖像獲取有用信息，也是一種成功的干擾。針對上述問題，本文通過分析SAR系統(tǒng)識別目標時可能用到的潛在識別特征，結(jié)合模糊綜合評判的方法，提出了一種新的SAR欺騙式干擾性能評估方法。該方法根據(jù)美軍典型的SAR自動目標識別(Automatic Target Recognition，ATR)系統(tǒng)的工作方法，綜合考慮了SAR圖像解譯時可能用到的多種特征以及系統(tǒng)識別目標真?zhèn)蔚奶幚頃r間，是一種綜合性的性能評估方法。

1 SAR目標識別方法簡介

1.1 SAR圖像特點

SAR觀測所得的原始數(shù)據(jù)是把平臺發(fā)射的寬幅脈沖到達地表后的后向散射特性按時間序列記錄下來的數(shù)據(jù)，經(jīng)距離向和方位向的數(shù)據(jù)壓縮等一系列處理后，可得到重建的SAR圖像。與光學(xué)圖像不同，目標的ISAR圖像具有易變性，尤其是隨著目標方位角的變化有著不同的表像;同時，SAR圖像本身也是高維矢量。一般來說，SAR圖像具有以下特點:

(1) 目標邊緣模糊。由于雷達波的反射不均勻，圖像分辨率較低，雖然合成孔徑雷達相對于其他雷達分辨率較高，但SAR圖像中的目標與其他地面物體比較，分辨率仍然不高，給識別帶來了一定的難度。有的目標在SAR圖像僅為幾個像素寬，更加難以識別。

(2) 圖像對地面物體的敏感度不高。一般的光學(xué)圖像層次感強，而SAR圖像對地物回波的強弱不敏感，層次感較差。

(3) SAR圖像中的目標物成像結(jié)果呈離散形式，邊緣一般不連續(xù)，給目標的邊緣特征提取帶來了一些困難。

(4) SAR圖像背景斑點噪聲和雜波干擾較多，是由于自然背景目標散射系數(shù)較小，散射表現(xiàn)為各向同性，均勻散射的結(jié)果。

(5) 人造目標反射為較強的電磁信號回波，其散射系數(shù)較強，在圖像上表現(xiàn)為高亮度值;自然目標的回波較弱，基本被吸收，在圖像上表現(xiàn)為低灰度值。

1.2 基于SAR圖像的目標識別特征

SAR欺騙式干擾性能評估主要是度量真假目標在圖像中的相似性，進而識別目標的真?zhèn)巍Ｄ壳?，對SAR圖像中目標信息的提取都是基于ATR系統(tǒng)進行的，為了適應(yīng)戰(zhàn)場偵察圖像數(shù)據(jù)的急劇增加，加快情報生成速度，世界各國先后提出了一系列針對SAR ATR的智能處理研究計劃與系統(tǒng)，其中以美國發(fā)展最為典型和先進。據(jù)報道，在美軍的SAR ATR系統(tǒng)中主要存在兩種基本的技術(shù)方法:基于模板匹配的方法和基于模型的方法[6]。這兩種方法都存在一個相同的基本流程，即圖像分割→特征提取→分類識別。其中，SAR圖像分割獲取目標區(qū)域是實現(xiàn)SAR ATR的基礎(chǔ)，特征提取是目標識別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，特征選取的優(yōu)劣將直接影響分類識別的性能。因此，需要通過有效的特征提取技術(shù)從ISAR圖像中獲得對目標穩(wěn)健、緊湊的描述，從而提高目標識別的效率和性能。為此，這里先簡要介紹SAR圖像特點和SAR ATR系統(tǒng)用于目標識別的潛在特征，這些特征可以用于辨別ISAR圖像中目標的真?zhèn)巍ｈb于SAR圖像的特點，研究人員已從中提取和分析了大量的特征用于目標鑒別和識別。主要特征有:

紋理特征 紋理特征主要包括標準差(Standard Deviation)、分形維(Fractal Dimension)和權(quán)秩填充比(Weighted-Rank Fill Ratio)，這些特征已用于MIT的SAR ATR系統(tǒng)中目標與雜波的鑒別。

尺寸與幾何特征 尺寸與幾何特征主要是提取目標區(qū)域的質(zhì)量(Mass)、長寬比(Length-Width Ratio)和散度(Disperse)特征。

對比度特征 對比度特征是基于雙參數(shù)CFAR檢測的特征，主要是提取最大CFAR、平均CFAR和百分比亮度CFAR特征。

距離特征 距離特征主要是從目標區(qū)域二值圖像中提取三種距離特征，即最小距離特征、最大距離特征和平均距離特征。

矩特征 矩特征作為二維圖像特征在圖像識別中得到了廣泛的應(yīng)用。Hu不變矩具有平移、尺度和旋轉(zhuǎn)不變性，SAR ATR中可采用7個Hu不變矩的前兩階。

欺騙式干擾的有效性主要取決于欺騙假目標模擬的逼真程度，假目標越逼真，ATR系統(tǒng)就越難以將其從真實目標中識別出來，欺騙式干擾效果也就越好。在進行SAR欺騙式干擾效果評估時，可分別對比真假目標在SAR圖像中的上述特征，但由SAR圖像特點和SAR ATR過程可知，僅靠單一的特征對SAR圖像進行解譯非常困難。在對SAR圖像進行分割，特征提取以及分類識別時，勢必會用到上述介紹的多種SAR圖像特征。因此在評估欺騙式干擾效果時，必須綜合考慮虛假目標和實際目標在SAR圖像中各特征的相似度。下面進一步介紹利用模糊綜合評判的方法對SAR欺騙式干擾進行性能評估的方法。

2 基于模糊綜合評判的SAR欺騙式干擾性能評估

2.1 模糊綜合評判方法[7]

模糊綜合評判是在復(fù)雜的環(huán)境中，考慮了多種因素的影響，而為了某種目的對某事物或者系統(tǒng)、對象做出綜合評價的方法。模糊變換、模糊綜合評判方法和模糊關(guān)系方程在綜合評判、模糊判決、天氣預(yù)報、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。

模糊綜合評判包括3個基本要素:因素集、評語集、權(quán)重集。同時，還有一個必要的條件就是由各個單因素評判矩陣形成的模糊矩陣。

設(shè)U=(u1，u2，…，un)為n種元素構(gòu)成的集合，它包含了模糊綜合評判中需要考慮的各種因素，稱為因素集，它是問題的論域。一般論域U上的全體模糊子集組成的集合記為F(U)。依據(jù)不同的背景，評估系統(tǒng)對各種因素的側(cè)重程度有一定的差異。換言之，各種因素對系統(tǒng)的重要程度是不一致的。因此，采用權(quán)重集A=(a1，a2，…，an)為n種因素分配權(quán)重，一般地，它們滿足歸一化要求:∑ni=1ai=1。設(shè)V=(v1，v2，…，vm)是m種評語構(gòu)成的集合，稱為評語集。記最后的評判結(jié)果為B=(b1，b2，…，bm)，bi，i=1~m反映了該系統(tǒng)對第i種評語vi的隸屬度。

假設(shè)各種因素組成的單因素評判矩陣是R=(rij)m×n，0≤rij≤1，則模糊綜合評判可以表示為:

A#8226;R=B(1)

實際上，A是U上的模糊集;B是V上的模糊集。

在一些文獻中，選取bi(i=1~m)中最大者，假設(shè)為bj，認為該系統(tǒng)最終評價就是與bj對應(yīng)的評語vj，本文不采用這種做法，而是認為B中的元素并非是絕對屬于或者不屬于m種評語的哪一種，只是表明對每一個評語的隸屬程度如何，不過隸屬程度存在差異，這是模糊理論的關(guān)鍵所在。

2.2 SAR欺騙式干擾性能評估方法

度量SAR圖像中真假目標的相似性主要是比較它們各圖像特征是否相似。而目標的特征量又與SAR成像的參數(shù)密切相關(guān)，由SAR圖像的特點以及各ATR系統(tǒng)用于識別的特征可知，即使是完全相同的目標，如果成像視角不同，目標圖像特征量也存在很大的區(qū)別，所以采用相似性來描述兩目標特征量的相近程度更為合理。

由于SAR工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，欺騙式干擾信號不可能完全模擬真實場景的電磁散射機理，因此虛假目標的SAR圖像不可能與真實目標完全一樣。真假目標的某些特征或許可以完全相同，但不可能所有的特征都相同。隨著計算機信息處理速度的不斷提高，ATR系統(tǒng)可能采取多種特征對目標進行融合識別。在不了解敵方SAR ATR系統(tǒng)究竟采用哪些特征進行目標識別時，不妨盡量考慮多種特征，衡量真假目標的相似性，從而評估欺騙式干擾性能。下面介紹利用模糊綜合評判方法對SAR欺騙式干擾進行效果評估的方法。

2.2.1 確定因素集

在使用模糊數(shù)學(xué)知識建立評估模型時，綜合評判中因素集元素主要是依據(jù)人們對系統(tǒng)所關(guān)注的熱點來選擇的，從重點關(guān)心的問題出發(fā)，結(jié)合評估指標構(gòu)成因素集。在進行欺騙式干擾評估過程中，應(yīng)以SAR ATR系統(tǒng)中用以分類識別真假目標的特征相似性作為因素集中的元素。不妨設(shè)為{紋理相似性、尺寸與幾何相似性、對比度相似性、距離相似性、矩相似性}，記之為U={u1，u2，…，u5}。

2.2.2 選擇評語集

評語為根據(jù)因素集中的元素給出的評判結(jié)果，選擇的評語集為{優(yōu)、良、中、差、失敗}，記之為V=(v1，v2，…，v5)。評語集包含更多或更少元素時可參照本模型建模。

2.2.3 因素集元素權(quán)重分配

選擇權(quán)重集為A={a1，a2，…，a5}，且∑5i=1ai=1。值得注意的是，在利用模糊綜合評判時，權(quán)重集的選取與應(yīng)用背景有關(guān)，一般而言，它不是恒定的。

2.2.4 為每個評語選擇對應(yīng)的因素變化區(qū)間

按照表1為每個評語選擇對應(yīng)因素的變化區(qū)間，表中變量為一系列預(yù)先設(shè)定的界限值，界限值的大小與評估要求相關(guān)。表1中各因素都是特征相似性的度量，取值在區(qū)間[0，1]上，變化區(qū)間的值越大，相似性越好，評判結(jié)果越好。

表1 每個評語對應(yīng)的因素變化區(qū)間

因素評 語

優(yōu)良中差失敗

u1[p11，1][p12，p11)[p13，p12)[p14，p13)[0，p14)

u2[p21，1][p22，p21)[p23，p22)[p24，p23)[0，p24)

u3[p31，1][p32，p31)[p33，p32)[p34，p33)[0，p34)

u4[p41，1][p42，p41)[p43，p42)[p44，p43)[0，p44)

u5[p51，1][p52，p51)[p53，p52)[p54，p53)[0，p54)

2.2.5 求得單因素評判矩陣

計算單因素評判矩陣主要是計算基于某一因素得到各種評語的隸屬度。設(shè)某ATR系統(tǒng)對SAR圖像中的某一虛假目標進行了k組識別實驗，每組獲得因素集上所有評估指標的一個值。設(shè)在對u1識別時，相似性落在[p11，1]，[p12，p11)，[p13，p12)，[p14，p13)，[0，p14)區(qū)間上的實驗分別有k11，k12，k13，k14，k15組，則該系統(tǒng)對虛假目標在u1(與真實目標紋理特征相似性)這一因素上單因素評判結(jié)果為:

[k11/k，k12/k，k13/k，k14/k，k15/k]=1k[k11，k12，k13，k14，k15](2)

類似地，得出單因素評判矩陣為:

R=1kk11k12k13k14k15

k21k22k23k24k25

k51k52k53k54k55(3)

記rij=kij/k，i=1~5;j=1~5，令R=(rij)，R就是這里的單因素評判矩陣。

2.2.6 得出模糊綜合評判結(jié)果

根據(jù)式(1)，模糊綜合評判結(jié)果按照式(4)計算:

B=(b1 b2 b3 b4 b5)=A#8226;R

=(ai)1×5#8226;[rij]5×5(4)

2.2.7 修正評判結(jié)果

式(4)計算的綜合評判結(jié)果只是根據(jù)各個識別特征對干擾性能(虛假目標逼真度)的評價，并沒有考慮識別時間對干擾性能的影響。從情報獲取的角度來看，識別時間非常重要。為了使評判結(jié)果更為合理，需對式(4)的計算結(jié)果做出修改。根據(jù)實際情況分析，在進行干擾性能評估時，時間對干擾性能的影響與能否獲取正確情報有關(guān)。具體來說，如果最終辨識假目標為真，即真假目標的相似度較高時，識別時間越短，越容易形成欺騙，干擾性能越好;如果系統(tǒng)最終辨識目標為假目標，即真假目標的相似度較低時，識別時間越長，越能延緩敵方?jīng)Q策系統(tǒng)進行決策，干擾效果越好。

假設(shè)ATR系統(tǒng)設(shè)置的處理時間為T0，識別SAR圖像中目標真?zhèn)嗡枰臅r間為t。當(dāng)t>T0，則放棄識別，此時認為干擾性能為“中”(b3=1);當(dāng)t

B′=B#8226;H=(b1 b2 b3 b4 b5)#8226;

1-α0α0001-αα000010000α1-α000α01-α(5)

由式(5)得出的評判結(jié)果是考慮了SAR ATR系統(tǒng)中各識別特征和處理時間的綜合評判結(jié)果。其中，矩陣H可根據(jù)實際情況設(shè)定。

舉例說明上述方法。假設(shè)系統(tǒng)分配權(quán)重A={0.2，0.4，0.1，0.2，0.1}，評估系統(tǒng)通過實驗測得評判矩陣為:

R=0.10.30.20.30.10.80.10.1000.30.20.20.20.10.30.40.10.10.1000.20.20.6

從R可以看出，如果單獨地采用因素集中第2個因素(尺寸與幾何相似性)或第5個因素(矩相似性)進行性能評估，其結(jié)果是截然不同的。采用本文介紹的方法，得出的評估結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，時間因子對綜合評判結(jié)果影響頗大，當(dāng)處理時間逐步增大時，評估結(jié)果將趨向于評語b3(干擾性能為“中”)。

表2 考慮時間影響的模糊綜合評判結(jié)果

時間因子α評判結(jié)果

優(yōu)良中差失敗

0(不考慮時間影響)0.430 00.200 00.140 00.120 00.110 0

0.20.344 00.160 00.312 00.096 00.088 0

0.40.258 00.120 00.484 00.072 00.066 0

0.60.172 00.080 00.656 00.048 00.044 0

0.80.086 00.040 00.828 00.024 00.022 0

100100

3 結(jié) 語

定量描述欺騙假目標的逼真程度，科學(xué)合理地評估欺騙式干擾效果，找出影響制約欺騙式干擾效果的因素，對欺騙式干擾技術(shù)的改進和設(shè)備的研制都有著十分重要的意義。根據(jù)敵方SAR ATR系統(tǒng)中目標識別特征的不確定性，提出了一種基于目標識別和模糊綜合評判的SAR欺騙式干擾性能評估方法。首先，綜合考慮各種可能的識別特征，利用模糊綜合評判的方法對虛假目標的逼真度進行綜合評判;然后考慮系統(tǒng)處理時間對干擾性能的影響，利用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法對綜合評判結(jié)果進行修正，得到對干擾性能的合理評估。該方法也可用于ISAR欺騙式干擾性能評估技術(shù)，具有一定的理論與應(yīng)用價值。

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