CN109917381A - 基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达干扰对抗技术，特别涉及合成孔径雷达干扰技术。本发明公开了一种基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，主要步骤包括：a、建立频控阵天线模型和合成孔径雷达干扰模型；所述频控阵的天线模型为线性阵列；b、对合成孔径雷达接收的频控阵信号进行中频采样和存储；c、对接收的频控阵干扰信号进行距离多普勒处理得到频控阵天线位置。本发明的有益效果是，能够对采用距离多普勒(RD)成像算法和线频调变标(CS)成像算法的合成孔径雷达成像系统产生干扰，产生多个假目标。假目标之间的距离以及假目标的数量，与频控阵天线阵元之间的频偏和阵元数目有关。本发明非常适合用于对机载合成孔径雷达成像系统的干扰。

Description

基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法

技术领域

本发明涉及雷达干扰对抗技术，特别涉及合成孔径雷达干扰技术，具体是利用频控阵天线干扰合成孔径雷达成像系统，使其出现多个假目标或者假场景的技术。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)由于具有全天候、全天时、远距离、宽观测带和高分辨的优点，所以它在军事领域发挥着越来越重要的作用。

机载SAR是一种利用航空器或卫星等为载具的雷达设备。目前机载SAR的电子干扰和抗干扰已成为SAR和电子对抗领域的研究热点。

对机载SAR的干扰主要分为两类：压制式和欺骗式。压制式干扰主要是利用高斯白噪声产生干扰，信号容易获得，但是要求干扰机的发射功率比较大。欺骗式是首先接收对方雷达发射信号，然后进行处理转发出去。

2006年，Antonik和Wicks首次提出Frequency diverse array(FDA)雷达概念并申请了美国专利。因其具有距离依赖性的波束，该概念一经提出就在美国的国防科研单位获得了广泛的注意。Frequency Diverse Array直译应该为频率分集阵列，但其和相控阵雷达一样发射相参信号，只是经过附加很小的频偏(频偏远远小于其载频)控制，使得各个阵元辐射出去信号频率中心有所偏移，但其主要频率成分是重叠的。因此，频率分集阵列仍然属于相控阵范畴，译作频控阵更能体现其工作原理，也与相控阵相对照呼应，电子科技大学王文钦研究员在多次的相关学术报告中与相关专家讨论后一致认为这种新体制雷达从其工作原理上讲译作频控阵更为妥当。

发明内容

本发明的主要目的在于提供基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，通过频控阵天线发射信号干扰合成孔径雷达的成像系统。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于，包括步骤：

a、建立频控阵天线模型和合成孔径雷达干扰模型；

所述频控阵的天线模型为线性阵列；

所述线性阵列由间距为d的N个阵元组成，在相邻阵元发射信号之间施加了一个线性频偏Δf；

N、d、Δf由频控阵天线系统参数确定，若第一个阵元发射信号载频是f₀，则有且第k个阵元发射的信号表达式为：

其中：T_p是脉冲宽度，是距离向调频率，下标r代表的是距离向，B_r是距离向信号带宽，f_k＝f₀+kΔf,k＝0,1,…,N-1是第k个阵元发射信号的载频；

b、对合成孔径雷达接收的频控阵信号进行中频采样和存储；

c、对接收的频控阵干扰信号进行距离多普勒处理得到频控阵天线位置。

在某些实施例中：

所述合成孔径雷达干扰模型为，合成孔径雷达在高度h处以速度v飞行，若合成孔径雷达到频控阵天线中心斜距是R_c，R(η)是在慢时间η时刻的瞬时斜距，则有：

在某些实施例中：

步骤b中，所述频控阵信号到达SAR接收机经过去载频后，表达式为：

其中：t为快时间；η为慢时间；c是光速；下标r代表的是距离向；下标a代表的是方位向；A₀是复常量；ω_r(t-2R(η)/c)是距离向包络；ω_a(η-η_c)是方位向包络；η_c多普勒中心时间。

在某些实施例中：

步骤c中，所述距离多普勒算法具体过程包括，对回波数据进行距离向傅里叶变换、距离单元徙动校正和方位向压缩处理。

在某些实施例中：

对回波数据进行距离向傅里叶变换使其成为距离向频域方位向时域表达式如下：

其中：W_r(f_r)＝ω_r(f_r/K_r)是距离谱包络；f_r是距离向信号频域变量。

在某些实施例中：

令回波信号经过距离向压缩后时域的输出结果是：

在某些实施例中：

所述距离单元徙动校正是，忽略距离弯曲对于合成孔径雷达回波的包络，即R(η)≈R_c，回波被表达为：

在某些实施例中：

所述方位向压缩处理，是对回波信号的方位向进行傅里叶变换，回波的距离向时域方位向频域表达式为：

其中：是方位向调频率；f_a是方位向频域多普勒变量；是天线模型ω_a(η-η_c)的频域表示；是多普勒中心频率。

在某些实施例中：

令方位向的匹配滤波函数则回波经过方位向压缩后输出的结果是：

其中：B_a是方位向带宽。

本发明的有益效果是，能够对采用距离多普勒(RD)成像算法和线频调变标(CS)成像算法的合成孔径雷达成像系统产生干扰，产生多个假目标。假目标之间的距离以及假目标的数量，与频控阵天线阵元之间的频偏和阵元数目有关。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为频控阵天线发射阵列示意图；

图2为机载合成孔径雷达干扰模型图；

图3为8阵元相控阵天线干扰机载SAR点目标成像示意图；

图4为8阵元频控阵天线干扰机载SAR成像示意图；

图5为16阵元频控阵天线干扰机载SAR成像示意图；

图6为8阵元非等间隔频偏频控阵天线干扰机载SAR成像示意图；

图7为8阵元FDA天线干扰CS算法的机载SAR成像示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明所采用的频率分集阵列(FDA,Frequency diverse array)与相控阵天线不同之处在于：相控阵天线是每个阵元发射的信号都是相同的，通过移相器系统来控制波束指向，调整移相器的相移量便可实现波束的空域扫描，而FDA是相控阵天线的扩展，其在相邻阵元上对发射信号附加了一个远小于工作载频的频率增量，即每个阵元辐射信号的频率不同。N个阵元数组成的相控阵天线，由于发射信号是完全相同的，通过匹配滤波输出是N个位置完全重合的目标。而频控阵每个阵元有个微小的频偏，这导致N个位置不会重合，便产生了多个假目标效果。改变彼此阵元之间的频偏，假目标之间的距离会跟着变化，增加天线阵元数目，假目标数目会也会增加。此干扰只会影响机载SAR距离向成像，不会在方位向产生多个假目标。

本发明基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，包括步骤：

第一步、建立频控阵天线模型和合成孔径雷达干扰模型。

所述频控阵的天线模型如图1所示，为等间距线性阵列。

线性阵列由间距为d的N个阵元组成，在相邻阵元发射信号之间施加了一个线性频偏Δf。

N、d、Δf由频控阵天线系统参数确定，若第一个阵元发射信号载频是f₀，则有且第k个阵元发射的信号表达式为：

其中：T_p是脉冲宽度，是距离向调频率，下标r代表的是距离向，B_r是距离向信号带宽，f_k＝f₀+kΔf,k＝0,1,…,N-1是第k个阵元发射信号的载频。

这里合成孔径雷达干扰模型设定为，合成孔径雷达随载具在高度h处以速度v飞行如图2所示。若合成孔径雷达到频控阵天线中心斜距是R_c，R(η)是在慢时间η时刻的瞬时斜距，则有：

第二步、对合成孔径雷达接收的频控阵信号进行中频采样和存储。对接收到SAR信号通过数字正交下变频操作去除载频，然后进行低通滤波器，得到处于中频70MHz的带限信号。假设基带信号带宽是100MHz，由于使用的中频频率是70MHz，并且经过正交解调后信号是复数，所以带限信号的频率范围是(20MHz，120MHz)。根据带通采样定理以及使硬件处理方便，通常选取与中频存在倍数关系的采样率，所以可以求出采样为140MHz。

该步骤中，频控阵信号到达SAR接收机经过去载频后，表达式为：

×exp{-j4π(f₀+kΔf)R(η)/c}exp{jπK_r(t-2R(η)/c)²}

其中：t为快时间；η为慢时间；c是光速；下标r代表的是距离向；下标a代表的是方位向；A₀是复常量；ω_r(t-2R(η)/c)是距离向包络；ω_a(η-η_c)是方位向包络；η_c多普勒中心时间；K_r是距离向调频率。

第三部、对接收的频控阵干扰信号进行距离多普勒处理得到频控阵天线位置。

该步骤中，所述距离多普勒算法具体过程包括，对回波数据进行距离向傅里叶变换、距离单元徙动校正和方位向压缩处理。

首先对回波数据进行距离向傅里叶变换使其成为距离向频域方位向时域表达式如下：

其中：W_r(f_r)＝ω_r(f_r/K_r)是距离谱包络；f_r是距离向信号频域变量。

进一步的，根据匹配滤波原理，距离向参考函数的频域表达式是回波信号经过距离向压缩后时域的输出结果是：

然后进行距离单元徙动校正，忽略距离弯曲对于机载SAR回波的包络，即R(η)≈R_c，但是对于回波的相位影响必须考虑，所以回波可以重新被写为：

最后进行方位向压缩处理，对回波信号的方位向进行傅里叶变换，回波的距离向时域方位向频域表达式为：

其中：是方位向调频率；f_a是方位向频域多普勒变量；是天线模型ω_a(η-η_c)的频域表示；是多普勒中心频率。

进一步的，令方位向的匹配滤波函数则回波经过方位向压缩后输出的结果是：

其中：B_a是方位向带宽。

根据上述所述信号模型，使用Matlab(一种计算机算法语言)进行仿真验证，具体的仿真参数如下：

系统参数设置：频控阵天线第一个阵元的辐射源频率f₀＝10GHz，频率增量Δf＝500KHz，阵元间隔d＝λ/2，阵元个数N＝8，信号带宽B_r＝100MHz，脉冲宽度T_p＝40us，机载合成孔径雷达的高度h＝3km，下视角是45°，脉冲重复频率PRF＝500Hz,合成孔径长度L＝111m，机载SAR速度v＝100m/s，机载SAR分辨率是1.5m×0.6m，测绘带宽是1km×1km。

图3是相控阵天线干扰机载SAR成像结果。图4是8个阵元组成的频控阵天线干扰机载SAR成像结果。图5是16个阵元组成的频控阵天线干扰机载合成孔径雷达成像结果。图6是8个非等间距频偏阵元组成的频控阵天线干扰机载合成孔径雷达成像结果。从图3、图4和图5可以知道，频控阵天线组成的干扰机能对机载合成孔径雷达成像造成很好的干扰，并且增加阵元数假目标数目会增加。从图4和图6对比可以知道，改变频偏大小，假目标之间的间距也会改变。

图7为8阵元FDA天线干扰CS算法的机载SAR成像示意图，可以看出，采用CS算法的机载SAR成像相同同样受到了干扰。

Claims (9)

1.基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于，包括步骤：

a、建立频控阵天线模型和合成孔径雷达干扰模型；

所述频控阵的天线模型为线性阵列；

所述线性阵列由间距为d的N个阵元组成，在相邻阵元发射信号之间施加了一个线性频偏△f；

N、d、△f由频控阵天线系统参数确定，若第一个阵元发射信号载频是f₀，则有且第k个阵元发射的信号表达式为：

其中：T_p是脉冲宽度，是距离向调频率，下标r代表的是距离向，B_r是距离向信号带宽，f_k＝f₀+k△f,k＝0,1,…,N-1是第k个阵元发射信号的载频；

b、对合成孔径雷达接收的频控阵信号进行中频采样和存储；

c、对接收的频控阵干扰信号进行距离多普勒处理得到频控阵天线位置。

2.根据权利要求1所述的基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于：

所述合成孔径雷达干扰模型为，合成孔径雷达在高度h处以速度v飞行，若合成孔径雷达到频控阵天线中心斜距是R_c，R(η)是在慢时间η时刻的瞬时斜距，则有：

3.根据权利要求2所述的基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于：

步骤b中，所述频控阵信号到达SAR接收机经过去载频后，表达式为：

×exp{-j4π(f₀+k△f)R(η)/c}exp{jπK_r(t-2R(η)/c)²}

其中：t为快时间；η为慢时间；c是光速；下标r代表的是距离向；下标a代表的是方位向；A₀是复常量；ω_r(t-2R(η)/c)是距离向包络；ω_a(η-η_c)是方位向包络；η_c多普勒中心时间。

4.根据权利要求3所述的基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于：

步骤c中，所述距离多普勒算法具体过程包括，对回波数据进行距离向傅里叶变换、距离单元徙动校正和方位向压缩处理。

5.根据权利要求4所述的基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于：

对回波数据进行距离向傅里叶变换使其成为距离向频域方位向时域表达式如下：

其中：W_r(f_r)＝ω_r(f_r/K_r)是距离谱包络；f_r是距离向信号频域变量。

6.根据权利要求5所述的基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于：

令回波信号经过距离向压缩后时域的输出结果是：

7.根据权利要求6所述的基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于：

所述距离单元徙动校正是，忽略距离弯曲对于合成孔径雷达回波的包络，即R(η)≈R_c，回波被表达为：

8.根据权利要求7所述的基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于：

所述方位向压缩处理，是对回波信号的方位向进行傅里叶变换，回波的距离向时域方位向频域表达式为：

其中：是方位向调频率；f_a是方位向频域多普勒变量；是天线模型ω_a(η-η_c)的频域表示；是多普勒中心频率。

9.根据权利要求8所述的基于频控阵天线的合成孔径雷达干扰方法，其特征在于：

令方位向的匹配滤波函数则回波经过方位向压缩后输出的结果是：

其中：B_a是方位向带宽。