SAR成像电子对抗技术综述

纪朋徽，代大海，吴 昊，廖 斌，王雪松

(国防科技大学 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，湖南 长沙 410073)

0 引言

雷达自诞生以来，针对其干扰的研究就一直在继续，并且随着雷达抗干扰技术的发展而不断发展。雷达干扰和抗干扰始终是矛与盾的关系，一种新型雷达或新抗干扰技术出现，针对它的干扰技术也就随之而来。雷达干扰和抗干扰这一矛盾，不断推动着雷达技术向前发展。当前，战争已经进入了信息化时代，最近的几场局部战争表明，雷达对抗在其中发挥着越来越重要的作用。不仅在战时，和平年代雷达对抗也从没有停歇。谁掌握先进地雷达对抗技术，谁就能在对抗中取得优势。因此，雷达对抗技术的研究一直获得国家的大力支持。我国的雷达干扰技术研究起步较晚，但一直在及时跟进。如何研究更先进的雷达对抗技术，赢取战争的胜利，是研究者需要不断思考的问题[1-4]。SAR成像雷达作为雷达家族的重要一员，在军用和民用领域发挥着重要作用。针对SAR成像的干扰技术，随着成像雷达的发展不断前进。本文回顾了SAR雷达系统的发展过程，介绍了SAR对抗研究情况，重点阐述了卷积调制干扰、微动调制干扰、间歇采样转发干扰及复合调制干扰等几种新型干扰方法。最后介绍了干扰效果评估的研究状况，并对成像干扰技术做了展望。

1 SAR研究现状

SAR是一种高分辨率的微波成像雷达，自对其开展研究以来，经历了60余年的发展，已经发展出了多种成像模式的高分辨雷达，在民用和军用领域发挥着重要作用。早期的雷达由于分辨率低不具备雷达成像功能[5]。1951年，美国Goodyear航空公司的Carl Wiley等人提出了多普勒波束锐化的思想，为雷达成像研究奠定了理论基础[6]。1953年，美国Illinois大学Sherwin等人根据多普勒锐化思想建造出第一个SAR系统；1957年，美国Michigan大学和空军合作研制了第一部SAR系统，并获得了第一幅全聚焦SAR图像[5]。从此以后，SAR成像技术得到认可，并开始快速发展。1972年，美国的Apollo-17号宇宙飞船首次携带SAR在外层空间对地面成像，开启了天基SAR发展[7]。1978年，美国宇航局发射的Seasat-A卫星安装了SAR，把它推向实用阶段[8]。此后，SAR的成像理论和成像算法不断发展，出现了距离多普勒算法(RD)、距离走动算法(RMA)和Chrip Scaling算法(CS)，雷达的成像精度越来越高[5]。1985年，美国JPL实验室利用极化信息研制出的机载PolSAR-NASAJPL/CV-990开启了极化雷达成像研究新纪元，此后极化在成像中的应用越来越多，由传统的单极化成像雷达发展为多极化、全极化成像雷达，使雷达成像的质量进一步提高[9]。此外，能够显示地面动目合成孔径雷达(SAR-GMTI)也已出现[10]。未来的SAR成像雷达必将继续朝着高分辨实时成像和自动目标识别的方向不断发展。

2 SAR干扰技术研究现状

SAR作为一种相干体制雷达具有二维匹配处理能力，可获得高的处理增益，因此具有很强的抗干扰性能，结合不断发展的雷达成像新技术，使得对SAR的干扰必须有别于传统雷达[10]。针对SAR的电子对抗技术始于90年代初，1990年，Christopher J Condley首次开展了电子对抗技术的研究，分析了SAR干扰中出现的一些问题，并对其可行性做了阐释[11]。随后对SAR电子对抗技术的研究逐渐增多。1993 年，Goj W W 撰写了《Synthetic Aperture Radar and Electronic Walfare》一书，论述了传统噪声压制干扰对SAR的影响，并提出等功率密度线作为电子战效果的度量[12]；1997 年，K Dumper 等人详细给出了星载 SAR 的干扰方程，分析了影响干扰效果的因素[13]。梁百川于1995年最早开展对SAR的电子干扰技术研究，分析了阻塞式干扰、瞄准式干扰和随机脉冲干扰等几种干扰样式的可行性[14]；中国电子科技集团公司某所于1997年率先研制出SAR大功率干扰机并开展了对抗实验[15]。一直到21世纪初，该阶段对SAR干扰技术的研究以噪声压制式干扰技术为主，包括射频噪声干扰、噪声调幅干扰、噪声调相干扰及噪声调频干扰等。由于这些干扰均为非相干干扰，需要较大的干扰机功率才能达到干扰效果，给装载平台提出了高要求。

进入新世纪，SAR干扰技术迎来了蓬勃发展，研究重心向相干干扰、SAR欺骗干扰技术过渡，相继出现了多种有特色的新型干扰方法。2000年，美国海军研究院提出了一种数字图形合成干扰技术用于ISAR的干扰，可产生舰船等大型欺骗干扰目标[16]；2004 年，法国的Paul Leducq 提出了一种对极化 SAR 的干扰方法及其软硬件实现框图，该方法建立了全极化目标信息电磁散射特性的数据库来实施SAR干扰，但该方法对侦察精度要求高，卷积运算量大，实用性差，只在理论层面具有深远意义[17]；同年，挪威国防研究院研制的EKKO-Ⅱ合成目标生成器成功地对 MRS 高精度 ISAR实施了欺骗[18]。2002年胡东辉提出了散射波干扰技术，该技术并不直接向雷达发射或转发干扰信号，而是将侦收到的信号调制后，投射到需要干扰的区域，利用地物散射形成干扰[19]。2003年，王胜利从原理上分析解释了卷积调制干扰，并通过频域相乘实现了欺骗干扰[20]；2005年，甘荣兵对卷积调制干扰进行了改进，该方法结合移频干扰，在距离向进行延迟调制、 方位向进行移频调制[21]；2006年，王雪松提出了间歇采样转发数学原理，为欺骗式干扰机的研制提供了新思路[22]；2010年，吴晓芳利用运动目标的成像原理，提出了微动干扰调制的新型干扰方法，对GMTI工作模式的成像雷达也能实现干扰[23]。随后，相关研究人员以间歇采样转发和微动调制干扰为基础，提出了多种类型的复合调制干扰[24-29]。从公开发表的文献来看，目前国外相关研究的公开报道较少，有限的相关文献涉及的单位主要包括：英国国防部海军研究所(Ministry of Defence，Admiralty Research Establishment)[30-31]、英国系统工程与评估有限公司[32]、美国海军研究生院 (Naval Postgraduate School，USA)[33]、美国阿拉巴马大学(The University of Alabamain Huntsville)[34-35]、法国雷恩大学(The University of Rennes)[36]、挪威国防研究院(Norwegian Defence Research Establishment，FFI)[37-38]和伊斯坦布尔科技大学(Istanbul Technical University)[39]等机构。目前，国防科技大学、西安电子科技大学、电子科技大学、北京航空航天大学、中国科学院电子研究所、中国电子科技集团公司以及中国航天科工集团等单位都对雷达欺骗干扰进行了系统的研究。

在有源干扰发展的同时，无源干扰也在迅速发展。所谓无源干扰是指干扰器材本身不主动发射电磁信号，而通过干扰器材反射或吸收电磁波产生干扰的一类干扰技术。常用的干扰器材有假目标模型、角反射器、反雷达伪装网、微波吸收材料和偶极子反射器(又称箔条)[1]。角反射器能够产生强烈的雷达回波，国防科技大学的吴晓芳、张静克等研究了旋转微动目标的SAR图像特性，并将其用于SAR无源干扰的分析研究[23]；孙光才、朱燕等研究了旋转微动目标的SAR-GMTI特性，结果表明旋转干扰对SAR-GMTI也有很好的干扰效果[40]；周阳研究了旋转微动目标的INSAR特性，并将其成功运用到INSAR无源干扰[41]。箔条是一种由金属箔、金属丝或涂覆金属介质制成用以对敌方雷达实施无源干扰的器材，最早应用于无源干扰技术中，在历次战争中表现出优越性能。陈静等在其学术专著中论述了箔条物理特性、箔条单站/双站散射特性、箔条运用特性、雷达箔条干扰原理以及箔条、箔条云散射场和雷达截面测量等内容[42]；国防科技大学李金梁等系统地研究了箔条干扰的运动扩散特性和雷达回波特性，并对雷达抗箔条干扰进行了深入研究[43]。军事伪装技术也得到了较快的发展，东北大学颜云辉等研究了军事伪装技术的发展现状和发展趋势，分析了包括遮障技术、示假技术和迷彩伪装技术等几种伪装技术的原理及其应用，指出伪装技术的发展正向着多波段、多元化和智能化[44]发展。杭州电子科技大学陈华杰等研究了伪装网遮蔽目标在多波段多极化SAR图像中的检测方法和检测性能[45]。国防科技大学徐乐涛等探索了利用传统上主要用于隐身的相位调制表面技术[46-48]、电控频率选择表面技术[49]产生无源干扰的可行性[50-52]。总之，虽然无源干扰在形成、布置和产生时有一定的时空限制，但其简单、廉价及优良的性能使其在SAR对抗中具有不可替代的作用。

2.1 卷积调制干扰

卷积调制是根据作战需求对存储的侦收信号进行调制，获得干扰信号。卷积调制干扰通常包括匹配式卷积调制欺骗干扰和移频式卷积调制欺骗干扰[53]。文献[20]对匹配式卷积调制欺骗干扰进行了研究，匹配式的突出特点是调制生成的干扰信号与真实目标回波相匹配，即干扰信号具有很好的相干性，但是该种干扰对参数的精确估计要求较高，需要复杂的侦察设备和精密的参数估计算法作支撑。文献[21]对匹配式卷积调制干扰进行了改进，提出了一种和传统匹配滤波不一样的新型卷积调制干扰方法，这种干扰方法是传统移频调制干扰在SAR欺骗干扰中的扩展，该文指出参数估计误差对虚假散射中心的聚焦质量不会造成恶劣影响。

匹配式卷积调制干扰的实时信号生成具有一定困难，文献[20]提出了一种频域相乘实现实时卷积运算算法，该算法借助快速傅里叶变换提高了干扰信号的生成效率，但仅对少数点构成的虚假图像有效，当假目标增多时，运算量会迅速增加，不能满足实时处理要求。文献[54-55]提出了两步生成算法，该方法在距离向提前计算、在方位向进行实时调制，但该算法由于采用近似干扰机模型会导致方位向模型失配，影响干扰信号的聚焦效果。文献[56]提出了一种频域3阶段算法即离线阶段、初始化阶段和实时调制3阶段，该方法不需要重复计算二重积分，使得干扰信号生成效率大为提高，并且该方法建立的模型准确，干扰信号能达到较高聚焦效果，适用于扩展虚假场景和散布多假目标的干扰信号。

2.2 微动调制干扰

常规SAR的成像处理是针对地面静止目标或场景，当目标运动时虽然在快时间内造成的影响较小，但对慢时间即目标方位像的影响较大。运动会使方位向相位发生调制，在进行匹配滤波处理时，会使目标方位向出现主瓣峰值降低、峰值偏移及展宽等现象，导致信号完全淹没在噪声中。文献[23，58]以匀加速运动为例对由目标运动引起的附加相位项进行了分析，一次相位项会使方位像峰值位置发生偏移，2，3，4次相位项会使方位像波形展宽。文献[23，57]分析了旋转和振动2种典型微动目标的回波特征，经过压缩成像处理后的图像特征，并得出这2种微动目标在方位像会等间隔产生随慢时间呈余弦规律分布的多个像元。这就为设计对SAR成像雷达干扰提供了思路，可以考虑产生微动干扰信号或者设置微动目标在SAR成像雷达中形成多个欺骗干扰假目标。文献[57-58]分析了微动调制干扰对GMTI工作模式的对抗性能，分析了无源、有源微动调制干扰的3孔径干涉对消处理，结果表明，3孔径干涉对消处理并不能完全对消微动调制干扰，即微动调制干扰也能实现对GMTI工作模式的成像雷达干扰。总之，基于微动调制效应的干扰方法可以获得距离向和部分方位向增益，弥补了常规干扰信号的处理增益的劣势，并且利用了目标运动对SAR回波的复杂调制作用，可以同时实现对静止目标和动目标的有效欺骗干扰，在丰富SAR对抗理论的同时，提高了地面重要军事目标对SAR探测和识别的对抗能力，具有重要意义和实用价值。

2.3 间歇采样干扰

间歇采样转发干扰是基于收发分时体制间歇采样处理的新型相干干扰样式，可产生前移和滞后的逼真假目标串的效果。其基本思想是采用欠采样技术在线性调频脉冲信号持续时间内间隔采样并在间歇期进行转发，既能降低采样频率也能实现干扰信号快速转发[22]。文献[26，59]对间歇采样转发干扰在SAR对抗中的应用进行了分析，并详细研究了距离向和方位向的间歇采样转发干扰，分析了干扰参数对干扰效果的影响。结果表明，干扰图像能在距离向和方位向产生多个高度逼真的假目标，尽管对SAR这种二维成像雷达的对抗效果不突出，可以利用其干扰思想，配合其他方位向干扰或二维干扰欺骗样式使用，以达到想要的干扰效果，仍然具有重要的战略意义。

2.4 复合调制干扰

复合调制干扰是为了弥补单一干扰样式的不足，结合多种干扰优势进行的一种有效干扰。文献[24]结合微动调制干扰和间歇采样转发干扰进行了研究，干扰效果为二者干扰效果的乘性叠加，可实现方位向和距离向二维多假目标欺骗。文献[60]结合传统的移频干扰、间歇采样转发干扰和微动调制干扰等多种样式的干扰进行了研究，仿真结果表明该种复合干扰能实现方位向和距离向二维多假目标欺骗干扰。总之，复合干扰是一种有效的干扰，尽管相比单一干扰结构复杂，但干扰形成的欺骗假目标多，干扰效果好，具有重要的应用前景。

3 干扰效果评估研究现状

当前，对SAR干扰的评估分为2类：主观评估和客观评估。主观评估与评估者的知识面、理解水平和看待问题的立场等密切相关，容易受个人因素影响。而客观评估是根据图像的各性能指标进行评估，比较公正合理且易于实现。Goj W W于1993年最早提出用等功率曲线图来衡量干扰效果[12]；2004年，马俊霞使用欧几里德距离空间的方法，给出了用来评估压制干扰的方法[61]；2006年，焦逊等提出了基于模糊推理的 SAR 干扰效果评估方法，该方法采用定性与定量相结合的方法，充分利用专家知识，建立了定量化模型[62]；2009年，刘鹏军等提出了基于 BP 神经网络的 SAR 干扰效果评估方法，该方法能对干扰效果做出很好的评估，并具有一定的泛化能力，但需要大量的训练数据，难以得到实际应用[63]。2010年，刘阳等提出了基于小波域加权结构相似度的 SAR 干扰效果评估方法，该方法结合了结构相似度和人眼视觉系统特性，实现了主客观的评估[64]；2011年，韩国强等提出了基于视觉加权处理、基于结构相似度等一系列SAR干扰效果评估方法，这些方法考虑了像素点之间的相关性和人眼视觉系统感知特性，做到了主客观尽量一致，使干扰效果评估更具有权威性[65-68]；2011年，柏仲干等提出了一种基于点扩展函数的 SAR 有源欺骗干扰效果评估方法，以及干扰效果的推算模型，为欺骗干扰效果的推算研究奠定了基础[69]。

4 SAR干扰技术的发展趋势

(1)由非相干干扰向相干干扰方向发展

随着SAR系统性能和分辨率的不断提高，SAR对抗传统的非相干噪声调制干扰的能力越来越强，非相干干扰已经满足不了战场需要。而相干干扰在功率利用和干扰效果的稳健性上更具优势[4]。

(2)由小场景、单模式向大场景、多模式方向发展

未来的作战环境区域更广、雷达成像模式更多，单一小范围的干扰样式已经远远不能满足要求，大场景、多模式的干扰技术成为必然需求[70]。

(3)由固定化、滞后性向着智能化、实时性方向发展

未来的一部干扰机需要发挥多部干扰机的功能，这就要求干扰机能随时调整干扰样式，实时对雷达实施干扰。

5 结束语

主要根据最近几年雷达成像干扰技术的发展，结合之前几十年的演究对雷达干扰技术的发展做了综述，较为系统地介绍了雷达成像及其干扰的研究现状，几种新型的干扰样式，干扰效果评估的最新方法等。当然，随着雷达成像系统的发展，针对它的干扰技术也会及时跟进。未来，SAR干扰将会朝着大场景、多模式、智能化和实时性方向发展。