CN113189549A - 一种基于调频率时变复杂波形的星载sar抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，设计了一类具有低互相关、高自相关特征的复合调制信号，可直接应用于欺骗干扰抑制技术而不需要进行迭代搜索；同时，通过周期的发射加入随机相位的发射脉冲序列，将原本聚焦好的欺骗干扰的能量分散到距离‑方位二维平面，能够显著提升了欺骗干扰抑制能力。

Description

一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)技术领域，尤其涉及一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种有源遥感雷达系统，可以实现全天时全天候的高分辨成像，在战场侦察、灾害监测及预警、地形测绘、资源勘探等方面发挥着其它对地观测传感器不具备的作用。然而，作为一种宽带雷达系统，合成孔径雷达在工作频段内易受到多种电磁干扰的影响，这些干扰主要分为无源干扰、压制干扰和欺骗干扰。其中欺骗干扰一般是通过“截获-调制-转发”的方式模拟SAR的回波特征，信号强度与真实回波类似。即使合成孔径雷达可以通过匹配滤波获得较高的能量积累，单欺骗干扰仍可以在成像结果中形成聚焦好的的虚假目标。经过精细设计的虚假目标具有与真实目标相似的散射特性，能够与合成孔径雷达图像较好地融合，具有极高的隐蔽性，从而进一步影响后续合成孔径雷达在运动目标检测、目标自动识别等方面的发挥和应用。

因此，开展抗欺骗干扰技术的研究具有相当的必要性。目前主要采用波形捷变的方法并通过以下两个途径来提高抑制欺骗干扰的性能：第一，考虑使用噪声调频信号、噪声加正弦信号以及随机二相编码等形式，进一步降低信号被截获的概率；第二，通过在不同慢时刻发射相互正交的波形信号，达到抑制转发式欺骗干扰的目的。然而在波形捷变技术中，所使用波形的真实正交性能还需要实测验证。同时，合适的编码仍需要采用遗传算法、模拟退火算法等复杂技术去搜索。

发明内容

为解决星载SAR成像中欺骗干扰抑制问题，本发明提供一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，通过周期的发射加入随机相位的MS-LFM信号，将原本聚焦好的欺骗干扰的能量分散到距离-方位二维平面，显著提升了欺骗干扰抑制能力。

一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，包括以下步骤：

S1：令n＝0,1,2....,N，分别将2ⁿ段脉冲宽度不同、调频率不同的线性调频信号进行拼接，得到N+1类复合调制信号，其中，N为设定的类别数量；

S2：从N+1类复合调制信号中选出前K类复合调制信号，并将所述前K类复合调制信号以设定的脉冲重复频率进行周期性排布，得到初始发射脉冲序列；其中，K的取值与排布复杂度和初始发射脉冲序列的抗干扰性能有关；

S3：分别为所述初始发射脉冲序列中的各个复合调制信号加入一个[0,2π]范围内的随机相位，得到最终的发射脉冲序列；

S4：星载合成孔径雷达对外辐射所述发射脉冲序列，实现星载合成孔径雷达成像中的抗干扰。

进一步地，各类复合调制信号的表达式如下：

当n＝0时，第0类复合调制信号s(t)为：

其中，a为设定步长，且0＜a＜1，m表示步数，且满足0＜am＜1，γ为参考调频率，T_p为设定发射脉冲脉宽，j为虚部单元；

当n＝1时，第1类复合调制信号s(t)为：

其中，i表示复合调制信号中线性调频信号的段号，且当n＝1时，i＝1,2，t₁和t₂表示区间变量；

当n≥2时，第2～N类复合调制信号s(t)为：

其中，当n≥2时，段号i＝1,2,…,2ⁿ，mod为求余函数。

进一步地，所述K越大，排布复杂度越大，初始发射脉冲序列的抗干扰性能越好。

进一步地，所述随机相位符合均匀分布。

进一步地，步骤S2中所述的脉冲重复频率的设定方法如下：

S21：获取星载合成孔径雷达的斜距历程的最大值R_max、斜距历程的最小值R_min、方位采样频率的最大值PRF_max以及方位采样频率的最小值PRF_min如下：

其中，

为卫星位置矢量，

为场景位置矢量，P_G为观测场景位置的集合，T为卫星观测的总时间历程，||·||₂为向量求模运算，ΔR_max为最大瞬时斜距差，c为光速，λ为载波波长，

为卫星速度矢量，B_max为最大瞬时多普勒带宽，<·>为向量求内积运算；

S22：在方位采样率范围[PRF_min,PRF_max]内选取一个脉冲重复频率PRF，使得星载合成孔径雷达对外辐射以该脉冲重复频率PRF进行周期性排布的发射脉冲序列时，接收到的回波信号在斜距变化范围[R_min,R_max]内与星下点回波和发射脉冲序列均不重叠。

有益效果：

本发明提供一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，设计了一类具有低互相关、高自相关特征的复合调制信号，可直接应用于欺骗干扰抑制技术而不需要进行迭代搜索；同时，通过周期的发射加入随机相位的发射脉冲序列，将原本聚焦好的欺骗干扰的能量分散到距离-方位二维平面，能够显著提升了欺骗干扰抑制能力。

附图说明

图1为基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗欺骗干扰方法流程图；

图2为本发明MS-LFM信号示意图；

图3为本发明生成的发射脉冲序列示意图；

图4是本发明中成像时间与脉冲间隔关系图；

图5是本发明中三种波形的自相关与互相关增益图；

图6是本发明中点/面目标仿真场景示意图；

图7是本发明中点/面目标成像结果示意图。

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。

本发明是一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，流程图如图1所示，其具体步骤包括：

S1：令n＝0,1,2....,N，分别将2ⁿ段脉冲宽度不同、调频率不同的线性调频信号进行拼接，得到N+1类复合调制信号，其中，N为设定的类别数量。

需要说明的是，复合调制信号—MS-LFM(Multiple Segements-LFM)信号是以线性调频信号为基础，通过拼接若干段脉冲宽度不同、调频率不同的线性调频信号，构成的具有“高自相关、低互相关”特性的发射信号。该信号可以根据拼接段数被分为不同的类型，第n类MS-LFM信号(n＝0,1,2....)由2ⁿ段线性调频信号组成(n＝0时为LFM信号)；此外，由于每类信号的初始调频率可正可负，因此一类信号中具有两个MS-LFM信号，具体表达式如下所示：

当n＝0时，第0类复合调制信号s(t)为：

其中，a为设定步长，决定了各段信号中最小调频率之差，且0＜a＜1，m表示步数，且满足0＜am＜1，γ为参考调频率，T_p为设定发射脉冲脉宽，j为虚部单元；

当n＝1时，第1类复合调制信号s(t)为：

其中，i表示复合调制信号中线性调频信号的段号，且当n＝1时，i＝1,2，t₁和t₂表示区间变量；

当n≥2时，第2～N类复合调制信号s(t)为：

其中，当n≥2时，段号i＝1,2,…,2ⁿ，mod为求余函数。

例如，图2(a)～图2(c)给出了n＝0,1,2时，初始调频率为正的MS-LFM信号。由于其每一段均具有不同的调频率，因此类波形可以实现“高自相关、低互相关”的设计要求。

S2：从N+1类复合调制信号中选出前K类复合调制信号，并将所述前K类复合调制信号以设定的脉冲重复频率进行周期性排布，得到初始发射脉冲序列；其中，K的取值与排布复杂度和初始发射脉冲序列的抗干扰性能有关；其中，K值越大，排布复杂度越大，初始发射脉冲序列的抗干扰性能越好。

也就是说，步骤S3基于每类MS-LFM信号间具有“高自相关、低互相关”的特性，根据需求选取第0类到第K-1类信号，得到K个MS-LFM信号并将其以设定的脉冲重复频率并逐发射脉冲周期排布，得到发射脉冲序列，其中，K可以根据实际需要的排布复杂度和抗干扰性能来取值。

图3以K＝3为例，给出了此时所生成的发射脉冲序列示意图，如图3所示，第0类和第1类的两个MS-LFM信号顺次排布多个脉冲重复周期，得到初始发射脉冲序列；需要注意，对接收回波进行匹配滤波时，匹配滤波函数也应该保持相同规律逐脉冲周期排布，以保证将欺骗干扰沿距离向散焦。

S3：分别为所述初始发射脉冲序列中的各个复合调制信号加入一个[0,2π]范围内的随机相位，得到最终的发射脉冲序列。

可选的，所述随机相位符合均匀分布，该随机相位会在成像处理时去除以保证场景回波良好聚焦，而由于欺骗干扰在转发时出现延迟其随机相位会产生残留，使欺骗干扰沿方位向再次散焦。MS-LFM信号加随机相位的结合使得欺骗干扰在距离-方位平面散焦，显著抑制了欺骗干扰。

S4：星载合成孔径雷达对外辐射所述发射脉冲序列，实现星载合成孔径雷达成像中的抗干扰。

进一步地，一般来说，脉冲重复间隔的成功选取主要依靠斑马图，其横坐标为方位采样频率，纵坐标为斜距。对于不同的星载SAR数据获取构型，其几何模型是不同的，所对的斜距变化范围，方位采样频率范围也是不同的；基于此，本发明给出步骤S2中所述的脉冲重复频率的一种设定方法，包括以下步骤：

S21：获取星载合成孔径雷达的斜距历程的最大值R_max、斜距历程的最小值R_min、方位采样频率的最大值PRF_max以及方位采样频率的最小值PRF_min如下：

其中，

为卫星位置矢量，

为场景位置矢量，P_G为观测场景位置的集合，T为卫星观测的总时间历程，||·||₂为向量求模运算，ΔR_max为最大瞬时斜距差，c为光速，λ为载波波长，

为卫星速度矢量，B_max为最大瞬时多普勒带宽，<·>为向量求内积运算；

S22：在方位采样率范围[PRF_min,PRF_max]内选取一个脉冲重复频率PRF，使得星载合成孔径雷达对外辐射以该脉冲重复频率PRF进行周期性排布的发射脉冲序列时，接收到的回波信号在斜距变化范围[R_min,R_max]内与星下点回波和发射脉冲序列均不重叠。

下面以某型星载SAR为例，对本发明提供的一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法进行详细说明。

为验证基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法在抑制欺骗干扰的优势，在条带模式下使用表1参数对数据采集时含有欺骗干扰的场景回波进行仿真，通过成像结果观察其欺骗干扰抑制效果。

表1 SAR卫星关键参数列表

结合表1中参数可以得到具有完整数据采集能力的脉冲重复间参数，成像时间与脉冲间隔的关系如图4所示。在本实施例中使用了三种MS-LFM信号，分别为单段LMF信号S₁；n＝1、a＝0.4、m＝1的MS-LFM信号S₂；n＝2、a＝0.4、m＝3的MS-LFM信号S₃(三种信号的初始调频率均为正)。图5(a)～图5(f)给出了三种波形的自相关与互相关增益图，从图中可以发现它们均具有“高自相关，低互相关”的特点，满足设计要求。接下来将三种波形依据图3给出的关系逐脉冲周期排布，并在每个脉冲中加入随机相位，完成发射脉冲序列设计。

使用该发射脉冲序列在存在欺骗干扰的情况下分别对点目标与面目标进行成像，干信比为20db、转发延迟一个脉冲间隔，图6(a)～图6(d)分别给出了在点目标和面目标仿真下，真实场景与叠加了欺骗干扰后场景的后向散射系数。实施例采用的成像算法为距离多普勒(RD)算法，并分别使用本发明中的MS-LFM信号与chirp信号对场景进行成像，最终得到的成像结果如图7(a)～图7(d)所示。可以发现，采用MS-LFM信号后图中欺骗干扰均被良好抑制，说明MS-LFM信号与随机相位结合的方法具有良好的抗欺骗干扰能力，显著抑制了欺骗干扰对成像的影响。

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 (5)

1.一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：令n＝0,1,2....,N，分别将2ⁿ段脉冲宽度不同、调频率不同的线性调频信号进行拼接，得到N+1类复合调制信号，其中，N为设定的类别数量；

S2：从N+1类复合调制信号中选出前K类复合调制信号，并将所述前K类复合调制信号以设定的脉冲重复频率进行周期性排布，得到初始发射脉冲序列；其中，K的取值与排布复杂度和初始发射脉冲序列的抗干扰性能有关；

S3：分别为所述初始发射脉冲序列中的各个复合调制信号加入一个[0,2π]范围内的随机相位，得到最终的发射脉冲序列；

S4：星载合成孔径雷达对外辐射所述发射脉冲序列，实现星载合成孔径雷达成像中的抗干扰。

2.如权利要求1所述的一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，其特征在于，各类复合调制信号的表达式如下：

当n＝0时，第0类复合调制信号s(t)为：

其中，a为设定步长，且0＜a＜1，m表示步数，且满足0＜am＜1，γ为参考调频率，T_p为设定发射脉冲脉宽，j为虚部单元；

当n＝1时，第1类复合调制信号s(t)为：

其中，i表示复合调制信号中线性调频信号的段号，且当n＝1时，i＝1,2，t₁和t₂表示区间变量；

当n≥2时，第2～N类复合调制信号s(t)为：

其中，当n≥2时，段号i＝1,2,…,2ⁿ，mod为求余函数。

3.如权利要求1所述的一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，其特征在于，所述K越大，排布复杂度越大，初始发射脉冲序列的抗干扰性能越好。

4.如权利要求1所述的一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，其特征在于，所述随机相位符合均匀分布。

5.如权利要求1所述的一种基于调频率时变复杂波形的星载SAR抗干扰方法，其特征在于，步骤S2中所述的脉冲重复频率的设定方法如下：

S21：获取星载合成孔径雷达的斜距历程的最大值R_max、斜距历程的最小值R_min、方位采样频率的最大值PRF_max以及方位采样频率的最小值PRF_min如下：

其中，

为卫星位置矢量，

为场景位置矢量，P_G为观测场景位置的集合，T为卫星观测的总时间历程，||·||₂为向量求模运算，ΔR_max为最大瞬时斜距差，c为光速，λ为载波波长，

为卫星速度矢量，B_max为最大瞬时多普勒带宽，<·>为向量求内积运算；

S22：在方位采样率范围[PRF_min,PRF_max]内选取一个脉冲重复频率PRF，使得星载合成孔径雷达对外辐射以该脉冲重复频率PRF进行周期性排布的发射脉冲序列时，接收到的回波信号在斜距变化范围[R_min,R_max]内与星下点回波和发射脉冲序列均不重叠。

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