黃 龍 董春曦沈志博 趙國(guó)慶

(西安電子科技大學(xué)電子信息攻防對(duì)抗與仿真技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

多天線干擾機(jī)對(duì)抗InSAR雙通道干擾對(duì)消的研究

黃 龍 董春曦*沈志博 趙國(guó)慶

(西安電子科技大學(xué)電子信息攻防對(duì)抗與仿真技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

干擾機(jī)運(yùn)動(dòng)能給雙通道干擾對(duì)消帶來(lái)困難，但連續(xù)運(yùn)動(dòng)的干擾機(jī)只在一定范圍內(nèi)有較好的干擾效果。旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)具有運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性，該文分析了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的干擾機(jī)對(duì)InSAR雙通道干擾對(duì)消的影響，針對(duì)旋臂過(guò)長(zhǎng)不易實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，提出用分布式的多干擾發(fā)射天線通過(guò)分時(shí)發(fā)射模擬旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)的方法，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

電子對(duì)抗；干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)；干擾抑制；多天線

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)能夠通過(guò)在方位向上進(jìn)行孔徑合成，獲得很高的方位向分辨率；同時(shí)采用線性調(diào)頻信號(hào)和脈沖壓縮技術(shù)獲得良好的距離向分辨率[1]。而干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)是在SAR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)量技術(shù)，它能通過(guò)相位干涉測(cè)量獲得目標(biāo)的高程信息[2]。成像雷達(dá)在民用和軍事領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用[3?7]，因此，針對(duì)成像雷達(dá)的干擾方法的研究具有重要意義。目前針對(duì)SAR的干擾手段比較成熟，無(wú)源干擾一般采用強(qiáng)散射體布陣或旋轉(zhuǎn)角反射器使SAR圖像在方位向上產(chǎn)生干擾條帶[8]。有源干擾主要是相干噪聲干擾[9]、彈射式干擾[10]和欺騙干擾[11?13]，相干噪聲能獲得一定的SAR處理增益；彈射式干擾的回波特征和真實(shí)目標(biāo)一致，所以能獲取全部SAR處理增益；欺騙干擾通過(guò)預(yù)設(shè)的圖像模板和截獲的雷達(dá)信息生成雷達(dá)回波，使雷達(dá)呈現(xiàn)虛假目標(biāo)。SAR的抗干擾手段也相繼提出，在相應(yīng)條件下，通過(guò)改變信號(hào)參數(shù)可以使干擾失效，通過(guò)時(shí)頻分析對(duì)抗脈沖干擾，通過(guò)相干平均、小波變換等抑制白噪聲干擾[14]。雙通道的InSAR系統(tǒng)可以利用地面固定干擾站的干擾信號(hào)在兩個(gè)接收通道內(nèi)干涉相位幾乎不變的特點(diǎn)，通過(guò)相位補(bǔ)償和對(duì)消減少干擾的影響[15,16]。雙通道對(duì)消不用區(qū)分干擾信號(hào)類型而有很好的抗干擾性能，運(yùn)算量小，只是對(duì)目標(biāo)回波有周期性的損失。文獻(xiàn)[15]指出，運(yùn)動(dòng)的干擾機(jī)會(huì)對(duì)InSAR雙通道干擾對(duì)消產(chǎn)生影響，但是因?yàn)楦蓴_機(jī)運(yùn)動(dòng)方向和干擾機(jī)與雷達(dá)的距離對(duì)多普勒影響較大，所以實(shí)際上干擾機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)干擾對(duì)消的影響有限。旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)具有運(yùn)動(dòng)的周期性，可以長(zhǎng)時(shí)間地對(duì)抗雙通道干擾對(duì)消。以單航過(guò)InSAR為例，本文分析了旋轉(zhuǎn)的干擾機(jī)及其參數(shù)對(duì)雙通道干擾對(duì)消效果的影響。針對(duì)懸臂過(guò)長(zhǎng)難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)多個(gè)布陣的干擾發(fā)射天線的分時(shí)發(fā)射，達(dá)到干擾機(jī)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的效果。

2 雙通道對(duì)消技術(shù)

雙通道對(duì)消技術(shù)的思想來(lái)自于相位中心偏置天線(DPCA)技術(shù)。其原理是把兩個(gè)或多個(gè)天線的相位中心在飛行方向上作物理或電子上的移位，然后通過(guò)對(duì)消抑制慢變的雜波[17]。

如圖1所示的干涉合成孔徑雷達(dá)模型，R1和R2是InSAR的兩部天線，其中天線R1發(fā)射，兩部天線同時(shí)接收，雷達(dá)高度為H，基線長(zhǎng)度為B。雷達(dá)沿x軸正方向勻速飛行，成像區(qū)域?yàn)镕。設(shè)慢時(shí)刻tm，兩通道接收到區(qū)域F內(nèi)一點(diǎn)目標(biāo)(x,y)的回波聚焦后的復(fù)圖像分別為st1(x,y)和st2(x,y)：

其中，At(x,y)是點(diǎn)(x,y)的回波在雷達(dá)通道中聚焦后的幅度，且認(rèn)為其在兩通道內(nèi)是相等的。φt1(x,y)是點(diǎn)(x,y)在通道1中聚焦后的相位，且φt1(x,y)=?4πRB1/λ，其中RB1為點(diǎn)(x,y)到R1航線上的最短直線距離。Δφt(x,y)是點(diǎn)(x,y)到兩通道的相位差，且Δφt(x,y)=?2π(RB2?RB1)/λ, RB2為點(diǎn)(x,y)到R2航線上的最短直線距離。

地面有一干擾機(jī)J，對(duì)雷達(dá)進(jìn)行干擾。因?yàn)楦蓴_信號(hào)總是由同一點(diǎn)發(fā)出，經(jīng)兩條不同路徑到達(dá)雷達(dá)兩通道，所以在tm時(shí)刻，雷達(dá)兩通道接收同一干擾機(jī)信號(hào)的相位差為

其中，Rj1(tm)和Rj2(tm)分別是tm時(shí)刻干擾機(jī)到兩雷達(dá)接收通道的距離。

設(shè)干擾機(jī)的坐標(biāo)為(x0,y0,0)，通道1坐標(biāo)為(X,0,H)，通道2坐標(biāo)為(X,Bh,H+Bv)。其中，X代表不同的方位向距離，Bh和Bv分別為基線在水平和垂直方向上的分量。則有

對(duì)式(4)進(jìn)行泰勒展開并忽略二次項(xiàng)得：

圖1 InSAR雙通道模型

由式(5)可以看出，當(dāng)基線垂直于航跡方向時(shí)，Δφj(tm)近似不變，可以將其記為Δφj。雙通道中干擾信號(hào)聚焦后的復(fù)圖像可以表示為

目標(biāo)和干擾的復(fù)合信號(hào)在兩通道內(nèi)的復(fù)圖像可以表示為

將s1(x,y)進(jìn)行exp(jΔφj)的相位補(bǔ)償后與s2(x,y)相消，得到對(duì)消后的圖像為

式中，st2為無(wú)干擾時(shí)通道2的復(fù)圖像。從式(10)可以看出，雙通道干擾對(duì)消后的圖像消除了干擾分量的影響，但是由于exp[jΔφj?jΔφt(x,y )]相位項(xiàng)的影響，當(dāng)Δφt(x,y)?Δφj≈2k π, k為整數(shù)時(shí)，圖像會(huì)變暗；而當(dāng)Δφt(x,y)?Δφj≈(2k +1)π時(shí)，圖像會(huì)變亮。由于難以對(duì)雷達(dá)和干擾機(jī)的距離Rj1(tm)和Rj2(tm)做精確估計(jì)，Δφj無(wú)法通過(guò)式(3)計(jì)算。一般采用搜索法估計(jì)干擾信號(hào)相位差[18]，先建立代價(jià)函數(shù)，然后在[0,2π]范圍內(nèi)搜索，找到性能函數(shù)的極值，即最優(yōu)干擾機(jī)干涉相位。當(dāng)干信比較大時(shí)，由于干擾信號(hào)在復(fù)圖像中起主導(dǎo)地位，所以Δφj的相位還會(huì)體現(xiàn)在復(fù)圖像的相位圖上，也就是說(shuō)干信比的增大會(huì)使Δφj的估計(jì)變得容易。

3 旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)對(duì)InSAR雙通道干擾對(duì)消的影響

文獻(xiàn)[15]證明了垂直于航線的直線運(yùn)動(dòng)干擾機(jī)會(huì)對(duì)InSAR雙通道干擾對(duì)消造成影響，同時(shí)也說(shuō)明了當(dāng)雷達(dá)和干擾機(jī)距離在一定范圍時(shí)，理論上干擾效果最好。但是干擾機(jī)載體的飛行過(guò)程是連續(xù)的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)成像期間的全程干擾。

如果將干擾機(jī)置于旋臂上，通過(guò)旋臂的旋轉(zhuǎn)獲得位移，能夠使干擾信號(hào)到達(dá)兩雷達(dá)通道的相位差產(chǎn)生變化，并且其位移是周期性的，不會(huì)受到直線運(yùn)動(dòng)對(duì)其干擾效果的影響。另外，通過(guò)設(shè)置旋臂的參數(shù)，也能獲得良好的干擾性能。

旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)和InSAR的空間關(guān)系如圖2所示。干擾機(jī)的旋臂長(zhǎng)度為r，旋轉(zhuǎn)角速度為ω。干擾機(jī)旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為(x0,y0,0)。設(shè)在tm時(shí)刻，干擾機(jī)的坐標(biāo)為(rcos(ωtm),rsin(ωtm),0)，式(3)所表示的干擾信號(hào)到兩通道的相位差不再隨時(shí)間tm慢變，則

RB1(tm)和RB2(tm)分別是tm時(shí)刻干擾機(jī)到兩個(gè)雷達(dá)通道航線上的最短直線距離，只和干擾機(jī)在tm時(shí)刻的距離向距離rsin(ωtm)有關(guān)。如果rsin(ωtm)隨tm變化較大，則干擾信號(hào)相位差Δφj(tm)在不同慢時(shí)間有不同的值。雷達(dá)進(jìn)行雙通道干擾對(duì)消時(shí)，如果還要達(dá)到比較好的效果，則要對(duì)每一個(gè)慢時(shí)間干擾信號(hào)的相位差Δφj(tm)做精確估計(jì)，無(wú)疑增加了干擾對(duì)消的難度。另一方面，由于對(duì)消后圖像上黑色區(qū)域的出現(xiàn)是因?yàn)榇藚^(qū)域的干涉相位和干擾信號(hào)干涉相位接近。由于固定干擾機(jī)發(fā)射干擾信號(hào)的干涉相位幾乎不變，所以干擾對(duì)消后的圖片有沿距離向周期出現(xiàn)的黑色條紋，這些位置的干涉相位和干擾信號(hào)的干涉相位接近；而旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號(hào)的干涉相位是周期變化的，所以對(duì)消后出現(xiàn)的不再是黑色條紋，而是黑色圓弧。且旋轉(zhuǎn)周期越小則圓弧數(shù)量越多，懸臂越長(zhǎng)則圓弧在距離向的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

4 仿真分析

4.1 固定干擾機(jī)時(shí)的雙通道干擾對(duì)消

圖 2 旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)和 InSAR 的空間關(guān)系

圖3分別給出了固定干擾機(jī)時(shí)仿真場(chǎng)景的SAR圖像、受干擾時(shí)的SAR圖像和干擾對(duì)消結(jié)果。實(shí)驗(yàn)所用仿真參數(shù)為：基線長(zhǎng)度為14 m，基線傾角為45°，下視角為70°，雷達(dá)高度為10000 m，載頻為10 GHz，重復(fù)頻率為1200 Hz，雷達(dá)工作模式為正側(cè)視，干擾機(jī)與雷達(dá)直線距離約為30000 m，場(chǎng)景方位向?qū)挾燃s600 m，距離向?qū)挾燃s750 m，成像時(shí)間約為2 s。

圖3(a)是無(wú)干擾時(shí)任意一副SAR圖像；圖3(b)是受到干信比為10 dB的寬帶射頻噪聲干擾時(shí)的SAR圖像，圖中除了河流能依稀分辨外，其他地物都被遮蓋了；圖3(c)是干擾對(duì)消后的圖像，圖中有沿著距離向周期出現(xiàn)的暗條紋。

4.2 旋轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)干擾對(duì)消的影響分析

為了給干擾對(duì)消增加難度，Δφj(tm)在成像期間變化的范圍要盡量大。當(dāng)成像時(shí)間T內(nèi)Δφj(tm)變化范圍達(dá)到2π，就能達(dá)到很好的干擾效果。Δφj(tm)的范圍和旋臂長(zhǎng)度r，旋轉(zhuǎn)角速度ω以及基線垂直方向分量Bv成正比，和RB成反比。其中只有r和ω是干擾方可控變量。表1給出了在不同旋臂長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)角速度下，干擾機(jī)干涉相位的最大變化范圍。

圖3 固定干擾機(jī)對(duì)消結(jié)果

表1 旋臂旋轉(zhuǎn)速度和干涉相位范圍的關(guān)系

從表1中可以看出，旋臂越長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)角速度越快，其干涉相位范圍越大。旋臂長(zhǎng)度決定了干涉相位最大可能的范圍，而旋轉(zhuǎn)速度是決定干涉相位能否在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)最大范圍的因素。對(duì)于一般機(jī)載InSAR系統(tǒng)，地面干涉相位近似周期變化，且周期在幾十米到幾百米的范圍，要達(dá)到較好的干擾效果，干涉相位范圍要接近一個(gè)周期(即2π)，那么懸臂也要在幾十米到幾百米的量級(jí)。在表1所設(shè)仿真條件下，旋臂要達(dá)到100 m才能滿足要求，這在實(shí)際情況中根本實(shí)現(xiàn)不了。

圖4是采用不同參數(shù)的旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)時(shí)的干擾對(duì)消結(jié)果。

圖4(a)和圖4(b)分別為懸臂10 m和100 m，旋轉(zhuǎn)速度每秒1圈時(shí)的干擾對(duì)消結(jié)果。懸臂為10 m時(shí)，對(duì)消結(jié)果和固定干擾機(jī)時(shí)接近，而懸臂100 m能明顯看到黑色圓弧，這是因?yàn)閼冶墼介L(zhǎng)，干擾信號(hào)的干涉相位變化越大。圖4(c)和圖4(d)分別為懸臂10 m和100 m，旋轉(zhuǎn)速度每秒10圈時(shí)的干擾對(duì)消結(jié)果?？梢钥闯?，旋轉(zhuǎn)周期越小，沿方位向出現(xiàn)的圓弧越多，圖像信息損失越大。

4.3 多發(fā)射天線干擾機(jī)仿真及分析

以4.2節(jié)中的參數(shù)進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，要達(dá)到較好的干擾效果，懸臂長(zhǎng)度要達(dá)到100 m，且每秒旋轉(zhuǎn)10圈以上，這在現(xiàn)有條件下是無(wú)法做到的。然而，我們可以在不同位置上布置多個(gè)干擾發(fā)射天線，通過(guò)不同天線的交替發(fā)射，能夠達(dá)到干擾機(jī)運(yùn)動(dòng)的效果。

在每個(gè)慢時(shí)間，雷達(dá)和干擾機(jī)都可以用“stop-and-go”模型近似，即認(rèn)為雷達(dá)和干擾機(jī)是“一步一?！钡墓ぷ鞣绞?，那么旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)可以看作是沿圓弧均勻擺放的多個(gè)干擾機(jī)按時(shí)間順序依次發(fā)射的。由式(10)可知，干擾信號(hào)到雷達(dá)兩通道的相位差為Δφj，且Δφj關(guān)系到干擾對(duì)消后圖像的情況，又由式(5)可知，Δφj只和干擾機(jī)的距離向位置有關(guān)。如果在距離向布置多個(gè)干擾天線，每個(gè)干擾天線按時(shí)間先后依次發(fā)射干擾信號(hào)，就可以達(dá)到近似的干擾效果了。

如圖5所示，若要達(dá)到最好的干擾效果，根據(jù)式(5)，干擾機(jī)天線應(yīng)在距離向上呈直線排列；根據(jù)式(10)，Δφj要覆蓋至少一個(gè)相位周期，即2π ，這樣才能保證最大的干涉相位范圍。若是預(yù)先不知道雷達(dá)沿什么航線飛行，則可以采用菱形布陣，保證每個(gè)方向上都能達(dá)到較好的干擾效果。下面通過(guò)仿真說(shuō)明兩種布陣的干擾效果。

圖4 旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)對(duì)消結(jié)果

圖5 干擾機(jī)天線布置

圖6(a)和圖6(b)為4個(gè)發(fā)射天線采用100 m間隔的菱形布陣時(shí)，天線切換頻率10 Hz和100 Hz時(shí)的干擾對(duì)消結(jié)果，圖6(c)和圖6(d)為4個(gè)發(fā)射天線采用100 m間隔的直線布陣時(shí)，天線切換頻率10 Hz和100 Hz時(shí)的干擾對(duì)消結(jié)果。由于天線切換造成干擾信號(hào)干涉相位的不連續(xù)性，所以干擾對(duì)消后圖像中的條紋是位置不斷變換的線段。當(dāng)切換速度變快時(shí)，線段的長(zhǎng)度變短，呈現(xiàn)出圖6(b)和圖6(d)的網(wǎng)紋，能夠有效遮蓋圖像中的信息。

5 結(jié)論

運(yùn)動(dòng)的干擾機(jī)會(huì)給InSAR雙通道干擾帶來(lái)困難，但不能保證成像期間的全程干擾。本文分析了干擾機(jī)對(duì)InSAR干擾相位的特點(diǎn)，提出了利用旋轉(zhuǎn)干擾機(jī)對(duì)抗InSAR雙通道干擾抑制，并通過(guò)地面固定布陣的方式解決了旋臂過(guò)長(zhǎng)而不易實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。仿真證明了干擾的有效性，給雙通道干擾對(duì)消的對(duì)抗提供了理論依據(jù)。

圖6 多天線干擾機(jī)干擾對(duì)消效果

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Gan Rong-bing, Wang Jian-guo, and He Chuan. Phase estimation in rebound jamming suppression by two-channel SAR[J]. Acta Electronica Sinica, 2005, 33(9): 1691-1693.

黃 龍： 男，1988年生，博士，研究方向?yàn)镮nSAR干擾、電子戰(zhàn)信號(hào)處理.

董春曦： 男，1970年生，副教授，研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗技術(shù)及電子對(duì)抗系統(tǒng)仿真.

沈志博： 男，1986年生，博士，研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗、電子戰(zhàn)信號(hào)處理.

趙國(guó)慶： 男，1953年生，教授，研究方向?yàn)樾畔?duì)抗、電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真、電子戰(zhàn)信號(hào)處理.

Investigation on Countermeasure against InSAR Dual-channel Cancellation Technique with Multi-antenna Jammer

Huang Long Dong Chun-xi Shen Zhi-bo Zhao Guo-qing
(Key Laboratory of Electronic Information Countermeasure and Simulation, Ministry of Education, Xidian University, Xi'an 710071, China)

Jammer motion brings trouble to the dual-channel cancellation, but the good result is restricted to a limited range. The rotation motion of a jammer is periodic, the effect of rotating jammer on InSAR dual-channel cancellation is studied in this paper. Since the rotating arm is too long to put into practice, an alternative method using multi-antenna jammer is presented, the antennas emit interference signal on a time division basis. Simulation result shows that the proposed method is effective.

Electronic countermeasures; Interferometric SAR (InSAR); Interference suppression; Multi-antenna

TN974

： A

：1009-5896(2015)04-0913-06

10.11999/JEIT140769

2014-06-13收到，2014-07-31改回

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(K5051202026, JB140203)，國(guó)家部委基金(41101020301)和國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(613181)資助課題

*通信作者：董春曦 chxdong@mail.xidian.edu.cn