房明星，畢大平，沈愛(ài)國(guó)

(電子工程學(xué)院 503教研室,　合肥 230037)

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·電子對(duì)抗·

一種特征消除的SAR盲移頻干擾方法

房明星，畢大平，沈愛(ài)國(guó)

(電子工程學(xué)院 503教研室,合肥 230037)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)移頻干擾存在移頻干擾特征和無(wú)法對(duì)抗波形捷變合成孔徑雷達(dá)(SAR)信號(hào)的缺點(diǎn)，文中提出了特征消除的SAR盲移頻干擾方法。首先，對(duì)接收到的兩路SAR信號(hào)分別進(jìn)行延時(shí)和2倍頻譜擴(kuò)展；然后，將兩路信號(hào)進(jìn)行共軛相乘產(chǎn)生干擾信號(hào)，從而將頻譜擴(kuò)展后的信號(hào)恢復(fù)成原來(lái)的SAR回波信號(hào)樣式，并引入移頻干擾相位調(diào)制項(xiàng)，可在SAR距離向產(chǎn)生前移、滯后假目標(biāo)干擾。該方法不僅消除了移頻干擾特征，而且能夠有效對(duì)抗波形捷變SAR雷達(dá)信號(hào)，是一種盲移頻干擾方法。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá)；脈沖壓縮；移頻干擾特征；盲移頻干擾

0引言

合成孔徑雷達(dá)(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)，已廣泛用于軍事偵查、地圖測(cè)繪以及導(dǎo)彈末端圖像匹配制導(dǎo)等方面[1]。尤其在高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)(如阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)等)中發(fā)揮了巨大作用，使得SAR干擾技術(shù)研究成為電子對(duì)抗領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。

SAR通常采用脈壓體制，通過(guò)二維匹配處理能夠獲得極高的相干處理增益，因而傳統(tǒng)的壓制性干擾難以獲得與信號(hào)相同的處理增益，干擾效果比較有限[3-4]。針對(duì)SAR壓制性干擾存在的不足，不少學(xué)者對(duì)SAR欺騙性干擾展開(kāi)了研究，其中，文獻(xiàn)[5]最早通過(guò)脈沖壓縮信號(hào)的時(shí)延-移頻耦合特性，提出了針對(duì)線性調(diào)頻脈壓雷達(dá)的移頻干擾技術(shù)；文獻(xiàn)[6]成功將移頻干擾技術(shù)應(yīng)用于SAR雷達(dá)，并進(jìn)行了詳細(xì)的定量分析；文獻(xiàn)[7-8]則針對(duì)固定移頻干擾只能形成點(diǎn)目標(biāo)干擾的局限，分別提出了SAR隨機(jī)移頻干擾和步徑移頻干擾方法，兩種干擾方法的輸出為干擾條帶或干擾區(qū)域，具有一定的壓制干擾效果，但都是以犧牲干擾功率為代價(jià)的。上述方法雖然對(duì)SAR可以產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙或壓制干擾效果，但都沒(méi)能很好地克服傳統(tǒng)移頻干擾的兩個(gè)缺陷：(1)干擾信號(hào)回波中心頻率存在固定偏移量即移頻干擾特征，給被干擾方提供了有效的抗干擾信息；(2)精確控制假目標(biāo)的位置，需要事先知道雷達(dá)信號(hào)的調(diào)頻斜率等參數(shù)信息，當(dāng)SAR信號(hào)波形捷變時(shí)[9-10](主要指調(diào)頻斜率捷變或者采用不同調(diào)頻斜率的頻率分集)，假目標(biāo)在多個(gè)不同距離進(jìn)行跳變或無(wú)法獲得相干處理增益，從而容易被識(shí)別濾除，導(dǎo)致干擾效果嚴(yán)重降低。因此，必須研究靈巧有效的新型SAR移頻干擾方法，以適應(yīng)SAR日益嚴(yán)峻的干擾需求。

本文針對(duì)傳統(tǒng)的SAR移頻干擾缺點(diǎn)，提出了特征消除的SAR盲移頻干擾方法。首先，探討了傳統(tǒng)SAR移頻干擾的原理和缺點(diǎn)；然后，提出了特征消除的SAR盲移頻干擾方法，探討了其原理及干擾信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)，并對(duì)干擾信號(hào)匹配濾波器輸出結(jié)果和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析；最后，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1傳統(tǒng)的SAR移頻干擾原理

設(shè)SAR發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式為

(1)

式中：rect(·)為矩形窗函數(shù)；tr為距離向快時(shí)間；ta=mT(m=0,1,2,…,M)為方位向慢時(shí)間；T為脈沖重復(fù)周期；全時(shí)間t=tr+ta；Tp為脈沖寬度；f0為載頻；ur為調(diào)頻斜率。

則SAR接收到的點(diǎn)目標(biāo)基頻回波信號(hào)為

exp[jπur(tr-τr)2]exp(-j2πf0τr)

(2)

式中：τr=2R(ta)/c；tr-τr為回波到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間；TL為合成孔徑時(shí)間。

傳統(tǒng)的SAR移頻干擾是指在距離向進(jìn)行的固定移頻干擾，假設(shè)固定移頻量為ζ，則傳統(tǒng)的SAR移頻干擾信號(hào)表達(dá)式為[6]

sj(tr,ta)=sr(tr,ta)exp[j2πζ(tr-τr)]

(3)

采用經(jīng)典 R-D成像算法進(jìn)行距離向和方位向脈壓處理，并考慮回波信號(hào)中心頻率變化影響(忽略常數(shù)相位影響)，則經(jīng)過(guò)脈壓處理后的回波信號(hào)和干擾信號(hào)表達(dá)式為

(4)

(5)

(6)

根據(jù)線性調(diào)頻信號(hào)模糊函數(shù)的時(shí)延-移頻耦合效應(yīng)，頻移干擾信號(hào)回波經(jīng)距離向匹配濾波處理后會(huì)引起失配，干擾功率會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)失配損失，由式(5)可得干擾信號(hào)峰值增益為

(7)

對(duì)比式(4)和式(5)快時(shí)間頻率項(xiàng)可知，傳統(tǒng)的SAR移頻干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波后相對(duì)真實(shí)信號(hào)回波發(fā)生ζ/ur時(shí)移，同時(shí)也使得干擾信號(hào)與真實(shí)信號(hào)回波的中心頻率相差ζ/2，通常將這種特點(diǎn)稱為移頻干擾特征。移頻干擾特征恰好成為抗干擾的有效手段，因?yàn)楸桓蓴_方通過(guò)回波信號(hào)中心頻率偏差ζ/2，可以得到真實(shí)目標(biāo)與假目標(biāo)的距離差ΔR=cζ/2ur；然后用此值去修正假目標(biāo)距離R′，就可以反推出真實(shí)目標(biāo)距離為R=R′±ΔR。可見(jiàn)，移頻干擾特征的存在，不僅使得假目標(biāo)回波很容易被識(shí)別濾除，也容易暴露干擾方真實(shí)目標(biāo)信息。

由式(6)可知，傳統(tǒng)移頻干擾要實(shí)現(xiàn)精確的假目標(biāo)位置控制，必須知道準(zhǔn)確的雷達(dá)信號(hào)調(diào)頻斜率等參數(shù)的先驗(yàn)信息。當(dāng)SAR雷達(dá)信號(hào)的波形捷變時(shí)，假目標(biāo)位置在距離向進(jìn)行跳變，無(wú)法進(jìn)行方位向的脈沖積累，因而無(wú)法對(duì)波形捷變信號(hào)形成有效干擾[11-12]。

2特征消除的SAR盲移頻干擾原理

傳統(tǒng)的SAR移頻干擾存在移頻干擾特征，容易被識(shí)別、濾除，且對(duì)波形捷變信號(hào)難以產(chǎn)生有效干擾，針對(duì)傳統(tǒng)的SAR移頻干擾缺點(diǎn)，本節(jié)提出特征消除的SAR盲移頻干擾方法。

2.1干擾信號(hào)的產(chǎn)生

對(duì)SAR雷達(dá)接收的點(diǎn)目標(biāo)基頻回波信號(hào)sr(tr,ta)在二維時(shí)域進(jìn)行2次冪運(yùn)算(N≥0)，即

exp[j2πur(tr-τr)2]exp(-j4πf0τr)

(8)

由式(8)可知，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的2次冪運(yùn)算，SAR距離快時(shí)間域線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻率變?yōu)?ur，頻譜擴(kuò)展為原來(lái)的2倍；同時(shí)，方位慢時(shí)間域頻譜也擴(kuò)展為原來(lái)的2倍。

SAR雷達(dá)無(wú)法對(duì)頻譜擴(kuò)展后的信號(hào)進(jìn)行脈壓處理，必須將式(8)恢復(fù)成原信號(hào)形式，并引入移頻干擾成分，此時(shí)對(duì)sr(tr,ta)在快時(shí)間域延時(shí)τ可得(忽略時(shí)間域微小延遲τ對(duì)慢時(shí)間域的影響)

exp[jπur(tr-τr-τ)2]·

exp(-j2πf0τr)

(9)

將式(8)和式(9)進(jìn)行共軛相乘可得干擾信號(hào)為

(10)

令t=tr-τr，式(10)的具體表達(dá)式為

exp(j2πurt2)exp(-j4πf0τr)·

exp[-jπur(t-τ)2]exp(j2πf0τr)=

exp[j(πurt2+2πurτt-πurτ2)]exp(-j2πf0τr)=

(11)

式中：ζ=urτ為干擾信號(hào)移頻量；Δφ=-πurτ2為常數(shù)相位項(xiàng)。由式(11)可知，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行2倍頻譜擴(kuò)展和延時(shí)共軛相乘處理，不僅將頻譜擴(kuò)展后的信號(hào)恢復(fù)成原來(lái)的SAR回波信號(hào)樣式，而且成功地引入了移頻干擾相位調(diào)制項(xiàng)，干擾信號(hào)產(chǎn)生原理框圖，如圖1所示。

圖1　正移頻干擾信號(hào)產(chǎn)生框圖

具體的干擾信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程為：首先，干擾機(jī)將接收到的SAR雷達(dá)信號(hào)分成兩路，對(duì)第一路信號(hào)延時(shí)τ，對(duì)第二路進(jìn)行2倍頻譜擴(kuò)展；然后，將第一路信號(hào)取共軛后與第二路信號(hào)相乘，產(chǎn)生所需的干擾信號(hào)。此時(shí)就可以將頻譜擴(kuò)展后的信號(hào)恢復(fù)為原來(lái)的SAR雷達(dá)信號(hào)樣式，并完成干擾信號(hào)的頻率調(diào)制。利用上述原理產(chǎn)生移頻量ζ>0，因此產(chǎn)生的是前移的假目標(biāo)干擾；若要產(chǎn)生滯后的假目標(biāo)干擾可以對(duì)接收信號(hào)直接進(jìn)行延遲轉(zhuǎn)發(fā)，也可以利用本文方法產(chǎn)生負(fù)移頻干擾信號(hào)，這里不再贅述，其干擾信號(hào)產(chǎn)生原理框圖，如圖2所示。

圖2　負(fù)移頻干擾信號(hào)產(chǎn)生框圖

2.2匹配濾波器輸出

(12)

當(dāng)正移頻時(shí)ζ=urτ，代入上式可得

(13)

式中：t*為經(jīng)過(guò)距離徙動(dòng)校正的距離向快時(shí)間。由式(13)可知，本文方法產(chǎn)生的移頻干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)SAR距離向匹配濾波后的表達(dá)式分為三個(gè)區(qū)間：

在第一區(qū)間即(-Tp+τ,0]范圍內(nèi)時(shí)，輸出幅度和主瓣寬度都是關(guān)于1+(t*-τ)/Tp的變量，距離向快時(shí)間的附加相位項(xiàng)為ΔΨ=-πζτ，ΔΨ為常數(shù)相位項(xiàng)，此時(shí)干擾信號(hào)不存在傳統(tǒng)移頻干擾的固定移頻量ζ/2，信號(hào)中心頻率仍為f0，消除了移頻干擾特征，具有很強(qiáng)的抗干擾識(shí)別性能。

在第三區(qū)間即(τ,Tp]范圍內(nèi)時(shí)，輸出信號(hào)表達(dá)式與傳統(tǒng)移頻干擾信號(hào)相同，距離向快時(shí)間附加相位項(xiàng)ΔΨ=πζtr，產(chǎn)生固定移頻量ζ/2，信號(hào)中心頻率為f0+ζ/2，仍然具有移頻干擾的特征。

式(13)是針對(duì)正移頻ζ=urτ的推導(dǎo)，由sinc函數(shù)性質(zhì)可知，當(dāng)t*=-τ時(shí)，SAR雷達(dá)干擾信號(hào)在距離向輸出峰值，此時(shí)t*始終處于第一區(qū)間(-Tp+τ,0]范圍內(nèi)，干擾信號(hào)頻率不存在固定偏移量，達(dá)到了消除移頻干擾特征的目的。

Sjout(tr,ta)=Srout(tr,ta)*ha(ta)=

sinc[πuata(TL-|ta|)]，-Tp+τ

(14)

將t*=-τ代入式(13)中，可得干擾信號(hào)峰值增益為

(15)

距離向主瓣寬度展寬為原來(lái)的Tp/(Tp-2τ)倍，正移頻干擾對(duì)SAR所產(chǎn)生的前移假目標(biāo)距離向偏移量為

(16)

對(duì)比式(6)和式(15)可知，假目標(biāo)距離偏移量ΔR只與延時(shí)τ有關(guān)，與信號(hào)的調(diào)頻斜率無(wú)關(guān)。通過(guò)以上分析可知，本文移頻干擾相對(duì)傳統(tǒng)移頻干擾具有兩點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)：

(1) 干擾信號(hào)中心頻率不存在固定移頻，可消除移頻干擾特征；

(2) 假目標(biāo)偏移量與信號(hào)調(diào)頻斜率無(wú)關(guān)，因而能夠有效對(duì)抗調(diào)頻率捷變和調(diào)頻率分集等信號(hào)樣式。

2.3干擾信號(hào)關(guān)鍵參數(shù)分析

根據(jù)式(10)可知，本文SAR雷達(dá)干擾信號(hào)產(chǎn)生只依賴于延時(shí)τ，且干擾信號(hào)峰值增益G和距離偏移量ΔR只與延時(shí)τ有關(guān)，則由式(15)、式(16)可得τ和G關(guān)于ΔR的表達(dá)式為

(17)

(18)

假目標(biāo)距離偏移量ΔR是根據(jù)干擾需求預(yù)先設(shè)定的，則通過(guò)式(16)可計(jì)算延時(shí)τ，若SAR信號(hào)的脈沖寬度Tp也已知，則通過(guò)式(17)可得到假目標(biāo)干擾信號(hào)峰值增益G。由于參數(shù)τ>0,G>0，分別代入式(16)和式(17)可得假目標(biāo)距離偏移量的范圍為

(19)

在實(shí)際干擾中，SAR雷達(dá)的距離向成像帶通常不能做到很寬，因此要充分考慮ΔR取值，以避免假目標(biāo)干擾功率過(guò)低或假目標(biāo)位置偏離出成像帶。結(jié)合以上分析，本文移頻干擾方法主要分為兩步：

(1) 干擾信號(hào)產(chǎn)生：確定適當(dāng)?shù)木嚯x偏移量ΔR，通過(guò)式(16)計(jì)算延遲τ，并根據(jù)式(10)產(chǎn)生盲移頻干擾信號(hào)；

(2) 干擾效果評(píng)估：利用脈沖時(shí)寬Tp和合成孔徑時(shí)間TL等先驗(yàn)信息，結(jié)合式(18)和式(19)分別計(jì)算峰值增益G和ΔR的最大偏移量上限。

3仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文SAR盲移頻干擾的可行性和有效性，下面進(jìn)行如下仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1與傳統(tǒng)移頻干擾方法對(duì)比

考慮到SAR距離向成像帶寬度和假目標(biāo)最大偏移量上限的限制，分別用本文方法和傳統(tǒng)移頻干擾方法產(chǎn)生前移200 m和400 m的假目標(biāo)，由表1可得SAR雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻斜率ur=6×1012Hz/s，并根據(jù)式(17)得到本文干擾信號(hào)產(chǎn)生所需延時(shí)τ=1.33 μs，傳統(tǒng)干擾的移頻量為16 MHz。在干擾功率和信號(hào)回波功率相同情況下，兩種移頻干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)SAR系統(tǒng)二維脈壓處理后在距離向成像帶范圍內(nèi)的回波，如圖 3a)所示，從右到左依次為真實(shí)信號(hào)回波、本文干擾信號(hào)回波、傳統(tǒng)移頻干擾信號(hào)回波，圖3b)為對(duì)應(yīng)的SAR二維成像結(jié)果。

圖3　調(diào)頻斜率為ur時(shí)干擾輸出

由圖3可知，本文干擾方法和傳統(tǒng)移頻干擾都能在SAR距離向形成假目標(biāo)欺騙干擾，但是兩種方法在干擾功率上都有一定損失，在實(shí)際干擾中需要適當(dāng)增加干擾機(jī)發(fā)射功率，從而補(bǔ)償移頻干擾的功率損失。為了體現(xiàn)本文方法對(duì)波形捷變信號(hào)具有適應(yīng)性，通過(guò)改變SAR發(fā)射信號(hào)帶寬使調(diào)頻斜率變?yōu)?ur/3和5ur/3，在相同的干擾條件下，干擾輸出結(jié)果如圖4和圖5所示。對(duì)比圖3、圖4、圖5可以看出，當(dāng)SAR信號(hào)的調(diào)頻斜率發(fā)生改變時(shí)，傳統(tǒng)移頻干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)相對(duì)原來(lái)的位置分別向真實(shí)目標(biāo)移動(dòng)了100 m和160 m，而本文干擾方法產(chǎn)生的假目標(biāo)位置只與延時(shí)τ有關(guān)，不隨調(diào)頻斜率改變而發(fā)生偏移，因而對(duì)波形捷變信號(hào)具有適應(yīng)性，是一種盲移頻干擾方式。

圖4　調(diào)頻斜率為4ur/3時(shí)干擾輸出

圖5　調(diào)頻斜率為5ur/3時(shí)干擾輸出

表2為三種不同調(diào)頻斜率情況下回波信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波后的中心頻率測(cè)量值。通過(guò)比較可知，本文干擾方法的中心頻率偏移量在零值附近，與真實(shí)信號(hào)中心頻率大致相同，微小的偏移量主要是測(cè)量誤差造成的，很好的消除了移頻干擾特征；而傳統(tǒng)移頻干擾方法的中心頻率偏移量在8 MHz左右，約為移頻量ζ的一半，移頻干擾特征尤為明顯。

表2信號(hào)中心頻率比較MHz

調(diào)頻斜率取值本文方法中心頻率偏移量傳統(tǒng)方法中心頻率偏移量ur0.38.44ur/3-0.27.95ur/30.57.7

3.2干擾參數(shù)分析

由式(18)可知，干擾信號(hào)峰值增益G與偏移量ΔR有關(guān)，下面具體分析參數(shù)ΔR對(duì)G的影響。圖6為ΔR間隔50 m連續(xù)取值時(shí)G隨ΔR的變化關(guān)系。

圖6　偏移量ΔR對(duì)峰值增益的影響

從圖6可以看出，在相同條件下，G隨ΔR增大而變小，呈反比關(guān)系，與式(18)理論值分析基本一致，實(shí)際干擾中ΔR取值要滿足式(19)的限制條件，以避免假目標(biāo)干擾功率過(guò)低或假目標(biāo)位置偏離出成像帶。通過(guò)上述仿真分析，驗(yàn)證了本文方法的可行性與理論推導(dǎo)的正確性。

4結(jié)束語(yǔ)

為了克服傳統(tǒng)移頻干擾的缺陷，本文提出了特征消除的SAR盲移頻干擾方法，可以在SAR距離向產(chǎn)生前移、滯后假目標(biāo)干擾，既不依賴?yán)走_(dá)信號(hào)的調(diào)頻斜率等參數(shù)信息，同時(shí)又消除了移頻干擾特征，能夠有效對(duì)抗波形捷變SAR雷達(dá)信號(hào)。雖然算法對(duì)SAR回波信號(hào)進(jìn)行了2倍頻譜擴(kuò)展，但通過(guò)兩路信號(hào)的共軛相乘，干擾信號(hào)恢復(fù)為原來(lái)SAR回波信號(hào)樣式，并未改變輸出信號(hào)的頻譜范圍，因此不會(huì)增加系統(tǒng)的采樣率和帶通濾波器的通帶寬度。理論分析和仿真結(jié)果證明了本文方法相對(duì)傳統(tǒng)移頻干擾的優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)的軍事應(yīng)用價(jià)值。本文方法目前只在SAR距離向產(chǎn)生移頻干擾效果，如何結(jié)合本文方法對(duì)SAR形成多維、多樣化的干擾效果，將是下一步研究的重點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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房明星男，1988年生，博士。研究方向?yàn)镾AR信號(hào)處理及SAR對(duì)抗理論。

畢大平男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗偵察和干擾新技術(shù)。

沈愛(ài)國(guó)男，1975年生，講師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)干擾與抗干擾技術(shù)。

A Blind Shift-frequency Jamming Method of Eliminating Characteristic for SAR

FANG Mingxing，BI Daping，SHEN Aiguo

(Department of 503, Electronic Engineering Institute,Hefei 230037, China)

Abstract：The traditional shift-frequency jamming has the unique characteristic and is invalid for waveform agile synthetic aperture radar (SAR), so a blind shift-frequency jamming method of eliminating characteristic is proposed for SAR. One channel signal is time delayed and the signal spectrum of the other channel is expanded by 2 times, and then they are conjugated multiply to generate jamming signal. The signal of spread spectrum is restored to original form of SAR echo, and an additional modulation phase is added to the shift-frequency jamming signal, so it can produce fronted and lagged false targets in the range direction. This method not only eliminates the shift-frequency jamming characteristic, but also provides a new feasible approach against waveform agile SAR, so it's a blind shift-frequency jamming method. Theoretical analysis and computer simulation justify the validity and efficiency of the method.

Key words：synthetic aperture radar; pulse compression; shift-frequency jamming characteristic; blind shift-frequency jamming

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.019

通信作者：房明星Email：mingxingfang89@163.com

收稿日期：2015-12-30

修訂日期：2016-02-29

中圖分類號(hào)：TN974

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)05-0082-06