張靜克， 代大海， 邢世其， 王雪松， 肖順平

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410073)

?

對調(diào)頻斜率極性捷變SAR間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果分析

張靜克， 代大海， 邢世其， 王雪松， 肖順平

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410073)

摘要：研究了間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對調(diào)頻斜率極性捷變合成孔徑雷達(dá)(chirp rate polarity jittered-synthetic aperture radar, CRPJ-SAR)的干擾效果。建立了CRPJ-SAR間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號模型，通過推導(dǎo)得到干擾的成像輸出以及假目標(biāo)位置和幅度的解析計(jì)算公式。結(jié)果表明間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾不僅能夠在距離向形成等間隔分布的多階假目標(biāo)，而且當(dāng)假目標(biāo)階數(shù)不為零時，在同一距離向存在3個沿方位向等間隔分布的假目標(biāo)。仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá); 調(diào)頻斜率極性捷變; 間歇采樣; 多假目標(biāo)

0引言

具有全天時、全天候以及高處理增益等工作特點(diǎn)的合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)[1-2]是當(dāng)前軍事領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的偵察手段之一[3-5]，因此對SAR的干擾技術(shù)也隨之成為雷達(dá)對抗領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；跀?shù)字射頻存儲器(digital radio frequency memory, DRFM)的相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾[6-8]能夠高保真模仿雷達(dá)波形，在SAR圖像中形成逼真的假目標(biāo)，并獲得相當(dāng)?shù)奶幚碓鲆?，是?dāng)前SAR干擾技術(shù)的主流發(fā)展方向。

傳統(tǒng)的基于DRFM的轉(zhuǎn)發(fā)干擾通常將SAR信號全脈沖接收存儲，經(jīng)過調(diào)制或延遲得到干擾信號，然后在下一個脈沖重復(fù)周期將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給SAR系統(tǒng)，顯然難以有效對抗波形捷變SAR[9-13]。文獻(xiàn)[9-13]指出隨機(jī)線性調(diào)頻斜率SAR系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)回波信號與欺騙干擾信號的調(diào)頻斜率差異并結(jié)合二維陷波處理能夠有效地對抗欺騙干擾。文獻(xiàn)[11-12]研究證明調(diào)頻斜率極性捷變-SAR(chirp rate polarity jittered-SAR, CRPJ-SAR)對傳統(tǒng)的基于DRFM的欺騙干擾的抑制性能優(yōu)于隨機(jī)線性調(diào)頻斜率SAR的抗干擾性能。

與傳統(tǒng)的基于DRFM的欺騙干擾不同，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾作為一種新型相干轉(zhuǎn)發(fā)干擾[14-16]，能夠在一個脈寬時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)信號多次間歇采樣以及轉(zhuǎn)發(fā)處理，不僅能夠在SAR/逆SAR(inverse SAR, ISAR)距離向產(chǎn)生相干多假目標(biāo)，而且大大提高干擾機(jī)的響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[17]進(jìn)一步指出間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾能夠?qū)﹄S機(jī)線性調(diào)頻斜率SAR形成有效干擾，但是并沒有研究間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對CRPJ-SAR的干擾效果。本文從CRPJ-SAR間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾機(jī)理出發(fā)，對間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號模型進(jìn)行修正，深入研究CRPJ-SAR間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾效果，分析二維假目標(biāo)分布以及幅度特性，討論關(guān)鍵參數(shù)對干擾效果的影響，并通過數(shù)字仿真驗(yàn)證研究的正確性。

1干擾機(jī)理

1.1間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的信號模型

CRPJ-SAR通過在相鄰脈沖發(fā)射調(diào)頻斜率極性相反的LFM信號，使得傳統(tǒng)的基于DRFM的欺騙干擾信號與當(dāng)前雷達(dá)匹配濾波器的相關(guān)性降低而失配，從而實(shí)現(xiàn)對干擾的抑制。以機(jī)載正側(cè)視CRPJ-SAR為例，其發(fā)射信號可表示為

(1)

式中，τ表示SAR距離向快時間;η=mT(m為整數(shù))為方位向慢時間；T為脈沖重復(fù)周期；Tp為脈沖寬度；fc表示發(fā)射信號的載頻;kr(η)=α(η)kr表示η時刻發(fā)射脈沖的調(diào)頻斜率，其中kr為調(diào)頻斜率絕對值，α(η)∈{1,-1}為脈沖調(diào)頻斜率的極性，其取值在相鄰脈沖間是相反的。

間歇采樣信號為周期性方波[14]，具體形式為

(2)

(3)

將其近似表述為傅里葉級數(shù)為

(4)

(5)

式中，τjs(η)=RJ(η)/c。

若干擾機(jī)的系統(tǒng)時延τs(一般為數(shù)十納秒量級)，則間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號由于采樣轉(zhuǎn)發(fā)和系統(tǒng)引起的固定延遲為τw=τs+Tw。SAR接收到的干擾信號為

(6)

式中，τj(η)=2RJ(η)/c表示SAR與干擾機(jī)的雙程時延，τd(η)=τj(η)+τw表示干擾信號總的延遲。

1.2干擾信號SAR成像結(jié)果

(7)

(8)

式中

由于CRPJ-SAR發(fā)射信號的調(diào)頻斜率極性是交替變化的，即kr(η)=-kr(η+1)。若令

則式(8)可進(jìn)一步表示為

(9)

對式(9)作方位向傅里葉變換可得

(10)

(11)

(12)

2干擾效果分析

由式(2)可知，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號在CRPJ-SAR圖像中形成多個分布有規(guī)律的二維點(diǎn)假目標(biāo)，其距離向時延和位置分別為

(13)

(14)

當(dāng)k≠0時，在rk處有3個沿著方位向等間隔分布的假目標(biāo)，且假目標(biāo)的方位向時間和位置分別為

(15)

(16)

式中，m∈{-1,0,1}；αs為方位向過采樣率；Ls是合成孔徑長度。當(dāng)k=0時，在r0處只有一個假目標(biāo)，其方位向位置為0。

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

span(Ak)=asinc(ka)(1-|kfs|/B)

(22)

文獻(xiàn)[15]指出間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在常規(guī)SAR中的k階假目標(biāo)的幅度為asinc(ka)(1-|kfs|/B)，與式(22)所定義的CRPJ-SAR第k階假目標(biāo)的合成幅度span(Ak)相等。與常規(guī)SAR相比，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在CRPJ-SAR中形成的干擾的能量更加分散，各階主、次假目標(biāo)的幅度均小于其在常規(guī)SAR中的對應(yīng)階假目標(biāo)的幅度，因此在對CRPJ-SAR實(shí)施間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾時需適當(dāng)提高干擾發(fā)射功率。

由式(19)和式(20)可知，假目標(biāo)的幅度受到sinc(ka)·(1-|kfs|/B)的調(diào)制，即當(dāng)ka=nπ時或者|kfs|≥B時，幅度為零，無干擾輸出，因此可確定間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號形成假目標(biāo)的最大階數(shù)為

Kmax=ceil(B/fs)

(23)

則在CRPJ-SAR中假目標(biāo)的個數(shù)最多為

(24)

由式(14)、式(17)和式(23)可知，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在CRPJ-SAR形成的假目標(biāo)的距離向分布特性以及假目標(biāo)的個數(shù)由間歇采樣周期Ts決定，Ts越大，形成假目標(biāo)的距離向間隔越小，假目標(biāo)的個數(shù)越多。這與文獻(xiàn)[15]中間歇采樣周期Ts對其在常規(guī)SAR形成假目標(biāo)分布特性的影響完全一致。

由式(16)和式(18)可知，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在CRPJ-SAR形成的假目標(biāo)的方位向位置由SAR系統(tǒng)方位向過采樣率αs決定，αs越大，假目標(biāo)距離向間隔越大。

由式(19)和式(20)可知，假目標(biāo)的幅度多個參數(shù)的共同影響，其變化特性十分復(fù)雜。其中0階假目標(biāo)的幅度由占空比決定，占空比a越大，其0階假目標(biāo)幅度越大。對于非零階假目標(biāo)，不僅受到占空比的影響，而且還受到間歇采樣時間因子Δt的調(diào)制。當(dāng)πka=lπ(l為整數(shù))時，sinc(ka)=0，則該階主、次假目標(biāo)幅度均為零，在SAR圖像無輸出。由于間歇采樣因子Δt的存在，使得對稱階假目標(biāo)受到的相位項(xiàng)2πkfsΔt-π(kfs)2/kr的影響，進(jìn)而導(dǎo)致對稱階假目標(biāo)的幅度可能不等，這與間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在常規(guī)SAR中形成的對稱階假目標(biāo)幅度相同的特性不同。

3仿真分析與驗(yàn)證

由于間歇采樣周期以及占空比對常規(guī)SAR和CRPJ-SAR干擾效果的影響相同，而文獻(xiàn)[15]已對間歇采樣周期以及占空比對干擾效果的影響進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，因此不再贅述。本節(jié)通過仿真對間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在CRPJ-SAR中的特性進(jìn)行分析驗(yàn)證。SAR系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。成像場景區(qū)域距離向范圍為[7 600m,8 400m]，方位向范圍為[-200m,200m]，干擾機(jī)位于場景中心處。間歇采樣信號周期為Ts=0.5μs，占空比為a=0.4，這里忽略干擾機(jī)的系統(tǒng)時延。由表1可知，對于常規(guī)SAR其調(diào)頻斜率kr=5e12Hz/s，對于CRPJ-SAR其調(diào)頻斜率kr=±5e12Hz/s，合成孔徑長度Ls=80m，間歇采樣段數(shù)N=40，ΔN=0，則間歇采樣時間因子為Δt=(2-a)Ts/2。

表1　SAR系統(tǒng)參數(shù)

圖1和圖2分別給出了當(dāng)方位向過采樣率αs=1.5時，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)信號在常規(guī)SAR和CRPJ-SAR中形成的干擾圖像。由圖1(a)和圖2(a)對比可知，與常規(guī)SAR相同，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在CRPJ-SAR中能夠沿距離向形成等間隔分布的假目標(biāo)，假目標(biāo)距離向位置以及間隔分別為rk=(8 075-30k)m和Δrk=30 m，與和所示理論值完全吻合，而且由于占空比a=0.4，使得圖1(a)和圖2(a)第5階假目標(biāo)的幅度為零；與常規(guī)SAR不同，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在CRPJ-SAR中距離向?yàn)閞k=(8 075-30k)m處沿方位向形成等間隔分布的3個假目標(biāo)，由圖2(a)可知3個假目標(biāo)的方位向位置分別為-60 m、0 m和60 m，相鄰假目標(biāo)方位向間隔為60 m，與所示理論值Δx=αsLs/2一致。

圖1　常規(guī)SAR的干擾圖像(fa=1.5Ba)

圖2　CRPJ-SAR的干擾圖像(fa=1.5Ba)

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾在常規(guī)SAR中的階假目標(biāo)的幅度為Bk≈asinc(ka)(1-|kfs|/B)，顯然有B0=A0=a，圖1(b)和圖2(b)的歸一化幅度分別定義為

(25)

(26)

表2　常規(guī)SAR假目標(biāo)歸一化幅度(圖1(b))和CRPJ-SAR主假目標(biāo)歸一化幅度(圖2(b))

圖3給出了當(dāng)方位向過采樣率αs=3時，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)信號在CRPJ-SAR中形成的干擾圖像。由圖2(a)和圖3(a)對比可知，由于αs的不同使得各階次假目標(biāo)的方位向位置不同，圖3中假目標(biāo)的方位向位置分別為-120 m、0 m和120 m，相鄰假目標(biāo)方位向間隔為120 m。由圖2(b)和圖3(b)對比可知，當(dāng)αs變化時，其形成的各階主假目標(biāo)幅度的幅度并未變化，這也意味著各階次假目標(biāo)的幅度也不會變化。而且由圖2(a)和圖3(a)也可以看出，對應(yīng)階次假目標(biāo)的幅度相同。即方位向過采樣率只會影響假目標(biāo)的方位向位置而不會影響假目標(biāo)的幅度。

為了進(jìn)一步證明間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾能夠在調(diào)頻斜率極性捷變SAR中形成有效干擾，本文基于美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的MiniSAR切片圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析。SAR系統(tǒng)參數(shù)、成像場景區(qū)域以及間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾參數(shù)均不變，干擾機(jī)位于(0 m,20 m)處，過采樣率αs=1.5。仿真方法是將MiniSAR圖像數(shù)據(jù)作為目標(biāo)場景的散射系數(shù)，然后按照CRPJ-SAR信號采集以及間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾實(shí)施過程進(jìn)行回波模擬，然后再進(jìn)行SAR成像處理。干擾效果如圖4所示，圖4(a)為無干擾時的SAR圖像，場景中心處有一強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)，圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)分別為干信比(jamming-to-signal power ratio，JSR)為0 dB、6 dB、12 dB時的干擾效果圖，由于采樣轉(zhuǎn)發(fā)的影響，形成的0階假目標(biāo)滯后于待保護(hù)目標(biāo)。由圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)可以看出，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾能夠在CRPJ-SAR形成有規(guī)律分布多個點(diǎn)假目標(biāo)，且與理論分析吻合；而且隨著JSR的增大，SAR圖像中觀察到的假目標(biāo)個數(shù)越多，對真實(shí)目標(biāo)保護(hù)效果就越好。

圖3　CRPJ-SAR的干擾圖像(fa=3Ba)　　　　　　　　　　　　　圖4　基于實(shí)測數(shù)據(jù)仿真的干擾效果圖

4結(jié)束語

本文研究了間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對CRPJ-SAR的干擾效果。研究結(jié)果表明間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾不僅能夠在CRPJ-SAR中形成沿距離向等間隔分布的假目標(biāo)，而且由于調(diào)頻斜率極性在相鄰脈沖之間變化的影響，在方位向匹配濾波時會出現(xiàn)3個沿方位向等間隔分布的假目標(biāo)。假目標(biāo)的位置和幅度由間歇采樣周期、占空比以及方位向過采樣率等決定。與常規(guī)SAR相比，假目標(biāo)的個數(shù)更多，能量也更分散，因此在對CRPJ-SAR實(shí)施間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾時需適當(dāng)提高干擾機(jī)的發(fā)射功率以獲取較好的干擾效果。

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張靜克(1988-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)镾AR信號處理、InSAR干擾。

E-mail：zhangjk1025@163.com

代大海(1980-)，男，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)闃O化雷達(dá)成像、雷達(dá)信號處理與目標(biāo)識別以及SAR/InSAR干擾。

E-mail：ddh1206@163.com

邢世其(1984-)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)闃O化雷達(dá)三維成像及目標(biāo)特征提取及SAR/InSAR干擾。

E-mail：xingshiqi_paper@163.com

王雪松(1972-)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闃O化信息處理、雷達(dá)目標(biāo)識別、新體制雷達(dá)技術(shù)。

E-mail：wxs1019@vip.sina.com

肖順平(1964-)男，教授，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息處理、電子信息系統(tǒng)仿真評估技術(shù)。

E-mail：xiaoshunping_nudt@163.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141128.0839.002.html

Analysis of jamming effect on intermittent sampling

repeater jamming to CRPJ-SAR

ZHANG Jing-ke, DAI Da-hai, XING Shi-qi, WANG Xue-song, XIAO Shun-ping

(StateKeyLaboratoryofComplexElectromagneticEnvironmentEffectsonElectronicsandInformation

System,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Abstract:Jamming effect on intermittent sampling repeater jamming to chirp rate polarity jittered SAR (CRPJ-SAR)is investigated. The intermittent sampling repeater jamming model of CRPJ-SAR is built, the imaging result of jamming is derived, and analytical formulas to calculate the locations and amplitudes of false targets are given. The image result shows that the jamming can produce multiple order false targets in range direction, and when the order is unequal to zero, there are three false targets which spreads along the cross range direction in equal interval at the same range direction. The correctness of the theoretical analysis is validated further by simulation experiments.

Keywords:synthetic aperture radar (SAR); chirp rate polarity jittered (CRPJ); intermittent sampling; multiple false targets

作者簡介：

中圖分類號：TN 959.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.05.08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61302143)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA122202)資助課題

收稿日期：2014-07-09；修回日期：2014-11-03；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014-11-28。