許 強,逯 程,張瑞玲,周姝婧

(1.中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101;2.海軍裝備部,北京 100084)

0 引 言

干涉合成孔徑雷達是一種具備高程成像能力的高分辨率雷達,具備全天候、大范圍、高精度對地貌進行三維測繪的能力,其在軍事、經(jīng)濟和科研等領域已廣泛應用。目前,國外已有大批星載和機載的干涉合成孔徑雷達投入使用。例如星載的TerraSAR-X(TSX)、TanDEM-X、TanDEM-L、Radarsat-1&2&3、ALOS-2等;以及機載的E/F-SAR、P3-SAR、TOP-SAR、Pi-SAR等。因此,開展對干涉合成孔徑雷達干擾技術的研究顯得極為迫切[1]。

干涉合成孔徑雷達的干擾技術就是所有針對敵方雷達所采取的包括擾亂、破壞、欺騙等戰(zhàn)術和戰(zhàn)略措施,從而讓合成孔徑雷達無法正常干涉成像的技術。由于干涉合成孔徑雷達擁有一定的穿透能力、全天時、全天候工作能力和成像速度快、精度高等優(yōu)點,因此具有極強的應用價值[2]。對于干涉合成孔徑雷達的干擾技術研究將成為未來發(fā)展的重要課題[3]。

1 干涉合成孔徑雷達成像原理

干涉合成孔徑雷達實現(xiàn)高程成像,主要采用2種方法。一種是單天線雙航過,即在平臺上布置一個雷達天線對目標點在不同高度上進行2次SAR成像,并從2次成像圖像中經(jīng)過相對應的算法得到高程圖[4]。另一種是兩天線單航過,在同一平臺上布置高度不同的2個天線,其中一個天線發(fā)射并接收雷達信號,另一個天線不發(fā)射只接收雷達信號,利用兩天線與目標點之間由距離差產(chǎn)生的相位差,計算得到目標的高度,從而得到目標區(qū)域的高程圖[5]。

本文以機載平臺的干擾合成孔徑雷達為例,分析高程成像的原理,如圖1所示。

圖1 干涉合成孔徑雷達與目標的幾何示意圖

圖1中,T1和T2分別表示機載平臺上的兩天線,R1和R2分別為兩天線到目標點A的斜距。α為兩天線間的基線D與高度H的夾角,H為載機成像時刻的飛行高度,β為斜距R1和飛行高度H間的夾角,即天線的下視角,同時α、β和H均可以通過載機傳感器或直接測量得到。

若經(jīng)兩天線成像得到的兩復數(shù)圖像分別為P1和P2,并且復數(shù)圖像已經(jīng)過圖像配準,則對兩復數(shù)圖像做共軛處理可得干涉圖[6]。

A點在復數(shù)圖像P1上的像素點為:

QP1=|A1|ejφ1

(1)

A點在復數(shù)圖像P2上的像素點為:

QP2=|A2|ejφ2

(2)

A點在干涉圖上的像素點為:

Q=QP1QP2*=|A1||A2|ej(φ2-φ1)

(3)

兩天線收到的雷達回波信號的相位由兩部分構(gòu)成,一部分是由天線與目標點之間的距離造成的相位差,另一部分是由于目標點向不同方向散射雷達信號造成的相位差。因此,目標點在兩復圖像上的相位值可以表示為:

(4)

(5)

式中:φP1和φP2是目標點向不同方向散射雷達信號造成的相位差。

由于R1>>D,目標點到兩天線的夾角也很小,可近似認為φP1和φP2的相位相同,即φP1≈φP2。由式(4)和(5)可得到干擾相位差:

(6)

根據(jù)三角余弦定理可得:

(7)

因為R1>>D,則式(7)可簡化為:

(R2-R1)≈Dsin(β-α)

(8)

由式(8)和式(6)可得:

(9)

根據(jù)圖1中雷達與目標的幾何關系,可以由式(9)和斜距R1得到目標點A的高度:

h=H-R1cosβ

(10)

2 對干涉合成孔徑雷達的調(diào)頻干擾研究

2.1 原理分析

本文提出一種對干涉合成孔徑雷達的有效干擾方法,即調(diào)頻干擾。調(diào)頻干擾技術是指在收到的雷達信號基礎上增加額外的頻率調(diào)試信號的技術,干擾信號的表達式為:

(11)

fj(t)=f0+μt+kx(t)

(12)

由式(12)可知,干擾信號的頻率是由線性調(diào)頻和調(diào)制頻率兩部分組成,調(diào)制頻率依據(jù)選擇的調(diào)制方式不同可以由正弦波、鋸齒波和高斯噪聲等多種信號構(gòu)成。對調(diào)頻干擾信號來說,距離向和方位向的頻譜分析相似。以正弦調(diào)頻信號為例,分析其對干擾合成孔徑雷達的影響。

當調(diào)制信號為正弦波時,信號的表達式為:

x(t)=ajsinωjt=ajsin2πfsint

(13)

式中:aj為調(diào)制幅度;ωj=2πfsin為正弦信號的角頻率,fsin為正弦信號的周期頻率。

因此,調(diào)頻干擾信號的表達式為:

(14)

式中:kj=2πkaj/ωj。

調(diào)頻干擾信號的時頻特性曲線如圖2所示。

圖2 正弦調(diào)頻信號的時頻示意圖

(1) 當kj<<1時,可近似認為cos(kjsinωjt)≈1,sin(kjsinωjt)≈kjsinωjt,則式(14)可簡化為:

(15)

由式(15)可知,此時干擾信號表示為3個線性調(diào)頻信號,即1個雷達信號和2個頻偏為±fsin的信號。干擾信號匹配濾波后,得到原脈壓信號和2個正負頻偏的脈壓信號。此時,正頻偏的信號優(yōu)先于雷達信號脈壓輸出,能夠產(chǎn)生前移的距離欺騙目標;負頻偏的信號滯后于雷達信號脈壓輸出,產(chǎn)生滯后的距離欺騙假目標。

綜上所述,此時干擾僅能在距離向上產(chǎn)生3個假目標點,不能產(chǎn)生大面積的干擾,且兩側(cè)點的幅度均小于主信號。

(2) 當kj>>1時,將式(14)中的yj(t)=exp(j·kjcosωjt)級數(shù)展開可以得到:

(16)

式中:Li(kj)為i階第一類貝塞爾函數(shù)。

可知,其頻譜由線性調(diào)頻信號的頻譜及其無數(shù)個偏移量構(gòu)成,頻偏為±ifsin。頻偏相對應的幅度為A·Li(kj)。經(jīng)匹配濾波后,除了能得到主信號的脈壓信號以外,還存在各個分量的脈壓信號,即輸出為無數(shù)個sinc脈沖串。因為在此過程中生成了多個頻率分量,所以干擾信號的頻率帶寬會比原有主信號的頻率帶寬寬。

在方位向上的分析,與距離向分析相類似,只要將距離向調(diào)頻干擾信號的參數(shù)更改為方位向的參數(shù)即可。經(jīng)過方位匹配濾波后,可以得到方位向的部分處理增益,從而達到兩維聯(lián)合干擾的目的。

2.2 實驗仿真

本文利用Matlab自帶的peaks函數(shù)產(chǎn)生的高程圖作為原始圖像,仿真了調(diào)頻干擾對InSAR成像的影響,假設復圖像對是完全配準的。

仿真參數(shù)設置為:信號載頻為9.5 GHz,脈沖重復頻率為500 Hz,脈寬為15 μs,調(diào)頻帶寬為100 MHz,下視角β=50°,飛機初始時刻的高度為15 000 m,速度為vx=1 000 m/s,vy=0 m/s,vz=0 m/s,加速度ax=0 m/s2,ay=0 m/s2,az=0 m/s2,斜視角β=85°。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 合成孔徑雷達干涉成像的高程圖

圖4 正弦調(diào)頻干擾的成像結(jié)果

由圖3和圖4可以看出,正弦調(diào)頻干擾能夠?qū)铣煽讖嚼走_的干擾成像造成遮蓋干擾效果。通過設置干信比以及調(diào)制參數(shù)可有效對干擾產(chǎn)生影響。其中干擾比即干擾的功率越大,干擾效果越好;調(diào)制參數(shù)越大,干擾效果越好。且在高程圖中能夠明顯看到距離向上能夠產(chǎn)生多條遮蓋條帶。

3 結(jié)束語

本文首先介紹了合成孔徑雷達干涉成像的原理,利用兩復圖像對的相干性,通過干涉處理得到目標點的相位,從而計算得出高度信息,研究了調(diào)頻干擾對合成孔徑雷達干涉成像的信號影響。研究表明:正弦調(diào)頻干擾能夠?qū)铣煽讖嚼走_干涉成像實施有效干擾,并且干擾功率以及調(diào)制參數(shù)的設置均能夠?qū)Ω蓴_效果產(chǎn)生影響。