唐崢釗，趙國慶

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院， 陜西西安 710071)

0 引言

逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)具有對非合作機(jī)動(dòng)目標(biāo)的二維高分辨成像能力，同時(shí)也存在以下缺陷：首先，二維ISAR圖像是目標(biāo)在距離-多普勒平面上的投影圖像，不包含目標(biāo)各散射中心的高程信息；其次，二維ISAR圖像多普勒維坐標(biāo)不反映目標(biāo)真實(shí)橫向尺寸；此外，ISAR成像對象多為非合作機(jī)動(dòng)目標(biāo)，成像效果依賴于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，目標(biāo)二維ISAR圖像可能隨時(shí)間變化而顯著不同，這對非合作目標(biāo)識別造成一定困難。

干涉逆合成孔徑雷達(dá)(Interferometric Inverse Synthetic Aperture Radar, InISAR)是將干涉技術(shù)與逆合成孔徑成像技術(shù)相結(jié)合的高分辨三維成像雷達(dá)[1]。其基本思想是利用位置分布不同的多個(gè)天線獲得具有一定視角差的多幅目標(biāo)二維ISAR圖像，再通過干涉相位處理[2]，恢復(fù)出目標(biāo)各散射中心的高程信息，從而得到目標(biāo)真實(shí)三維分布[3]。相比與傳統(tǒng)ISAR，InISAR可以獲得遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)及真實(shí)尺寸[4]，且受目標(biāo)姿態(tài)變化影響較小，為非合作目標(biāo)識別提供了更加全面、穩(wěn)定的信息，具有一定理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。因此，開展針對InISAR的干擾技術(shù)研究也成為雷達(dá)電子對抗領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料中關(guān)于InISAR干擾技術(shù)的研究較少，對于干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR) 干擾技術(shù)的研究也尚處于起步階段。文獻(xiàn)[5]提出了利用多部干擾機(jī)對單航過InSAR產(chǎn)生場景欺騙干擾的干擾方法。文獻(xiàn)[6]研究了常規(guī)噪聲調(diào)制干擾和彈射式干擾對InSAR成像的影響。文獻(xiàn)[7]指出單個(gè)天線任意波形調(diào)制干擾最終干涉相位都近似為常數(shù)。文獻(xiàn)[8]研究了通過雙(多)干擾機(jī)的合理配置實(shí)現(xiàn)對InSAR三維欺騙干擾的可能性。

此前研究表明，單部干擾機(jī)所發(fā)射干擾信號在InISAR成像期間具有近似恒定的干涉相位，導(dǎo)致其無法對InISAR產(chǎn)生具有高程信息的干擾效果，針對這一問題本文提出了基于雙干擾機(jī)的In- ISAR微動(dòng)調(diào)制干擾方法。雷達(dá)目標(biāo)的微多普勒效應(yīng)指由于目標(biāo)部件旋轉(zhuǎn)、進(jìn)動(dòng)、振動(dòng)等微運(yùn)動(dòng)[9]導(dǎo)致成像雷達(dá)二維距離-多普勒圖像方位向擴(kuò)展進(jìn)而使成像質(zhì)量下降的現(xiàn)象[10]。兩部干擾機(jī)通過發(fā)射帶有微動(dòng)調(diào)制信息的干擾信號，可在InISAR天線各通道內(nèi)形成等效于真實(shí)微動(dòng)假目標(biāo)回波信號的干涉相位圖，從而產(chǎn)生具有高程信息的三維干擾效果。文中首先給出了InISAR成像原理，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了干擾信號合成方法，最后通過仿真驗(yàn)證方法的有效性。

1 InISAR成像原理

InISAR系統(tǒng)通常采用具有正交基線的多天線構(gòu)型，包括L型和十字型天線結(jié)構(gòu)等，前者因結(jié)構(gòu)簡單、相干性好等優(yōu)點(diǎn)被較多使用，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。收發(fā)天線A分別與接收天線B、C構(gòu)成兩對互相垂直干涉基線，基線長度都為D。M、N分別為AB、AC基線中點(diǎn)。以基線方向?yàn)閄、Z軸建立如圖三維坐標(biāo)系XYZA。目標(biāo)點(diǎn)散射模型如圖2所示，初始時(shí)刻目標(biāo)散射中心O點(diǎn)坐標(biāo)為(XO,YO,ZO)，θ為OM與Y軸正向夾角，目標(biāo)上任意一散射點(diǎn)P坐標(biāo)為(XP,YP,ZP)，O、P兩點(diǎn)與三天線及M點(diǎn)間距離分別為RAO、RBO、RCO、ROM、RAP、RBP、RCP、RPM,目標(biāo)速度矢量為V，以O(shè)為中心、與XYZA坐標(biāo)軸平行方向建立目標(biāo)本地三維坐標(biāo)系xyzO。

圖2 目標(biāo)散射點(diǎn)模型

設(shè)天線A發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號為

(1)

exp[j2π(fc(t-2RAP/c)+

(2)

設(shè)RrefA為參考距離，對式(2)進(jìn)行dechirp處理得

(3)

在距離向作傅里葉變換，得一維距離像為

(4)

Tr為相干積累時(shí)間，將式(5)對慢時(shí)間作傅里葉變換可得二維ISAR距離-多普勒圖像：

(6)

同理可得天線B接收回波經(jīng)成像處理后的ISAR圖像為

(7)

則可得P點(diǎn)處干涉相位為

(8)

式中，Angle(·)表示取復(fù)數(shù)值相位。InISAR成像過程中，通過對各天線接收回波的包絡(luò)對齊及相位校正等運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理，目標(biāo)可等效為遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)臺模型，此時(shí)P點(diǎn)干涉相位可表示為

(9)

可得P點(diǎn)在AB基線方向坐標(biāo)為

(10)

同理，利用AC兩天線接收回波數(shù)據(jù)干涉處理可得P點(diǎn)在AC基線方向坐標(biāo)為

(11)

在遠(yuǎn)場條件下，P點(diǎn)在Y軸坐標(biāo)YP與斜距RAP近似相等，可通過測距獲得。則經(jīng)過以上步驟，可得P點(diǎn)三維空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對該散射點(diǎn)的三維干涉成像。

2 單站干擾分析

采用如圖1所示系統(tǒng)模型，假設(shè)單部干擾機(jī)位置坐標(biāo)為J1(XJ1,YJ1,ZJ1)，干擾機(jī)與天線距離分別為RJ1A(t),RJ1B(t),RJ1C(t)。則tm時(shí)刻干擾信號在AB天線通道內(nèi)相位差為

(12)

式中，

RJ1A(tm)-RJ1B(tm)=

(13)

將式(13)在XJ1處泰勒展開并忽略高次項(xiàng)得

(14)

由式(14)可知，由于InISAR成像期間XJ1近似不變，則單干擾機(jī)干涉相位近似為恒定值，因此無法對InISAR產(chǎn)生具有高程信息的干擾效果。

3 雙站干擾信號產(chǎn)生

干擾信號產(chǎn)生流程如圖3所示。

圖3 干擾信號產(chǎn)生流程圖

仍采用圖1系統(tǒng)模型。設(shè)兩干擾機(jī)位置坐標(biāo)為J1(XJ1,YJ1,ZJ1)，J2(XJ2,YJ2,ZJ2)，兩干擾機(jī)與天線距離分別為RJ1A,RJ1B,RJ1C，RJ2A,RJ2B,RJ2C。設(shè)假目標(biāo)模板由N個(gè)散射點(diǎn)組成，各假目標(biāo)點(diǎn)初始位置隨機(jī)分布在O點(diǎn)周圍半徑RP范圍內(nèi)，且繞O點(diǎn)作角速度為ωP的圓周運(yùn)動(dòng)。

設(shè)第i個(gè)假目標(biāo)點(diǎn)在tm時(shí)刻三維坐標(biāo)為Pi(xi(tm),yi(tm),zi(tm))，與AB天線距離差為ΔRABPi(tm)。則由式(8)可得tm時(shí)刻假目標(biāo)模板在AB天線對的干涉相位為

(15)

設(shè)兩干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號分別為J1和J2，兩干擾信號在A，B天線聚焦后的復(fù)圖像分別為SAJ1，SAJ2和SBJ1，SBJ2，A天線聚焦后復(fù)圖像SA(x,y)可表示為兩干擾信號復(fù)圖像的疊加，即

SA(x,y)=SAJ1(x,y)+SAJ2(x,y)

(16)

設(shè)兩干擾機(jī)自身在A、B天線對的干涉相位分別為ΔφABJ1和ΔφABJ2，由式(9)可知干涉相位由干擾機(jī)和天線相對位置決定，在本系統(tǒng)模型中為常數(shù)。

B天線復(fù)圖像等效于由A天線復(fù)圖像補(bǔ)償假目標(biāo)干涉相位得到，實(shí)際通過補(bǔ)償兩干擾機(jī)干涉相位后疊加得到，即

SA(x,y)exp(jΔφAB(tm))=

SAJ1(x,y)exp(jΔφABJ1)+

SAJ2(x,y)exp(jΔφABJ2)

(17)

由式(16)、式(17)可得

SAJ1(x,y)=SA(x,y)·

(18)

SAJ2(x,y)=SA(x,y)·

(19)

即當(dāng)J1和J2在A天線聚焦后圖像SAJ1(x,y)和SAJ2(x,y)滿足式(18)、式(19)時(shí)，可在AB基線方向產(chǎn)生等效于假目標(biāo)模板的干涉相位。

SA(x,y)等效于假目標(biāo)模板在A天線成像效果，則由式(6)得其相位信息φA(tm)為

(20)

式中，RAi(tm)為tm時(shí)刻第i個(gè)假目標(biāo)點(diǎn)到天線A的距離。SA(x,y)可表示為

(21)

式中，σi為第i個(gè)假目標(biāo)點(diǎn)的散射系數(shù)。

由式(8)得兩干擾機(jī)在AB天線對的干涉相位為

(22)

(23)

將式(15)、式(21～23)分別代入式(18)、式(19)可求得SAJ1,SAJ2。至此，將兩干擾機(jī)在AB基線方向干擾問題轉(zhuǎn)化為對天線A的兩個(gè)二維干擾問題。根據(jù)傳統(tǒng)欺騙調(diào)制干擾方法，可求得此時(shí)干擾信號相位模板，設(shè)為ΔφJ(rèn)1AB(tm)，ΔφJ(rèn)2AB(tm)。

同理，可求得AC基線方向，兩干擾信號應(yīng)滿足的調(diào)制相位模板，記為ΔφJ(rèn)1AC(tm)，ΔφJ(rèn)2AC(tm)。

由于AB、AC兩基線方向垂直，干擾信號在某一基線方向產(chǎn)生的高程信息在另一基線方向表現(xiàn)為同一分辨單元內(nèi)，可相互疊加，則可得兩干擾機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)制相位模板為

φJ(rèn)1(tm)=ΔφJ(rèn)1AB(tm)+ΔφJ(rèn)1AC(tm)

(24)

φJ(rèn)2(tm)=ΔφJ(rèn)2AB(tm)+ΔφJ(rèn)2AC(tm)

(25)

最后將干擾信號與截獲的雷達(dá)信號卷積并轉(zhuǎn)發(fā)可得到三維微動(dòng)調(diào)制干擾效果。

4 仿真及結(jié)果分析

本仿真采用如圖1所示場景，目標(biāo)點(diǎn)散射模型如圖2所示。以天線A為坐標(biāo)原點(diǎn)，基線長度為10 m，目標(biāo)散射中心坐標(biāo)為O(50 km,20 km,10 km)。目標(biāo)在XOY及XOZ平面內(nèi)正向旋轉(zhuǎn)角速度均為0.02 rad/s，雷達(dá)信號載頻為10 GHz，帶寬為200 MHz，脈寬為10 μs，重頻為200 Hz，脈沖積累個(gè)數(shù)為512個(gè)，干擾機(jī)采樣率為480 MHz。

圖4為無干擾時(shí)InISAR成像效果圖。圖5為附加單部干擾機(jī)射頻噪聲干擾的目標(biāo)InISAR圖像，由圖5可以看出單部干擾機(jī)的干擾效果具有恒定的高程信息，無法有效對InISAR圖像造成影響。

圖4 無干擾時(shí)InISAR圖像

圖5 單干擾機(jī)射頻噪聲干擾

圖6為雙干擾機(jī)微動(dòng)調(diào)制干擾效果圖。設(shè)存在10個(gè)旋轉(zhuǎn)微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)，其初始位置隨機(jī)分布在目標(biāo)散射中心周圍半徑rp內(nèi)，同時(shí)各假目標(biāo)點(diǎn)繞目標(biāo)散射中心以角速度10 rad/s進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。圖6(a)和圖6(b)分別為rp為0.8 m和3 m的干擾效果?？梢钥闯?，旋轉(zhuǎn)微動(dòng)假目標(biāo)點(diǎn)可在InISAR圖像中產(chǎn)生具有高程信息的干擾條帶，且干擾條帶高程范圍與假目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍一致。根據(jù)需要設(shè)置假目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型，可分別達(dá)到部分遮蓋和完全遮蓋真實(shí)目標(biāo)InISAR圖像的效果，對InISAR目標(biāo)識別及特征信息提取造成一定影響，達(dá)到三維干擾的目的。

(a) rp=0.8 m

(b) rp=3 m圖6 雙干擾機(jī)微動(dòng)干擾

5 結(jié)束語

本文研究了雙干擾機(jī)的InISAR微動(dòng)調(diào)制干擾方法。根據(jù)旋轉(zhuǎn)微動(dòng)假目標(biāo)散射點(diǎn)模板，兩部干擾機(jī)分別發(fā)射具有特定相位關(guān)系的干擾信號，干擾信號在InISAR收發(fā)天線通道內(nèi)疊加，可產(chǎn)生等效于微動(dòng)假目標(biāo)散射點(diǎn)回波的干涉相位，經(jīng)過成像處理后可產(chǎn)生具有高程信息的干擾條帶，且干擾條帶范圍可根據(jù)假目標(biāo)模板變化，從而達(dá)到對InISAR的三維干擾效果。