CN110109117B - 基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法 - Google Patents

基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及合成孔径雷达侦察干扰技术。提供了一种基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法，包括：a、建立干扰机的卷积调制干扰几何模型，所述卷积调制干扰包括侦收、卷积调制和转发；b、对接收的干扰信号sJ(t,η)进行中频采样并存储；c、利用距离多普勒算法对干扰信号进行SAR回波数据处理。本发明的有益效果是，利用FDA产生多个虚假目标的原理，引起的欺骗干扰会影响星载SAR在距离向成像目标的个数，而卷积调制干扰在方位向会影响虚假目标在SAR图像上的位置，最终使得敌方侦察机无法将真实目标从虚假目标中甄选出来。

Description

基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)侦察干扰技术，特别涉及利用频率分集阵列(Frequency Diverse Array，FDA)雷达干扰机干扰星载SAR成像系统的技术，具体涉及基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法。
背景技术
合成孔径雷达的实质可以理解为一种主动式微波相干成像装置，不仅具有全天时、全天候、大尺度及连续观测的能力，而且还能获得高分辨率的SAR图像。尤其是星载SAR，因其运行轨道高、飞行速度快、不受国界和地域的限制而受到世界各国的青睐。因此，SAR已经在对地观测和侦查监视等领域中成为不可或缺的探测工具。对SAR进行电子侦查和干扰的目的是削弱敌方的信息获取优势，保护己方的信息安全。目前针对SAR的干扰方式种类繁多，根据干扰的效果以及目的可以分为压制式干扰、欺骗干扰两种。压制式干扰为致盲方式，干扰设备使用大功率的噪声信号，和原回波信号一同被接收机接收，最终使目标被噪声完全掩盖，这种方式是一种暴露性干扰，释放时易被敌方电子设备察觉并且工作时需要很大的功率。欺骗式干扰利用干扰信号在距离向和方位向的高增益，即可在消耗不大的功率前提下，在SAR的成像结果中生成虚假目标，是现在常用的干扰手段之一。卷积调制干扰作为欺骗式干扰的具体技术实现方式，因其需要提前测量敌方侦察机的参数较少，而引起广大科研工作者的研究兴趣。
Antonik和Wicks在2006年的雷达年会上第一次提出Frequency diverse array(FDA)的概念并申请了美国专利。相比于传统的机械扫描雷达、相控阵雷达、MIMO雷达而言，FDA发射的波束具有距离依赖性。FDA一经提出不仅引起了美国国防科研单位的高度关注，而且也掀起来了世界各国的学术界对研究FDA的广泛兴趣。Frequency Diverse Array直译应该为频率分集阵列，西安电子科技大学的许经纬博士及其课题组就认为频率分集阵列比较合适。但是由于其发射经过附加很小的频偏(频偏远远小于其载频)相参信号，使得各个阵元辐射出去信号频率中心有所偏移，使得其主要频率成分是重叠的。因此，相控阵只是频控阵在特殊情况下的特殊表达，译作频控阵更能体现其工作原理。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法，对星载合成孔径雷进行干扰。
本发明所采用的FDA是一种新体制阵列雷达技术。与相控阵天线相比而言，其主要的不同点在于：FDA通过在不同通道附加较小的频偏，使其波束图在远场成为随时间、角度和位置变化的函数。相控阵与FDA的波束图区别可以参照附图1a和图1b。对于相控阵而言，由于发射信号是完全相同的，N个阵元数发射的信号通过匹配滤波输出仍然是N个位置完全重合的目标。而FDA则不同，由于其每个阵元均有个微小的频偏，导致N个目标的位置不会完全重合。这就是利用FDA产生多个虚假目标的原理。FDA的阵元数直接决定了产生虚假目标的数目。而阵元之间的线性频偏或者随机频偏都会使得假目标之间的距离发生变化。这种由于FDA本身的特性引起的欺骗干扰会影响星载SAR在距离向成像目标的个数，而卷积调制干扰会在方位向会影响虚假目标在SAR图像上的位置，最终使得敌方侦察机无法将真实目标从虚假目标中甄选出来。
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的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法，其特征在于，包括：
a、建立干扰机的卷积调制干扰几何模型，所述卷积调制干扰包括侦收、卷积调制和转发；
b、对接收的干扰信号进行中频采样并存储；
c、利用距离多普勒算法对干扰信号进行SAR回波数据处理。
进一步的，步骤a中，所述侦收是指侦察接收机在不同方位向慢时间依次接收由SAR发射的脉冲s(tr,ta)；
所述脉冲s(tr,ta)表达式为：
s(tr,ta)＝rect[tr/Tr]rect[ta/Ta]exp{j2πf0tr+jπkrtr 2}
其中，rect[·]为矩形窗函数，其表达式为
Figure GDA0003683769440000031
Tr为距离向脉冲宽度，Ta为合成孔径周期，f0为载频，kr为调频斜率，ta为方位向慢时间，tr为距离向快时间；
进一步的，步骤a中，所述卷积调制是指侦察接收机根据拟生成的虚假电磁散射特性对侦收信号所进行的调制。
进一步的，
干扰机对应于每个方位向慢时间ta的单位冲激响应为hhJ(tr,ta)，且hhJ(tr,ta)表达式为：
Figure GDA0003683769440000032
其中，ΔrJI为散射点到干扰机的距离向距离，且
Figure GDA0003683769440000033
ΔxJI为方位向距离，且ΔxJI＝xj-xi；σJ为干扰机幅度调制；θsq为星载SAR斜视角；c为电磁波传播速度；V为SAR卫星运行速度。
进一步的，
侦收信号经过与hhJ(tr,ta)卷积后为：
Figure GDA0003683769440000034
进一步的，步骤a中，所述转发是指将干扰机调制后输出信号转发出去，与SAR的真实场景回波混叠在一起。
进一步的，假设SAR始终能够接收干扰信号，并忽略SAR波束导致的方位向幅度调制，则第一个阵元距星载SAR平台的距离Rji1为：
Rji1(ta)＝RJ(ta)
第m个阵元相对于散射点I的距离Rjim为：
Rjim(ta)＝Rji1(ta)+(m-1)dsinθ
其中，d，θ分别为干扰机的阵列间距和角度。
进一步的，干扰机发射的信号满足下式：
Figure GDA0003683769440000041
其中，M为干扰机的阵元总数，f0为FDA发射机第一阵元的载频，fm为FDA发射机第m个阵元的载频，其表达式为：fm＝f0+(m-1)Δf 1≤m≤M。
进一步的，所述干扰信号经过去载频之后的表达式J(tr,ta)为：
Figure GDA0003683769440000042
其中，干扰机位于点J(xj,yj,hj)，而散射点位于点I(xi,yi,0)，Δf为阵元频偏，
Figure GDA0003683769440000043
为星载SAR平台到干扰机的瞬时距离。
进一步的，步骤c具体处理过程包括：
(1)将J(tr,ta)做距离向FFT从而将干扰回波信号变换为J(fr,ta)，即
Figure GDA0003683769440000051
式中，Br＝krTr为距离向带宽；
(2)以
Figure GDA0003683769440000052
为距离向匹配滤波函数，将距离频域干扰回波信号J(fr,ta)与距离向匹配滤波函数
Figure GDA0003683769440000053
相乘，得到距离脉冲压缩后的二维信号频谱Jrc(fr,ta)，即
Figure GDA0003683769440000054
将Jrc(fr,ta)在距离维进行反傅里叶变换得到时域信号Jrc(tr,ta)，即
Figure GDA0003683769440000055
(3)在干扰机没有转发延迟的设定条件下，利用驻定相位原理对距离压缩后的时频信号做方位向傅里叶变换。将RJ(ta)进行泰勒公式展开并简单化简之后得到
Figure GDA0003683769440000061
式中，
Figure GDA0003683769440000062
为干扰机与星载SAR平台之间的垂直斜距，忽略距离走动的影响得到经过方位向傅里叶变换后的回波信号表达式Jrd(tr,fa)，即
Figure GDA0003683769440000063
式中ka＝-2v2/[λ(2ri+Rjim)]为多普勒调频率，在信号包络近视认为RJ(ta)＝2ri，一般来说FDA发射天线的频率间隔Δf远远小于基频f0；
(4)以
Figure GDA0003683769440000064
为方位向匹配滤波函数，将回波信号Jrd(tr,fa)与方位向匹配滤波函数实现方位向脉冲压缩，从而得到方位向脉压之后的信号表达式Jrdc(tr,fa)，即
Figure GDA0003683769440000071
(5)对方位向脉冲压缩后的图像沿方位向进行反傅里叶变换即可得到SAR图像表达式Jimage，即
Figure GDA0003683769440000072
本发明的有益效果是，利用FDA产生多个虚假目标的原理，引起的欺骗干扰会影响星载SAR在距离向成像目标的个数，而卷积调制干扰在方位向会影响虚假目标在SAR图像上的位置，最终使得敌方侦察机无法将真实目标从虚假目标中甄选出来。
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1a为FDA波束示意图；
图1b为相控阵波束示意图；
图2为基于FDA的星载SAR卷积调制干扰场景示意图；
图3为FDA天线发射示意图；
图4为干扰机SAR成像仿真示意图；
图5为4阵元FDA星载SAR卷积调制干扰成像仿真示意图；
图6为8阵元FDA星载SAR卷积调制干扰成像仿真示意图；
图7为8阵元非等间隔频偏FDA星载SAR卷积调制干扰成像仿真示意图。
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。
目前天空中翱翔的遥感卫星基本分为相控阵天线和反射面天线两种体制，但是这两种天线遥感数据只能通过后期的算法处理来实现欺骗干扰。本发明利用FDA天线本身的特性提出一种基于FDA的星载SAR卷积调制干扰成像的方法。传统的移频干扰利用SAR发射信号的频移和时延耦合性，通过将发射信号的载频移动实现距离向的欺骗干扰。而干扰机则是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，星载SAR接收机接收到FDA干扰回波并进行匹配滤波处理之后，会在距离向产生多个假目标，从而导致星载SAR系统无法将真实目标从虚假目标中判断出来。这就从原理上解释了基于FDA的欺骗干扰与移频干扰具有相通性。
本发明所采用的技术方案包含以下步骤：
步骤1.建立基于干扰机的星载SAR卷积调制干扰几何模型。
步骤2.对星载SAR天线接收的FDA干扰信号进行数传下发，并在地面处理系统中进行中频采样及存储。
步骤3.地面处理系统利用距离多普勒算法(RDA)对FDA干扰信号进行回波数据处理。
具体的，在所述步骤1中，基于FDA的星载SAR卷积调制干扰场景图如图2所示。通常来说，卷积调制干扰的工作流程可概括为“侦收-卷积调制-转发”。
(1)“侦收”是指侦察接收机在不同方位向慢时间依次接收由SAR发射的脉冲。星载SAR平台发射的信号为
s(tr,ta)＝rect[tr/Tr]rect[ta/Ta]exp{j2πf0tr+jπkrtr 2} (1)
其中，Tr为距离向脉冲宽度，Ta为合成孔径周期，f0为载频，kr为调频斜率。假设FDA侦察接收机始终能够侦收到SAR发射信号，并忽略SAR波束导致的方位向幅度调制，那么侦察接收机侦收到的信号可表示为
Figure GDA0003683769440000091
其中，
Figure GDA0003683769440000092
为星载SAR平台到干扰机的瞬时距离。
(2)“卷积调制”是指FDA侦察接收机根据拟生成的虚假电磁散射特性对侦收信号所进行的调制。设干扰机对应于每个方位向慢时间ta的单位冲激响应为hhJ(tr,ta)，为使位于J(xj,yj,hj)的干扰机通过调制产生于散射点I(xi,yi,0)目标“一模一样”的SAR回波，设定干扰机的单位冲激响应为
Figure GDA0003683769440000101
其中，
Figure GDA0003683769440000102
ΔxJI＝xj-xi分别为散射点到干扰机的距离向和方位向距离，σJ为常数形式的干扰机幅度调制。θsq为星载SAR斜视角，c为电磁波传播速度，V为SAR卫星运行速度。那么侦收信号经过与hhJ(tr,ta)卷积后为
Figure GDA0003683769440000103
(3)“转发”是指将干扰机调制后输出信号转发出去，与SAR的真实场景回波混叠在一起，以期经过成像处理后在SAR图像中出现与特定电磁散射特性对应的虚假图像。假设SAR始终能够接收干扰信号，并忽略SAR波束导致的方位向幅度调制。
不妨假设FDA的天线几何模型如图3所示，且星载SAR平台距干扰机的距离符合FDA远场假设模型。不妨设第一个阵元为参考阵元，那么第一个阵元距星载SAR平台的距离可以表示为
Rji1(ta)＝RJ(ta) (5)
那么，第m个阵元相对于散射点I的距离为
Rjim(ta)＝Rji1(ta)+(m-1)dsinθ (6)
其中，d，θ分别为干扰机的阵列间距和角度。
对于干扰机来说，天线的每个发射单元中的载频并不一样，存在一个频率间隔，那么经过干扰机发射的信号为
Figure GDA0003683769440000111
式中，M为干扰机的阵元总数，fm为FDA发射机第m个阵元的载频，其表达式为
fm＝f0+(m-1)Δf1≤m≤M (8)
具体所述步骤2中，星载SAR天线接收到FDA干扰信号和正常的回波信号之后，通过卫星数传天线下传到地面系统。为了便于分析，本发明假设地面处理系统只处理干扰信号，那么干扰信号经过去载频之后的表达式为
Figure GDA0003683769440000112
具体所述步骤3中，利用RDA处理基于FDA的星载SAR卷积调制干扰信号主要包括以后过程：
(1)利用驻定相位原理将(9)做距离向FFT从而将干扰回波信号变换到距离频域
Figure GDA0003683769440000113
式中，Br＝krTr为距离向带宽。
(2)距离向脉冲压缩。距离向匹配滤波函数为
Figure GDA0003683769440000121
将距离频域干扰回波信号与距离向匹配滤波函数相乘，得到距离脉冲压缩后的二维信号频谱为
Figure GDA0003683769440000122
将脉冲压缩后的干扰信号在距离维进行反傅里叶变换得到时域信号，其表达式为
Figure GDA0003683769440000123
(3)方位向FFT。利用驻定相位原理对距离压缩后的时频信号做方位向傅里叶
变换。本文认为干扰机没有转发延迟，并且
Figure GDA0003683769440000124
式中，
Figure GDA0003683769440000125
为干扰机与星载SAR平台之间的垂直斜距。忽略距离走动的影响，则
Figure GDA0003683769440000131
式中ka＝-2v2/[λ(2ri+Rjim)]为多普勒调频率,在信号包络近视认为RJ(ta)＝2ri。一般来说FDA发射天线的频率间隔Δf远远小于基频f0。
(5)方位向脉冲压缩。方位向匹配滤波函数为
Figure GDA0003683769440000132
将方位频域回波信号与方位向匹配滤波函数实现方位向脉冲压缩，从而得到
Figure GDA0003683769440000141
(6)基于FDA的星载SAR卷积移频干扰图像。对方位向脉冲压缩后的图像沿方位维进行反傅里叶变换得到
Figure GDA0003683769440000142
从上面的公式可以看出：1)距离向上的信号发生了延迟，信号的距离向定位将被篡改；值得注意的是，移频式卷积调制干扰中距离向延迟量不随方位向慢时间变化；2)在卷积时引入一个线性相位，即对点回波进行方位向上的移频调制，那么点回波的方位向定位就会发生偏移，即在方位向上形成虚假点；3)距离向虚假点目标的个数直接取决于FDA天线的数目。具体仿真结果如图4-7所示。
利用本发明前述信号模型以及RD算法进行仿真试验验证，具体的仿真参数如下：
系统参数设置：星载SAR轨道运行高度500Km，飞行速度为7Km/s,脉冲宽度30μs，星载SAR工作载频为9.8GHz，下视角45°，斜视角0°，距离向分辨率5m，方位向分辨率5m，频率增量500KHz，阵元间隔d＝λ/2，ΔrJI＝-60。
图4是星载SAR干扰机成像结果。图5是4阵元基于FDA的星载SAR卷积调制干扰成像结果，其中ΔxJI＝20；图6是8阵元基于FDA的星载SAR卷积调制干扰成像结果，其中ΔxJI＝-40；图7是8阵元随机频偏的基于FDA的星载SAR卷积调制干扰成像结果，其中ΔxJI＝60。从图4-7的结果可以看出：1)距离向虚假目标的数目和FDA阵元数有关；2)方位向距离差ΔxJI直接决定了虚假目标在SAR图像中的相对位置；3)相邻阵元之间的频率增量直接影响假目标之间的相对位置。

Claims (6)

1.基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法，其特征在于，包括：
a、建立干扰机的卷积调制干扰几何模型，所述卷积调制干扰包括侦收、卷积调制和转发；
所述干扰机发射的干扰信号满足下式：
Figure FDA0003683769430000011
式中，sJO,FDA(tr,ta)为干扰机发射的干扰信号，M为干扰机的阵元总数，fm为FDA发射机第m个阵元的载频，其表达式为fm＝f0+(m-1)Δf 1≤m≤M，ΔrJI为散射点到干扰机的距离向距离，且
Figure FDA0003683769430000012
ΔxJI为方位向距离，且ΔxJI＝xj-xi；σJ为干扰机幅度调制；θsq为星载SAR斜视角；c为电磁波传播速度；V为SAR卫星运行速度；Rji1(ta)＝RJ(ta)为第一个阵元距星载SAR平台的距离；
所述干扰信号经过去载频之后的表达式J(tr,ta)为：
Figure FDA0003683769430000013
其中，第m个阵元相对于散射点I的距离Rjim，且：Rjim(ta)＝Rji1(ta)+(m-1)d sinθ；d，θ分别为干扰机的阵列间距和角度；kr为调频斜率，ta为方位向慢时间，tr为距离向快时间，rect[·]为矩形窗函数，其表达式为
Figure FDA0003683769430000014
Tr为距离向脉冲宽度，Ta为合成孔径周期，第m个阵元相对于散射点I的距离为Rjim，且：Rjim(ta)＝Rji1(ta)+(m-1)d sinθ
b、对接收的干扰信号进行中频采样并存储；
c、利用距离多普勒算法对干扰信号进行SAR回波数据处理，具体处理过程包括：
(1)将J(tr,ta)做距离向FFT从而将干扰回波信号变换为J(fr,ta)，即
Figure FDA0003683769430000021
式中，Br＝krTr为距离向带宽；
(2)以Hr(fr)＝exp(jπfr 2/kr)为距离向匹配滤波函数，将距离频域干扰回波信号J(fr,ta)与距离向匹配滤波函数Hr(fr)＝exp(jπfr 2/kr)相乘，得到距离脉冲压缩后的二维信号频谱Jrc(fr,ta)，即
Figure FDA0003683769430000022
将Jrc(fr,ta)在距离维进行反傅里叶变换得到时域信号Jrc(tr,ta)，即
Figure FDA0003683769430000023
(3)在干扰机没有转发延迟的设定条件下，利用驻定相位原理对距离压缩后的时频信号做方位向傅里叶变换；将RJ(ta)进行泰勒公式展开并简单化简之后得到
Figure FDA0003683769430000031
式中，
Figure FDA0003683769430000032
为干扰机与星载SAR平台之间的垂直斜距，忽略距离走动的影响得到经过方位向傅里叶变换后的回波信号表达式Jrd(tr,fa)，即
Figure FDA0003683769430000033
式中ka＝-2v2/[λ(2ri+Rjim)]为多普勒调频率，在信号包络近视认为RJ(ta)＝2ri，一般来说FDA发射天线的频率间隔Δf远远小于基频f0；
(4)以
Figure FDA0003683769430000034
为方位向匹配滤波函数，将回波信号Jrd(tr,fa)与方位向匹配滤波函数实现方位向脉冲压缩，从而得到方位向脉压之后的信号表达式Jrdc(tr,fa)，即
Figure FDA0003683769430000041
(5)对方位向脉冲压缩后的图像沿方位向进行反傅里叶变换即可得到SAR图像表达式Jimage，即
Figure FDA0003683769430000042
2.根据权利要求1所述的基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法，其特征在于，步骤a中，所述侦收是指侦察接收机在不同方位向慢时间依次接收由SAR发射的脉冲s(tr,ta)；
所述脉冲s(tr,ta)表达式为：
s(tr,ta)＝rect[tr/Tr]rect[ta/Ta]exp{j2πf0tr+jπkrtr 2}
其中，rect[·]为矩形窗函数，其表达式为
Figure FDA0003683769430000051
Tr为距离向脉冲宽度，Ta为合成孔径周期，f0为载频，kr为调频斜率，ta为方位向慢时间，tr为距离向快时间。
3.根据权利要求1所述的基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法，其特征在于，步骤a中，所述卷积调制是指侦察接收机根据拟生成的虚假电磁散射特性对侦收信号所进行的调制。
4.根据权利要求3所述的基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法，其特征在于，
干扰机对应于每个方位向慢时间ta的单位冲激响应为hhJ(tr,ta)，且hhJ(tr,ta)表达式为：
Figure FDA0003683769430000052
其中，ΔrJI为散射点到干扰机的距离向距离，且
Figure FDA0003683769430000053
ΔxJI为方位向距离，且ΔxJI＝xj-xi；σJ为干扰机幅度调制；θsq为星载SAR斜视角；c为电磁波传播速度；V为SAR卫星运行速度。
5.根据权利要求4所述的基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法，其特征在于，
侦收信号经过与hhJ(tr,ta)卷积后为：
Figure FDA0003683769430000054
6.根据权利要求1所述的基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法，其特征在于，步骤a中，所述转发是指将干扰机调制后输出信号转发出去，与SAR的真实场景回波混叠在一起。
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