朱守保，羅 強(qiáng)，童創(chuàng)明

(1.第二炮兵工程學(xué)院101教研室，陜西西安710025;2.空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院，陜西三原713800)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)是一種高分辨率成像雷達(dá)，具有全天時(shí)、全天候和透視性等特點(diǎn)。SAR在偵察監(jiān)視領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，已廣泛用于軍事偵察、地圖測(cè)繪以及導(dǎo)彈末端圖像匹配制導(dǎo)等方面［1-5］。美國(guó)F-4E戰(zhàn)斗機(jī)、海軍P3飛機(jī)以及著名的“全球鷹”無(wú)人機(jī)，都裝載了不同模式的合成孔徑雷達(dá)，從海灣戰(zhàn)爭(zhēng)到科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)，還有伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)都能看到SAR所展現(xiàn)的強(qiáng)大偵察能力。因此為了保護(hù)己方重要目標(biāo)和區(qū)域，對(duì)SAR的干擾就顯得極為重要［6］。

欺騙式干擾是通過(guò)干擾機(jī)發(fā)射虛假目標(biāo)回波信號(hào)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生虛假目標(biāo)的目的，具有欺騙偵察和誤導(dǎo)制導(dǎo)系統(tǒng)的作用。對(duì)合成孔徑雷達(dá)實(shí)施欺騙干擾的關(guān)鍵是生成與雷達(dá)回波信號(hào)精確相似的地面假目標(biāo)干擾信號(hào)。要精確地制造出虛假雷達(dá)波信號(hào)，就必須對(duì)雷達(dá)運(yùn)動(dòng)位置、雷達(dá)波參數(shù)(載頻、調(diào)頻斜率、波長(zhǎng)、發(fā)射頻率等)進(jìn)行精確估計(jì)。如果參數(shù)估計(jì)存在誤差就會(huì)造成成像模糊，導(dǎo)致極易被敵方發(fā)現(xiàn)，另外，任意位置的目標(biāo)在任意時(shí)刻的雷達(dá)回波信號(hào)都是不一樣的，因此對(duì)SAR的欺騙干擾有運(yùn)算量大、易被發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)。

本文根據(jù)干擾機(jī)與虛假圖像目標(biāo)覆蓋區(qū)域的位置關(guān)系，采用將干擾機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、乘以方位向補(bǔ)償相位和利用小的虛假幾何圖形模板的灰度值對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定的處理方法，產(chǎn)生在特定位置的虛假圖像目標(biāo)信號(hào)。此方法原理簡(jiǎn)單、對(duì)參數(shù)估計(jì)量少，能快速準(zhǔn)確地產(chǎn)生虛假目標(biāo)信號(hào)。最后，利用計(jì)算機(jī)仿真了干擾效果，產(chǎn)生的虛假目標(biāo)成像清晰、迅速，能達(dá)到欺騙偵察、干擾制導(dǎo)的作用。

1 SAR欺騙干擾信號(hào)模型

SAR單點(diǎn)目標(biāo)欺騙干擾原理如圖1所示，其中H為雷達(dá)高度;Ri(η)為在η時(shí)刻第i個(gè)目標(biāo)點(diǎn)與雷達(dá)之間的距離;Rj(η)為η時(shí)刻雷達(dá)距干擾機(jī)的距離;η為方位向的慢時(shí)間;Δx，Δy為干擾機(jī)距離虛假目標(biāo)的方位向與距離向位置偏移量。雷達(dá)干擾機(jī)在位置A處接收到雷達(dá)信號(hào)，經(jīng)過(guò)一些處理，然后發(fā)射給SAR接收機(jī)。SAR成像系統(tǒng)再對(duì)干擾機(jī)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行處理，在B處產(chǎn)生一個(gè)虛假目標(biāo)。

圖1 SAR單點(diǎn)目標(biāo)欺騙式干擾示意圖Fig.1 SAR single point deceptive jamming sketch map

合成孔徑雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)為

(2)式中:Ai為第i個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的散射系數(shù);τi=為回波延時(shí)量;λ為雷達(dá)波長(zhǎng);c為光速。設(shè)干擾機(jī)接收到雷達(dá)信號(hào)不經(jīng)處理直接轉(zhuǎn)發(fā)給SAR接收機(jī)，信號(hào)為

(3)式中:Aj為干擾機(jī)位置回波的反射系數(shù);延時(shí)量。對(duì)比(2)式與(3)式，可以看出只需將干擾機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，就可以產(chǎn)生i個(gè)虛假目標(biāo)的信號(hào)，處理方法為

(4)式中，Ai'表示處理后第i個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的散射系數(shù);τij為干擾機(jī)與虛假目標(biāo)之間的延時(shí)量之差。由圖1可知，干擾機(jī)與假目標(biāo)的位置回波延時(shí)量分別為

(5)式中，v為雷達(dá)的飛行速度。

因?yàn)樵趯?shí)際中，由于 y?Δy，h，vη時(shí)，延時(shí)量可簡(jiǎn)化處理，得到的延時(shí)差值［8］為

可以看出，虛假目標(biāo)的同一方位向目標(biāo)的延時(shí)量可以近似一致。根據(jù)圖2可假設(shè)，虛假圖像由M×N個(gè)目標(biāo)點(diǎn)組成，且每一行之間的間隔為Δy'，每列之間的間隔為Δx'。對(duì)于雷達(dá)回波信號(hào)來(lái)說(shuō)，相同的距離向目標(biāo)回波具有相同的時(shí)延［9］。所以對(duì)于圖2所示的多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的延時(shí)量?jī)H需計(jì)算第1列目標(biāo)的延時(shí)量。結(jié)合(7)式可得到延時(shí)矩陣為

圖2 SAR圖像欺騙干擾示意圖Fig.2 SAR image deceptive jamming sketch map

因?yàn)橄嗤轿幌蚰繕?biāo)的回波具有相同的相位項(xiàng)，所以若計(jì)算所有點(diǎn)目標(biāo)的補(bǔ)償相位，僅需要計(jì)算出圖2中第1行的相位即可。那么第1行的相位矩陣可以表示為

(9)式中，任意

(10)式中:ψi(η)表示第1行的第i個(gè)目標(biāo)需要補(bǔ)償?shù)南辔?R(1，i)(η)為第1行的第i個(gè)目標(biāo)與雷達(dá)機(jī)之間的距離。

當(dāng)要產(chǎn)生由M×N點(diǎn)目標(biāo)組成的面目標(biāo)的干擾信號(hào)時(shí)，首先根據(jù)面目標(biāo)的輻射特性生成一個(gè)散射系數(shù)矩陣

結(jié)合(4)，(8)，(9)與(12)式得出產(chǎn)生M ×N個(gè)虛假點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)可以表示為

2 算法的性能分析

2.1 復(fù)雜程度縮減量分析

本算法充分利用在相同距離上的合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)具有相同的時(shí)間延遲量，在相同方位向的回波信號(hào)具有相同的相位項(xiàng)這一重要結(jié)論。對(duì)于產(chǎn)生的M×N個(gè)點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)，根據(jù)第1列的位置信息計(jì)算出所有目標(biāo)延時(shí)量，這樣計(jì)算量就會(huì)減少為原來(lái)的1/N;根據(jù)第1行的目標(biāo)位置信息，計(jì)算出所有目標(biāo)的相位補(bǔ)償量，這樣計(jì)算量就減少為原來(lái)的1/M;然后將延時(shí)信息與相位補(bǔ)償量進(jìn)行結(jié)合，產(chǎn)生了所有點(diǎn)目標(biāo)的回波信號(hào)，那么計(jì)算量至少減為原先的?？梢姶朔N方法在計(jì)算速度上有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足SAR欺騙干擾實(shí)時(shí)性的需求。

2.2 參數(shù)估計(jì)誤差量影響分析

對(duì)于合成孔徑雷達(dá)的欺騙式干擾，文獻(xiàn)［10-12］都進(jìn)行了探討，其方法是對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行捕獲、參數(shù)分析、生成虛假目標(biāo)信號(hào)。在生成虛假信號(hào)時(shí)，不僅需要估計(jì)雷達(dá)的位置信息、雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率(pulse recurrence frequency，PRF)、速度、多普勒調(diào)頻參數(shù)，還需要對(duì)雷達(dá)波的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，如調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻斜率、載頻、多普勒中心頻率等。此類方法不僅在參數(shù)分析計(jì)算上浪費(fèi)時(shí)間，而且當(dāng)參數(shù)分析稍有誤差就會(huì)造成很差的干擾效果［13］。本文的欺騙干擾方法是在干擾機(jī)接收雷達(dá)波的基礎(chǔ)上進(jìn)行相位補(bǔ)償和時(shí)延處理，僅需要對(duì)雷達(dá)的速度、PRF、多普勒調(diào)頻斜率參數(shù)進(jìn)行較低精度的估計(jì)，便可實(shí)現(xiàn)欺騙干擾［14］。

3 實(shí)驗(yàn)仿真分析

仿真參數(shù)為載頻3 GHz、距離向頻寬75 MHz、發(fā)射脈寬5 μs、載機(jī)速度100 m/s、天線尺寸4 m、測(cè)繪中心的坐標(biāo)為(10 000，0)、載機(jī)飛行高度4 000 m。

仿真利用Matlab工具為仿真平臺(tái)展開，采用正側(cè)視成像，SAR回波成像處理采用R-D算法。圖3針對(duì)文章提出的方法對(duì)欺騙干擾信號(hào)進(jìn)行了仿真。需要說(shuō)明的是，為了對(duì)比虛假目標(biāo)圖像的成像效果，圖3中左上角的飛機(jī)點(diǎn)圖為飛機(jī)模板成像，不是欺騙干擾成像。右側(cè)連續(xù)的6個(gè)飛機(jī)目標(biāo)為欺騙干擾圖像，可以發(fā)現(xiàn)隨著作用距離的增大，圖像出現(xiàn)了模糊與失配，其主要原因是(7)式采用的近似處理，隨著距離增大不再適用。從右下角的欺騙虛假目標(biāo)可以看出，隨著方位向偏移量的增加，飛機(jī)尾部點(diǎn)目標(biāo)出現(xiàn)方位向壓縮失配出現(xiàn)一定量微小的散焦，但是不太影響成像效果。圖4是SAR對(duì)一座橋面目標(biāo)的成像結(jié)果。由于原圖像模板像素大小僅為15×9，所以不是特別清晰。圖5仿真的是一幅SAR圖像，圖像中的河流、建筑物、公路等目標(biāo)聚焦良好、成像清晰。圖6為在經(jīng)過(guò)欺騙干擾后的SAR圖像。干擾機(jī)利用圖4的模板目標(biāo)信息產(chǎn)生虛假目標(biāo)?？梢钥闯鲈诤拥郎铣霈F(xiàn)了一條逼真的橋梁，橋面上的黑點(diǎn)目標(biāo)為虛假的車輛目標(biāo)。仿真的結(jié)果證實(shí)本方法產(chǎn)生的虛假目標(biāo)成像清晰，能夠有效地對(duì)敵方SAR偵察進(jìn)行欺騙。

4 結(jié)論

通過(guò)分析目標(biāo)點(diǎn)的散射特性，得出點(diǎn)目標(biāo)和面目標(biāo)的回波表達(dá)式。推導(dǎo)出通過(guò)在干擾機(jī)接收到的雷達(dá)波的基礎(chǔ)上進(jìn)行延時(shí)和乘以附加相位的方法，得到虛假圖像干擾。為了實(shí)現(xiàn)欺騙干擾實(shí)時(shí)性的要求，充分利用在相同距離上的合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)具有相同的時(shí)間延遲量，在相同方位向的回波信號(hào)具有相同的相位項(xiàng)這一重要結(jié)論，對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，加快了運(yùn)算速度。由于一些文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)參數(shù)精度的需求進(jìn)行分析，所以文章沒有進(jìn)行探討。最后利用仿真驗(yàn)證了方法的正確性。

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