CN114609598A - 基于图像反演的合成孔径雷达(sar)场景欺骗干扰方法 - Google Patents

基于图像反演的合成孔径雷达(sar)场景欺骗干扰方法 Download PDF

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CN114609598A CN202210177716.3A CN202210177716A CN114609598A CN 114609598 A CN114609598 A CN 114609598A CN 202210177716 A CN202210177716 A CN 202210177716A CN 114609598 A CN114609598 A CN 114609598A
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Abstract

本发明属于电子对抗领域，具体涉及基于图像反演的合成孔径雷达(SAR)场景欺骗干扰方法，包括：步骤一：SAR图像反演预处理，1.1SAR图像干扰场景设定，1.2生成SAR图像反演模板复数据；步骤二：采用CS反演算法反演图像至回波，2.1方位相位反演，2.2距离相位、SRC及一致RCMC反演，2.3补余RCMC反演；步骤三，干扰数据生成。本发明对设定的SAR场景图像进行随机相位补偿预处理之后，采用CS反演算法直接获取欺骗干扰信号。较于传统欺骗干扰，无需经过复杂的信号迭代卷积，能够更加直观的生成干扰图像模板对应的欺骗信号，且可基于此方法在一定程度上通过不同的图像扩展干扰信号数据库，突破了当前SAR欺骗干扰信号生成的局限性。

Description

基于图像反演的合成孔径雷达(SAR)场景欺骗干扰方法
技术领域
本发明属于电子对抗领域，具体涉及基于图像反演的合成孔径雷达(SAR)场景欺骗干扰方法。
背景技术
目前，合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，以下简称SAR)由于其全天时、全天候、强穿透力等优势在现代电子侦察领域中的应用程度不断加深，如何高效的对抗雷达成像并保护己方重要场景设施对当前科技发展至关重要。
SAR干扰作为SAR对抗技术的关键组成部分，其主要是利用SAR系统成像机理生成干扰信号，进一步影响到最终的成像效果，达到阻碍SAR系统侦察有意义的情报的目的。传统SAR干扰是将探测到的目标信号结合干扰数据库模板及地理位置等进行卷积调制后形成类似回波的欺骗信号，生成的欺骗信号无法直观的展现其干扰效果，即存在欺骗信号无可视性，且当前SAR干扰数据库不足使得该方法无法有效的应用，难以适应当前电子对抗领域的需求。研究基于图像反演的干扰方法可以直接根据图像直观的明确干扰效果，利用不同的图像扩充SAR干扰数据库，增强电子对抗能力。
通过对现有技术文献的检索发现，Y.Liu等在《IEEE JOURNAL OF SELECTEDTOPICS IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING》(2016，9(07)：3037-3049)发表的“Inverse Omega-K Algorithm for the Electromagnetic”采用IOmega-KAlgorithm算法及CZT插值进行SAR欺骗干扰，取得了较高实时性以及良好的干扰效果，但其并不是从图像角度着手，其欺骗干扰信号的生成依然需要依赖干扰模板数据库；Chang,X等在《IET RADAR SONAR AND NAVIGATION》(2019，13(02)：310-315)发表了“Mosaic scenedeception jamming based on 2D separation modulation against SAR”，用截获的SAR信号在方位角和距离上被分离并重传，以扩大主瓣的宽度并产生“马赛克场景”，从而降低了填充保护区的假目标的分辨率以达到减少虚假散射体的数量和减小计算负担的目的，该方法一定程度上降低了对模板的依赖，但生成欺骗信号的可视性不足；Yang,KZ在《IEEEJOURNAL OF SELECTED TOPICS IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING》(2020，13：5580-5596)上发表的“Fast Generation of Deceptive Jamming SignalAgainst Space-Borne SAR”提出了通过泰勒级数展开和近似的基础上利用推导出的递归公式计算当前系统函数来生成干扰信号的方法，但依然没有避免干扰数据库不足带来的影响。
已有文献检索结果表明，SAR场景欺骗干扰在有干扰模板的条件下可以通过一些算法的改进和近似达到良好的欺骗效果，但是干扰模板数据库的不足始终影响着欺骗干扰信号的丰富性，并且利用通过干扰模板进行信号卷积生成的欺骗信号完全无法直观的去观察欺骗信号的效果。因此提出了一种直接由图像反演生成欺骗信号的SAR场景欺骗干扰方法，其具体方法是为设定SAR干扰图像场景并添加随机相位作为压缩数据的近似，通过CS反演算法反演为欺骗信号，解决了当前SAR场景欺骗干扰数据库不足且不具备直观性的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供基于图像反演的合成孔径雷达(SAR)场景欺骗干扰方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
基于图像反演的合成孔径雷达(SAR)场景欺骗干扰方法，步骤如下：
步骤一：SAR图像反演预处理
1.1SAR图像干扰场景设定
设定满足当前被干扰对象条件的SAR图像干扰场景，并根据已知雷达分辨率参数对图像模板进行分辨率统一化处理；
1.2生成SAR图像反演模板复数据
生成SAR干扰模板图像复数据S1(τ,η)，其中τ表示距离向时间，η表示方位向时间；为其添加
Figure BDA0003520978840000021
之间的随机相位矩阵exp{jφ}作为图像的近似，其中φ为随机数，以反演出数据的近似相位，即S1(τ,η)＝S0(τ,η)×exp{jφ}，其中φ为随机数，S0代表灰度矩阵；
步骤二：采用CS反演算法反演图像至回波
2.1方位相位反演
将SAR反演模板图像复数据S1(τ,η)通过S2(τ,fη)＝FFTa{S1(τ,η)}从SAR图像域反演至距离多普勒域，其中S2(τ,fη)为方位傅里叶处理后的图像数据，fη为方位多普勒频率；再通过
Figure BDA0003520978840000022
完成方位相位反演，其中Haz(fη)为反演时方位向的匹配滤波器，H1为附加相位反演公式；
2.2距离相位、SRC及一致RCMC反演
经过方位反演后的信号S3(τ,fη)先通过距离向FFT回到二维频域得到S4(fτ,fη)，然后通过
Figure BDA0003520978840000023
进行距离相位及距离徙动反演,其中Hrg(fτ)为距离向参考函数，H2为一致RCMC相位反演函数；
2.3补余RCMC反演
补余RCMC反演在距离多普勒域实现，距离相位反演后的信号经过距离向逆傅里叶变换S6(τ,fη)＝IFFT{S5(fτ,fη)}之后通过
Figure BDA0003520978840000031
完成补余RCMC的反演，其中H3为变标方程，S7(τ,fη)通过方位向傅里叶逆变换S7(τ,η)＝IFFT{S6(τ,fη)}反演为欺骗干扰信号；
步骤三：干扰数据生成
生成的欺骗干扰信号在干扰机的控制下，通过功率的调控生成亮度和清晰度合适的欺骗干扰信号进行发射，并对敌方SAR平台实施干扰。
进一步地，步骤2.1中的所述反演时方位向的匹配滤波器Haz(fη)为：
Figure BDA0003520978840000032
其中，R0表示SAR雷达到目标的最短斜距，SAR平台工作频率f0在仿真中取值为5.3GHz，D(fη)为徙动因子，光速c取值为3×108m/s；附加相位反演公式H1为：
Figure BDA0003520978840000033
fηref取值为-6900Hz，Rref值即为最近斜距R0，
Figure BDA0003520978840000034
Km表示改变后的距离调频率，
Figure BDA0003520978840000035
其中SAR平台速度v取值为7062m/s，线性调频率Kr取值为7.2135×1011Hz/s。
进一步地，步骤2.2中的距离向参考函数为
Figure BDA0003520978840000036
一致RCMC相位反演函数为
Figure BDA0003520978840000037
进一步地，步骤2.3中的变标方程
Figure BDA0003520978840000038
其中τ'表示变标方程里面的距离时间且
Figure BDA0003520978840000039
本发明的有益效果在于：
与现有技术相比，本发明针对不能直观的根据图像生成SAR场景欺骗干扰信号，且当前SAR干扰数据库不足的问题，设计了基于图像反演的SAR场景欺骗干扰方法，实现了从图像域直接到信号域的转换。对SAR干扰图像模板，采用CS反演算法，能高效直观的将SAR干扰图像模板反演生成欺骗干扰信号。实验仿真结果表明，由图像直接反演生成的欺骗目标与真实目标的轮廓基本一致，并且欺骗信号的聚焦效果良好，能在真实SAR场景下应用，可以达到较好的欺骗效果。
本发明对设定的SAR场景图像进行随机相位补偿预处理之后，采用CS反演算法直接获取欺骗干扰信号。较于传统欺骗干扰，无需经过复杂的信号迭代卷积，能够更加直观的生成干扰图像模板对应的欺骗信号，且可基于此方法在一定程度上通过不同的图像扩展干扰信号数据库，突破了当前SAR欺骗干扰信号生成的局限性。
附图说明
图1为本发明基于图像反演的SAR场景欺骗干扰方法的总体框图。
图2为本发明基于图像反演的真实目标与欺骗目标升采样分析图。
图3为本发明基于图像反演的SAR点目标欺骗干扰三维效果图。
图4为本发明基于图像反演的SAR场景欺骗干扰方法的真实场景效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
步骤一：SAR图像反演预处理
(1)SAR图像干扰场景设定
设定满足当前被干扰对象条件的SAR图像干扰场景，并根据已知雷达分辨率参数对图像模板进行分辨率统一化处理。即通过待干扰区域面积结合侦察的SAR参数计算干扰需要的像素数为干扰图像模板重新设定分辨率使干扰模板图片更具有欺骗性。
在仿真中结合海面与岛屿设定岛屿为SAR图像干扰场景。
(2)生成SAR图像反演模板复数据
在图像选取完成后，对该模板添加相位使其更加接近于真实SAR图像。生成SAR干扰模板图像复数据S1(τ,η)，其中τ表示距离向时间，η表示方位向时间。压缩数据相位由于具有随机性，故而不能完全反演恢复，只能通过近似，为其添加
Figure BDA0003520978840000041
之间的随机相位矩阵exp{jφ}作为图像的近似，其中φ为随机数，以反演出数据的近似相位，即S1(τ,η)＝S0(τ,η)×exp{jφ}。其中S0代表灰度矩阵。
步骤二：采用CS反演算法反演图像至回波
(1)方位相位反演
SAR反演模板图像复数据S1(τ,η)在逆算法中相当于压缩处理完成的数据，需要将其通过S2(τ,fη)＝FFTa{S1(τ,η)}，从SAR图像域反演至距离多普勒域便于方位相位反演，其中S2(τ,fη)为方位傅里叶处理后的图像数据，fη为方位多普勒频率。再经过
Figure BDA0003520978840000051
完成方位相位反演，其中Haz(fη)为反演时方位向的匹配滤波器，
Figure BDA0003520978840000052
其中R0表示SAR雷达到目标的最短斜距，信号波长λ取值为0.0566，SAR平台工作频率f0在仿真中取值为5.3GHz，D(fη)为徙动因子，光速c取值为3×108m/s；H1为附加相位反演公式，
Figure BDA0003520978840000053
fηref取值为-6900Hz，本文中参考目标选在场景中心，因此Rref值即为最近斜距R0，
Figure BDA0003520978840000054
Km表示改变后的距离调频率，
Figure BDA0003520978840000055
其中SAR平台速度v取值为7062m/s，线性调频率Kr取值为7.2135×1011Hz/s。
(2)距离相位、SRC及一致RCMC反演
CS成像算法是在二维频域将信号进行距离压缩、SRC以及一致RCMC的，因此，经过方位解压缩后的信号S3(τ,fη)先通过距离向FFT回到二维频域得到S4(fτ,fη)，在二维频域与距离向参考因子和一致RCMC相位相除进行距离相位及距离徙动反演。整体计算为
Figure BDA0003520978840000056
其中距离向参考函数为
Figure BDA0003520978840000057
一致RCMC相位反演函数为
Figure BDA0003520978840000058
(3)补余RCMC反演
补余RCMC反演在距离多普勒域实现，距离相位反演后的信号经过距离向逆傅里叶变换S6(τ,fη)＝IFFT{S5(fτ,fη)}之后与补余RCMC中的变标方程相除完成补余RCMC的反演，即
Figure BDA0003520978840000061
其中
Figure BDA0003520978840000062
为变标方程，τ'表示变标方程里面的距离时间且
Figure BDA0003520978840000063
而S7(τ,fη)即为已经经过所有相位反演和徙动反演后的回波信号，只需通过方位向傅里叶逆变换S7(τ,η)＝IFFT{S6(τ,fη)}就能反演为欺骗干扰信号。
步骤三：干扰数据生成
生成的欺骗信号在干扰机的控制下通过功率的调控生成亮度和清晰度合适的欺骗干扰信号进行发射并对SAR平台实施干扰。
点目标仿真中假设SAR雷达发射的信号为线性调频信号s(t)，
Figure BDA0003520978840000064
其中为T为信号脉宽，取值为2.5μs，载频取5.3GHz，距离chrip调频率取值为20×1012Hz/s，且仿真参考点在脉冲中心，最近斜距R0取值为2×104m，v取值为150m/s，距离向分辨率约为3m，方位向分辨率约为3.75m，采用正侧视的方法进行点目标仿真。
电磁信号从SAR载荷到该散射目标再从散射目标回到SAR载荷这个过程中，信号的延迟时间为
Figure BDA0003520978840000065
点目标的后向散射系数为A0取值为1，则此时的回波信号为
Figure BDA0003520978840000066
其中ωr(t)为距离向脉冲包络，由于SAR载荷会始终在方位向前进，随着脉冲的不断发射，相应的回波便按行连续进入信号处理器，形成二维回波并经过正交解调去除雷达载频后的单点基带信号为：
Figure BDA0003520978840000067
其中ηc为波束中心偏离时间，ωa(η)为方位包络信号。所以SAR雷达收到的信号为s_raw(t,η)＝s(t,η)+S7(τ,η)。
真实场景的实验仿真采用的是加拿大航空局的RADARSAT-1高分辨率数据，反演场景设定采用的是岛屿场景图，仿真中雷达发射的信号为线性调频信号，有效雷达速率v取值为7062m/s，脉冲宽度取值为30.111μs，最近斜距R0取值为9.8865×105m，载频取5.3GHz，距离chrip调频率取值为7.2135×1011Hz/s，多普勒中心频率取值为-6900Hz。
图2所示升采样对比结果中体现出欺骗目标与真实目标存在之间的细节差异，虽然主瓣和旁瓣相比于真实目标出现了一定程度的扭曲变形，这是由于其中采用了相位近似的方法造成的，但聚焦性依然可观，欺骗效果良好。
根据图3所示的三维结果图，欺骗假目标与真实目标幅度存在差异，但可以通过对功率和幅度的调控改变其输出幅度，整体体现出了该方法在欺骗效果上可以达到较好的迷惑性。
根据图4所示的基于图像反演的真实场景SAR欺骗干扰效果图，设定的SAR欺骗干扰岛屿场景在经过反演后成功融合进待欺骗背景左下角中，具体欺骗位置由红色框标出，可以看出整体欺骗效果良好，并且可以直观的设定任何干扰场景图片通过反演的方式对背景进行欺骗干扰，这也是本发明的优势，通过对比反演前设定的欺骗场景和反演后的欺骗场景的对比可得出相位的近似并没有在实际场景生成中带来图像聚焦性的恶化，说明本发明所采用的方法合理。
本发明所设计的基于图像反演的SAR欺骗场景干扰方法可以直接根据图片场景反演出干扰信号并实施干扰，且干扰信号的聚焦性较好，在拥有较好的干扰效果的同时，也可以通过该方式生成大量干扰信号扩充SAR干扰模板数据库。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于图像反演的合成孔径雷达(SAR)场景欺骗干扰方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：SAR图像反演预处理
1.1 SAR图像干扰场景设定
设定满足当前被干扰对象条件的SAR图像干扰场景，并根据已知雷达分辨率参数对图像模板进行分辨率统一化处理；
1.2生成SAR图像反演模板复数据
生成SAR干扰模板图像复数据S1(τ,η)，其中τ表示距离向时间，η表示方位向时间；为其添加
Figure FDA0003520978830000011
之间的随机相位矩阵exp{jφ}作为图像的近似，其中φ为随机数，以反演出数据的近似相位，即S1(τ,η)＝S0(τ,η)×exp{jφ}，其中φ为随机数，S0代表灰度矩阵；
步骤二：采用CS反演算法反演图像至回波
2.1方位相位反演
将SAR反演模板图像复数据S1(τ,η)通过S2(τ,fη)＝FFTa{S1(τ,η)}从SAR图像域反演至距离多普勒域，其中S2(τ,fη)为方位傅里叶处理后的图像数据，fη为方位多普勒频率；再通过
Figure FDA0003520978830000012
完成方位相位反演，其中Haz(fη)为反演时方位向的匹配滤波器，H1为附加相位反演公式；
2.2距离相位、SRC及一致RCMC反演
经过方位反演后的信号S3(τ,fη)先通过距离向FFT回到二维频域得到S4(fτ,fη)，然后通过
Figure FDA0003520978830000013
进行距离相位及距离徙动反演,其中Hrg(fτ)为距离向参考函数，H2为一致RCMC相位反演函数；
2.3补余RCMC反演
补余RCMC反演在距离多普勒域实现，距离相位反演后的信号经过距离向逆傅里叶变换S6(τ,fη)＝IFFT{S5(fτ,fη)}之后通过
Figure FDA0003520978830000014
完成补余RCMC的反演，其中H3为变标方程，S7(τ,fη)通过方位向傅里叶逆变换S7(τ,η)＝IFFT{S6(τ,fη)}反演为欺骗干扰信号；
步骤三：干扰数据生成
生成的欺骗干扰信号在干扰机的控制下，通过功率的调控生成亮度和清晰度合适的欺骗干扰信号进行发射，并对敌方SAR平台实施干扰。
2.根据权利要求1所述的基于图像反演的合成孔径雷达(SAR)场景欺骗干扰方法，其中步骤2.1中的所述反演时方位向的匹配滤波器Haz(fη)为：
Figure FDA0003520978830000021
其中，R0表示SAR雷达到目标的最短斜距，SAR平台工作频率f0在仿真中取值为5.3GHz，D(fη)为徙动因子，光速c取值为3×108m/s；附加相位反演公式H1为：
Figure FDA0003520978830000022
fηref取值为-6900Hz，Rref值即为最近斜距R0，
Figure FDA0003520978830000023
Km表示改变后的距离调频率，
Figure FDA0003520978830000024
其中SAR平台速度v取值为7062m/s，线性调频率Kr取值为7.2135×1011Hz/s。
3.根据权利要求2所述的基于图像反演的合成孔径雷达(SAR)场景欺骗干扰方法，其中步骤2.2中的距离向参考函数为
Figure FDA0003520978830000025
一致RCMC相位反演函数为
Figure FDA0003520978830000026
4.根据权利要求3所述的基于图像反演的合成孔径雷达(SAR)场景欺骗干扰方法，其中步骤2.3中的变标方程
Figure FDA0003520978830000027
其中τ'表示变标方程里面的距离时间且
Figure FDA0003520978830000028
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