SAR脉内分段排序和脉间间歇采样复合转发干扰

张静克 代大海 邢世其 肖顺平 王雪松

SAR脉内分段排序和脉间间歇采样复合转发干扰

张静克 代大海 邢世其 肖顺平 王雪松

（国防科学技术大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，湖南长沙410073）

提出一种新的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）复合转发干扰.该方法巧妙结合了脉内分段排序和脉间间歇采样转发两种干扰技术，其干扰实施流程为：干扰机对截获的SAR信号全脉冲接收存储，并对其进行分段以及适当的排序，在接下来的一个或多个脉冲重复周期内转发给雷达形成干扰.基于SAR信号模型研究了该干扰对SAR的干扰原理，进一步分析了干扰效果与关键干扰参数之间的关系，并利用仿真进行了验证.研究表明，根据参数设置的不同，该方法能够在SAR图像中形成二维欺骗干扰或压制干扰.

合成孔径雷达；脉内分段排序；脉间间歇采样；二维欺骗干扰；压制干扰

引 言

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）作为一种先进的微波对地探测设备，能够全天时、全天候地获取高分辨雷达图像，在战场监视、地理遥感以及目标识别等领域应用广泛［1－3］.相应地，有效地干扰SAR雷达系统，已成为当前提高己方重要军事目标地面生存能力的紧迫需求之一.

由于SAR具有二维相干处理增益［4］，能够有效地抑制非相干干扰［5－8］，因此对SAR干扰优先考虑相干干扰.目前基于数字射频存储器（Digital Radio Frequency Modulator，DRFM）的相干转发干扰［9－15］能够高保真模仿雷达波形，干扰信号能够获得与真实SAR信号相当的处理增益，在距离向或方位向产生相干假目标.然而基于DRFM的延时转发干扰［10］只能够在SAR距离向产生滞后于实际目标的假目标，容易被雷达采用脉冲前沿跟踪等方法鉴别.基于DRFM的间歇采样转发干扰［11－12］能够在SAR距离向能够产生超前或滞后的假目标，但是干扰的功率利用率低且在实现时需快速切换射频收发开关.文献［13－14］提出了一种基于DRFM的脉内分段排序转发干扰，该干扰通过DRFM对雷达信号全脉冲接收然后均匀分段并重新排序转发，无需其他干扰调制即可在距离向产生多个虚假目标，假目标输出时延仅与转发信号次序和原始雷达信号次序之差有关.然而该干扰信号相对于目标信号至少延迟了一个脉冲宽度，与延时转发一样，当雷达采用脉冲前沿跟踪处理方式时，可以识别虚假目标.文献［15］提出了一种基于DRFM的方位向间歇采样转发干扰方法，该干扰方法通过脉间分时收发且无需其他调制即可在方位向产生虚假目标，且在不考虑干扰机系统延迟的情况下，假目标的距离向位置可与真实目标保持一致，能够有效地对抗脉冲前沿跟踪处理技术.

针对脉内分段排序转发干扰的不足，本文提出一种SAR脉内分段排序和脉间间歇采样复合转发干扰，该方法能够便捷地形成二维欺骗干扰或压制干扰，为多假目标欺骗干扰或压制干扰提供一种新的实现思路.论文首先建立了SAR脉内分段排序和脉间间歇采样复合转发干扰的信号模型，并利用距离多普勒成像方法得到干扰的输出结果；分析了关键参数与干扰效果之间的关系；通过仿真进行了验证.

1 SAR脉内分段排序和脉间间歇采样复合转发干扰信号模型

式中：τ为距离向快时间；η为方位向慢时间；Tp为脉冲宽度；fc为载频；kr为调频斜率.全时间t＝τ＋η，则发射信号的带宽B＝｜krTp｜.

以机载正侧视SAR为例，SAR干扰场景如图1所示，载机以速度Va飞行，干扰机位于SAR观测带中，其最小斜距为Rj，方位向位置为0.SAR到干扰机的双程时延为

1.1SAR脉内分段排序转发干扰模型设SAR发射信号为线性调频信号为，则干扰机截获的SAR信号去载频后为

图1 SAR干扰场景示意图

图2 脉内分段排序干扰原理示意图

将干扰机所截获信号按照图2所示在脉内分成N段等长的信号为表示第i段信号中心时刻相对于SAR初始信号中心时刻的时延.然后根据干扰需要对存储信号重新排序，假设重新排序后的第k段信号对应原始信号中的第i段信号，则干扰机存储信号为

式中，i＝1，2，…，N.

1.2SAR脉间间歇采样转发干扰模型

脉间间歇采样信号为图3所示矩形脉冲串，可表示为

式中：Tw为采样脉冲脉宽，通常要求Tp＜Tw＝T（T为SAR信号脉冲重复周期）；Ts为间歇采样周期，通常有Ts＝MT（M为正整数且M≥2）.

图3 脉间间歇采样脉冲串

对式（4）中信号以图3方式进行间歇采样可得

设干扰机系统延迟为τj，按照如下工作流程：在接下来的M－1个脉冲到来时，干扰机均向SAR转发式（6）所示信号，再对下一个采样周期内的脉冲串进行相同的采样、转发，直到整个合成孔径时间结束，可得SAR接收到的干扰信号去载频后为

式中：τm（η）＝τd（η）＋τd（η－mT）／2表示某一间歇采样转发周期中第m组干扰的传播时延：τ′k＝－Tp／2－Tp／2 N＋kTp／N＋τm（η）＋τj为第m组转发干扰中第k段信号的时延：τkm＝（k－i）Tp／N＋τj＋τm（η）；Aj为干扰信号幅度.

2 干扰信号的SAR成像特性分析

利用距离多普勒成像方法对干扰信号进行成像处理.首先进行距离向匹配滤波可得［4］

对式（8）进行距离迁徙校正可得

式中：τkj＝（k－i）Tp／N＋2R0／c＋τj表示k段信号生成的假目标的距离向输出时延；为假目标的距离向包络，与理想点目标相比，假目标的距离向分辨率降低了N倍；k′a＝－2f′cV2a／cRj为第k段信号的方位向调频率，其中f′c＝fc－（B／2－iB／N＋B／2 N）对式（9）进行方位向匹配滤波可得

式中：D＝Tw／Ts表示脉间间歇采样信号的占空比；Δka＝k′a－ka表示方位向信号调频率k′a与方位向匹配滤波器的调频率ka＝－2fcV2a／cR0的失配误差，R0为SAR成像场景中心斜距；Ba为方位向带宽.由文献［4］可知匹配滤波时调频率失配并不会改变方位向压缩峰值的输出位置，也即方位向假目标的输出时刻仍然为mT／2－n／k′aTs，但是其会造成假目标的方位向主瓣展宽以及旁瓣升高.

由式（10）可得干扰的SAR成像结果表现为多个幅度不等、分布有规律的二维假目标，其中第k段信号产生的假目标的距离向位置、方位向位置和幅度分别为：

由式（13）可知，当Dsin（nD）＝0或n／Ts≥ Ba时，则无干扰输出，因此可确定每段干扰信号对应的方位向假目标个数应满足下式：

floor（·）表示“往小取整”函数.由式（14）可知脉间间歇采样周期越大，转发组数越多，形成的假目标个数也就越多.

式中，xj为干扰机的方位向位置.由式（11）可知转发干扰中第k段信号生成的假目标距离向位置一致，由排序转发前后的序号之差（k－i）以及分段数决定，若不考虑干扰机系统时延，当（k－i）＜0时假目标的位置将超前干扰机.

由式（12）可知转发干扰中第k段信号同组转发产生的假目标沿方位向以Δx＝－Va／ka′Ts等间隔分布，间隔与脉间间歇采样周期Ts成反比，和方位向信号调频率ka′成反比，与阶数n无关.相邻组转发干扰产生的同阶假目标之间的间隔为VaT／2.

3 关键参数对干扰效果的影响

由上节分析可知，假目标与干扰信号的分段数、转发顺序、脉间间歇采样周期以及占空比等有关.下面对每个参数对干扰效果的影响进行详细分析.

由式（10）、（11）、（12）和（13）可知，干扰信号的分段转发顺序对假目标的幅度、距离向位置、距离向分辨率、方位向位置、方位向间隔以及干扰在距离向形成的假目标的个数均有影响.当信号的转发次序为完全逆序时，转发干扰沿距离向形成N组以cTp／N等间隔分布的假目标，此时假目标的个数最多，与理想点目标相比，假目标的距离向分辨率降低了N倍.当转发干扰信号中存在原始雷达信号中相邻的多段信号（i－1，i，…）被依次转发（k－1，k，…）的情况，则多段信号生成的假目标距离向输出位置相同，即多段信号生成的一段假目标，该段假目标的距离向分辨率提高，幅度增加，相应的假目标的个数就会减少.又由每段干扰信号对应的方位向调频率k′a不同，则不同段信号产生的假目标的幅度、方位向位置和方位向间隔均不相同，每段干扰信号对应的转发前的序号i越大，该段信号的方位向调频率｜k′a｜越大，则该段信号产生的假目标幅度越小，假目标的方位向主瓣越宽，距干扰机的方位向偏移量越小，同组假目标的方位向间隔Δx越小.

由式（10）、（11）和（13）可知，转发干扰信号的分段数主要对距离向假目标个数、距离向位置、距离向分辨率以及幅度有影响.特别地，当转发干扰完全逆序转发时，干扰信号分段数越多，其形成的距离向假目标段数就越多，相邻假目标的距离向间隔就越小，距离向分辨率越低，假目标的幅度越小.由Tw＝T以及Ts＝MT可知，对于脉间间歇采样信号，当采样周期Ts确定后，其占空比和转发组数也随之确定了，即Ts越大，占空比越小，转发组数越多.由式（12）可知Ts与每段信号形成的假目标的方位向偏移以及同组假目标的间隔成反比，与假目标的个数成正比.由式（13）可知，占空比越大即Ts越小时，每段信号产生的假目标的幅度与占空比成正比，非0阶假目标相对0阶假目标的幅度比与占空比成反比.由式（10）和式（12）可知，当M＝2时即单组干扰时，每段干扰信号形成沿方位向等间隔分布的单组假目标列；当M＞2为多组干扰时，每段干扰信号形成多组假目标列，每组假目标沿方位向等间隔分布，相邻假目标列之间的方位向间隔小于Va／2Ba，即多组假目标会耦合在一起，无法分辨，从而形成方位向短距离跨度的覆盖式干扰效果，假目标幅度也因各组假目标列的耦合、混叠等出现一定的起伏.

4 仿真验证与分析

本节通过仿真对脉内分段排序和脉间间歇采样复合转发干扰的干扰效果进一步的分析和验证.SAR系统参数如表1所示.成像场景的距离向和方位向范围分别为［4 850m，5 150m］和［－150m，150m］，干扰机位于场景中心（0，5 000m）处，在干扰机处设置一个参考点目标，不考虑干扰机的系统延迟，干信比为10dB.

表1 SAR系统参数

图4给出了复合转发干扰与单种干扰的效果对比，仿真中分段数为4，转发顺序为完全逆序，脉间间歇采样周期为Ts＝2T，即单组转发.由于分段排序转发干扰相对于目标信号延迟了一个脉冲宽度，因此其形成假目标的位置要滞后于参考目标，如（a）图所示，由于场景的限制只能观测到第3和4段信号形成的假目标.由（b）图可知脉间间歇采样转发干扰能够沿方位向产生虚假目标，而且假目标的距离向位置与参考目标相同，但是其无法在距离向形成多假目标.（c）图是复合转发干扰效果图，形成了二维欺骗点假目标，其中假目标的距离向间隔cTp／4＝75m，第3和4段信号形成假目标的距离向位置超前干扰机，第1和2段信号形成假目标的距离向位置落后干扰机，此时雷达难以利用脉冲前沿跟踪处理技术识别假目标；由Ts＝2T可知fs＝fPR／2，则由式（14）可知每段信号在方位向形成的假目标数目为3，非0阶假目标的幅度低于0阶假目标的幅度.（d）图给出了右侧一列假目标的局部放大图，可以从图中观测到不同段假目标的方位向偏移以及方位向间隔存在细微的差异，与该段信号在原始信号中的序号成反比.

图5给出了不同参数下复合转发干扰效果对比图.图5（a）中由于存在依次转发的情况，因此转发干扰信号沿距离向形成了3段假目标，其中第1、2段形成了一段假目标，该段假目标的幅度大于第3、4段形成的假目标，其分辨率也优于第3、4段形成的假目标，每段假目标的距离向偏移与分段排序转发前后的序号差成正比.由图4（c）和图5（a）对比可知当分段数相同时，完全逆序转发形成的点假目标个数最多.

图5（b）中，由于是完全逆序转发，形成了沿距离向等间隔分布的4段假目标，距离向间隔为75 m.由Ts＝17T可知，该转发干扰经过16次转发，每段干扰信号在方位向形成16组假目标列，每组假目标的最大个数为23个，由于高阶假目标的幅度较低，因此只能观测到较低阶的假目标；又由于多组假目标耦合在一起，因此无法从图像中分辨出多组假目标，最后一组和第一组同阶假目标的方位向偏移可近似为假目标的扩展长度，由图5（c）可以看出同阶假目标经过耦合后扩展长度约为5m，这与理论值吻合.由图4（c）和图5（b）对比可知，当分段数相同时，随着间歇采样周期的增大，假目标的数目增多，在方位向形成耦合，具有一定的覆盖干扰效果，间歇采样周期越大，覆盖效果越明显.

图4 复合转发干扰与单种干扰效果对比图

由图5（d）可知随着分段数和间歇采样周期的增加，形成的假目标的数目增多，距离向、方位向间隔减小，假目标的二维分辨率降低，在距离向和方位向均出现耦合，形成压制式干扰图像.由于分段数和间歇采样周期的增加会导致假目标幅度的下降，因此要形成有效的压制干扰，需要依据实际情况，根据式（13）选择合适的分段数、间歇采样周期和干扰发射功率，这属于干扰实施策略问题，不影响本文理论分析的正确性，因此不再赘述.

图5 不同参数复合转发干扰效果图

5 结 论

本文提出一种SAR脉内分段排序和脉间间歇采样复合转发干扰，理论分析和仿真验证均表明该干扰对干扰机截获信号进行分段排序以及脉间间歇采样转发而无需其他干扰调制，即可在SAR图像的特定区域内形成多个幅度不同、分布有规律的二维假目标.假目标的距离向位置可以超前真实目标，有效解决了分段排序转发干扰假目标滞后的问题，而且可以根据干扰参数的不同形成二维欺骗干扰和压制干扰，是一种简单、高效的SAR干扰方法.

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A composite repeating jamming method for SAR based on in－pulse separation and reordering and interpulse intermittent sampling

ZHANG Jingke DAI Dahai XING Shiqi XIAO Shunping WANG Xuesong
（State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System，National University of Defense Technology，Changsha Hunan 410073，China）

A novel composite repeating jamming method for synthetic aperture radar（SAR）is proposed，which combines in－pulse separation and reordering with interpulse intermittent sampling subtly.The basic idea is as：firstly storing the SAR pulse completely，then separating，reordering the stored signal，finally transmitting the stored signal in the next one or several pulse repetition periods to the radar.Based on the signal models of SAR，principles of the jamming are derived.Then，the relationship between key jamming parameters and the effect is analyzed.Furthermore，the conclusion is verified via simulation.The result shows that the jamming can produce two－dimensional deceptive jamming or suppression jamming according to well configured the key jamming parameters.

synthetic aperture radar（SAR）；in－pulse separation and reordering；interpulse intermittent sampling；two－dimensional deceptive jamming；suppression jamming

TN95

A

1005－0388（2015）02－0224－08

张静克（1988－），男，河南人，国防科技大学电子科学与工程学院博士研究生，主要研究方向为合成孔径雷达信号处理以及对抗.

代大海（1980－），男，河南人，国防科技大学电子科学与工程学院副研究员，硕士生导师，主要研究方向为极化雷达成像、雷达信号处理与目标识别以及合成孔径雷达对抗.

邢世其（1984－），男，江西人，国防科技大学电子科学与工程学院讲师，主要研究方向为极化雷达成像、雷达信号处理以及合成孔径雷达对抗.

肖顺平（1964－），男，江西人，国防科技大学电子科学与工程学院教授，主要研究方向为极化信息处理、雷达目标识别、综合电子战信息战.

王雪松（1972－），男，内蒙古人，国防科技大学电子科学与工程学院教授，博士生导师，主要研究方向为雷达目标识别、新体制雷达技术.

张静克，代大海，邢世其，等.SAR脉内分段排序和脉间间歇采样复合转发干扰［J］.电波科学学报，2015，30（2）：224－231.

10.13443／j.cjors.2014042802

ZHANG Jingke，DAI Dahai，XING Shiqi，et al.A composite repeating jamming method for SAR based on in－pulse separation and reordering and interpulse intermittent sampling［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：224－231.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014042802

2014－04－28

联系人：张静克E－mail：zhangjk1025＠163.com