唐立科，李圣衍

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

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針對(duì)星載SAR的散射式干擾應(yīng)用研究

唐立科，李圣衍

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

針對(duì)星載SAR的特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了散射波干擾的干擾原理，并針對(duì)其工程實(shí)現(xiàn)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析。最后針對(duì)典型星載SAR進(jìn)行了干擾驗(yàn)證試驗(yàn)，給出了試驗(yàn)結(jié)果，證明了該樣式的有效性。

SAR干擾；散射系數(shù)；收發(fā)同時(shí)；散射波干擾；軌道預(yù)測(cè)

0 引言

根據(jù)對(duì)星載SAR特點(diǎn)的研究，對(duì)星載SAR的干擾主要分為兩大類：直達(dá)波干擾和散射波干擾。直達(dá)波干擾研究較多，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位研制過裝備，文獻(xiàn)[1]提出了基于DRFM實(shí)現(xiàn)點(diǎn)狀目標(biāo)和分布式目標(biāo)進(jìn)行干擾的算法，文獻(xiàn)[2]分析了SAR目標(biāo)回波特性，提出了有源應(yīng)答式干擾產(chǎn)生的方法。直達(dá)波干擾技術(shù)從理論到工程實(shí)現(xiàn)已經(jīng)較成熟，但為了實(shí)現(xiàn)直達(dá)波相參干擾，需要詳細(xì)了解目標(biāo)的飛行軌跡、SAR信號(hào)參數(shù)，這對(duì)SAR的偵察跟蹤提出了較高的要求。

所以，研究采用散射波干擾的方式對(duì)SAR進(jìn)行干擾成為熱點(diǎn)，目前理論上已經(jīng)逐漸成熟。文獻(xiàn)[3]首次提出SAR的散射波干擾技術(shù)，給SAR的相干干擾提供了全新的思路。文獻(xiàn)[4]提出了散射波干擾的模型，并分析了對(duì)SAR干擾效果，積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)星載SAR軌道基本固定且可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，提出散射波干擾的實(shí)現(xiàn)方法，分析了工程實(shí)踐中遇到的關(guān)鍵問題及解決辦法，最后利用商用衛(wèi)星開展驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了干擾效果的有效性。

1 散射波干擾原理

散射波干擾主要是利用地面的干擾設(shè)備接收SAR發(fā)射信號(hào)后，進(jìn)行延時(shí)、多普勒調(diào)制產(chǎn)生干擾信號(hào)；干擾信號(hào)通過發(fā)射天線向投射區(qū)進(jìn)行照射，利用投射地面區(qū)域的自然散射形成連續(xù)面積真實(shí)地物的散射波，這些散射波被SAR接收后，經(jīng)過成像處理，將形成一幅反映真實(shí)地物特征的但又不同于真實(shí)地物圖像的連續(xù)虛假圖像。散射波干擾示意圖如圖1所示。

圖1 散射波干擾示意圖

從圖1可知，干擾回波的距離歷程(相對(duì)衛(wèi)星的單程距離)為：

式中，Rs、RJ、RT分別為慣性坐標(biāo)系中SAR、干擾機(jī)和地面目標(biāo)的位置矢量。

(2)

式中，Vs、VJ、VT分別為慣性坐標(biāo)系中SAR天線相位中心、干擾機(jī)和目標(biāo)的速度矢量。

目標(biāo)點(diǎn)和干擾點(diǎn)的二次距離逼近模型分別為：

(λ/4)fdr(t-(ΔtT+ΔtJ)/2)2+

(λ/16)fdr(ΔtT-ΔtJ)2

(5)

式(5)可寫為：

(6)

式中，xE=(xT+xJ)/2+RTJ/2+(λ/16)fdr·(ΔtT-ΔtJ)2,ΔtE=(ΔtT+ΔtJ)/2。

地面目標(biāo)回波距離歷程RT(t)、干擾機(jī)的距離歷程RJ(t)和干擾回波距離歷程RE(t)，三者的距離歷程相近，這說明干擾回波信號(hào)可以聚焦生成目標(biāo)圖像。

干擾回波信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2RE(t))/c)exp(-j4πRE(t)/λ-

jφ(t-nT-(2RE(t)/c)))

(7)

式中，σJ為干擾機(jī)照射目標(biāo)散射到SAR方向的等效散射系數(shù)，Wa為SAR方位向方向圖函數(shù)，αJw為干擾回波信號(hào)包絡(luò)，φ(t)為脈內(nèi)相位調(diào)制。

2 幾個(gè)關(guān)鍵問題分析

2.1 位置控制問題

散射波干擾位置控制是基于SAR目標(biāo)定位原理，星載SAR目標(biāo)定位采用距離-多普勒信息定位法對(duì)地面目標(biāo)定位，依據(jù)距離方程、多普勒頻率方程和地球模型方程進(jìn)行聯(lián)立獲得，即：

R=((Rs-RT)(Rs-RT)T)1/2

(8)

fdc=(2/λR)(Vs-VT)(Rs-RT)

(9)

(10)

式中，Ra為地球赤道半徑，Rb為地球極地半徑，H為標(biāo)準(zhǔn)地球橢球模型的本地高程，Vs、VT分別為衛(wèi)星和目標(biāo)的速度矢量，Rs、RT為衛(wèi)星和目標(biāo)的空間位置矢量。

假目標(biāo)的定位模型為以下方程的聯(lián)立，即：

c(τ+τJ)/2

(11)

(12)

(13)

式中，τJ為干擾機(jī)附加延時(shí)，fdJ為干擾機(jī)附加多普勒頻移，其余參數(shù)同上。上述方程決定了干擾圖像的位置，利用該特性通過調(diào)制不同的信號(hào)延時(shí)和頻移，就可以實(shí)現(xiàn)散射波干擾的位置控制。

2.2 照射區(qū)散射系數(shù)問題

照射區(qū)散射系數(shù)將直接影響到進(jìn)入SAR的干擾信號(hào)功率，不同類型照射區(qū)散射系統(tǒng)相差較大，對(duì)干擾效果影響也較大。

SAR雷達(dá)所接收信號(hào)的干信比為：

(14)

式中，Pt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率，Gt為雷達(dá)天線增益；Pj為干擾發(fā)射機(jī)功率，Gj為干擾天線增益，RT為雷達(dá)與地面距離，R0為干擾機(jī)與地面距離，σt為雷達(dá)信號(hào)對(duì)地面散射系數(shù)，σj為干擾信號(hào)對(duì)地面散射系數(shù)。

由于干擾信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)入射到地面的入射角不同，所獲得的地面散射系數(shù)不同，雷達(dá)信號(hào)散射系數(shù)的計(jì)算根據(jù)單站散射計(jì)算：

σt=γsin(θs)

(15)

式中，γ為歸一化掩護(hù)區(qū)散射系數(shù)，根據(jù)掩護(hù)區(qū)地面地形的不同而不同,θs為入射角。

干擾信號(hào)的散射系數(shù)，按照低入射角雙站計(jì)算：

σj=γsin((θi+θs)/2)

(16)

式中，γ為歸一化照射區(qū)散射系數(shù)，θi為入射角，θs為反射角。

由此可知，干擾的有效性除了干擾機(jī)本身的性能外，還取決于照射區(qū)的散射系數(shù)，再細(xì)化取決于照射的反射系數(shù)和入、反射角。在掩護(hù)區(qū)一定的情況下，通過調(diào)整反射系數(shù)、照射區(qū)的位置和干擾機(jī)的高度可以有效提高散射系數(shù)。

2.3 方向引導(dǎo)問題

對(duì)SAR進(jìn)行干擾時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)向，一般裝備上均配有測(cè)向系統(tǒng)，特別是直達(dá)波干擾時(shí)，更需要精確測(cè)向，在利用彈射波對(duì)星載SAR進(jìn)行干擾時(shí)，我們可以利用衛(wèi)星軌道穩(wěn)定這一特點(diǎn)，利用軌道預(yù)測(cè)的方法，播報(bào)衛(wèi)星的方向，這樣在沒有測(cè)向的情況下，也可以引導(dǎo)偵察干擾波束方向。衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)主要根據(jù)給定衛(wèi)星某一初始時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及衛(wèi)星的受力情況，得到任意時(shí)刻的衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而得到衛(wèi)星在測(cè)站坐標(biāo)系下的高度角和方位角。衛(wèi)星高度角、方位角的預(yù)測(cè)基本流程圖如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)流程圖

衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程及各種攝動(dòng)力的建模是衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。以衛(wèi)星的精密定軌為例，在地心天球坐標(biāo)系中，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方程為：

表1 衛(wèi)星參數(shù)

假設(shè)，初軌位置誤差：x、y、z各100m，速度誤差：0.01m/s，大氣阻力模型誤差100%，太陽光壓模型誤差100%。

通過仿真分析，結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 30天的方位角誤差圖

圖4 5天的方位角誤差圖(對(duì)圖3局部的放大)

所以偵察天線波束寬度控制在15°左右時(shí)，在上述初軌誤差情況下，預(yù)報(bào)5天的數(shù)據(jù)可以滿足系統(tǒng)使用。

2.4 收發(fā)隔離問題

彈射波干擾必須采用流水方式對(duì)SAR駐留中的每個(gè)脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)制處理，這樣才能把照射區(qū)的干擾信號(hào)系準(zhǔn)確搬到掩護(hù)區(qū)，所以彈射波干擾必須采用收發(fā)同時(shí)流水方式工作。實(shí)際工作時(shí)，地面干擾機(jī)對(duì)設(shè)備量的限制較少，提高隔離度可以通過拉開收發(fā)天線的距離、正交極化、收發(fā)天線采用背向安裝、收發(fā)天線間加裝金屬隔離板等方式，提高收發(fā)隔離度，滿足收發(fā)同時(shí)工作的要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過借用加拿大RADASAT-2衛(wèi)星，在某地構(gòu)建試驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)散射波干擾技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

試驗(yàn)時(shí)，接收天線指向衛(wèi)星，接收天線波束寬度滿足合成孔徑時(shí)間內(nèi)能主瓣接收衛(wèi)星SAR信號(hào)。接收信號(hào)功分兩路，一路送直達(dá)波干擾設(shè)備，另一路送散射波干擾設(shè)備。直達(dá)波干擾發(fā)射天線指向衛(wèi)星，波束寬度滿足合成孔徑時(shí)間內(nèi)干擾信號(hào)進(jìn)入衛(wèi)星SAR接收通道。散射波干擾發(fā)射天線指向指定地面，干擾信號(hào)經(jīng)地面反射后進(jìn)入衛(wèi)星SAR接收通道。干擾效果如圖5～6所示。

圖5 無干擾時(shí)的圖像

圖6 實(shí)施干擾后的圖像

圖6中圓圈標(biāo)示區(qū)域?yàn)樾纬傻纳⑸洳ǜ蓴_圖像。

試驗(yàn)結(jié)果表明所采用的散射波干擾能產(chǎn)生有效的干擾圖像，從而驗(yàn)證了對(duì)SAR散射波欺騙干擾技術(shù)的可行性及工程可實(shí)現(xiàn)性。

4 結(jié)束語

散射波干擾中的干擾信號(hào)保留了信號(hào)相干性和地物散射特性，具備更為豐富的干擾信息，干擾綜合效果較強(qiáng)。基于目前的干擾配置和實(shí)施方式，可增加多普勒調(diào)制和延時(shí)的信號(hào)通道或者采用多個(gè)發(fā)射天線或多個(gè)波束進(jìn)行照射，干擾效果會(huì)更好。另外，投射地面區(qū)域的后向散射系數(shù)等因素造成的有效干擾功率損失需進(jìn)一步研究，在多個(gè)虛假圖斑搬移疊加條件下對(duì)于實(shí)際干擾功率的需求與可達(dá)到的實(shí)際掩護(hù)面積需進(jìn)一步核算?！?/p>

[1] 王茹，吳志宏，趙國(guó)慶．基于DRFM 的合成孔徑雷達(dá)干擾技術(shù)研究[J]．電子信息對(duì)抗技術(shù)，2006，28(1)：30-33.

[2] 孫云輝,陳永光,焦遜.星載SAR應(yīng)答式欺騙干擾研究[J]．電子對(duì)抗技術(shù)，2004，19(3):23-26.

[3] 胡東輝，吳一戎.合成孔徑雷達(dá)散射波干擾研究[J].電子學(xué)報(bào)，2002，30(12)：1882-1884.

[4] 劉業(yè)明，劉忠，代大海，等.散射波干擾對(duì)合成孔徑雷達(dá)成像干擾效果的分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011,26(2):400-404.

[5] 賈鑫,葉偉,吳彥鴻,等. 合成孔徑雷達(dá)對(duì)抗技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015：139-144.

Application research on scatter-wave jamming for spaceborne SAR

Tang Like, Li Shengyan
(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,Jiangsu,China)

For the characteristics of spaceborne SAR, the principles of scatter-wave jamming are discussed briefly, and several key problems for engineering implementation are analyzed. Finally, typical spaceborne SAR interference experiment is carried out, and the results prove the effectiveness of this jamming type.

SAR jamming；scattering coefficient；receive and transmit signal simultaneously；scatter-wave jamming；orbit prediction

2016-09-08；2016-11-02修回。

唐立科(1984-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)電子對(duì)抗電訊總體設(shè)計(jì)。

TN97

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