黃 巖 趙 博 陶明亮 陳展野 洪 偉

①(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院毫米波國家重點實驗室 南京 211100)

②(深圳大學(xué)信息工程學(xué)院 深圳 518060)

③(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710072)

④(重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院 重慶 400044)

1 引言

1.1 背景闡述

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種有源遙感雷達系統(tǒng)，以其特有的合成孔徑技術(shù)，可以實現(xiàn)全天時全天候的高分辨成像，在戰(zhàn)場偵察、災(zāi)害監(jiān)測、災(zāi)害評估及預(yù)警、資源勘探、地形測繪等方面發(fā)揮著可見光、高光譜、紅外等其它對地觀測傳感器不具備的作用[1-10]，逐漸受到全世界各國國防部和軍民企業(yè)的高度重視。

合成孔徑雷達的基本原理來源于實孔徑技術(shù)，但其又突破了實孔徑技術(shù)的瓶頸和限制。對于傳統(tǒng)的實孔徑技術(shù)，其方位分辨率反比于實孔徑的大小，即實孔徑越長，其分辨率越高。但是同樣的，隨著作用距離變遠，雷達的方位分辨率也會隨之變低。假設(shè)需要在幾十千米的作用距離下獲得米級的高分辨率圖像，則至少需要幾百米的實孔徑天線，然而在飛機或者衛(wèi)星平臺上安裝如此大的天線是根本不可能的事情。因此為了突破實孔徑天線對方位分辨率的限制，1951年，文獻[11-13]發(fā)現(xiàn)波束的方位向分辨率能通過雷達與目標之間的相對運動而明顯改善，這一理論為合成孔徑雷達實現(xiàn)2維高分辨觀測成像打下了基礎(chǔ)。實際上，該理論利用了長時間平臺運動帶來的時間采樣來代替固定不動的實孔徑空間采樣。而合成孔徑的基本原理正是基于用時間信息彌補了空間信息，從而實現(xiàn)了方位向的高分辨率。與此同時，可以通過發(fā)射具有大帶寬的信號經(jīng)距離脈壓后可以得到距離向高分辨率。因此，長時間的能量積累提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，同時合成的較長孔徑又能獲得超高分辨率，故合成孔徑雷達在運動目標檢測、目標自動識別等方面都有很好的發(fā)揮和應(yīng)用[14,15]。

然而，作為一種寬帶雷達系統(tǒng)，合成孔徑雷達在工作頻段內(nèi)易受到敵方有源干擾機信號、無線通信信號、廣播電視信號和其它雷達信號等多種復(fù)雜電磁干擾的影響，即使合成孔徑雷達能夠通過2維匹配濾波獲得較高的能量積累，但強干擾源仍將嚴重制約高分辨成像效果，從而進一步影響后續(xù)合成孔徑雷達對地、海的觀測[16]。在現(xiàn)代信息電子戰(zhàn)中，必須意識到，信息電子戰(zhàn)的核心就在于如何獲取復(fù)雜電磁環(huán)境中對信息的制霸權(quán)，合成孔徑雷達抗干擾能力的重要性絲毫不遜色于合成孔徑雷達系統(tǒng)研制本身，如果在沒有任何干擾抑制措施的前提下，一旦合成孔徑雷達系統(tǒng)面臨電子干擾，那么其很容易喪失信息獲取能力，這就是所謂的“睜眼瞎”[16-18]。如圖1所示，左側(cè)為受到窄帶射頻干擾影響下的合成孔徑雷達圖像，右側(cè)是通過干擾抑制算法得到的真實圖像。從圖中可以很明顯的看出，許多圖中反射強度較弱的細節(jié)尤其是關(guān)注的目標點被嚴重干擾，此時無法獲取對其的有效檢測和識別[19,20]。

而圖1所示的僅僅是一種簡單的影響整個場景信干噪比(Signal-to-Interference-and-Noise Ratio,SINR)的類噪聲式壓制干擾，就足以對合成孔徑雷達成像造成嚴重的影響；而隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化的逐漸加強，很多情況下帶有欺騙性質(zhì)的干擾機具有更強的軍事意義并造成更惡劣的影響，其能夠產(chǎn)生與合成孔徑雷達回波相似的散射點[21,22]，來產(chǎn)生欺騙性的目標，如圖2所示，圖2(b)相較于圖2(a)在圖的右側(cè)位置多了許多虛假的車輛，這將影響后續(xù)對目標的檢測和判斷。

因此，隨著合成孔徑雷達在軍用和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其所面臨的電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，并且對它的干擾手段也越來越多，干擾形式越來越靈活，此時合成孔徑雷達的抗干擾技術(shù)尤為關(guān)鍵，這對提高合成孔徑雷達系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的生存能力和實用效能，具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 窄帶射頻干擾對合成孔徑雷達成像的影響Fig.1 Effect of narrowband RFI to SAR imaging

圖2 欺騙干擾對合成孔徑雷達成像的影響Fig.2 Effect of deceptive jamming to SAR imaging

1.2 干擾分類

在復(fù)雜電磁環(huán)境中，合成孔徑雷達受到的干擾類型可以根據(jù)干擾的能量來源、產(chǎn)生途徑、頻帶帶寬以及作用機理等不同標準進行分類。按照干擾的能量來源，合成孔徑雷達可以分為無源干擾和有源干擾兩大類[23]。其中，無源干擾是指利用非目標的物體對電磁波的反射、折射、散射或吸收等現(xiàn)象產(chǎn)生的干擾。一般情況下，無源干擾不會影響合成孔徑雷達的正常工作，而是減弱乃至改變了敵我目標的雷達反射面積(Radar Cross-Section,RCS)，使得合成孔徑雷達獲得失真的高分辨圖像，增大圖像的解譯難度。典型的無源干擾包括箔條干擾、吸波材料、反雷達偽裝網(wǎng)等。而有源干擾是指由輻射電磁波的能源所產(chǎn)生的干擾，也是本文介紹的核心。合成孔徑雷達目前面臨的有源干擾類型多樣，可以簡單分為有意干擾和無意干擾[24]，其中無意干擾是指由于自然或其它因素無意識形成的干擾，包括宇宙干擾、雷電干擾以及其他無線電射頻干擾等；有意干擾是指由于人為有意識制造的干擾，是戰(zhàn)爭時期合成孔徑雷達面臨的主要威脅，其可以進一步分為壓制干擾和欺騙干擾[25]，具體的干擾類型如圖3所示。

圖3 合成孔徑雷達有源干擾分類Fig.3 Classification of sourced interferences for SAR systems

對于有源干擾信號而言，如果從干擾信號本身對比合成孔徑雷達寬帶信號的相對帶寬出發(fā)，干擾信號又可以統(tǒng)一劃分為窄帶干擾和寬帶干擾，像無線電射頻干擾(如電視信號、FM/AM調(diào)頻信號等)則是一種典型的窄帶干擾[26]，其作用效果與窄帶壓制干擾類似，可以歸結(jié)為無意的壓制干擾，而其它寬帶雷達信號則是一種典型的寬帶干擾。同時，如果從有意干擾源信號到達合成孔徑雷達接收機的方式考慮[27]，如干擾是直接到達接收機還是經(jīng)過地面待觀測場景散射到達接收機[28-30]，則有意干擾信號又可以劃分為直達波干擾和散射波干擾(又稱為直達波干擾和彈射式干擾[31,32])。因此，干擾的分類方式多種多樣，文獻層出不窮，合成孔徑雷達抗干擾技術(shù)，從不同體制的合成孔徑雷達系統(tǒng)、任務(wù)、目標與環(huán)境相互作用的視角，呈現(xiàn)著豐富的研究內(nèi)容。本文僅以合成孔徑雷達系統(tǒng)面臨的有源壓制干擾1文中所述的壓制干擾包含射頻干擾等無意壓制干擾，由于其干擾模型和效果均與窄帶壓制干擾類似，后文就一并討論。和欺騙干擾(即圖3中加粗的部分)為重點，對其相關(guān)技術(shù)動態(tài)進行總結(jié)，為其未來的研究和發(fā)展提供參考。

2 合成孔徑雷達有源干擾的信號模型

為更好地抑制合成孔徑雷達面臨的復(fù)雜電磁干擾，首先需要了解各種干擾反映到合成孔徑雷達接收信號中的數(shù)學(xué)模型，針對不同干擾信號的數(shù)學(xué)模型，才能更好地設(shè)計有針對性的干擾抑制算法。

2.1 壓制干擾

針對壓制干擾，根據(jù)干擾信號的相對帶寬大小及調(diào)制方式，可以劃分為窄帶干擾、調(diào)頻調(diào)制寬帶干擾和正弦調(diào)制寬帶干擾3種形式。由于合成孔徑雷達系統(tǒng)的接收信號可以看作是真實回波信號、多樣式混合干擾和背景噪聲之和[33]，故其1維數(shù)學(xué)模型可表示為

式中，k表示第k個距離快時間單元，y,x,i,nbi,wbi和n分別表示接收信號、真實回波、混合干擾、窄帶干擾(Narrow Band Interference,NBI)、寬帶干擾(Wide Band Interference,WBI)和背景噪聲。1維數(shù)學(xué)模型只能反映出單快拍(方位采樣)窄帶或?qū)拵Ц蓴_的時域或頻域信息，而無法提供更多的信息。為獲取高分辨的合成孔徑雷達圖像，合成孔徑雷達信號模型通常建立為距離-方位時間的3維數(shù)學(xué)模型[34]，即

式中，l表示方位慢時間的采樣單元，即第l個脈沖。而窄帶干擾可以表示為N個正弦函數(shù)信號之和[35]

式中，An(l)表示第n個窄帶干擾在第l次脈沖的復(fù)幅度，fn表示第n個窄帶干擾的頻率，tk表示第k個距離采樣時刻。而寬帶干擾分為兩種，分別是調(diào)頻調(diào)制(Chirp-Modulated,CM)寬帶干擾和正弦調(diào)制(Sinusoidal-Modulated,SM)寬帶干擾。其中，CM寬帶干擾可以表示為

式中，Bn(l)表示第n個CM寬帶干擾在第l次脈沖的復(fù)幅度，γn和fn分別表示第n個CM寬帶干擾的調(diào)頻率和頻率。而SM寬帶干擾可以表示為

式中，與式(4)相同的符號對應(yīng)SM寬帶干擾相同的含義，βn(l)表示第n個干擾在第l次脈沖的調(diào)制系數(shù)，φn表示第n個干擾的的初始相位。窄帶、寬帶壓制干擾的數(shù)學(xué)模型示意圖如圖4所示，圖中分別表現(xiàn)了不同干擾在2維距離-方位時域、1維距離頻域和2維距離時頻域的表現(xiàn)。

2.2 欺騙干擾

不同于壓制干擾，欺騙干擾一般是通過“截獲-調(diào)制-轉(zhuǎn)發(fā)”的方式刻意模擬合成孔徑雷達回波特征，在合成孔徑雷達成像結(jié)果中形成聚焦良好的虛假目標。經(jīng)過精細設(shè)計的虛假目標具有與真實目標相似的散射特性，能夠與合成孔徑雷達圖像較好地融合，達到“真假難辨”的干擾效果。經(jīng)過距離脈壓后的合成孔徑雷達信號，任意一散射點的真實回波可以表示為[36]

其中，tr和ta分別表示距離快時間和方位慢時間，σ表示散射系數(shù)，Br表示合成孔徑雷達信號的帶寬，aa(·)表示方位向包絡(luò)，τ表示散射點與雷達的時延，λ表示波長，R(·)表示隨方位時間變化的瞬時斜距。為了簡化模型，aa(·)可以被認為是理想的矩形函數(shù)，即

式中，|·|表示絕對值，T表示相干處理時間。當散射點在天線主瓣內(nèi)，本文認為在被合成孔徑雷達主瓣接收同時沒有衰減，而在旁瓣區(qū)域則沒有散射回波。假設(shè)欺騙干擾也是同樣的設(shè)計，只會影響合成孔徑雷達的主瓣，則欺騙干擾可以被調(diào)制為[36,37]

其中，σJ表示干擾的散射系數(shù)，sJ(tr,ta)表示被干擾機截取的合成孔徑雷達信號，?表示卷積操作，δ(·)表示狄拉克函數(shù)。同時，(a)部分表示幅度放縮，通常是根據(jù)真實場景的先驗信息來獲取，(b)和(c)部分分別表示時延和多普勒調(diào)制部分，這兩部分都與干擾機到虛假目標的瞬時斜距?R(ta)有關(guān)，可以表示為

其中，RJ(ta)表示虛假目標的瞬時斜距。假設(shè)干擾機作用時間范圍為[?T/2,T/2]，則在相同位置的假目標散射點的距離脈壓后信號可以表示為

其中，σ′和R′(·)分別表示假目標散射點的散射系數(shù)和瞬時斜距。對比假目標散射點和真實散射點的表達式，除去幅度上的變化，主要區(qū)別在于支撐時間域和多普勒相位，它們之間的關(guān)系可以表示為

圖4 不同維度的窄帶、寬帶壓制干擾信號模型示意圖Fig.4 Illustrations of narrowband and wideband suppressed interference models in different domains

欺騙干擾和真實回波的時頻分布示意圖如圖5所示。根據(jù)干擾效果的不同，可將欺騙干擾區(qū)域分為：

(1)強干擾區(qū)：陰影1區(qū)域內(nèi)的欺騙干擾與合成孔徑雷達回波部分重合，難以通過常規(guī)的方法進行有效抑制，從而在合成孔徑雷達成像結(jié)果中形成較強的欺騙干擾，危害性最大；

(2)弱干擾區(qū)：陰影2區(qū)域內(nèi)的欺騙干擾在時頻域與合成孔徑雷達回波不重合，同時其多普勒頻譜未超出由合成孔徑雷達系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率所限定的方位頻帶寬度。該區(qū)域內(nèi)的欺騙干擾能夠較容易地得到抑制；

(3)干擾失效區(qū)：陰影3區(qū)域內(nèi)的欺騙干擾由于超出了奈奎斯特采樣定理的限制而發(fā)生混疊，雖然無法形成有效的虛假目標成像結(jié)果，但仍會以類似噪聲干擾的形式降低真實場景的成像質(zhì)量。

圖5 欺騙干擾和真實回波的時頻分布模型示意圖Fig.5 Illustration of the time-frequency distribution of deceptive jammings and true echoes

3 合成孔徑雷達抗干擾技術(shù)

針對不同的干擾手段(即壓制式及欺騙式干擾類型)，本節(jié)對當前對應(yīng)的典型抗干擾技術(shù)進行了總結(jié)與歸類。具體而言，針對不同類型的壓制干擾，筆者總結(jié)了大量研究文獻，主要分為非參數(shù)化干擾抑制算法、參數(shù)化干擾抑制算法以及半?yún)?shù)化干擾抑制算法來展開描述，分別介紹對應(yīng)不同算法的優(yōu)缺點；針對不同類型、合成孔徑雷達通道特性的欺騙干擾，主要從多通道直達波和反射波欺騙干擾抑制算法和單通道欺騙干擾抑制算法來詳細說明。

3.1 壓制干擾抑制技術(shù)

隨著合成孔徑雷達應(yīng)用范圍的不斷拓展及探測能力的持續(xù)提升，其所面臨的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在有源壓制干擾作用下，實際上無論干擾的樣式如何，其對合成孔徑雷達成像的破壞主要依靠強干擾功率在時域、頻域或空域所形成的壓制效果。根據(jù)壓制干擾相對于合成孔徑雷達的帶寬，可以將壓制干擾抑制技術(shù)分為窄帶和寬帶干擾抑制技術(shù)。而當前的抗干擾方法，則可根據(jù)處理方式的不同分為以下3類。

3.1.1 非參數(shù)化壓制干擾抑制技術(shù)

非參數(shù)化干擾抑制方法將接收信號表征到1維距離頻域或2維距離時頻域中，利用干擾信號與真實回波信號間的強度特征差異，構(gòu)建自適應(yīng)濾波器或利用信號子空間投影來濾除干擾。非參數(shù)化方法操作簡單，計算復(fù)雜度低，同時在一定程度上避免了低維模型不準確帶來的影響。經(jīng)典的非參數(shù)化方法主要有：自適應(yīng)濾波器、陷波濾波器和子空間投影等算法。

陷波濾波器算法主要針對的是L,P波段的孤立窄帶、寬帶壓制干擾，其研究開展較早。針對第2部分給出的窄帶壓制干擾信號模型，陷波濾波器的主要原理是在超過設(shè)定的頻譜或圖像能量門限的強窄帶干擾區(qū)域設(shè)置零陷，由于窄帶干擾有限且占總信號頻譜比例較小，且陷波濾波器實現(xiàn)較為簡單，故在很多應(yīng)用中都取得了不錯的干擾抑制效果；而針對孤立的寬帶干擾則主要在距離時頻域設(shè)計陷波濾波器，降低頻譜損失。早在1996年，Cazzaniga和Guarnieri[38]就提出利用MUSIC方法來估計窄帶干擾頻率并設(shè)計陷波濾波器對抗干擾。隨后，德國宇航中心的Buckreuss和Horn[39]提出了相干距離單元平均方法，并率先應(yīng)用于E-SAR系統(tǒng)。F.Meyer等人[40]設(shè)計自適應(yīng)檢測來確定窄帶、寬帶干擾位置以及陷波濾波器寬度來設(shè)計完整的干擾抑制流程，并在實測全極化ALOS PALSAR數(shù)據(jù)中得到了很好的驗證，如圖6所示。

國際無線電聯(lián)盟(InTernational Union of Radio science,ITU-R)在其RS.1749報告中也給出了相似的陷波濾波建議，以使得能夠應(yīng)用于地球探測衛(wèi)星服務(wù)(Earth Exploration Satellite Service,EESS)中[41]。文獻[42]表明TarraSAR-X實測數(shù)據(jù)中存在特殊的近零點射頻干擾，該射頻干擾受脈沖調(diào)制，在頻域有很強的旁瓣，傳統(tǒng)陷波濾波器將失效。該文在傳統(tǒng)陷波濾波器基礎(chǔ)上進一步提出了雙向陷波器，實現(xiàn)兩次抑制后獲得兩幅圖像再結(jié)合，以獲取更好的方位譜信息。文獻[43]提出一種子帶頻譜相消方法，利用相鄰頻譜子帶信號的差異近似實現(xiàn)陷波濾波器的作用，并應(yīng)用于實測數(shù)據(jù)。上述陷波濾波器主要應(yīng)用于原始數(shù)據(jù)，而當原始數(shù)據(jù)很多時候較難獲取，若當前僅有已聚焦的單視復(fù)圖像，許多學(xué)者提出了圖像域的陷波濾波器來從聚焦的圖像數(shù)據(jù)中抑制干擾。其中，文獻[44,45]提出一種后驗陷波濾波方法可以消除聚焦圖像的干擾，并分別在L波段合成孔徑雷達實測數(shù)據(jù)上進行了實驗驗證，其流程圖如圖7所示。文獻[46]中提出了一種在2維距離時域-多普勒域利用多普勒頻差濾波的方法來抑制間歇傳輸寬帶干擾。

然而，在文獻[47]中指出以上陷波濾波器的缺陷在于，當濾波器的零陷寬度超過波形的2%那么將會導(dǎo)致空間分辨率的下降，同時導(dǎo)致波形旁瓣水平的下降。為了降低這個缺陷的影響，文獻[48-51]介紹了幾種通過建立相干SAR數(shù)據(jù)對的互信息來設(shè)計關(guān)于譜估計的信號重構(gòu)算法。

圖6 PALSAR實測數(shù)據(jù)陷波濾波器干擾抑制性能[40]Fig.6 Interference suppression performance of the notched filter on PALSAR real data[40]

自適應(yīng)濾波器主要原理是在合適的作用域(如時頻域、空域等)中構(gòu)建一個自適應(yīng)濾波器，將真實信號與干擾分離，但應(yīng)用的主要對象仍然是窄帶壓制干擾。最出名的用于窄帶干擾抑制的自適應(yīng)濾波器是最小均方(Least Mean Square,LMS)濾波器，其在收斂速度、穩(wěn)定性、計算復(fù)雜度和自適應(yīng)等各方面有很好的折中。Le等人[52,53]首先在時域建立LMS濾波器(Time Domain LMS,TDLMS)從寬帶的NASA AirSAR數(shù)據(jù)中抑制多組靜止和非靜止的窄帶有源干擾。同時，這種時域應(yīng)用的TDLMS濾波器還被應(yīng)用于E-SAR[54,55]和PALSAR(the Phased Array type L-land Synthetic Aperture Radar)[56]，如圖8所示是TDLMS濾波器在ALOS PALSAR實測數(shù)據(jù)中抑制干擾前后的累積頻譜對比圖。

圖7 后驗陷波濾波方法流程圖[44]Fig.7 Block diagram of Posteriori Notched Filtering[44]

然而，這種TDLMS濾波器雖然能很好的抑制強干擾的主瓣，但對其強干擾旁瓣的抑制性能不太理想。對此，Lord和Inggs[57,58]改進并提出具有抑制旁瓣性能的LMS自適應(yīng)濾波器。而且，TDLMS濾波器的收斂速率會受到輸入信號自相關(guān)矩陣的最大和最小特征值的制約，因此，為了加速LMS濾波器的收斂，一些頻域應(yīng)用的LMS濾波器(Frequency Domain LMS,FDLMS)被提出[59,60]。進一步，為了加強LMS濾波器對時變干擾的抑制能力，Vu等人[61]提出一種自適應(yīng)譜線增強器(Adaptive Line Enhancer,ALE)來輔助歸一化的LMS濾波器對窄帶射頻干擾進行抑制。同時，不同于流行的LMS濾波器，Lamont-Smith等人[62]在直升機機載數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)抗干擾實驗中應(yīng)用了自適應(yīng)維納濾波器，獲得了比LMS自適應(yīng)濾波器更優(yōu)更快的性能，干擾抑制效果如圖9所示。總的來說，自適應(yīng)濾波器同樣更適用于窄帶孤立干擾，具有快速優(yōu)秀的性能，但是其綜合性能受限于時變干擾和強干擾的旁瓣，不夠穩(wěn)健。

子空間投影和成分分解類非參數(shù)化方法充分考慮了陷波濾波器和自適應(yīng)濾波器設(shè)計中系統(tǒng)響應(yīng)等的限制，可以有效對抗窄帶、寬帶干擾。我國的專家學(xué)者們在這一領(lǐng)域開展了開拓性的研究：西安電子科技大學(xué)的周峰教授等[63]提出基于特征值分解的子空間投影方法(Eigen-Subspace Projection,ESP)，可以有效分離信號子空間和干擾子空間，通過將接收信號投影到信號子空間獲得較好的窄帶干擾抑制效果，圖10給出了特征分解子空間投影方法與陷波濾波器的抗干擾性能對比。

圖8 ALOS PALSAR實測數(shù)據(jù)驗證時域最小均方濾波器抑制干擾性能[56]Fig.8 Interference suppression performance of TDLMS filter on ALOS PALSAR real data[56]

圖9 維納濾波在低頻直升機載合成孔徑雷達系統(tǒng)對抗窄帶射頻干擾[62]Fig.9 Narrowband RFI suppression performance of Wiener filter on the Helicopter-borne SAR system[62]

圖10 實測合成孔徑雷達場景下特征子空間投影方法與陷波濾波器抗干擾性能對比[63]Fig.10 Performance comparison of ESP method and notched filter[63]

同時，周峰教授[64]假設(shè)干擾與真實信號統(tǒng)計獨立，采用獨立成分分析方法(Independent Component Analysis,ICA)來抑制窄帶干擾。進一步考慮，周峰教授等人[65]利用復(fù)數(shù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Complex Empirical Mode Decomposition,CEMD)來將信號分解成一系列本質(zhì)函數(shù)來實現(xiàn)窄帶干擾與真實信號分離。而基于短時傅里葉變換，西北工業(yè)大學(xué)的陶明亮副教授[66]率先提出一種獨立空間分析方法，首先利用子空間投影來提取對應(yīng)于窄帶射頻干擾的顯著特征，并基于此信號再采用獨立成分分析方法對各窄帶干擾做進一步的提取。在此基礎(chǔ)上，陶明亮副教授等人[67]進一步提出了抑制寬帶干擾的子空間投影方法，通過短時傅里葉變換在2維距離時頻域分離真實回波子空間和干擾子空間，圖11給出了寬帶干擾影響下2維距離時頻域子空間投影方法與1維距離頻域陷波濾波器以及2維距離時頻域陷波濾波器的對比?？傮w來說，子空間投影和成分分解類非參數(shù)化方法可以在一定程度上避免濾波器系統(tǒng)的限制，但是非參數(shù)化算法理論更適用于干擾較強的情況，在干擾較弱的情況反而會失效，因此，該類算法在時變復(fù)雜干擾環(huán)境下不夠穩(wěn)?。煌瑫r，雷達真正接收的信號是干擾、真實回波和噪聲的組合，非參數(shù)化算法僅考慮了干擾的特征，缺乏對真實回波的約束，從而無法對其進行有效保護。

3.1.2 參數(shù)化干擾抑制方法

不同于非參數(shù)化方法，參數(shù)化方法是通過建立干擾信號的參數(shù)化模型，估計模型參數(shù)以達到估計并提取干擾的目的。參數(shù)化方法普遍適用于孤立單一類型干擾，即第2.1部分中所提的幾類經(jīng)檢驗有數(shù)學(xué)模型的干擾?，F(xiàn)有方法針對窄帶和寬帶干擾建立了一系列干擾信號模型，主要包括：1995年美國陸軍研究實驗室的Miller等人[68]基于窄帶射頻干擾先驗信息來估計正弦模型參數(shù)并利用最小二乘算法恢復(fù)真實信號；國防科技大學(xué)的黃曉濤教授和梁甸農(nóng)教授[69,70]提出一種漸變RELAX方法來估計窄帶干擾的正弦信號模型參數(shù)，則定義接收信號為

其中，A=[a(f1)a(f2)···a(fK)],a(fk)=[1 exp(j2πfkts)··· exp(j2πfk(M ?1)ts)]T,b(l)=[β1(l)β2(l)···βK(l)]T表示第l個脈沖的復(fù)振幅。而正弦信號逼近接收信號并估計其參數(shù)可以通過最小化兩者之間的差，即

圖11 寬帶干擾下子空間投影法與陷波濾波器的2維距離時頻譜對比[67]Fig.11 Performance comparison of the ESP method and notched filters for wideband interference[67]

在此基礎(chǔ)上，西安電子科技大學(xué)的楊志偉教授等人[72]進一步利用IAA和短時傅里葉變換估計孤立寬帶干擾的頻率，再利用正交子空間投影來抑制干擾。Djukanovic等人[73,74]提出兩類高階模糊函數(shù)估計方法來用多項式擬合估計干擾的相位參數(shù)；西北工業(yè)大學(xué)的張雙喜副教授等人[75]提出利用小波變換和短時傅里葉變換來分析窄帶和寬帶干擾在2維距離時頻域的特性。

總體來說，參數(shù)化模型適用于孤立單一類型干擾，可以對每個方位采樣時間(單脈沖)下的孤立干擾參數(shù)進行估計，但其通過逐脈沖迭代估計干擾模型參數(shù)，計算復(fù)雜度高。與非參數(shù)化方法相似，參數(shù)化干擾模型同樣沒有考慮真實回波信號的特征，缺乏對其的保護。

3.1.3 半?yún)?shù)化干擾抑制方法

圖12 IAA方法迭代估計窄帶干擾正弦信號參數(shù)[71]Fig.12 Narrowband interference sinusoidal parameter estimation with IAA method[71]

最近幾年，隨著信息處理理論的快速發(fā)展，很多復(fù)雜的信號分離問題都可以轉(zhuǎn)換成超參數(shù)的優(yōu)化問題來求解。2014年美國陸軍實驗室Nguyen等人[76,77]從稀疏重構(gòu)理論的角度出發(fā)，率先提出一種半?yún)?shù)化抑制問題，該方法通過求解如下優(yōu)化問題實現(xiàn)窄帶射頻干擾的提取

其中，y(l)表示第l個脈沖的接收信號，x(l)=DSARαl表示第l個脈沖的真實信號，DSAR表示合成孔徑雷達真實信號的稀疏字典，αl表示稀疏系數(shù)；同樣i(l)=DNBIel表示第l個脈沖的干擾信號，DNBI表示窄帶干擾的稀疏字典，el表示干擾字典下的稀疏系數(shù)。通過求解式(14)中的稀疏重構(gòu)優(yōu)化，干擾抑制效果如圖13所示。

受到手機網(wǎng)絡(luò)影響，學(xué)生群體求知方式發(fā)生改變，很多知識點網(wǎng)上搜索一下就有，學(xué)生不引起重視。老師布置作業(yè)，學(xué)生多數(shù)依葫蘆畫瓢，并沒真正掌握寫作要領(lǐng)，往往在日后工作中碰壁。

但是逐脈沖迭代求解式(14)中的優(yōu)化問題，其計算復(fù)雜度比參數(shù)化方法逐脈沖迭代估計模型參數(shù)還要高。重慶郵電大學(xué)的劉宏清教授等人[78,79]在距離時頻域利用相似的稀疏表示重構(gòu)算法分別抑制窄帶射頻干擾和寬帶干擾，具有相似的計算復(fù)雜度，不過將稀疏重構(gòu)算法擴展到寬帶干擾，為后續(xù)算法的設(shè)計提供了新的思路。隨后，Nguyen等人[80-82]又提出利用穩(wěn)健主成分分析方法(Robust Principal Component Analysis,RPCA)來通過低秩恢復(fù)穩(wěn)健對抗窄帶射頻干擾，其優(yōu)化問題可以表示為

圖13 美國陸軍研究實驗室的稀疏恢復(fù)半?yún)?shù)化方法抑制射頻干擾[76]Fig.13 Sparse recovery semi-parametric method for RFI suppression by US Army Research Lab[76]

總體來說，半?yún)?shù)化方法不僅利用優(yōu)化模型來約束干擾，同時還在優(yōu)化模型中保護了真實信號，故理論上其抗干擾性能要優(yōu)于前兩種方法。但是其抗干擾性能的優(yōu)劣取決于超參數(shù)取值和優(yōu)化模型的選取。3類壓制干擾抑制方法的優(yōu)缺點對比如表1所示。

3.2 欺騙干擾抑制技術(shù)

欺騙干擾的信號強度與真實回波類似，其主要特點是在合成孔徑雷達成像過程中形成具有迷惑性的虛假目標，能夠與合成孔徑雷達圖像較好地融合，具有極高的隱蔽性。不同于壓制干擾，欺騙干擾在多個表征域均具有與合成孔徑雷達回波高度相似的特征，對其干擾抑制的難度較大。根據(jù)合成孔徑雷達系統(tǒng)的通道特性，本文將欺騙干擾抑制技術(shù)分為多通道和單通道合成孔徑雷達系統(tǒng)欺騙干擾抑制技術(shù)兩方面來介紹。

3.2.1 多通道合成孔徑雷達系統(tǒng)欺騙干擾抑制技術(shù)

多通道合成孔徑雷達系統(tǒng)能夠提供更多的空域自由度，是一種常用的欺騙干擾抑制手段。由于多個通道各自位置的不同，它們接收到的合成孔徑雷達回波之間存在固定的相位偏差。雖然干擾機能夠通過多普勒調(diào)制產(chǎn)生大場景虛假目標，但由于其發(fā)射位置固定，欺騙干擾在多個合成孔徑雷達通道中的相位偏差隨著虛假場景的變化而變化，與合成孔徑雷達回波之間存在明顯差異。因此，可以利用多通道之間的固定相位差構(gòu)造導(dǎo)向矢量[89]，通過空時自適應(yīng)處理(Space Time Adaptive Processing，STAP)技術(shù)在不同通道之間進行干涉相消[90-92]，達到抑制欺騙干擾的目的。文獻[92]還進一步討論了關(guān)于直達波和散射波欺騙干擾的抑制方法，針對直達波欺騙干擾，可以基于慢時間域的空時自適應(yīng)處理技術(shù)，利用真實信號與欺騙干擾在空間-慢時間的統(tǒng)計特性差異，實現(xiàn)對直達波欺騙干擾的抑制，如圖15所示；對于散射波欺騙干擾，由于地面大范圍被照射區(qū)域的漫反射，多徑干擾形成的散射波信號在方位向嚴重擴展，并且其統(tǒng)計特性隨慢時間變換，導(dǎo)致干擾的慢時間過程是非平穩(wěn)的，此時慢時間STAP的干擾抑制能力有限，文獻中采用快時間域的STAP處理方法，通過通道、快時間采樣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣求得最優(yōu)權(quán)值來對每一個脈沖進行濾波，抑制散射波欺騙干擾，其干擾抑制后圖像對比原始圖像的方位向和距離向切片如圖16所示。此外，與多通道相結(jié)合的多極化技術(shù)也可以提供類似的相位差異特征[93]，采用多普勒域?qū)ο姆椒ㄍ瑯幽軌蛴行У匾种破垓_干擾。

3.2.2 單通道合成孔徑雷達系統(tǒng)欺騙干擾抑制技術(shù)

圖14 張量理論半?yún)?shù)化干擾抑制方法性能[88]Fig.14 Performance of tensor theory semi-parametric interference suppression method[88]

表1 現(xiàn)有抗單一類型孤立干擾方法優(yōu)缺點對比(*表示最優(yōu))Tab.1 Comparison of isolated interference suppression methods(* denotes optimal)

圖15 多通道直達波欺騙干擾抑制效果[92]Fig.15 Direct-path deceptive jamming suppression performance[92]

圖16 仿真數(shù)據(jù)快時間STAP的欺騙干擾抑制性能對比原始圖像[92]Fig.16 Fast-time STAP deceptive jamming suppression performance via simulated data[92]

因此，考慮到這個問題，許多學(xué)者基于單通道、固定波形的基本合成孔徑雷達系統(tǒng)模型，證明在這種合成孔徑雷達成像平臺中同樣能夠?qū)崿F(xiàn)有效的欺騙干擾抑制。其中Luo等人[102]基于單通道合成孔徑雷達系統(tǒng)提出了發(fā)射單一波形解決低分辨率量化的欺騙干擾問題，但是實際上，低量化精度的假設(shè)并不是欺騙干擾的難點。由于發(fā)射了單一波形，并且僅有單通道可以利用，其空間和時間自由度都很有限，針對這一復(fù)雜問題，深圳大學(xué)的趙博博士等人將其分成幾個子問題來考慮。首先，文獻[103]通過建模分析真實回波和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的本質(zhì)機理，具體如2.2部分所述，利用直方圖匹配距離(Histogram Match Distance,HMD)來增強真實回波和欺騙干擾的微分特征，以此在合成孔徑雷達圖像中對欺騙干擾產(chǎn)生的虛假目標區(qū)域進行標識，其干擾辨識效果如圖17所示。

其次，對于人造的真實目標合成孔徑雷達影像的重要信息，欺騙性干擾通常設(shè)計得很好，有更多細節(jié)[104]，這增加了欺騙性干擾識別的難度。為了解決這個問題，筆者提出了一種動態(tài)合成孔徑(Dynamic Synthetic Aperture,DSA)的概念[105]，并利用其稀疏屬性欺騙性地阻塞目標進行重構(gòu)。但是，在初步的DSA(introductory DSA,iDSA)方法中，方位角需要超分辨率預(yù)處理，在重建前估算可行區(qū)域的范圍，導(dǎo)致算法性能依賴于超分辨率估算結(jié)果。而且，由于iDSA方法的優(yōu)化問題僅考慮幅度，但忽略相位和旁瓣，因為散射體接近導(dǎo)致重建結(jié)果性能下降。為了解決這個問題，趙博等人[106]在文獻將散射體的相位和旁瓣考慮用于字典的構(gòu)造，使我們獲得更好的重建結(jié)果并同時實現(xiàn)超分辨率。此外，一種多DSA(Multi-DSA)方法用于確保提出算法的穩(wěn)健性，并在此基礎(chǔ)上進一步利用交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)提高干擾抑制的效率[107]。最終，傳統(tǒng)的抗欺騙干擾性能合成孔徑雷達系統(tǒng)得到改進而不會引起額外顯著花費。另一方面，通過使用在時頻域中真實合成孔徑雷達回波與欺騙性干擾之間的差異，所提出的方法能夠即使欺騙干擾技術(shù)改善也能正常工作，重構(gòu)恢復(fù)的真實回波和欺騙干擾如圖18所示。

4 研究趨勢展望

通過第3節(jié)對合成孔徑雷達對抗壓制干擾和欺騙干擾方法的詳細梳理和介紹，可以看出，面對如今復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，盡管很多文獻針對具體的應(yīng)用場景、任務(wù)建立了不同的目標函數(shù)與約束條件，并提出不同的優(yōu)化算法，但這些研究都存在不足，仍有繼續(xù)改進的空間。本文認為合成孔徑雷達抗干擾有以下重要的發(fā)展趨勢：

(1)干擾檢測及統(tǒng)計特性分析方面：現(xiàn)有有源干擾抑制方法幾乎全都是假設(shè)已經(jīng)存在干擾的前提下，僅有少量文獻有提及設(shè)置自適應(yīng)門限來確定是否存在干擾，若不存在干擾則沒有必要采用任何干擾抑制方法，如文獻[67]中提到的利用尼曼-皮爾森引理通過虛警門限確定干擾是否存在。據(jù)筆者有限的知識，通常此類自適應(yīng)門限的方法僅能用來確認干擾比真實信號能量強很多的情況，目前尚未有學(xué)者專門針對不同類型的干擾進行統(tǒng)計分析。這也是由于干擾種類錯綜復(fù)雜，其統(tǒng)計特性難以衡量導(dǎo)致。筆者認為需從大量的干擾數(shù)據(jù)中建立干擾的統(tǒng)計先驗庫，針對某一類干擾樣式分析其統(tǒng)計特性。

(2)大數(shù)據(jù)背景下合成孔徑雷達干擾抑制技術(shù)：合成孔徑雷達抗干擾技術(shù)本質(zhì)的處理對象仍是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)驅(qū)動類的信息處理框架在幾乎所有計算機視覺和自然語言處理等應(yīng)用中都取得了最優(yōu)的性能，而干擾環(huán)境的日趨復(fù)雜，干擾樣式的日趨多樣必將導(dǎo)致雷達接收、探測、獲取、利用的數(shù)據(jù)量急劇上升，大數(shù)據(jù)背景下的合成孔徑雷達干擾抑制技術(shù)應(yīng)運而生。許多文獻已經(jīng)針對具體的干擾類型做了諸多嘗試，但若僅直接應(yīng)用這些數(shù)據(jù)驅(qū)動類方法，在實際應(yīng)用中的可靠性能仍然是值得商榷的。因此，如何較好的運用大數(shù)據(jù)時代的產(chǎn)物，最后能夠落地到實踐應(yīng)用的技術(shù)，是未來的一個主要趨勢。

圖17 單通道合成孔徑雷達系統(tǒng)復(fù)雜場景欺騙干擾辨識效果[103]Fig.17 Deceptive scene recognition for single-channel SAR system[103]

圖18 單通道合成孔徑雷達欺騙干擾污染場景重構(gòu)結(jié)果[107]Fig.18 Reconstruction of the deceptive jamming polluted scene for single channel SAR system[107]

(3)自主干擾認知與動態(tài)對抗博弈：對于刻意而為的有源欺騙干擾，其目的性與針對性更強，且會從對抗突防的角度出發(fā)引入多樣的對抗手段，為欺騙干擾的抑制帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。而在合成孔徑雷達欺騙干擾抑制的應(yīng)用中，也不存在一勞永逸的抗干擾方法能夠應(yīng)對各種欺騙干擾突防策略。因此，干擾抑制與欺騙干擾是在相互競爭中交替發(fā)展的。為了在對抗中爭取主動權(quán)，合成孔徑雷達成像中的欺騙干擾抑制方法一方面需要具備自主認知能力，能夠自動發(fā)覺當前欺騙干擾方法的弱點，以便尋求最有效的欺騙干擾抑制手段；另一方面，欺騙干擾與抗干擾手段的逐漸豐富，對抗的雙方得以根據(jù)對方的對抗手段實時地調(diào)整己方策略，從而使得對抗成為一個動態(tài)的博弈過程，從而具備了更高的自由度與更多的可能性。如果加強欺騙干擾抑制系統(tǒng)的自主認知能力，在動態(tài)博弈中占據(jù)主導(dǎo)地位，是合成孔徑雷達抗欺騙干擾技術(shù)面臨的一個重要問題。

5 結(jié)束語

本文對合成孔徑雷達抗干擾的理論與方法進行了總結(jié)和歸納，從多方面梳理了對有源壓制干擾和欺騙干擾的對抗思路，分析了一些常見的干擾優(yōu)化對抗的方法和準則，并基于合成孔徑雷達體制和干擾特性，介紹了合成孔徑雷達抗干擾的研究進展。通過分類梳理，方便研究者了解和掌握合成孔徑雷達對抗壓制干擾和欺騙干擾的研究動態(tài)，理解研究內(nèi)容。最后本文指出了該領(lǐng)域未來可能的發(fā)展趨勢，為研究者挖掘潛在的研究課題和定位新的研究方向提供參考和思路。