房明星,畢大平,沈愛國，劉 乾

(1. 解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037；2. 國防信息學(xué)院， 湖北 武漢 430000)

合成孔徑雷達(dá)雙通道對消的多站干擾方法

房明星1,畢大平1,沈愛國1，劉 乾2

(1.解放軍電子工程學(xué)院，安徽合肥230037；2.國防信息學(xué)院，湖北武漢430000)

針對單部干擾站難以對合成孔徑雷達(dá)雙通道對消系統(tǒng)實(shí)施有效干擾的問題，提出了合成孔徑雷達(dá)雙通道對消的多站干擾方法。該方法利用多部干擾站實(shí)施分布式協(xié)同干擾，使SAR系統(tǒng)無法通過估計(jì)每個(gè)采樣時(shí)刻的補(bǔ)償相位對雙通道的干擾信號進(jìn)行對消，并給出了使雙通道對消系統(tǒng)失效的相位條件和多干擾站沿方位向的部署方案。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法可有效破壞SAR雙通道干擾對消的性能，顯著增強(qiáng)直達(dá)波干擾和散射波干擾對雙通道SAR系統(tǒng)的干擾效果。

合成孔徑雷達(dá)；電子對抗；雙通道對消；多干擾站

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種不同于紅外和可見光的微波成像傳感器，具有全天時(shí)、全天候和高分辨等特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。尤其在高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(如阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等)中發(fā)揮的巨大作用，使得SAR干擾技術(shù)研究成為電子對抗領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[3-4]。隨著SAR及其對抗技術(shù)的快速發(fā)展，單通道SAR已難以滿足世界各國在軍事、民用及抗干擾等領(lǐng)域的需求，多通道SAR應(yīng)運(yùn)而生并成為重要的發(fā)展趨勢[5-6]。多通道SAR相對傳統(tǒng)單通道SAR具有更強(qiáng)的抗干擾能力，其通常利用多通道對消、動(dòng)目標(biāo)檢測 (Moving Target Indication, MTI)、相位干涉、空域?yàn)V波等方式，對直達(dá)波壓制干擾、欺騙干擾以及散射波干擾等進(jìn)行抑制和對消[7-9]。

目前，SAR多通道對消技術(shù)已成為重要的抗干擾手段，文獻(xiàn)[10]討論了SAR雙通道對消原理，分析了雙通道干擾對消對SAR成像的影響，指出由于雙通道對消導(dǎo)致目標(biāo)信息出現(xiàn)周期性損失；文獻(xiàn)[11]提出三通道對消方法抑制SAR壓制性干擾，給出了回波信號損失周期的表達(dá)式，相對雙通道對消而言，該方法有效增大了回波信號的損失周期，從而降低了目標(biāo)信息損失量。文獻(xiàn)[12]結(jié)合動(dòng)目標(biāo)檢測技術(shù)和空域?qū)ο夹g(shù)，針對欺騙干擾提出了沿航跡和跨航跡的雙天線干涉對消檢測方法，有效提高了對欺騙干擾目標(biāo)的檢測和識別能力。文獻(xiàn)[13]則提出雙通道對消抑制SAR散射波干擾方法，并分析了干擾站定位誤差、SAR平臺速度誤差對干擾抑制性能的影響；針對文獻(xiàn)[13]干擾信號相位差估計(jì)問題，文獻(xiàn)[14]提出以對消后散射波干擾信號能量最小為準(zhǔn)則的自動(dòng)搜索算法。SAR多通道對消技術(shù)的快速發(fā)展嚴(yán)重削弱了常規(guī)干擾方法的干擾性能，因此，文獻(xiàn)[15]針對單部干擾站壓制性干擾容易被SAR雙通道對消的缺陷，提出采用多干擾站對SAR雙通道對消系統(tǒng)實(shí)施干擾，該方法大幅削弱了雙通道SAR的抗干擾能力；文獻(xiàn)[16]針對運(yùn)動(dòng)干擾站難以對雙通道對消實(shí)施全程持續(xù)干擾的缺點(diǎn)，提出利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的干擾站對InSAR雙通道對消實(shí)施干擾，并通過多干擾天線的分時(shí)收發(fā)來模擬干擾站的旋轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[15—16]僅針對單航過的InSAR雙通道對消系統(tǒng)的噪聲壓制性干擾進(jìn)行了研究，目前，關(guān)于破壞SAR雙通道對消系統(tǒng)抑制欺騙干擾和散射波干擾的研究還未見報(bào)道。本文針對上述問題，提出了合成孔徑雷達(dá)雙通道對消的多站干擾方法。

1 直達(dá)波干擾的SAR雙通道對消原理

相干噪聲干擾和欺騙干擾都是由干擾站對截獲到的SAR雷達(dá)信號進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制后，直接向SAR平臺轉(zhuǎn)發(fā)而形成，因此，相對下文的SAR散射波干擾，這里將二者統(tǒng)稱為直達(dá)波干擾。相干噪聲干擾和欺騙干擾信號在空間具有相同的傳播路徑，故二者的對消原理是相同的，本節(jié)主要以欺騙干擾的雙通道對消原理為例展開分析，其對消原理如圖1所示。兩通道子孔徑天線沿航跡排列，采用一發(fā)兩收模式，即A天線發(fā)射雷達(dá)信號，A、B兩天線同時(shí)接收信號，設(shè)SAR信號脈沖重復(fù)周期為PRT，SAR平臺以速度v沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，則兩天線間距需滿足對消條件D=PRT·v，當(dāng)天線間距D不滿足對消條件時(shí)需對兩路信號進(jìn)行插值配準(zhǔn)。

圖1 欺騙干擾的雙通道對消原理圖Fig.1 Dual-channel cancellation theory diagram of deceptive jamming

干擾站采用DRFM技術(shù)對截獲到的SAR信號進(jìn)行采樣、存儲，并依據(jù)欺騙干擾原理對雷達(dá)信號進(jìn)行延時(shí)、幅度和多普勒頻率調(diào)制后向SAR平臺直接轉(zhuǎn)發(fā)，如圖1所示，假設(shè)干擾站J產(chǎn)生的假目標(biāo)點(diǎn)為F，場景中任意真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)為T，A、B表示兩天線位于SAR方位向第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻，A1、B1表示兩天線位于方位向第n+1個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻，可得第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻兩天線接收到的回波信號分別為：

(1)

其中，sat(n)、saj(n)分別為A天線在第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻接收到的真實(shí)目標(biāo)信號和欺騙干擾信號，sbt(n)、sbj(n)分別為B天線在第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻接收到的真實(shí)目標(biāo)信號和欺騙干擾信號。第n+1采樣點(diǎn)時(shí)刻天線A位于A1處且與第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻B天線位置重合，則A天線在第n+1采樣點(diǎn)時(shí)刻接收到的信號為：

sa(n+1)=sat(n+1)+saj(n+1)

(2)

欺騙干擾信號在A、B兩通道間的相位關(guān)系取決于干擾站J的位置，而與虛假點(diǎn)F的位置無關(guān)[12]，則由信號傳播路徑關(guān)系可得B天線n時(shí)刻和A天線n+1時(shí)刻接收信號的相位表達(dá)式為：

(3)

其中，Rat、Rbt分別為真實(shí)目標(biāo)T到A、B兩天線的瞬時(shí)斜距，Raj、Rbj分別為干擾站到A、B兩天線的瞬時(shí)斜距。由式(3)可得B天線n時(shí)刻和A天線n+1時(shí)刻目標(biāo)信號和欺騙干擾信號的相位關(guān)系為：

(4)

其中,

(5)

從而可得B天線n時(shí)刻和A天線n+1時(shí)刻接收信號的關(guān)系為：

(6)

依據(jù)雙通道對消原理，Δφj為對消所需的補(bǔ)償相位，由于難以精確測量SAR平臺到干擾站的距離值，所以很難通過式(5)計(jì)算得到每個(gè)慢時(shí)間采樣時(shí)刻的Δφj，實(shí)際中以對消后散射波干擾信號能量最小為準(zhǔn)則，采用自動(dòng)相位搜索算法對Δφj進(jìn)行求解[14]，求取Δφj后，對sa(n+1)進(jìn)行相位補(bǔ)償并與sb(n)相減即可消除欺騙干擾信號：

Δs=sb(n)-sa(n+1)·exp(jΔφj)=

(7)

其中，Δφ=Δφj-Δφt。將式(5)代入式(7)，并進(jìn)行Fresnel近似可得：

Δφ=2π(Rat-Rbt+Rbj-Raj)/λ≈

2πD(xt-xj)/(λRrj0)

(8)

2 散射波干擾的SAR雙通道對消原理

與直達(dá)波干擾不同，SAR散射波干擾原理為：當(dāng)雷達(dá)波束照射到干擾站時(shí)，干擾站接收SAR信號，并將信號放大后投射到選定的散射區(qū)域，SAR接收到經(jīng)地物散射形成的散射波干擾信號，從而對其時(shí)域、頻域、極化域形成多維干擾效果[13]。假設(shè)散射目標(biāo)為S，則SAR雙通道對消抑制散射波干擾的原理如圖2所示。

圖2 散射波干擾的雙通道對消原理圖Fig.2 Dual-channel cancellation theory diagram of scatter-wave jamming

依據(jù)散射波干擾原理，設(shè)sbj(n)、saj(n+1)分別為B天線n時(shí)刻和A天線n+1時(shí)刻接收到的散射波干擾信號，此時(shí)兩天線接收信號仍用式(1)和式(2)表示，但由于散射波干擾與直達(dá)波干擾的信號傳播路徑不同，導(dǎo)致兩天線接收信號的相位關(guān)系不同，則散射波干擾時(shí)兩天線接收信號的相位表達(dá)式為：

(9)

其中，Rjs為干擾站到散射目標(biāo)S的固定斜距，Rsb為散射目標(biāo)S到B天線的瞬時(shí)斜距。則由式(9)可得B天線n時(shí)刻和A天線n+1時(shí)刻目標(biāo)信號和散射波干擾信號的相位關(guān)系為：

(10)

其中，

(11)

從而可得B天線n時(shí)刻和A天線n+1時(shí)刻接收信號的關(guān)系為：

(12)

對比式(6)和式(12)可知，盡管散射波干擾與直達(dá)波干擾信號傳播路徑不同，但兩天線在n時(shí)刻和n+1時(shí)刻接收信號的關(guān)系是相同的，因此，采用自動(dòng)相位搜索算法求取Δφj對sa(n+1)進(jìn)行相位補(bǔ)償，可得散射波干擾的雙通道對消結(jié)果為：

Δs=sb(n)-sa(n+1)·exp(jΔφj)=

(13)

3 SAR雙通道對消的多站干擾原理

SAR雙(多)通道對消對直達(dá)波干擾和散射波干擾均具有較好的抑制性能，顯著增強(qiáng)了SAR系統(tǒng)的抗干擾性能，給干擾技術(shù)研究帶來很大挑戰(zhàn)，因此必須針對SAR雙(多)通道對消技術(shù)提出更加有效的干擾手段。

依據(jù)雙通道對消原理，SAR系統(tǒng)通過估計(jì)每個(gè)采樣時(shí)刻的補(bǔ)償相位Δφj可對雙通道的干擾信號進(jìn)行對消，單部干擾站難以有效對抗SAR雙通道對消系統(tǒng)，因此，本文提出利用多干擾站對其實(shí)施有效干擾。由于直達(dá)波干擾和散射波干擾具有統(tǒng)一的雙通道對消結(jié)果，為了簡化模型和分析方便，這里以散射波干擾為例給出SAR雙通道對消系統(tǒng)的雙站干擾原理。如圖2所示，兩部干擾站J1和J2同時(shí)對SAR實(shí)施散射波干擾，依據(jù)式(12)，設(shè)B天線n時(shí)刻和A天線n+1時(shí)刻接收到J1發(fā)射的散射波干擾信號相位差為Δφj1，接收到J2發(fā)射的散射波干擾信號相位差為Δφj2，則有

(14)

其中，sj1b(n)表示B通道n時(shí)刻接收到J1發(fā)射的干擾信號，sj1a(n+1)表示A通道n+1時(shí)刻接收到J1發(fā)射的干擾信號，sj2b(n)表示B通道n時(shí)刻接收到J2發(fā)射的干擾信號，sj2a(n+1)表示A通道n+1時(shí)刻接收到J2發(fā)射的干擾信號，則兩通道在不同時(shí)刻接收的干擾信號分別為(主要分析干擾信號的對消情況)：

(15)

將式(15)代入式(14)可得：

sbj(n)=saj(n+1)·exp(jΔφj1)+sj2b(n)·

(16)

由上文分析可知，為有效干擾雙通道對消系統(tǒng)，需滿足相位條件Δφj1-Δφj2≠2kπ，由式(11)可得Δφj1=2π(Raj1-Rbj1)/(λRrj1)，Δφj2=2π(Raj2-Rbj2)/(λRrj2)，為保證干擾的實(shí)時(shí)性、有效性以和干擾功率利用效率，干擾站通常布置在待保護(hù)區(qū)域附近，假設(shè)兩部干擾站沿方位向不同位置部署，兩部干擾站到SAR平臺最短斜距可近似為Rrj1≈Rrj2=Rrj0，依據(jù)干擾信號傳播路徑關(guān)系并進(jìn)行Fresnel近似可得：

Δφj1-Δφj2≈2πD(xj1-xj2)/(λRrj0)

(17)

其中，xj1-xj2為兩部干擾站方位向距離差，可見相位差Δφj1-Δφj2與兩部干擾站的方位向距離差成線性關(guān)系。圖3為不同參數(shù)情況下相位差Δφj1-Δφj2隨干擾站方位向距離差的變化曲線，從圖中可以看出兩者基本符合式(17)的線性關(guān)系，且通常情況下都能夠滿足條件Δφj1-Δφj2≠2kπ。實(shí)際干擾中無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得干擾站與SAR平臺的相對位置關(guān)系，因此可沿方位向不同位置部署多部干擾站同時(shí)對SAR實(shí)施分布式協(xié)同干擾，以達(dá)到大范圍持續(xù)性干擾效果。

圖3 相位差隨方位向距離差變化曲線Fig.3 The change curve of phase difference with distancedifference in Azimuth

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

SAR雙通道對消系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，設(shè)SAR成像場景距離向范圍為[9 800,10 200](單位/m)，方位向范圍為[-150,150]，場景中心坐標(biāo)為[10 000,0](斜距-方位坐標(biāo))，圖4為無干擾時(shí)SAR場景成像結(jié)果。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.1 SAR雙通道對消的干擾抑制效果

假設(shè)單部干擾站J1坐標(biāo)為[9 900,-60]，圖5為不同干擾樣式時(shí)SAR單通道場景成像結(jié)果(A、B兩通道成像結(jié)果相同)，其中圖5(a)為干信比10 dB時(shí)相干噪聲干擾效果；依據(jù)SAR欺騙干擾原理產(chǎn)生9個(gè)虛假目標(biāo)，圖5(b)為干信比5 dB時(shí)虛假欺騙干擾效果；根據(jù)SAR散射波干擾原理，在場景中設(shè)置3個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)作為散射目標(biāo)，圖5(c)為干信比10 dB時(shí)散射波干擾效果。由圖5可知，三種干擾樣式均可對單通道SAR實(shí)施有效干擾。采用本文方法對A、B兩通道干擾信號進(jìn)行對消，由于直達(dá)波干擾和散射波干擾的雙通道對消結(jié)果是統(tǒng)一的，故三種干擾樣式的雙通道對消成像結(jié)果均如圖6所示，從圖中可以看出干擾信號均被完全對消，且由于對消后目標(biāo)信號受調(diào)制項(xiàng)影響，目標(biāo)圖像沿方位向產(chǎn)生周期性的明暗變化，將導(dǎo)致目標(biāo)信息的周期性損失，其中黑色條紋區(qū)域是由于干擾信號與目標(biāo)信號的相位差接近2π整數(shù)倍造成的，以上仿真結(jié)果均與理論分析一致。

圖4 無干擾時(shí)場景成像Fig.4 Scene imaging without jamming

圖5 不同干擾時(shí)SAR單通道成像結(jié)果Fig.5 Imaging result of single channel with different jamming styles

圖6 SAR雙通道干擾對消結(jié)果Fig.6 Imaging result after SAR dual-channel cancellation

4.2 SAR雙通道對消的多站干擾效果

對比圖5和圖6可知，SAR雙通道對消技術(shù)可有效抑制單部干擾站的直達(dá)波干擾和散射波干擾，顯著增強(qiáng)了SAR系統(tǒng)抗干擾性能，因此必須采用多部干擾站才能實(shí)施有效干擾。以雙干擾站為例進(jìn)行仿真分析，設(shè)干擾站J1坐標(biāo)保持不變，干擾站J2坐標(biāo)為[9 900,60]，其余仿真條件不變，兩部干擾站同時(shí)向SAR平臺實(shí)施直達(dá)波干擾和散射波干擾，圖7為不同干擾樣式時(shí)SAR雙通道對消結(jié)果。對比圖6和圖7可知，由于A、B兩通道接收到的干擾信號經(jīng)矢量疊加后具有不同的幅度和相位，因此雙通道對消后干擾仍然存在，且成像場景沿方位向產(chǎn)生周

期性的明暗變化，驗(yàn)證了多干擾站對SAR雙通道對消系統(tǒng)實(shí)施干擾的可行性和有效性。其中圖7(a)為兩部干擾站同時(shí)實(shí)施相干噪聲干擾的雙通道對消結(jié)果，對比圖5(a)可知，兩部干擾站產(chǎn)生了累加干擾效果，遮蓋效果更好，明暗區(qū)域在噪聲干擾下表現(xiàn)不明顯；圖7(b)為虛假欺騙干擾時(shí)雙通道對消結(jié)果，此時(shí)依據(jù)欺騙干擾原理，兩部干擾站在同一區(qū)域分別產(chǎn)生位置相同的9個(gè)虛假目標(biāo)，將形成疊加干擾效果，對消后周期性的明暗區(qū)域比較明顯；圖7(c)為散射波干擾時(shí)雙通道對消結(jié)果，此時(shí)3個(gè)散射目標(biāo)位置不變，兩部干擾站同時(shí)向散射目標(biāo)投射干擾信號，依據(jù)散射波干擾原理，兩部干擾站在不同區(qū)域形成了兩組散射波干擾目標(biāo)。

綜合以上仿真分析可知，雙干擾站能夠有效削弱SAR雙通道的干擾對消性能，并顯著增強(qiáng)了直達(dá)波干擾和散射波干擾對雙通道SAR系統(tǒng)的對抗性能。在實(shí)際干擾應(yīng)用中，應(yīng)依據(jù)干擾的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)需求，充分利用干擾資源，沿場景方位向不同位置部署多部分布式干擾站，且每部干擾站協(xié)同發(fā)射不同強(qiáng)度的干擾信號，此時(shí)兩通道的干擾信號經(jīng)矢量疊加后在幅度和相位上均存在較大差異，采用雙通道對消將無法消除干擾信號，從而確保干擾的有效性和持續(xù)性。

圖7 雙干擾站時(shí)SAR雙通道干擾對消結(jié)果Fig.7 Imaging result after SAR dual-channel cancellation with two jammers

5 結(jié)論

本文提出了合成孔徑雷達(dá)雙通道對消的多站干擾方法。該方法利用多部干擾站實(shí)施分布式協(xié)同干擾，使SAR系統(tǒng)無法通過估計(jì)每個(gè)采樣時(shí)刻的補(bǔ)償相位對雙通道的干擾信號進(jìn)行對消，并給出了使雙通道對消系統(tǒng)失效的相位條件和多干擾站沿方位向的部署方案。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法可有效破壞SAR雙通道干擾對消的性能，顯著增強(qiáng)直達(dá)波干擾和散射波干擾對雙通道SAR系統(tǒng)的干擾效果。該方法還可以推廣到多干擾站對SAR多通道對消系統(tǒng)干擾中去，能夠顯著提升對多通道SAR的對抗能力，具有較強(qiáng)的軍事應(yīng)用價(jià)值。

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JammingTechniqueofMulti-jammersAgainstSARDual-channelCancellation

FANG Mingxing1, BI Daping1, SHEN Aiguo1, LIU Qian2

(1. Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China; 2. National Defense Information Academy, Wuhan 430000, China)

SAR dual-channel cancellation technique can suppress the jamming signal of single jammer. An jamming method of multi-jammers against SAR dual-channel cancellation system was proposed. The proposed method used multi-jammers to implement distributed cooperative jamming, thus the SAR system could not estimate the compensation phase of each sampling time, which made SAR dual-channel cancellation technique invalid. Then, phase condition and jammer configuration scheme that made the dual-channel cancellation invalid were discussed. The simulation results showed that the method could effectively destroyed the SAR dual-channel cancellation system, and enhanced the jamming performance of direct wave and scatter-wave against dual-channel SAR system.

synthetic aperture radar (SAR); electronic countermeasures; dual-channel cancellation; multi-jammers

2017-02-12

:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61171170)

:房明星(1988—)，男，安徽蚌埠人，博士研究生，研究方向：SAR信號處理及SAR對抗理論。E-mail:mingxingfang89@163.com。

TN974

：A

：1008-1194(2017)04-0054-06