一种基于离线计算在线变异的合成孔径雷达欺骗干扰方法与流程

本发明属于雷达对抗和雷达信号处理领域，具体涉及对合成孔径雷达的有源欺骗干扰技术，特别是一种基于离线计算在线变异的合成孔径雷达欺骗干扰方法。

背景技术：

合成孔径雷达(syntheticapertureradar，sar)具有全天时、全天候、远距离、高分辨成像能力，对战场侦察、作战评估等军事应用领域具有重要意义。随着世界各军事大国加紧研制、部署、广泛应用sar，sar对抗技术成为雷达对抗领域研究的热点问题。当前，对sar的欺骗干扰技术方兴未艾，面临诸多挑战。

干扰机形成大规模虚假电磁特性涉及的计算复杂度大，与计算实时性要求、精度要求构成突出矛盾。针对上述问题，现有的对sar欺骗干扰技术通过算法设计降低计算复杂度、促进并行计算，从而达到减小计算耗时的目的。例如，文献“y.liu(刘永才),w.wang(王伟),x.pan(潘小义),q.fu(傅其祥),g.wang(王国玉).inverseomega-kalgorithmfortheelectromagneticdeceptionofsyntheticapertureradar(对合成孔径雷达电磁欺骗的逆距离徙动算法),ieeejournalofselectedtopicsonappliedearthobservationandremotesensing(地球观测与遥感专题期刊),2016年,9卷(7)期:3037-3049页”中提出的逆omega-k算法，文献“y.liu(刘永才),w.wang(王伟),x.pan(潘小义),d.dai(代大海),d.feng(冯德军).afrequency-domainthree-stagealgorithmforactivedeceptionjammingagainstsyntheticapertureradar(一种用于对合成孔径雷达有源欺骗干扰的频域三阶段算法).ietradar,sonar&navigation(雷达、声纳、导航期刊),2014年,8卷6期:639-646页.”中提出的频域三阶段法，以及文献“f.zhou,b.zhao,m.tao,x.bai,b.chen,andg.sun,“alargescenedeceptivejammingmethodforspace-bornesar(一种针对星载合成孔径雷达的大场景欺骗干扰方法),”ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing(地球科学与遥感学报),51卷8期,4486–4495页,2013年8月.”中提出的两步生成法等。

越来越多的sar具备了多种数据获取模式，如条带模式、聚束模式、滑动聚束模式、tops(terrainobservationbyprogressivescans，循序扫描对地观测)模式等，数据获取模式的多样性造成sar欺骗干扰机面临更多不确定和更大的技术难度。而现有sar欺骗干扰技术均限应用于传统条带模式，而缺乏针对多模式sar的对抗能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供的一种基于离线计算在线变异的合成孔径雷达欺骗干扰方法，为一种新的对合成孔径雷达欺骗干扰方法。针对干扰机计算量与实时性要求的矛盾问题，本发明方法突破了传统方法需要当雷达进入干扰机威力范围并且干扰机获得雷达参数精确估计值后才开始计算的思路，通过在雷达进入干扰机威力范围之前的离线阶段、雷达准确参数信息缺失的情况下，完成尽可能多的计算，减小需要实时运算的计算量。同时，本发明方法包含对sar传递函数进行的雷达参数变异过程，可以用统一的框架和流程伪造多种数据获取模式(包括条带模式、聚束模式、滑动聚束模式、tops模式等)条件下的sar回波信号，使干扰机具备对多模式sar的欺骗干扰能力。

本发明一种基于离线计算在线变异的合成孔径雷达欺骗干扰方法，采取如下技术方案计算干扰机调制函数(亦即干扰机频率响应)。

步骤一：在雷达进入干扰机威力范围之前的离线阶段，对雷达参数进行合理性假设。

步骤二：离线阶段，根据假设雷达参数，计算并存储sar传递函数。

步骤三：在雷达进入干扰机威力范围之后的在线阶段，根据实际雷达参数的估计值对sar传递函数进行参数变异。

步骤四：在线阶段，将经过步骤三进行参数变异后的sar传递函数与干扰机消隐滤波器点对点相乘，获得干扰机调制函数。

本发明的有益效果主要在于：

第一，可极大缩减干扰机需要实时计算的计算量，减小干扰机实时运算的难度。特别是，对于本发明方法而言，干扰机欺骗模板的规模仅影响离线阶段计算的复杂度，而与在线阶段的计算量无关，这尤其有利于干扰机形成大规模虚假电磁特性。

第二，具备对多模式sar的欺骗干扰能力，适用对象不仅局限于传统的条带模式sar。特别是，利用统一的框架和流程获得多种不同数据获取模式条件下的sar欺骗干扰信号，有利于简化对多模式sar欺骗干扰机的设计、实现工作。

附图说明

图1是sar、干扰机、虚假散射中心和虚假电磁特性之间的几何示意图。

图2是本发明方法流程图。

图3a～图3i是以本发明方法仿真对tops模式sar欺骗干扰时，干扰信号经过雷达成像处理后，雷达图像中形成的九个虚假散射中心的二维放大视图。

图4a～图4i是以本发明方法仿真对tops模式sar欺骗干扰时，干扰信号经过雷达成像处理后，雷达图像中形成的九个虚假散射中心的一维剖面图。

图5本发明方法仿真对tops模式sar欺骗干扰时，干扰信号经过雷达成像处理后，雷达图像中形成的虚假场景。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释。sar、干扰机、虚假散射中心和虚假电磁特性之间的几何示意图如图1所示。不妨令雷达坐标为其中x轴为雷达平台运动方向，y轴为与x轴垂直的水平方向，z轴为竖直方向；令描述虚假电磁特性的欺骗模板中任一虚假散射中心坐标为干扰机坐标为令雷达波束指向为其中θ0,x,θ0,y,θ0,z分别代表雷达波束指向与x,y,z轴所成夹角。需要注意的是，可以是常数亦可以是个变量，如何随雷达位置(或雷达慢时间)变化是sar对应何种数据获取模式的重要决定因素。令θw,x,θw,y,θw,z分别表示雷达天线相对x轴、y轴、z轴的波束宽度。

本发明一种基于离线计算在线变异的合成孔径雷达欺骗干扰方法，采用的技术路线如图2所示，包含以下四个步骤。

步骤一：在雷达进入干扰机威力范围之前的离线阶段，对雷达参数进行合理性假设。离线阶段的假设雷达参数应满足以下三个条件：

(1)假设雷达信号参数的频率范围应能够覆盖真实雷达信号的频率范围。

(2)假设雷达天线参数主瓣照射方向的范围应满足覆盖真实雷达天线主瓣照射方向的范围。一般地，我们可以(但不限于)假设雷达为具有固定波束指向、较宽波束宽度的条带模式sar。

(3)假设雷达航迹参数的设定与sar的运载平台有关。

对于星载sar而言，由于星载sar的运动轨迹具有稳定性和可预测性，不难在离线阶段获知真实雷达航迹参数，因而假设雷达航迹参数应与真实雷达航迹相同。

对于机载sar或无人机载sar而言，设定一组等间隔的直线航迹，且应满足以下条件：直线航迹在空间中的采样频率应大于sar回波信号空域谱带宽，即要求相邻直线航迹之间的距离应不大于sar回波信号空域谱带宽的倒数。具体而言，相邻直线航迹沿y轴方向和z轴方向之间的距离δy,δz均为常数，且应满足

δy≤1/by；δz≤1/bz(1)

其中，by,bz分别为sar回波信号空域谱的y方向带宽和z方向带宽，且

其中，k＝2fr/c(单位m^-1)为快时间频率fr(单位hz)除以电磁波传播速度c的一半，本专利中称其为距离频率。沿y轴的直线航迹的个数my、沿z轴的直线航迹的个数mz应足够在三维空间上覆盖真实雷达航迹的波动范围，且应满足

其中，rd,y,rd,z为真实雷达航迹在y轴、z轴方向上变化的半径；为直线航迹空间间隔在y轴、z轴方向上的过采样系数；ly,lz分别为步骤三中航迹变异程序的插值滤波器沿y轴、z轴的长度。

步骤二：在离线阶段，基于假设雷达参数，计算并存储sar传递函数。其中sar传递函数的物理含义为：以雷达发射信号作为输入信号、以雷达回波信号作为输出信号，将雷达信号的发射、传播、反射、接收等环节建模为一个线性系统，这一线性系统的频率响应即为sar传递函数。sar传递函数的数学表达式如下

其中，k＝2fr/c(单位m^-1)为距离频率；因式rect(·)代表一个以雷达载频所对应距离频率k0为中心、以b＝2br/c为宽度的矩形窗，其中br为雷达发射信号带宽(单位hz)。因此，sar欺骗干扰只需考虑有限的距离频率k范围，即k∈[k0-b/2,k0+b/2]。∫∫∫为积分符号，代表对欺骗模板中所有虚假散射中心的积分；j为虚数单位；表征雷达信号在发射、传播、目标反射、接收等过程中发生的幅度衰减，且

其中，ω(·)为雷达天线方向特性引起的幅度调制；为当雷达位于位置时位于处的虚假散射中心相对雷达的方向，其中符号||·||为l2范数，如图1所示；σ为虚假散射中心的后向散射系数，为雷达与虚假散射中心之间的瞬时距离。

计算sar传递函数的方式方法包含但不限于以下三种选择。(1)直接按照定义公式(5)计算。(2)现有sar欺骗干扰算法，如逆omega-k算法等。(3)sar回波信号仿真方法，如g.franceschetti等人提出的频域仿真方法，a.s.khwaja等人提出的逆成像仿真方法等。sar回波信号仿真方法之所以能够用于计算sar传递函数是因为，根据sar传递函数的物理意义，如果令雷达发射信号的距离频谱和雷达回波信号的距离频谱分别为和我们有

因此，sar传递函数可以通过sar回波信号的距离频域方位时域谱除以sar发射信号的距离频域方位时域谱获得。

步骤三：在雷达进入干扰机威力范围之后的在线阶段，根据实际雷达参数的估计值对sar传递函数进行参数变异。

实际雷达参数与假设雷达参数的差异性通常表现在以下几个方面：(1)雷达信号参数的差异性。对于雷达信号载频、带宽、波形等参数的差异，我们可以不做任何处理，只要离线阶段中假设雷达信号的频率范围能够覆盖真实雷达信号的频率范围。(2)雷达天线参数的差异性。对于雷达天线波束指向、波束宽度、方向图特性等参数的差异，应利用下文所述的雷达天线参数变异程序对sar传递函数进行处理。(3)雷达运动参数的差异性。雷达平台运动航迹参数的差异，应利用下文所述的雷达航迹参数变异程序对sar传递函数进行处理。对于干扰星载sar而言，不难在离线阶段获知真实雷达航迹参数，因而在线航迹变异程序可省略。由于机载sar或无人机载sar的运动难以提前准确估计，对于干扰机载sar或无人机载sar而言，在线雷达航迹变异程序多是必要的。出于简化计算等目的亦可以省略雷达航迹变异程序，此时应以步骤二中最接近实际雷达航迹的假设雷达航迹代替实际雷达航迹。

雷达天线参数变异程序可以(但不限于)通过对sar传递函数进行带通滤波实现。带通滤波可以通过sar传递函数卷积fir(finiteimpulseresponse，有限长冲激响应)滤波器的单位冲激响应来实现，其中卷积沿着雷达x坐标轴(即雷达平台运动方向)进行。带通滤波器的设计决定了本方法最终得到的sar传递函数所对应的天线参数。在每一个距离频率k和雷达x坐标处，带通滤波器的中心频率应等于sar回波信号空域谱的x方向中心频率kc,x，带通滤波器的带宽应等于sar回波信号空域谱的x方向带宽bx，其中

kc,x＝ksinθ0,x(8)

带通滤波器的频谱幅度影响雷达天线方位向方向特性。严格地讲，带通滤波器的中心频率kc,x和带宽bx都可能随着距离频率k和雷达x坐标的变化而变化，因此我们需要针对每一个距离频率k和雷达x坐标计算单位冲激响应然而，为了减小计算量，我们可以认为带通滤波器的带宽bx不随着雷达波束指向θ0,x的变化而变化，并将带通滤波器的单位冲激响应简化为

其中，为θ0,x＝0时滤波器的冲激响应，是带通滤波器的基带部分；kc,x如式(8)所示。

雷达航迹参数变异程序可以通过对多条直线航迹条件下的sar传递函数进行插值来实现。针对每个固定的k和x，对不同直线航迹上的sar回波信号数据沿着y轴和z轴进行二维插值。二维插值可通过先后沿y轴、z轴方向进行一维插值来实现，沿y轴、z轴方向的一维插值滤波器应按照带通信号插值滤波的标准进行选取。y轴方向的插值滤波器的中心频率应等于sar回波信号空域谱的y方向中心频率kc,y，其中

kc,y＝kcosθ0,y(11)

z轴方向的插值滤波器的中心频率应等于sar回波信号空域谱的z方向中心频率kc,z，其中

kc,z＝kcosθ0,z(12)

为保证仿真信号具有良好的相位精度，选取插值滤波器时应确保其频率响应在sar回波信号空域谱频带范围

之内足够平坦，并在频谱范围之外具有低副瓣。

步骤四：在线阶段，将经过步骤三变异处理后的sar传递函数与干扰机消隐滤波器点对点相乘，获得干扰机调制函数(亦即干扰机频率响应)。干扰机消隐滤波器的数学表达式为

其中，为雷达与干扰机之间的瞬时距离；为雷达位于位置时干扰机相对雷达的方向，如图1所示。干扰机调制函数为

图3至图5是以tops模式sar为例，利用本发明方法实现sar欺骗干扰的仿真实验结果。仿真实验中，按照上述主要步骤，首先在离线阶段假设雷达参数为下表1中所示条带模式sar；实际雷达参数为下表2中所示的tops模式sar。其次，根据假设雷达参数，利用逆omega-k方法计算条带模式sar传递函数；而后，对按照下表2所示的实际tops模式参数对sar传递函数进行参数变异。

表1

表2

最后，计算干扰机消隐滤波器，并与以上所得结果进行点对点相乘，得到干扰机调制函数。利用所得的干扰机调制函数调制干扰机侦收到的雷达信号，得到欺骗干扰信号。当干扰机欺骗模板设定虚假电磁特性为九个虚假散射中心时，对雷达收到的干扰信号进行成像处理后所得的二维图像和一维剖面图分别如图3a～图3i和图4a～图4i所示。不同距离向、方位向位置的虚假散射中心均能够良好聚焦，体现了本发明方法的有效性。当干扰机欺骗模板设定虚假电磁特性为一个扩展的虚假场景时，对雷达收到的干扰信号进行成像处理后所得的雷达图像如图5所示，可见雷达图像中正确地呈现了干扰机设定的虚假电磁特性。