CN112255596B - 一种基于空间频率插值的星载sar欺骗干扰信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，将干扰过程分为初始化阶段和实时计算阶段，其中，初始化阶段主要包括坐标系、干扰模块的建立以及二维空间谱的获取；在完成初始化阶段后，利用sinc函数插值法，根据确定好的二维空间谱获取每一个到达干扰机的脉冲信号对应的干扰函数，最后再利用干扰函数对接收到的SAR平台的脉冲信号进行调制后，即可生成对应的干扰信号；由此可见，本发明仅在初始化阶段的计算量较大，而后的根据干扰机实时接收的脉冲信号对SAR平台进行干扰的阶段运算量大大减小，也就是说，本发明能够著降低干扰函数计算过程中的运算复杂度，大幅提高运行效率，降低计算成本，促进星载SAR欺骗干扰实用化。

Description

一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达和电子对抗技术领域，尤其涉及一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法。

背景技术

SAR是Synthetic Aperture Radar的首字母缩写，指合成孔径雷达，是一种能够全天时、全天候工作的主动式微波遥感成像雷达，在情报侦察、资源勘探、自然灾害评估、重点区域监测等领域有着广泛且重要的应用。星载SAR搭载于人造卫星之上，与机载SAR相比，具有更大的测绘范围，且不受国界和地理气候等条件的限制，能够在短时间内完成全球观测。因此，出于保护己方敏感目标和区域的目的，针对SAR，特别是星载SAR的电子对抗技术得到了较大的关注和发展。

目前SAR的有源电子干扰主要包括压制干扰和欺骗干扰两类。欺骗干扰信号与原始信号完全相干，与压制干扰相比，所需的干扰功率非常小，具有极强隐蔽性，即使被敌方发现，也难以通过抗干扰措施消除，并且能够根据实际需求调整干扰图像，具有很强的灵活性。基于以上优势，欺骗干扰更具吸引力，也是当前研究的热点领域。

欺骗干扰要求干扰机在每个脉冲重复周期内，根据干扰对象的运动参数(平台位置、速度等)、信号参数(载频、脉宽等)、天线参数(波束模式、天线指向等)能，结合干扰模板，通过计算得到系统函数，对截获的SAR脉冲进行调制和转发，产生干扰信号，干扰对象对其进行成像处理后即可生成虚假目标。如何求解干扰机的系统函数(以下简称干扰系统函数)是SAR欺骗干扰研究的主要问题。最直接的方法是计算干扰模板上各散射单元与干扰机之间的信号双程传播时延差，但该方法计算量极大，而SAR的脉冲重复周期在毫秒级，因此难以保证实时性。后续大量研究均围绕降低实时计算量展开，并取得了一系列成果，但计算复杂性与实时处理要求之间的矛盾仍未彻底解决，尤其是对于大型场景或者高分辨率目标，大量的实时计算需求仍然是欺骗干扰实用化的一大瓶颈。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，可显著降低干扰函数计算过程中的运算复杂度，促进星载SAR欺骗干扰实用化。

一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，包括以下步骤：

S1：在二维斜距平面上，以干扰机的位置为原点建立欺骗干扰坐标系，其中，x轴为距离向，y轴为方位向；

S2：在欺骗干扰坐标系下构建干扰模板，其中，所述干扰模板由M×N个虚拟散射单元组成，且M为方位向上虚拟散射单元的数量，N为距离向上虚拟散射单元的数量；

S3：根据各虚拟散射单元的散射系数、各虚拟散射单元与干扰机之间的初始斜距差获取干扰模板对应的干扰矩阵H₀，然后对干扰矩阵H₀进行二维快速傅里叶变换，得到二维空间谱F₀，其中，干扰矩阵H₀的各元素分别表征各虚拟散射单元的干扰函数；

S4：以SAR平台的零多普勒面经过干扰机的时刻作为时间起始基准，假设干扰机当前接收到的脉冲信号为SAR平台发射的第k个脉冲信号，并将该脉冲信号的到达时刻记为t[k]，计算该脉冲信号对应的插值频率点f_x[k]和f_y[k]：

其中，f_x[k]为距离向上的频率插值点，f_y[k]为方位向上的频率插值点，f_r为脉冲信号的距离向频率，f₀为SAR平台的载频，t[k-1]为第k-1个脉冲信号到达干扰机的时刻，t[0]为时间起始基准后，首个到达干扰机的脉冲信号的时刻，v为SAR平台的运动速度，PRI为SAR平台的脉冲重复周期，c为光速，R_J0为干扰机与SAR平台之间的最短斜距；

S5：利用sinc函数插值法，计算二维空间谱F₀中对应于插值频率点(f_x[k],f_y[k])的值，并将该值作为第k个脉冲信号对应的干扰函数H[k]，采用干扰函数H[k]对接收到的第k个脉冲信号进行调制，生成对应的干扰信号。

进一步地，一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，还包括以下步骤：

S6：判断干扰机是否还接收到SAR平台发射的脉冲信号，若接收到，则将新接收到的脉冲信号作为第k+1个脉冲信号，并将第k+1个脉冲信号代替第k个脉冲信号重复步骤S4～S5，以此类推，直到干扰机无法接收到SAR平台发射的脉冲信号。

进一步地，所述干扰矩阵H₀的计算方法为：

其中，H₀(x_n,y_m)为干扰矩阵H₀的第m行第n列元素，其表征坐标为(x_n,y_m)的虚拟散射单元在t[0]时刻的干扰函数，且m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，同时，H₀(x_n,y_m)的计算公式如下：

其中，为干扰模板中坐标为(x_n,y_m)的虚拟散射单元的散射系数，为虚数单位，/>为坐标为(x_n,y_m)的虚拟散射单元与干扰机之间的初始斜距差，同时，/>的计算公式如下：

其中，x_n为虚拟散射单元在距离向上的坐标，y_m为虚拟散射单元在方位向上的坐标，R_J[0]为SAR平台与干扰机之间的初始斜距，其计算公式如下：

进一步地，所述插值频率点(f_x[k],f_y[k])的计算方法为：

S51：将插值频率点f_x[k]和f_y[k]换算为二维空间谱F₀中的行坐标p和列坐标q：

p＝f_y[k]·Δy·M+1

q＝f_x[k]·Δx·N+1

其中，Δx为虚拟散射单元在距离向上的尺寸，Δy为虚拟散射单元在方位向上的尺寸；

S52：分离行坐标p和列坐标q的小数部分和整数部分：

p_f＝p-p_i

q_f＝q-q_i

其中，p_i为行坐标p的整数部分，q_i为列坐标q的整数部分，为向下取整，p_f为行坐标p的小数部分，q_f为列坐标q的小数部分；

S53：以二维空间谱F₀第p_i行第q_i列的元素F₀[p_i,q_i]为中心，利用sinc函数进行插值，得到第k个脉冲信号对应的干扰函数H[k]：

其中，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)为插值核函数，L为设定的插值点数，且L为偶数。

进一步地，L为8。

进一步地，所述距离向与SAR平台的运动轨迹垂直，方位向与SAR平台的运动轨迹平行。

有益效果：

1、本发明提供一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，将干扰过程分为初始化阶段和实时计算阶段，其中，初始化阶段主要包括坐标系、干扰模块的建立以及二维空间谱的获取；在完成初始化阶段后，利用sinc函数插值法，根据确定好的二维空间谱获取每一个到达干扰机的脉冲信号对应的干扰函数，最后再利用干扰函数对接收到的SAR平台的脉冲信号进行调制后，即可生成对应的干扰信号；由此可见，本发明仅在初始化阶段的计算量较大，而后的根据干扰机实时接收的脉冲信号对SAR平台进行干扰的阶段运算量大大减小，也就是说，本发明能够著降低干扰函数计算过程中的运算复杂度，大幅提高运行效率，降低计算成本，促进星载SAR欺骗干扰实用化。

2、本发明在实时计算阶段的计算复杂度仅取决于插值点数L，而与干扰模板中虚拟散射单元的数目无关，这一特性对大场景或者高分辨干扰极具吸引力；一般来说，插值点数L取8左右就可以达到较高的精度；与其他方法相比，本发明能够大幅提高运行效率，降低计算成本。

附图说明

图1为基于调制-转发的SAR欺骗干扰原理图；

图2为基于空间频率插值的干扰系统函数计算流程图；

图3为SAR欺骗干扰模型；

图4为插值计算流程图；

图5(a)为点目标仿真结果中，散射点位置示意图；

图5(b)为点目标仿真结果中，基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法得到的虚假目标成像结果；

图5(c)为点目标仿真结果中，同一位置的真实目标成像结果；

图6(a)为采用本发明方法针对RADARSAT-1的欺骗干扰得到的原始回波成像结果；

图6(b)为采用本发明方法对RADARSAT-1施加欺骗干扰后的成像结果。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，SAR欺骗干扰原理描述如下：

干扰实施前需要提前获取干扰对象的相关参数，具体包括：1)平台运动参数，包括运动轨迹、运动速度v等；2)SAR信号参数，包括载频f₀、带宽B、脉冲重复周期PRI等。

1.干扰机接收到干扰对象的射频信号后，对其进行抗混叠滤波、下变频、模数转换、快速傅里叶变换等一系列处理，得到SAR基带数字信号；

2.于此同时，干扰机根据干扰对象的运动参数、信号参数，结合干扰模板，计算出当前时刻的干扰系统函数；

3.利用干扰系统函数对接收信号进行调制，即将干扰系统函数与接收到的SAR基带数字信号相乘，得到数字形式的基带干扰信号；

4.对生成的基带干扰信号进行快速傅里叶逆变换、数模转换、上变频、增益控制等一系列处理后，生成射频干扰信号，并通过天线进行发射。

对于接收到的每一条脉冲重复进行上述处理，干扰信号经成像处理后即可生成虚假目标图像。在整个干扰信号生成过程中，干扰系统函数的计算是最复杂和最耗时的部分，如何快速计算干扰系统函数是SAR欺骗干扰领域需要解决的重点问题。

结合图2，基于空间频率插值的SAR欺骗干扰机系统函数的计算步骤描述如下：

整个干扰过程分为初始化和实时计算两个阶段，初始化阶段包括以下步骤：

S1：根据SAR平台运动轨迹和干扰机位置，在二维斜距平面上，以干扰机的位置为原点建立欺骗干扰坐标系，其中，x轴为距离向，与SAR运动轨迹垂直，y轴为方位向，与SAR运动轨迹平行；

具体的，本发明构建的SAR欺骗干扰模型如图3所示，在干扰过程中，认为SAR平台沿直线匀速运动，速度为v；当SAR零多普勒面经过干扰机时，其与干扰机的斜距最短，将其记为R_J0；

S2：在欺骗干扰坐标系下构建干扰模板，其中，所述干扰模板由M×N个虚拟散射单元组成，且M为方位向上虚拟散射单元的数量，N为距离向上虚拟散射单元的数量，M和N至少为1；

需要说明的是，干扰模板是描述虚假场景电磁特征的散射单元集合，记录了各个坐标的散射系数，若干扰模板由M×N个虚拟散射单元组成，其中方位向虚拟散射单元数为M，距离向虚拟散射单元数为N，则虚拟散射单元在干扰坐标系中的距离向坐标可按顺序依次表示为x₁,x₂,…,x_N，方位向坐标按顺序依次表示为y₁,y₂,…,y_M，对于干扰模板中坐标为(x_n,y_m)的散射单元P(x_n,y_m)，将其散射系数记为

S3：根据各虚拟散射单元的散射系数、各虚拟散射单元与干扰机之间的初始斜距差获取干扰模板对应的干扰矩阵H₀，然后对干扰矩阵H₀进行二维快速傅里叶变换，得到二维空间谱F₀，其中，干扰矩阵H₀的各元素分别表征各虚拟散射单元的干扰函数；

具体的，所述干扰矩阵H₀的计算方法为：

其中，H₀(x_n，y_m)为干扰矩阵H₀的第m行第n列元素，其表征坐标为(x_n,y_m)的虚拟散射单元在t[0]时刻的干扰函数，且m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，同时，H₀(x_n,y_m)的计算公式如下：

其中，为干扰模板中坐标为(x_n,y_m)的虚拟散射单元的散射系数，为虚数单位，/>为坐标为(x_n,y_m)的虚拟散射单元与干扰机之间的初始斜距差，同时，/>的计算公式如下：

其中，x_n为虚拟散射单元在距离向上的坐标，y_m为虚拟散射单元在方位向上的坐标，R_J[0]为SAR平台与干扰机之间的初始斜距，其计算公式如下：

需要说明的是，步骤S1～S3为初始化阶段，在初始化完成后，即可进入实时计算阶段，在该阶段执行进行以下步骤：

S4：以SAR平台的零多普勒面经过干扰机的时刻作为时间起始基准，假设干扰机当前接收到的脉冲信号为SAR平台发射的第k个脉冲信号，并将该脉冲信号的到达时刻记为t[k]，计算该脉冲信号对应的插值频率点f_x[k]和f_y[k]：

其中，k＝1,2,…,K，K为干扰机在整个干扰过程可以接收到的脉冲信号的数量，f_x[k]为距离向上的频率插值点，f_y[k]为方位向上的频率插值点，f_r为脉冲信号的距离向频率，f₀为SAR平台的载频，t[k-1]为第k-1个脉冲信号到达干扰机的时刻，t[0]为时间起始基准后，首个到达干扰机的脉冲信号的时刻，v为SAR平台的运动速度，PRI为SAR平台的脉冲重复周期，c为光速，R_J0为干扰机与SAR平台之间的最短斜距；

S5：利用sinc函数插值法，计算二维空间谱F₀中对应于插值频率点(f_x[k],f_y[k])的值，并将该值作为第k个脉冲信号对应的干扰函数H[k]，采用干扰函数H[k]对接收到的第k个脉冲信号进行调制，生成对应的干扰信号。

具体的，如图4所示，所述插值频率点(f_x[k],f_y[k])的计算具体步骤如下：

S51：将插值频率点f_x[k]和f_y[k]换算为二维空间谱F₀中的行坐标p和列坐标q：

p＝f_y[k]·Δy·M+1

q＝f_x[k]·Δx·N+1

其中，Δx为虚拟散射单元在距离向上的尺寸，Δy为虚拟散射单元在方位向上的尺寸；

S52：分离行坐标p和列坐标q的小数部分和整数部分：

p_f＝p-p_i

q_f＝q-q_i

其中，p_i为行坐标p的整数部分，q_i为列坐标q的整数部分，为向下取整，p_f为行坐标p的小数部分，q_f为列坐标q的小数部分；

S53：以二维空间谱F₀第p_i行第q_i列的元素F₀[p_i,q_i]为中心，利用sinc函数进行插值，得到第k个脉冲信号对应的干扰函数H[k]：

其中，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)为插值核函数，L为设定的插值点数，且L为偶数。

需要说明的是，本发明在实时计算阶段的计算复杂度仅取决于插值点数L，而与干扰模板中散射单元的数目无关，这一特性对大场景或者高分辨干扰极具吸引力。一般来说，插值点数L取8点左右就可以达到较高的精度。与其他方法相比，本发明能够大幅提高运行效率，降低计算成本。同时，由于sinc插值是对二维空间谱矩阵F0进行的，则利用sinc函数进行插值时，行坐标p和列坐标q的取值遍历的L行L列差值模板，这里的差值模板指的是二维空间谱矩阵F0；若M和N的取值小于的L取值时，应当先用0元素对干扰模板，或者干扰矩阵H0进行扩充，然后再进行二维傅里叶变换，sinc插值等操作。

S6：判断干扰机是否还接收到SAR平台发射的脉冲信号，若接收到，则将新接收到的脉冲信号作为第k+1个脉冲信号，并将第k+1个脉冲信号代替第k个脉冲信号重复步骤S4～S5，以此类推，直到干扰机无法接收到SAR平台发射的脉冲信号。

需要说明的是，由于SAR平台以一定的脉冲重复间隔PRI发射脉冲信号，而随着SAR平台的运动，SAR平台会逐渐远离干扰机的探测范围，则在整个干扰过程中，干扰机不断接收SAR平台发出的脉冲信号，不断计算接收到的脉冲信号对应的干扰函数，直到无法接收到SAR平台的脉冲信号，干扰结束。

由此可见，本发明将干扰过程分为初始化阶段和实时计算阶段，其中，初始化阶段主要包括坐标系、干扰模块的建立以及二维空间谱的获取；在完成初始化阶段后，利用sinc函数插值法，根据确定好的二维空间谱获取每一个到达干扰机的脉冲信号对应的干扰函数，最后再利用干扰函数对接收到的SAR平台的脉冲信号进行调制后，即可生成对应的干扰信号；因此，本发明仅在初始化阶段的计算量较大，而后的根据干扰机实时接收的脉冲信号对SAR平台进行干扰的阶段运算量大大减小，则本发明可以在接收到SAR天线的副瓣信号时提前进行初始化，即提前完成步骤S1～S3的操作，然后在接收到SAR天线辐射最强主瓣信号时发出干扰信号。

结合图5，利用基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号快速生成方法，对虚假点目标的仿真结果如下：

干扰对象的主要参数如下：载频11GHz，信号调频率50MHz/μs，脉冲重复周期0.14ms，脉宽3μs，运动速度7.1km/s，干扰机与SAR之间的最短斜距为900km。

图5(a)为干扰模板的散射点位置示意图，干扰模板为3×3的散射点阵列，相邻点之间的距离和方位向间隔均为0.3km，干扰机位于模板中心；此时，若插值点数设为8，则利用sinc函数进行插值时，插值对应的8行8列的差值模板，除了中间的3行3列为各虚拟散射单元对应的二维空间谱外，其余元素均设置为0。

图5(b)为基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法得到的虚假目标成像结果；图5(c)为对同一位置的真实目标回波进行成像所得到的结果。从中可以看到，虚假目标与真实目标在形状、位置、亮度等各方面完全相同，说明本发明生成的干扰信号具有良好的脉内和脉间相干性，在成像处理过程中保证了优良的聚焦性能，生成的SAR图像能够实现对干扰模板的精确还原。

结合图6，采用基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，针对RADARSAT-1的欺骗干扰结果如下：

图6(a)为干扰前原始回波的成像结果；图6(b)为施加干扰信号后的成像结果。由此可见，采用本发明的干扰信号生成方法施加欺骗干扰后，在原来空无一物的水面上加入了虚假的码头和船舶。虚假目标在清晰度、亮度、纹理等方面与原图像一致，与真实目标融为一体，难以区分，起到良好的欺骗和伪装作用，体现了本发明的有效性。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在二维斜距平面上，以干扰机的位置为原点建立欺骗干扰坐标系，其中，x轴为距离向，y轴为方位向；

S2：在欺骗干扰坐标系下构建干扰模板，其中，所述干扰模板由M×N个虚拟散射单元组成，且M为方位向上虚拟散射单元的数量，N为距离向上虚拟散射单元的数量；

S3：根据各虚拟散射单元的散射系数、各虚拟散射单元与干扰机之间的初始斜距差获取干扰模板对应的干扰矩阵H₀，然后对干扰矩阵H₀进行二维快速傅里叶变换，得到二维空间谱F₀，其中，干扰矩阵H₀的各元素分别表征各虚拟散射单元的干扰函数；

S4：以SAR平台的零多普勒面经过干扰机的时刻作为时间起始基准，假设干扰机当前接收到的脉冲信号为SAR平台发射的第k个脉冲信号，并将该脉冲信号的到达时刻记为t[k]，计算该脉冲信号对应的插值频率点f_x[k]和f_y[k]：

其中，f_x[k]为距离向上的频率插值点，f_y[k]为方位向上的频率插值点，f_r为脉冲信号的距离向频率，f₀为SAR平台的载频，t[k-1]为第k-1个脉冲信号到达干扰机的时刻，t[0]为时间起始基准后，首个到达干扰机的脉冲信号的时刻，v为SAR平台的运动速度，PRI为SAR平台的脉冲重复周期，c为光速，R_J0为干扰机与SAR平台之间的最短斜距；

S5：利用sinc函数插值法，计算二维空间谱F₀中对应于插值频率点(f_x[k],f_y[k])的值，并将该值作为第k个脉冲信号对应的干扰函数H[k]，采用干扰函数H[k]对接收到的第k个脉冲信号进行调制，生成对应的干扰信号。

2.如权利要求1所述的一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S6：判断干扰机是否还接收到SAR平台发射的脉冲信号，若接收到，则将新接收到的脉冲信号作为第k+1个脉冲信号，并将第k+1个脉冲信号代替第k个脉冲信号重复步骤S4～S5，以此类推，直到干扰机无法接收到SAR平台发射的脉冲信号。

3.如权利要求1所述的一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，其特征在于，所述干扰矩阵H₀的计算方法为：

其中，H₀(x_n,y_m)为干扰矩阵H₀的第m行第n列元素，其表征坐标为(x_n,y_m)的虚拟散射单元在t[0]时刻的干扰函数，且m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，同时，H₀(x_n,y_m)的计算公式如下：

其中，为干扰模板中坐标为(x_n,y_m)的虚拟散射单元的散射系数，/>为虚数单位，/>为坐标为(x_n,y_m)的虚拟散射单元与干扰机之间的初始斜距差，同时，的计算公式如下：

其中，x_n为虚拟散射单元在距离向上的坐标，y_m为虚拟散射单元在方位向上的坐标，R_J[0]为SAR平台与干扰机之间的初始斜距，其计算公式如下：

4.如权利要求1所述的一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，其特征在于，所述插值频率点(f_x[k],f_y[k])的计算方法为：

S51：将插值频率点f_x[k]和f_y[k]换算为二维空间谱F₀中的行坐标p和列坐标q：

p＝f_y[k]·Δy·M+1

q＝f_x[k]·Δx·N+1

其中，Δx为虚拟散射单元在距离向上的尺寸，Δy为虚拟散射单元在方位向上的尺寸；

S52：分离行坐标p和列坐标q的小数部分和整数部分：

p_f＝p-p_i

q_f＝q-q_i

其中，p_i为行坐标p的整数部分，q_i为列坐标q的整数部分，为向下取整，p_f为行坐标p的小数部分，q_f为列坐标q的小数部分；

S53：以二维空间谱F₀第p_i行第q_i列的元素F₀[p_i,q_i]为中心，利用sinc函数进行插值，得到第k个脉冲信号对应的干扰函数H[k]：

其中，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)为插值核函数，L为设定的插值点数，且L为偶数。

5.如权利要求4所述的一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，其特征在于，L为8。

6.如权利要求1所述的一种基于空间频率插值的星载SAR欺骗干扰信号生成方法，其特征在于，所述距离向与SAR平台的运动轨迹垂直，方位向与SAR平台的运动轨迹平行。