一种基于相邻脉冲比相的高效SAR干扰方法

吴照宪，吴 海

（船舶重工集团公司723所，扬州 225001）

0 引 言

合成孔径雷达（SAR）作为一种成像雷达，利用脉冲压缩和合成孔径技术获得距离和方位二维高分辨图像。与普通光学成像设备相比，SAR能够不受云雾等自然条件的限制，全天时、全天候地进行情报获取和战场监控，是军事领域重要的遥感侦察装备，是战场态势感知的一种有效手段，因此对SAR的干扰必然是国内外研究的热点。

一方面，SAR具有较强的抗干扰潜力，这源于两方面的原因：一是由于SAR具有很高的相干积累增益，通常二维积累增益在60dB以上，且分辨率越高积累增益越大，这给干扰带来较大难度；二是由于SAR通常是干扰机的非合作方，干扰机要精确估计出SAR平台的运动参数是有困难的，这也导致干扰信号无法在方位向实现相干积累［1］。另一方面，SAR相对干扰机也有其弱点，主要包括两方面：一是由于干扰机是单程工作，SAR是双程工作，干扰机在工作方式上占优；二是SAR需要足够数量的脉冲才能形成窄波束，这给干扰机留下了宽裕的时间。

对SAR的干扰可分成三类［2］：一是干扰信号在距离和方位处理中都不能产生相干积累增益，这种方式一般只能形成噪声压制干扰，且通常需较高的干扰功率才能形成有效干扰；另一类是干扰信号仅在距离处理中产生相干积累增益，方位处理中不产生相干积累增益，这种方式主要包括各种转发式干扰；第三类是干扰信号在距离和方位处理中都能产生相干积累增益，这种干扰方式既能形成噪声压制干扰，也能形成假目标欺骗干扰，且通常不需要太高的干扰机功率。

目前，SAR干扰方式主要集中在第一、二类，第三类方法由于无法精确测得平台轨迹而难以实现，但只有第三类方法能够制造出逼真的假目标，且所需干扰机功率最小［3-4］。一般要获得SAR距离处理增益比较容易，只需转发SAR发射信号即可，但要获得方位处理增益需要知道SAR的多普勒信息，即需要知道SAR平台的精确运行轨迹，但这一般是困难的。本文根据SAR信号处理的特点和SAR系统参数的关系，得到了一种基于相邻脉冲比相的测距方法，其可以获得相对精度较高的SAR平台和干扰机的距离，利用该方法得到的SAR干扰方式能够获取二维处理积累增益，也能完成欺骗干扰和噪声干扰，是一种高效的SAR干扰方式。

1 SAR方位积累对距离精度的要求

SAR发射信号经距离处理后可表示为：

式中：t为方位慢时间；（）Rt为目标至雷达的距离为目标后向散射系数；c为光速；λ为SAR工作波长。

对目标信号做方位积累，可分为2个过程。过程一是计算目标的积累曲线轨迹，积累曲线轨迹由式（1）sinc函数中的 （）Rt确定，目标积累曲线是相对距离门而言的，对米级分辨率的SAR，距离门通常也在米级，因此对距离的精度要求也是在米级的。过程二是方位匹配滤波。确定积累曲线后，目标的信息可以表示为：

要完成方位积累，需要补偿掉式（2）后面的相位项，补偿的相位为：

在目标积累过程中，目标距离 （）Rt可以表示为：

式中：r为目标到雷达航线的距离；v为平台速度。

距离测量值出现固定误差，也就是r出现固定误差。分析式（4）最后一个等式中的2个r，前一个r影响目标的位置，目标在斜距图中的位置将增加ΔR，但由于图像整体都平移了ΔR的距离，当ΔR误差不大，图像的形变是较小的。相距10km的干扰机和雷达距离，数百米的距离误差导致的图像形变有时是肉眼很难分辨的。后一个r不仅导致目标积累曲线呈空变特性，且影响方位聚焦的相位，导致目标散焦，但较小的距离误差导致的散焦效应不大，这在后面还会进行仿真分析。

目标方位积累对目标与雷达的相对距离精度要求较高，绝对精度要求较低。若能测得相对精度较高的距离值，再利用积累曲线沿方位的平移不变性，可以使干扰信号实现方位积累。

2 相邻脉冲比相法测距

其中p（t）为SAR发射信号，R1和R2为相邻2个脉冲的距离，对上述2个信号比相，得相位差为：

若相邻脉冲的距离差较半波长小，即不存在相位缠绕，可以利用相位差Δφ反推出距离差ΔR12。对常见的SAR，相邻脉冲的距离差小于半波长这个条件常是满足的。若雷达平台飞行速度200m／s，雷达脉冲重复频率4 000Hz，干扰机至雷达航线20km，干扰机在航线上的投影点至雷达距离为1km，则距离差ΔR为2.5mm，因此当雷达的工作频率小于60GHz时就能满足要求。

相邻脉冲的距离差小于半波长的条件有时是不能满足的，但这影响并不大。一方面，方位积累主要依靠相位，相位的缠绕并不会影响相位主值，ΔR存在模糊，脉冲间仍能做到相干积累；另一方面，由于平台的惰性，距离值在脉冲间不可能发生大的跳变，因此可以利用卡尔曼滤波等方法对距离进行平滑处理，获得相对精度较高的距离值。

3 基于相邻脉冲比相的SAR干扰方法

干扰信号要获得二维处理增益，在距离向需要复制SAR发射信号，在方位向需要将SAR发射信号和假目标的后向散射系数（欺骗干扰）或噪声（噪声干扰）以及多普勒信息进行卷积，这其实是一种卷积转发式干扰。

要形成干扰，除了需要测得相对精度很高的干扰机至雷达的距离信息，还需要知道一些其它辅助信息，主要包括下面几项：

（1）SAR发射信号的工作频率f0，脉冲重复频率fr。

（2）将干扰机在干扰起始时刻的雷达距离作为初始值，与用相邻脉冲比相法得到的相对距离值求和得到绝对距离值，一般几十米的测距误差对成像的影响不大，这种误差精度要求对现在的技术来说不困难［5］。

（3）雷达平台的航向速度，它可以用相邻脉冲比相法测得的相对距离值求得。由式（4）可知，航向速度可通过下式得到：

式中：diff（·）表示求差分。

较大的航向速度误差会导致图像散焦和形变，一般较高的距离精度得到的航向速度精度也是极高的，能满足干扰机需求。

用上述方法形成的假目标欺骗干扰或噪声干扰一般能形成较好的聚焦效果。相对于已有的干扰方法，本干扰方法由于能获得二维处理增益，所需干扰机的有效发射功率较低，是一种高效的SAR干扰方法。由于雷达和目标距离的相对测量精度很高，因而可以实现对非合作目标的欺骗干扰。对假目标干扰，干扰功率只需和地面回波功率相当即可；对噪声压制干扰，需满足一定的压制比，干扰功率要较地面回波功率略大。

4 仿真分析

本文对上述基于相邻脉冲比相的干扰方法进行了仿真，仿真模型如图1所示。图中以雷达航向在地面的投影线，高度方向，雷达侧向为xyz轴建立直角坐标系，干扰机布置在地面上A点，坐标原点为干扰机在x轴的投影点，干扰机至x轴的距离为17 137.5m，雷达在图中P1点时干扰机起始工作，雷达在P2点时干扰机结束工作，P1点和P2点距y轴的距离分别为1 632.5m和1 644.3m。SAR工作参数为：载波频率15GHz，平台高度10km，平台速度200m／s，雷达入射角 60°，脉冲重复频率1 000Hz，脉 宽 10μs，带 宽 180MHz，采 样 率200MHz，距离和方位波束宽度分别为6°和2°。

图1 雷达平台和干扰机模型图

仿真中首先通过相邻脉冲比相法得到干扰机和雷达的距离，得到的距离结果相对精度很高，和实际距离值仅相差1个固定常数，仿真中假设这个固定常数为30m，且较实际距离大30m。干扰机至雷达航线在地面投影线的距离较实际值大500m，即测量值为17 637.5m。雷达航速通过测得的距离值做2次差分求得，求得的航速为200.05m／s。假设雷达的工作频率、脉冲重复频率可精确测得。

4.1 点目标方位分辨率分析

首先仿真上述测量误差对目标方位分辨率和位置的影响，分析没有测量误差和存在测量误差2种情况下的差异。仿真了点目标分别为图1中的A点（即干扰机所在点）和B点（z轴坐标较干扰机大2km）在2种情况下的结果。

图2（a）为A点方位分辨率的仿真结果，图中实线和虚线分别表示没有误差和有误差时方位压缩后的目标包络，可分析得到没有误差时方位分辨率为0.334m，有误差时方位分辨率为0.408m，目标位置在x轴较实际值增加约0.4m，在z轴较实际值增加约34.7m。图2（b）为B点方位分辨率的仿真结果，图中实线和虚线分别表示没有误差和有误差时方位压缩后的目标包络，可分析得到没有误差时方位分辨率为0.343m，有误差时方位分辨率为0.426m，目标位置在x轴较实际值增加约0.4m，在z轴较实际值增加约82.7m。从仿真结果可以看到，上述误差对目标方位分辨率影响很小，对目标的侧向位置影响较大，目标和干扰机测向距离差越大，目标位置偏离越大，从图2还可看到上述误差导致目标副瓣电平有一定的抬高。

图2 测量误差对点目标方位分辨率的影响

4.2 真实场景的干扰仿真

利用上述模型和参数仿真了对SAR的噪声干扰。仿真中干扰机位于图像中心，图像上端平行于x轴放置于水平地面上，图像上端（较下端）靠近x轴，图像大小为2 500m×2 270m（方位×距离）。原场景见图3（a），图3（b）、图3（c）、图3（d）为加入干扰后的成像结果。图3（b）、图3（c）和图3（d）的干信比分别为0dB、3dB和6dB。从图3可以看到，图3（d）的噪声基本覆盖了原来的场景，干扰效果较好。能获得较好的干扰效果是因为噪声能获得二维处理增益，且其距离和方位带宽都和SAR真实回波相匹配。

本文还利用上述模型和参数仿真了对SAR的欺骗干扰，原场景为图3（a），仿真时在机场上设置了8个飞机作为假目标，在图像右下方设置了一个正方形框用于分析图像的形变。图4（a）为没有上述误差时的欺骗干扰仿真结果，图4（b）为有上述误差时的欺骗干扰仿真结果。仿真时干信比为3dB。从仿真结果可知：飞机和正方形框聚焦效果很好，飞机因侧向位置不同向下偏离15m到25m不等，正方形框向下偏离了约50m，尺寸由原来的250m×250m变为250.1m×256m（方位×距离），发生了微小的形变。

5 结束语

本文提出了一种基于相邻脉冲比相的高效SAR干扰方法，它可以获取二维处理增益，克服了已有干扰方法因难以获取干扰机至平台高精度距离值而无法获得二维处理增益的缺点，因此较之现有的SAR干扰方法它所需干扰机功率较低。由于该方法能获得相对精度很高的雷达平台和干扰机的距离，因而它可以对非合作目标实行欺骗干扰。通过仿真分析，所述方法既能进行二维假目标欺骗干扰，也能进行噪声压制干扰，具有一定的实用性。

图3 噪声干扰仿真结果

图4 欺骗干扰仿真结果

［1］ 保铮，邢孟道，王彤.雷达成像技术［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［2］ 李宏，杨英科，许宝民.合成孔径雷达对抗导论［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［3］ 柏仲干，谢虹，马孝尊，等.SAR干扰／抗干扰技术的现状与发展［J］.电光与控制，2012（2）：47-53.

［4］ 唐波.合成孔径雷达的电子战研究［D］.北京：中国科学院研究生院，2005.

［5］ 赵国庆.雷达对抗原理［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2012.