CN110058233B - 一种多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，属于雷达信号处理技术领域。本发明接收包含了虚假目标的回波，通过最大稳定极值区域(MSER)检测算法和基于欧式距离的判别方法实现虚假目标检测，利用构型信息实现干扰源的定位，利用基于空间滤波的波束形成实现干扰抑制，解决了在多基地SAR系统中，对转发式欺骗性干扰的抑制问题，提高了多基地SAR系统的成像系统的成像图像辨识度。

Description

一种多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是一种全天时、全天候的高分辨率成像系统，通过发射大时带积的线性调频信号，接收时经匹配滤波得到脉冲压缩信号，以获得距离向高分辨率，利用合成孔径技术实现方位向的高分辨率。成像质量不受天气条件(云层、光照)等影响，具有对远距离目标进行检测和定位的特点。SAR典型的应用领域包括灾害监测、资源勘探、地质测绘、军事侦察等。随着对信息需求量的增大，对多基SAR系统的研究显得越来越重要。

多基SAR系统具有灵活的构型设计，更有利于获取更多的信息来处理目标检测、识别等方面的问题。在电子对抗领域，针对多基SAR系统干扰的研究已经成为近几年的研究热点。针对SAR提出了不同的干扰方法，转发式欺骗性干扰是最常见的一种干扰方式，该干扰方式对SAR的干扰很难抑制。转发式欺骗性干扰需要干扰机先捕获SAR的发射信号，然后对信号相关参数进行计算，最后将经过参数调制后的虚假回波重新发射回雷达接收机，从而导致SAR成像图像中出现虚假目标。在传统的单基SAR系统中，干扰机产生的虚假目标很难直接处理。

现有技术中，可分别从慢时间和快时间两个方面来实现SAR成像图像中的抑制干扰，然而该方法是针对多通道SAR系统，不适合于多基SAR系统。另外，通过分析多通道SAR系统和多发多收(MIMO)SAR系统的抗干扰性能，MIMO SAR有更好的抗干扰性能。目前对多基SAR系统的抗干扰方法研究较少，且上述方法无法对多基SAR系统中的干扰进行抑制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提出了一种多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，解决现有传统SAR中无法解决的干扰机生成的虚假目标识别及干扰抑制问题，从而实现多基SAR系统的成像图像辨识度提高。

一种多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，所述多基地合成孔径雷达系统包括至少一个发射站和至少一个接收站，所述方法包括以下步骤：

S1、接收成像区域目标和虚假目标回波，通过成像算法进行成像，得到数个不同的成像图像；

S2、对各成像图像中的目标进行检测，并判别出包含虚假目标的成像图像和成像图像中虚假目标的位置信息；

S3、根据所述虚假目标的位置信息和多基地位置信息，求解得到干扰机的位置信息；

S4、利用波束设计方法，以接收站指向干扰机方向进行陷零处理，实现雷达系统的抗欺骗式干扰。

进一步地，所述步骤S1包括：

第i个接收站接收的信号回波为

其中，ω_r和ω_a分别表示示距离向包络和方位向包络，τ表示快时间，η表示慢时间，η_c表示中心时刻，K_r表示距离向调频率，A₀表示点目标的雷达散射系数，R(η，i)表示第i个接收站的距离历史和，c表示光速，λ表示波长；

第i个接收站的距离历史和为

其中，(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,...,n表示第i个接收站的位置，n表示接收站的数量，(x_p,y_p,z_p)表示点目标的位置，(x_t,y_t,z_t)表示发射站的位置；

干扰机通过对发射信号进行固定延时和参数调整后，全向发射虚假目标的回波为

其中，τ₀表示固定时延，R_J(η,i)为

其中，(x_J,y_J,z_J)表示干扰机位置；

通过反向投影成像算法进行成像，得到数个不同的成像图像。

进一步地，所述步骤S2包括：

S21、利用最大稳定极值区域检测方法，对各成像图像中的目标进行检测；

S22、利用基于欧式距离的判别法，依次对每幅成像图像中的每个目标进行判别，判别出包含虚假目标的成像图像和成像图像中虚假目标的位置信息。

进一步地，所述步骤S21包括：

对各成像图像进行二值化处理，设置相同门限间隔的门限组合，表示为

{T_i|T_i+1＝T_i+Δ,T_i∈[0,I],i＝1,2,...,N}

其中，I∈[0,255]，Δ表示间隔，T_i表示第i个门限；

利用T_i划分出多个区域

其中，

表示由门限T_i划分出的极值区域；

令

其中，

表示区域的变化率，S(·)表示该区域中图像强点的数目；

令

其中，ε表示区域变化率的上限；筛选满足

的

放入集合中H中，令

筛选出稳定的区域，即成像图像中的目标。

进一步地，所述步骤S22包括：

从成像图像中任选两幅图像，分别为U_i和U_j，i≠j,i,j＝1,2,...,n，令P_i,k为第i幅成像图像中的第k个目标的重心，P_j,h为第j幅成像图像中的第h个目标的重心，β为欧氏距离门限，依次计算P_i,k和P_j,h之间的欧式距离，若P_i,k与第j幅成像图像中的任一目标之间的欧式距离小于β，则P_i,k为真实目标；若第j幅成像图像中的没有目标与P_i,k之间的欧式距离小于β，则P_i,k为虚假目标；依次对每幅成像图像中的每个目标进行判别，判别出包含虚假目标的成像图像和虚假目标的位置信息。

进一步地，所述步骤S3包括：

根据所述步骤S2中得到的虚假目标的位置信息和所述多基地合成孔径雷达系统的位置信息，建立方程组

其中，(x_F,i,y_F,i,z_F,i)，i＝1,2,...,n表示第i幅成像图像中虚假目标的成像位置，τ₀表示固定时延；

求解所述方程组，得到干扰机的位置信息(x_J,y_J,z_J,τ₀)。

进一步地，所述步骤S4包括：

基于线性约束最小方差方法进行最优波束形成，在成像区域方向信号得到最大增益而在干扰方向形成零点，得到阵列最优权

W_opt＝R^-1C(C^HR^-1C)^-1F

其中，R为输入矩阵，C为包含期望信号和干扰信号导向矢量的矩阵，F为约束响应矢量；矩阵C表示为

C＝[a₀,a_j]

其中，a₀,a_j为期望信号和干扰信号导向矢量，相应地f＝[1,0,…0]^T；

利用基于线性约束最小方差的波束设计方法，以接收站指向干扰机的回波进行置零，实现抗欺骗式干扰。

本发明的有益效果：本发明提供了一种多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，通过最大稳定极值区域(MSER)检测算法和基于欧式距离的判别方法实现虚假目标检测，利用构型信息实现干扰源的定位，利用基于空间滤波的波束形成实现干扰抑制，解决了在多基地SAR系统中，对转发式欺骗性干扰的抑制问题，提高了多基地SAR系统的成像系统的成像图像辨识度。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例的几何结构图。

图3为本发明实施例的目标场景示意图。

图4为本发明实施例的实现过程示意图。

图5为本发明实施例的结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

本发明提出了一种多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，应用于多基地合成孔径雷达系统。多基SAR系统为发射站和接收站分置于不同平台上的SAR系统，其中至少有一个平台为运动平台，其属于多基地雷达。本实施例中，多基SAR系统至少需要4个接收站。

本实施例中，欺骗性干扰为捕捉发射站的发送信号，再模拟目标的回波特性，使雷达获得虚假目标信息，从而作出错误的判断或者增大雷达自动跟踪系统的误差。其可以采用有源或无源的方法产生。

请参阅图1，本发明通过以下步骤实现：

S1、接收成像区域目标和虚假目标回波，通过成像算法进行成像，得到数个不同的成像图像。

本实施例中，多基地合成孔径雷达系统包括一个发射站和四个接收站。

具体参数见下表中。

表(1)本发明实施例的系统参数表

请参阅图2，多基SAR的成像几何结构型如图所示，目标场景如图3所示，第i个接收站接收的信号回波为

其中，ω_r和ω_a分别表示示距离向包络和方位向包络，τ表示快时间，η表示慢时间，η_c表示中心时刻，K_r表示距离向调频率，A₀表示点目标的雷达散射系数，R(η，i)表示第i个接收站的距离历史和，c表示光速，λ表示波长。

第i个接收站的距离历史和为

其中，(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,...,n表示第i个接收站的位置，n表示接收站的数量，(x_p,y_p,z_p)表示点目标的位置，(x_t,y_t,z_t)表示发射站的位置。

转发式欺骗性干扰机通过对发射信号进行固定延时和参数调整后，全向发射虚假目标的回波，干扰机发射的回波为

其中，τ₀表示固定时延，R_J(η,i)为

其中，(x_J,y_J,z_J)表示干扰机位置。

本实施例中，采用反向投影(BP)成像算法进行成像，得到数个不同的成像图像。也可采用其它成像算法进行成像。

接收站接收到了由干扰机发射的虚假回波后，在成像图像中会有虚假目标存在，严重影响了SAR的成像性能。

S2、对各成像图像中的目标进行检测，并判别出包含虚假目标的成像图像和成像图像中虚假目标的位置信息。

本实施例中，先利用最大稳定极值区域(MSER)检测方法，对各成像图像中的目标进行检测，即步骤S21：

对各成像图像进行二值化处理，设置相同门限间隔的门限组合，表示为

{T_i|T_i+1＝T_i+Δ,T_i∈[0,I],i＝1,2,...,N}

其中，I∈[0,255]，Δ表示间隔，T_i表示第i个门限；

利用T_i划分出多个相互极端区域，表示为

其中，

表示由门限T_i划分出的极值区域。

令

其中，

表示区域的变化率，S(·)表示该区域中图像强点的数目。

令

其中，ε表示区域变化率的上限；筛选满足

的

放入集合中H中，令

筛选出稳定的区域，即成像图像中的目标。

本实施例中，目标筛选完成后，再利用基于欧氏距离的判别方法判别出每幅成像图像中的虚假目标，即步骤S22：

从成像图像中任选两幅图像，分别为U_i和U_j，i≠j,i,j＝1,2,...,n，令P_i,k为第i幅成像图像中的第k个目标的重心，P_j,h为第j幅成像图像中的第h个目标的重心，β为欧氏距离门限，依次计算P_i,k和P_j,h之间的欧式距离，即依次计算P_i,k和第j幅成像图像U_j中每个目标之间的欧氏距离，若P_i,k与第j幅成像图像中的任一目标之间的欧式距离小于β，则P_i,k为真实目标；若第j幅成像图像中的没有目标与P_i,k之间的欧式距离小于β，则P_i,k为虚假目标；依次对每幅成像图像中的每个目标进行判别，判别出包含虚假目标的成像图像和虚假目标的位置信息。

S3、根据虚假目标的位置信息和多基地位置信息，求解得到干扰机的位置信息。

本实施例中，根据步骤S2中得到的虚假目标的位置信息和多基地合成孔径雷达系统的位置信息，建立方程组

其中，(x_F,i,y_F,i,z_F,i)，i＝1,2,...,n表示第i幅成像图像中虚假目标的成像位置，τ₀表示固定时延；

求解方程组，得到干扰机的位置信息(x_J,y_J,z_J,τ₀)。

S4、利用波束设计方法，以接收站指向干扰机方向进行陷零处理，实现雷达系统的抗欺骗式干扰。

本实施例中，基于线性约束最小方差(linearly constrained minimumvariance,LCMV)方法进行最优波束形成，在成像区域方向信号得到最大增益而在干扰方向形成零点。该方法求得的阵列最优权为

W_opt＝R^-1C(C^HR^-1C)^-1F

其中，R为输入矩阵，C为包含期望信号和干扰信号导向矢量的矩阵，F为约束响应矢量；矩阵C表示为

C＝[a₀,a_j]

其中，a₀,a_j为期望信号和干扰信号导向矢量，相应地f＝[1,0,…0]^T。

因此利用基于线性约束最小方差的波束设计方法，以接收站指向干扰机的回波进行置零，由于干扰并没有在成像范围内，所以并不会造成成像图像的缺失，实现抗欺骗式干扰。

本发明的抗干扰具体实现过程示意图如图4所示，结果如图5所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，其特征在于，所述多基地合成孔径雷达系统包括至少一个发射站和至少一个接收站，所述方法包括以下步骤：

S1、接收成像区域目标和虚假目标回波，通过成像算法进行成像，得到数个不同的成像图像；包括：

第i个接收站接收的信号回波为

其中，ω_r和ω_a分别表示示距离向包络和方位向包络，τ表示快时间，η表示慢时间，η_c表示中心时刻，K_r表示距离向调频率，A₀表示点目标的雷达散射系数，R(η，i)表示第i个接收站的距离历史和，c表示光速；

第i个接收站的距离历史和为

其中，(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,...,n表示第i个接收站的位置，n表示接收站的数量，(x_p,y_p,z_p)表示点目标的位置，(x_t,y_t,z_t)表示发射站的位置；

干扰机通过对发射信号进行固定延时和参数调整后，全向发射虚假目标的回波为

其中，τ₀表示固定时延，R_J(η,i)为

其中，(x_J,y_J,z_J)表示干扰机位置；

通过反向投影成像算法进行成像，得到数个不同的成像图像；

S2、对各成像图像中的目标进行检测，并判别出包含虚假目标的成像图像和成像图像中虚假目标的位置信息；

S3、根据所述虚假目标的位置信息和多基地位置信息，求解得到干扰机的位置信息；包括：

根据所述步骤S2中得到的虚假目标的位置信息和所述多基地合成孔径雷达系统的位置信息，建立方程组

其中，(x_F,i,y_F,i,z_F,i)，i＝1,2,...,n表示第i幅成像图像中虚假目标的成像位置，τ₀表示固定时延；

求解所述方程组，得到干扰机的位置信息(x_J,y_J,z_J,τ₀)；

S4、利用波束设计方法，以接收站指向干扰机方向进行陷零处理，实现雷达系统的抗欺骗式干扰。

2.如权利要求1所述的多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、利用最大稳定极值区域检测方法，对各成像图像中的目标进行检测；

S22、利用基于欧式距离的判别法，依次对每幅成像图像中的每个目标进行判别，判别出包含虚假目标的成像图像和成像图像中虚假目标的位置信息。

3.如权利要求2所述的多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，其特征在于，所述步骤S21包括：

对各成像图像进行二值化处理，设置相同门限间隔的门限组合，表示为{T_i|T_i+1＝T_i+Δ,T_i∈[0,I],i＝1,2,...,N}

其中，I∈[0,255]，Δ表示间隔，T_i表示第i个门限；

利用T_i划分出多个区域

其中，

表示由门限T_i划分出的极值区域；

令

其中，

表示区域的变化率，S(·)表示该区域中图像强点的数目；

令

其中，ε表示区域变化率的上限；筛选满足

的

放入集合中H中，令

筛选出稳定的区域，即成像图像中的目标。

4.如权利要求3所述的多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，其特征在于，所述步骤S22包括：

从成像图像中任选两幅图像，分别为U_i和U_j，i≠j,i,j＝1,2,...,n，令P_i,k为第i幅成像图像中的第k个目标的重心，P_j,h为第j幅成像图像中的第h个目标的重心，β为欧氏距离门限，依次计算P_i,k和P_j,h之间的欧式距离，若P_i,k与第j幅成像图像中的任一目标之间的欧式距离小于β，则P_i,k为真实目标；若第j幅成像图像中的没有目标与P_i,k之间的欧式距离小于β，则P_i,k为虚假目标；依次对每幅成像图像中的每个目标进行判别，判别出包含虚假目标的成像图像和虚假目标的位置信息。

5.如权利要求1所述的多基地合成孔径雷达系统的抗欺骗性干扰方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

基于线性约束最小方差方法进行最优波束形成，在成像区域方向信号得到最大增益而在干扰方向形成零点，得到阵列最优权

W_opt＝R^-1C(C^HR^-1C)^-1F

其中，R为输入矩阵，C为包含期望信号和干扰信号导向矢量的矩阵，F为约束响应矢量；矩阵C表示为

C＝[a₀,a_j]

其中，a₀,a_j为期望信号和干扰信号导向矢量，相应地f＝[1,0,...0]^T；

利用基于线性约束最小方差的波束设计方法，以接收站指向干扰机的回波进行置零，实现抗欺骗式干扰。

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