基于拖引干擾的合成孔徑雷達欺騙干擾研究?

李尚生 鄒瀚鋒 付哲泉

（海軍航空大學電子信息工程系 煙臺 264000）

1 引言

近幾年，信息化時代的改革帶動了軍事方面的革新。在作戰中，引進高科技可以使得作戰的優勢更加明顯。而且，電子化信息作戰方式正在不斷改變著作戰的各種形態。電子干擾也在作戰技術中應運而生，它分為噪聲壓制干擾和欺騙式干擾［1］。航跡欺騙干擾屬于欺騙干擾的一種，它是由少量假目標形成的。還有一種是由大量的假目標形成的叫做密集欺騙干擾。合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）為主動式微波成像雷達。它可以實時捕捉到全方位的地面圖像信息，而且穿透力非常好，常用于軍事以及資源勘察中，目前，該技術在軍事以及民用上已經比較成熟。合成孔徑雷達是基于合成孔徑原理上的一種現代化技術，通過脈沖壓縮方法，以真實的小孔徑天線獲得距離向和方位向高分辨遙感圖像的雷達系統。該技術分為欺騙以及噪聲這兩種有源干擾方式。主要有從雷達天線主瓣進入雷達接收機和從雷達天線副瓣進入雷達接收機兩種，它是根據進入雷達的途徑決定的。一般情況下，受到雷達天線主瓣搜索范圍的限制，雷達波束通常都是采用固定角度來照射的，因此，干擾設備從主瓣進入雷達的時間非常少，從雷達天線副瓣進入雷達接收機的時間較長。

SAR干擾技術的影響力越來越強，引起了廣泛的關注。在軍事以及資源應用上，星載和機載SAR系統已被成功研發，而且性能很高［2～3］。很多現代化戰爭表明，合成孔徑雷達的重要性，目前，怎樣有效保護重要目標不被對方合成孔徑雷達偵察到已成為干擾技術的研究重點。本文利用SAR成像原理，合成假目標數據，對SAR發射信號進行相應處理，形成假目標，它能在一定條件下完全覆蓋原真實目標或場景，掩蓋真實的目標，從而不被對方發現。

2 合成孔徑雷達有源欺騙干擾產生機理

有源欺騙干擾一般把雷達信號存到射頻存儲器中，再進行調制，然后對干擾信號進行不同情況的發射，最終在雷達上形成不同的欺騙目標。當雷達信號的載頻、波形和重頻在脈間作出改變的時候，當下一個脈沖出現的波形和時間不確定的時候，干擾機只能形成遠距離假目標［4～6］，不容易產生近距離假目標。穩定欺騙航跡的有源欺騙干擾有下面兩種產生方式。

1）從雷達主瓣進行干擾

如果把干擾機放置在像是飛行器以及無人機等空中運動平臺上，它可以通過雷達形成一種假目標航跡，這種航跡的航向與干擾機運動航線非常相近［7～8］。干擾機能夠利用雷達位置信息對主瓣信號進行一定的延時，這樣可以模擬預期航線，引發異?？涨?。轉發式干擾機實現起來相對比較簡單，而且消耗的功率很小。其原理如圖1所示。圖中的“接收分選”是主瓣信號，它是由復雜電磁環境中分理出來的目標雷達信號。

圖1 欺騙干擾機的原理框圖

圖2是從主瓣產生的軌跡欺騙示意圖。此方法通過短距離延時發射接收的主瓣信號［9］。此外，還能夠對多部組網雷達同時進行主瓣短延時干擾。雖然干擾機對不同地點的雷達形成的假目標地點不一樣，但是，因為雷達受到距離分辨能力的限制，當相關信息融合時可以形成虛假軌跡，造成異?？涨?。

圖2 主瓣產生軌跡欺騙示意圖

圖3是主瓣短延時干擾對雷達網的干擾情況。當把干擾機固定起來的時候，其位置不發生任何改變，此時，僅對單部雷達徑向形成欺騙軌跡，對于多部雷達組網的情況不能進行干擾。

圖3 主瓣短延時干擾示意圖

2）從雷達副瓣進行干擾

當干擾機可以接收和存放雷達副瓣信號，并且能夠成功得到雷達的位置信息和掃面規律參數的時候，就能夠實現對多個雷達組網情況的干擾了。干擾機按照假目標的速度情況對信號進行多普勒調制［10］。另外，要計算假目標到達預定位置時的距離以及方位延時情況，這個計算需要知道天線掃描規律，以及假目標、干擾機和雷達三者的位置。在預定時間發射干擾信號。其具體流程如圖4所示。

圖4 副瓣干擾產生預期軌跡流程圖

圖4中的“參數裝訂”主要包括對雷達位置數據、天線掃描參數、相關信號參數以及預期假目標航跡的位置數據等。然后對這些數據進行裝訂。

圖5是干擾機在單部雷達上形成的預期航線的效果圖。上面的副瓣干擾技術可以對多部雷達進行干擾。假如組網雷達屬于常規機械掃描雷達，其不采取副瓣匿影等抗干擾的措施，此時容易導致混淆空情，產生欺騙軌跡。圖6是單部干擾機在兩部雷達上的預期航線。

圖5 干擾機對單步雷達形成預期軌跡線示意圖

圖6 對兩部雷達產生預期航線示意圖

當干擾機不能得到雷達位置的時候，預先設計雷達天線掃描一周后的方位和距離延遲時間，同樣能夠在單部雷達產生隨機欺騙軌跡，從而達到預期航線軌跡。

3 合成孔徑雷達有源欺騙干擾模型及仿真結果

在第2節中我們了解了合成孔徑雷達有源欺騙干擾的機制，在本節中我們將根據有關的干擾模型，結合上述的原理進行仿真分析，具體內容如下所述。

我們已經清楚為了在SAR中形成虛假目標，需要對SAR進行欺騙干擾。由于不同點的多普勒頻率、反射強度和延時等參數都是不一樣的，所以，SAR干擾機需要產生所有點的參數，這樣才會產生欺騙目標，否則不能產生欺騙目的。不同雷達信號反射強度、多普勒頻率以及延時混合成SAR回波信號。因此，SAR的欺騙干擾方法要合成的點多，而且所有的點都有多普勒頻率時間延時和幅度，所以該方法實踐起來相對比較困難。然而，這么多的運算量對于SAR所發射脈沖的時間間隔則是不允許的［11］。SAR欺騙干擾機相對于SAR，實際上就是一個目標點，在其不進行目標干擾時，SAR所獲取到的此點的信號可以表示為

其中，A0表示信號的幅度，f0表示載波頻率，K表示調頻斜率。

該信號的頻譜表示如下：

在上式中，對于所實現的SAR欺騙干擾目標來說，可以將其看作是對于式（2）中頻譜信號響應的一中新的信號系統，若我們用表達式H0（ω，t）表示為這一新的系統的系統響應函數。那么，在SAR端所接收到的欺騙干擾信號表達式Y0（ω，t）可以表示如下：

通過以上的步驟，最后我們所獲取的信號可以通過公式所表示出來，其具體的含義就是表示欺騙干擾信號式（3）、地面回波信號以及SAR欺騙干擾機所發射信號之和，即

通過式（4）我們可以看出，此時SAR所成像的結果中，不再單純的是真實定位目標的圖像，而是其中也包含了欺騙干擾信號的相關的信息?？梢韵胂?，根據以上的原理，如果我們按照上面的響應函數 H0（ω，t）來進行設計，那么，在雷達中所呈現出來的圖像也會含有我們所想要的欺騙信號在里面。進一步的，如果要想在雷達中達到欺騙的目的話，我們就必須確保所實現的欺騙信號能夠逼真地還原真實目標的信號波形，使其與之十分的接近才能夠達到欺騙的目的。所以，SAR所發射信號的各種參數就必須要進行測量，使得在不同t的條件下，式（2）中的 S（ω）都相同［12］。為了進一步保證我們所需要的圖像能夠覆蓋原真實圖像，可以通過適當的加大SAR欺騙干擾機的發射功率，充分利用SAR接收機的動態接受的范圍，使原真實目標響應信號的強度得到削弱，達到在SAR圖像中不能出現原真實目標圖像的目的。

3.1 距離拖引干擾模型

在雷達中經常用到的有源干擾是距離欺騙干擾。該方法的工作流程如下，首先，接收到被干擾雷達的信號以后，干擾機利用小時延把干擾脈沖轉發出去。被干擾雷達信號和回波在時間上是相一致的，兩者接近重合，所以，把兩者進行疊加以后信號的能量會變大，這樣的話，被干擾雷達能夠獲得距離拖引信號，此情形叫做停拖期；如果雷達的距離波門被干擾脈沖所獲取，那么，每當干擾機收到雷達照射脈沖，轉發的延遲時間就會變長。這樣就會導致，干擾脈沖移動的時候，距離波門就會離開回波波門，當干擾信號把距離波門拖曳的偏離目標的時候停止，此處，延遲變化規律要與速度拖引規律一致，如下式所示：

其中，v（t）為拖引速度，也稱為拖引期，τ（t）為拖引距離［13～15］；當距離波門脫離目標回波后，最終干擾機就停止轉發脈沖。此時是關閉期，距離波門內沒有干擾脈沖也沒有目標回波，雷達的自動跟蹤狀態毀壞，開始距離搜索。此時的假目標距離函數為Rf（t），由于受到運動目標的距離拖引的影響，假目標距離函數為

為進一步簡單的分析，假設為自衛干擾，則R用來表示為目標所在距離，其中的a表示勻加速拖引時的加速度，v1分別表示目標速度，v2表示勻速拖引距離門速度［16～17］。為了我們對雷達干擾建模的需要，將上式轉換成距離拖引的轉發延遲信號，得到下式：

我們這里所述的距離門拖引干擾實現的原理流程圖如圖7所示。

圖7 距離門拖引干擾流程圖

本文為了順利完成仿真實驗，我們減小了實際的拖引時間，提升拖引的速度，確保仿真結果不受影響。在仿真實驗中，使用帶寬1MHz的信號，用35GHz的雷達發射信號，距離延時模塊使用S函數表示，系統設置成勻速拖引，仿真參數：R=100km ，v1=0m/s，t1=5ms，t2=20ms，Tj=30ms，v2=1×105m/s，我們得到仿真結果如圖8所示。

根據圖8顯示表明，干擾信號和目標信號相對于發射信號而言，是相對延遲的。最初干擾信號的波形和目標信號的是基本吻合的，不過在幅度上有部分偏差，干擾信號的幅度稍微大一些。隨后，干擾信號和目標信號開始脫離，到拖引期結束，為止，不再轉發脈沖。放大得到的仿真信號，根據圖9能夠看出，干擾信號與目標信號的第一個脈沖的延遲時間是0.667ms，與目標距離吻合。從拖引期開始（5ms），脈沖組的脈沖就逐漸脫離目標脈沖。實驗結果和理論分析是一致的，這樣就驗證了我們所設置的模塊能夠完成拖引操作。

圖8 距離拖引干擾波形仿真結果

圖9 波形仿真輸出放大結果

3.2 距離—速度拖引干擾模型

通過延時可以實現對距離門的干擾，另外，通過頻移可以實現對速度門的拖引。其中，所采用的延時值和移頻值應當滿足以下的關系：

上式中，fj表示為移頻值，Sj表示為拖引距離，λ為載波波長，a為假目標的加速度，距離-速度同步拖引干擾的基本原理與距離拖引基本上類似：首先，對于干擾信號來說，其與真實目標的信號頻率f相同以及具有同樣的距離上的延時。并且，在信號的能量方面，干擾信號的能量要比真實目標信號的能量要大一些，對于雷達來說會比較容易地進行捕獲，該一段時間被稱為停拖期；然后，分別從距離和速度兩維上對干擾信號進行干擾，該段時間稱為拖引期；最后關閉干擾機。在拖引期的延時值與移頻值如式（8）、（9）所示。在這里我們仍其假設為自衛干擾，信號帶寬為1MHz，目標距離為R，雷達載頻為35GHz。在這里所采用的時間為拖距干擾仿真時間。并且加速度方面控制為勻速拖引，實現目標速度為0，所有的仿真的數據：R=1×105m，a=1×106m/s2，t1=5ms，t2=20ms，Tj=30ms，得到仿真結果如圖10所示。

圖10主要是實現的速度于距離之間的關系實現的拖引干擾波形。從仿真的結果中可以清楚地看出在停拖期期間目標回波的幅度要比干擾信號的幅度小的多。在過去拖引期之后這兩種波形就會慢慢的實現脫離，至此，拖引期結束。在此時發射信號也被停止發射，我們在時域上可以清楚地看出其拖距干擾。

3.3 雷達成像結果

通過以上的介紹，我們已經對雷達有源干擾的原理有了進一步的了解，通過前兩的仿真結果也驗證了相關方法的干擾效果。本節中我們對以上實際目標以及欺騙干擾信號進行了定位成像，并對比了雷達接受到的其信號，具體如下所述。

圖11 兩種信號波形對比

圖11所示的為接收到的真實目標的信號波形和有源干擾的欺騙干擾信號波形圖。從圖形中可以看出，有源干擾信號的波形跟真實目標的信號的波形極為相似，可以有效地對真實的目標形成一定的干擾。

圖12 目標雷達成像結果

圖12中所實現的是通過雷達成像真實目標以及有源干擾信號的結果。通過成像的效果我們可以看出，在真實目標的附近可以形成一些假的欺騙目標，能夠在一定的成都上對真實的目標行成一種混淆的狀態，進而達到一種欺騙的目的。

通過上述的仿真的結果，我們能夠清晰地看出，通過以上的有源欺騙干擾的方法能夠有效地實現對雷達的欺騙，從而能夠更好地保護真實的目標不被發現。

4 結語

本文介紹了對合成孔徑雷達進行有源欺騙干擾的原理與方法，并且進行其原理了仿真，通過仿真的結果驗證了有源欺騙干擾的效果。仿真結果顯示欺騙干擾能夠有效地進行數據的欺騙，可以有效地保護真是的目標。