基于调频率捷变的抗移频干扰SAR成像方法

(电子科技大学电子工程学院,四川成都611731)

0 引言

合成孔径雷达(SAR)是20世纪发展起来的主动式微波成像雷达,它利用合成孔径原理和脉冲压缩技术,能全天候、全天时获取二维高分辨雷达图像,在军事侦察领域具有重大价值。合成孔径雷达的干扰和抗干扰手段已是当前电子对抗领域的一个重要研究对象[1-3]。

合成孔径雷达采用脉冲压缩信号,具有高分辨率、低截获概率和抗干扰能力强等优势。但脉冲压缩信号的时延和频移具有强耦合性,固定移频干扰利用这个特性,常常采用数字射频存储器(DRFM)技术来实现对合成孔径雷达的干扰[4-7]。

数字射频存储器需要截获雷达信号,提取波形参数,再利用这些波形参数重组雷达信号发射给被干扰雷达实施欺骗干扰,针对数字射频存储器干扰原理,将固定参数的发射信号改为非固定参数,防止数字射频存储器复制正确的波形参数,以达到抗干扰的目的[8-10]。

1 基于调频率极性捷变的抗干扰SAR成像原理

条带式合成孔径雷达斜视成像如图1所示,假设平台沿着曲线ABC运动,x轴为方位向,y轴为距离向,z轴为垂直向,Q为点目标位置,τ为距离向时间(快时间),ta为方位向时间(慢时间)。

图1 雷达平台斜视成像的几何关系

假设经过任意时刻ta,雷达平台到达了位置C,此时雷达平台到点目标Q的瞬时斜距为

将上式在ta=0时处进行泰勒级数展开,可以得到

1.1 回波模拟信号

合成孔径雷达发射线性调频信号为

式中,T为合成孔径时间,Kr为线性调频信号的调频率,ω0为载频。

上述信号经过接收机,去除载频信号,将回波信号调制到基带,可以得到

式中,Ar和Aa分别为距离向和方位向的窗函数。

当干扰机接收到发射的线性调频信号,并附加固定角频移量ωd后转发,则在雷达接收机输入端的信号为

将由干扰机转发的干扰信号去除载频信号,调制到基带,可以得到

比较式(4)和式(6),可以得到

1.2 调频率极性捷变

因移频干扰利用脉冲压缩信号时延和频移的强耦合特性对SAR系统实施有效干扰,为抑制移频干扰,可以采用改变信号波形的方法,事先在发射的波形中加入捷变的脉间信号参数,系统就可以在不同慢时间使用不同的信号参数,这使得干扰机很难使用先前侦获的雷达信号慢时间参数来干扰当前慢时间的雷达工作。

改变调频率是改变信号波形中较为容易的一种方法,该方法将在相邻慢时间的雷达发射信号的调频率乘上一个交替变化的常数+1、-1,让调频率的正负极性交替变化。

假设雷达第n个脉冲重复周期间隔内接收的信号为

式中,Sr(τ)=s n(τ,ta)为雷达接收到的真实目标信号,由 式 (7)可 以 得 到J(τ)=s n-1(τ,ta)·为雷达在相同周期内接收到的由干扰机转发的固定移频干扰信号,它由雷达对上一个脉冲重复周期发射的脉冲调制转发而成。

对加入基于调频率极性捷变的抗干扰方法进行SAR成像算法处理,由线性调频信号的自相关特性和互相关特性可知,真实目标信号匹配而干扰信号失配。

1.3 调频率极性捷变结合限幅

鉴于直接目标匹配脉压处理对高干信比或是强干扰信号效果甚微,为了加强其抗干扰效果,需要在真实目标信号匹配滤波前降低干扰信号的影响。由于已知雷达发射信号,利用侦获的干扰信号,得到干扰信号的调频率,先利用干扰信号的调频率进行匹配滤波,限幅后进行逆匹配滤波得到恢复后的信号,恢复后的信号包含了被大幅削弱的干扰信号和受影响甚微的真实目标信号,最后使用恢复后信号的调频率的匹配滤波函数进行脉冲压缩,此过程中干扰信号再次被削弱。抗干扰流程如图2所示。

图2 基于调频率极性捷变结合限幅的抗干扰流程图

调频率极性捷变结合限幅的方法与调频率极性捷变的方法类似,仅对固定移频干扰在距离向产生的干扰有抑制效果,并不改变方位向的信息,因此处理流程上仅对距离脉冲压缩进行改变,即在基于级数反演的成像算法中对二维频域中使用调频率极性捷变与幅度限制相结合的方法。

2 仿真结果

应用上述的干扰方法和抗干扰处理,采用了表1仿真实验参数。

表1 雷达实验仿真参数

图3(a)为干扰机对合成孔径雷达进行固定移频干扰的成像结果,其干信比为0 dB并且保留了脉间相位相干特性,其固定移频量fd=Br/10=7.5 MHz。图3(a)上方的点为条带内真实点目标成像,下方的点为保留了脉间相位相干特性时固定移频干扰所产生的虚假点目标。图3(b)为去除脉间相位相干特性固定移频干扰的成像结果,此时合成孔径雷达在距离向作相干处理,方位向作非相干处理,虚假目标成像输出在方位向会是一条线。

图3 固定移频干扰仿真成像

图4(a)为调频率极性捷变的抗干扰仿真成像,干信比为0 d B;图4(b)为调频率极性捷变的抗干扰仿真成像,干信比为20 dB。抗干扰仿真均保留了脉间相位相干特性。

图5(a)为调频率极性捷变的抗干扰仿真距离峰值旁瓣比(PSLR),干信比为0 dB;图5(b)为调频率极性捷变的抗干扰仿真距离峰值旁瓣比,干信比为20 dB。对比图4(a)与图4(b)、图5(a)与图5(b)可以发现,在高干信比的情况下,尽管干扰信号失配,但由于其能量大,依然可以覆盖真实信号目标。

图6(a)为调频率极性捷变结合限幅的抗干扰仿真成像,干信比为20 dB;图6(b)为调频率极性捷变结合限幅的抗干扰仿真距离峰值旁瓣比,干信比为20 d B。分别对比图4(b)与图6(a)、图5(b)与图6(b)可以看出,基于调频率捷变结合限幅的抗干扰方法有更明显的抗干扰效果。

图4 基于调频率极性捷变抗干扰成像

图5 基于调频率极性捷变抗干扰距离峰值旁瓣比

图6 基于调频率捷变结合限幅的抗干扰成像

3 结束语

从前面的分析和仿真可以看出,固定移频干扰对合成孔径雷达有很明显的欺骗干扰作用,而本身对于处理距离向欺骗干扰的基于调频率极性捷变的抗干扰方法,在对于固定移频干扰有较明显的抑制作用,当遇到强干扰时,结合限幅的调频率极性捷变的抗干扰方法能提高抗干扰性能。通过仿真成像,可以清楚地看到基于调频率极性捷变的抗干扰方法能有效抑制固定移频干扰对合成孔径雷达的影响。

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