维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年2月 舰船电子对抗 Feb.2008 第31卷第1期 SHIPBOARD ELECTRONIC COUNTERMEASURE Vo1.31 No.1 对调频连续波合成孔径雷达的对抗措施 梁百川 (西安电子科技大学,西安710071) 摘要:调频连续波(FMcw)合成孔径雷达(SAR)因其体积小、重量轻、成本低及分辨率高等特点越来越受到关注。 详细分析了FMCW SAR构成原理和距离维成像过程,提出了对抗FMCW SAR的措施。 关键词:合成孔径雷达;调频连续波;距离维成像;分辨率;对抗措施 中图分类号:TN972 文献标识码:A 文章编号:CN32—1413(2008)01—0035—04 Countermeasure to FMCW Synthetic Aperture Radar LIANG Bai—chuan (Xidian University,Xi'an 710071,China) Abstract:There is a growing interest in the frequency modulated continuous wave(FMCW)syn— thetic aperture radar(SAR)for its advantages such as small cubage,light weight,low cost and high resolution.This paper analyzes the composition principle and imaging process in range direc— tion in detail,presents the countermeasure to FMCW SAR. Key words:synthetic aperture radar;frequency modulated continuous wave;range imaging;resolu— tion;countermeasure 0 引 言 波形发生器 耦合器 发射天线 器 × 接收天线 由于调频连续波(FMCW)雷达较之脉冲雷达 具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、截获概率低 r。 …………………………… IL——_.1堡 垫兰h 等一系列优点,近年来在近距离、高分辨率SAR处 : 数据处理单元 :l 理技术上受到越来越多关注。从1988年英国伦敦 匝 区垂 大学最先提出FMCW SAR概念并首先用于飞机高 L...................................................................................................j 度表设计中以来,FMCW SAR的研究发展迅速,各 图1典型FMCW SAR成像系统 国都有生产,它可用于中等规模的海洋探测成像、小 型无人机载FMCW SAR、低截获概率FMCW SAR 1_1频带的选择 导引头以及穿透成像等。 FMCW SAR频带的选择与下列因素有关:频 谱可用性、工作环境条件、天线尺寸以及部件成本。 1 FMCW SAR成像系统基本原理 FMCW SAR频带的选择是一个综合上述四因素折 图1给出了简要的FMCW SAR成像系统结 衷考虑的问题。 构。雷达前端包括波形发生器、发射机、天线系统和 1.2调频信号线性度 接收机,后端为SAR处理器,在SAR处理器单元输 在FMCW SAR中,发射的线形调频(I.FM) 出端获得SAR图像,并在显示单元显示或被传回到 CW信号与接收的信号进行混频得到频差信号。该 具有目标识别功能的图像处理单元。 信号的频率反映了距离信息,对每一周期的频差信 收稿日期:2007一O7—31 维普资讯 http://www.cqvip.com 36 舰船电子对抗 第31卷 号进行频谱分析便可提取目标的距离信息。其距离 分辨率由发射信号带宽、目标延时和调频线性度等 决定。 相邻目标不能分辨,距离分辨率亦受到线性度影响。 1.3天线收发隔离和相位噪声 FMCW SAR系统是相干系统。由于信号泄露 不可避免。对天线收发隔离提出了高的要求,也制约 了雷达发射功率的提高,大大抑制了该种雷达 的远程应用。 1.4 FMCW SAR信号处理 在FMCW SAR中,由于产生的脉冲重复周期 长,所以线性度常常是距离分辨率的关键因素。 当发射信号为理想LFM信号时,频差信号在有效 时间内为一单频信号,距离分辨率主要由有效时间 内发射信号的带宽决定;而当发射信号为非理想 LFM信号时,差拍信号在有效时间内会有一定的带 宽,差拍信号的带宽不仅意味傅立叶变换后信噪比 的下降。使雷达作用距离受到线性度的影响,而且使 / 近i 如图1所示,混频所得的中频信号经接收机低 通滤波器滤除,从低频信号中获得目标距离信息。 图2给出了FMCW SAR发射和接收信号示意图。 : / ,, 解线性 凋 正 : r'1 ●●●●●● ./ / ,, ,一/ , .… I I : I I ! r: r 频 - 塞 卜— l I 卜— 卜-—— o 负 。r一 频 , 蛊 近距离回波: 、c’_-__‘。。‘_rm 、 。。。。。。。。。一1一:五: 。- 、-_-_-.._—一 试距离回渡.. 图2 FMCW SAR发射和接收信号示意图 FMCW SAR的发射信号为: .由于只对傅立叶变换后的负频率感兴趣,因此, 1 , ST(f )一 5f(争)exp[-j2 ̄(f。t +寺 )](1) 』 厶 在分析过程中,主要考虑式(3)中的第l项。通常采 用对式(3)做傅立叶变换来实现距离维压缩: 式中: 为载波频率;n为调频信号调频斜率;t 为 T T 距离维快时间,t ∈[一 , ];丁,为调频周期。 厶 厶 SIF( r)一r J。。 』 ). (4) 由于信号幅度对成像影响很小,为方便起见。在 后面的所有讨论中,不论是发射信号还是接收信号, 其幅度均视为1。接收信号为: SR(£ ,r)一ST(£ ——r) (2) expE-j27r( r+at r一÷nr )]・ exp(一j27r厂 t )dt 由图2可知,式(4)的积分函数只在t ∈ 式中:r为回波延时。 [一 + ,;]时显著不为零,因此,积分结果可 记为: S ( 。r)一(T 一r)exp(一j27c r)・ 将回波信号与发射信号混频,得到去调频后的 中频回波信号: expE—j2 7r(for+nf r一 1_nr 2)]f ∈[一 Yr+rYr] , , exp(--j2 ̄f,r)sin[- ̄(ar+厂 )(T 一r)] (5) 由式(5)可知,距离脉压信号幅度与(T 一r)成 SlF (t ,t 一 expE-j2 ̄a(r—T )门・ expE-j27r(fo+aT )r]exp(j 7rnr ), 正比。由于调频连续波SAR发射信号占空比为 100 ,信号持续时间长,因此距离维回波信号强度 将明显增强。因此,目标对发射功率的要求将大大 降低,体现了连续波SAR在发射功率上的优势。 去调频后的点目标距离维回波频谱是一正弦函 f ∈[一手,一 Yr+r] 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 梁百川:对调频连续波合成孔径雷达的对抗措施 37 数,峰值位于,,,如果定义正弦函数主瓣的3 dB宽 度为其分辨率,则其频谱分辨率可以近似表示为: P 一 (10) 实现灵敏度仍可采用窄带超外差接收机和自相 △,,一 一 (6) 关接收机2种技术。 令B为调频信号带宽,c为光速,相应的去调频 信号的时间分辨率为: A£,:—AL:A frT,. —3.3 FMCW SAR雷达的地面(海面)散射信号 调频连续波SAR雷达的地面(海面)散射信号 —(7) 主要也来自其主瓣在地(海)面的投影面积S,由于 S中各圆环面积的距离远近不同,其瞬时频率分量 因此斜距向分辨率为: Pr一专c△ 一 乏’ (8) 随着目标斜距的增大,回波延时长,系统距离维 分辨率增大,因此FMCW SAR通常更适合近距离 遥感成像。由于回波延时,O< T,,所以实际的距 离维分辨率Pr> 。 2 FMCW SAR发展趋势 2.1 实时成像 机载SAR实时成像或无人机上SAR的数据传 输给地面控制站的近实时成像,是FMCW SAR的 研究重点。由于SAR的数据量很大,需要存储容量 大、处理速度快的数据处理系统。实时成像有利于 SAR操作员实时掌握、调整成像区域,有利于精确 成像。 2.2动目标成像 动目标成像是机载SAR军事应用中必须解决 的问题。当进行战术侦察时,需要对观测区域进行 连续、及时及清晰的监视,为动态评估、指控提供更 多的信息。不对动目标成像,SAR的图像就要产生 失真。这对FMCW SAR也不例外。 3 对FMCW SAR的侦收、告警技术 3.1 对FMCW SAR雷达的主瓣侦收、告警技术 主瓣侦收的连续波SAR雷达信号功率P 的计 算公式为: P 一 (9) 对连续波SAR雷达信号的检测可以采用窄带 超外差接收机和自相关接收机两种技术。 3.2对FMCW SAR雷达的旁瓣侦收、告警技术 旁瓣侦收连续波SAR雷达的信号功率P 为: 将占有一定的带宽△ : △ 一n (11) 调频连续波SAR雷达的地面散射信号的总功 率来自地面的投影面积S,因此,侦收站在R 处收 到的地面散射功率P 为: P 一 (12) 该信号功率也小于旁瓣信号功率,且信号成分 复杂,分布于一定的带宽内,不便于信号处理。 4 对FMCW SAR的干扰技术 4.1 对FMCW SAR的有源压制干扰措施 FMCW SAR合成孔径雷达是典型的相参 雷达,其信号接收及处理兼有压缩雷达和多普勒雷 达的特点。这些特点使一般的有源压制干扰技术很 难奏效,但从另一方面来说,由于它是连续波,多普 勒滤波器的带宽相对是很窄的,雷达需要积累相当 长的时间才能形成一幅电子镶嵌图,这给有源干扰 压制提供了可能。 FMCW SAR合成孔径雷达的压制式干扰在距 离向上,为了提高距离分辨力,采用压缩技术发射线 性调频信号,对于目标反射的回波信号,接收机内线 性调频匹配滤波器能对它实现匹配接收;而对于噪 声干扰信号,接收机内线性调频匹配滤波器对它为 非匹配接收。所以干扰噪声要比目标回波信号少获 得D (距离压缩比)倍的信号处理增益(一般在3O dB左右)。 在方位向上,SAR天线对噪声信号属于非相关 接收,而对于目标反射的回波信号属于相关接收。 由此可知,目标回波信号经方位处理后,横向压缩得 益为方位压缩比D。(一般也在30 dB左右),而噪声 却无此得益。因此,用噪声干扰信号对SAR进行干 扰时,噪声总共要受到D D 倍的抑制,即6O dB 左右。 维普资讯 http://www.cqvip.com 38 舰船电子对抗 第31卷 由以上分析可知,要对FMCW SAR实施有效 的噪声压制干扰,要克服相当高的雷达信号处理增 益;加之FMCW SAR会采用自适应滤波等一些抗 干扰措施,利用一般的噪声干扰信号对付FMCW SAR很难取得好的干扰效果。 对FMCW sAR实施压制式干扰,应当采用转 发加频移的干扰技术,即由引导参数自主产生噪声 信号,各干扰机产生实时、覆盖整个时域的、散布于 多普勒频移范围的一串串相干脉冲,这种相干脉冲 串在波形上与FMCW SAR雷达发射的线性调频信 号极为相似。所以,相干脉冲串经雷达接收机处理 后,可以获得距离信号处理增益,这样就大大减少了 压制干扰所需的干扰功率。 4.2 对FMCw SAR的有源欺骗式干扰 高逼真的欺骗式干扰信号与雷达回波信号极为 相似,因此,它可以获得同雷达回波信号相同的信号 处理增益,这样所需的干扰功率就很小。然而要获 得高逼真的欺骗干扰信号,必须尽力做到干扰信号 的射频、调频斜率、调频周期等参数与FMCW SAR 发射信号相一致,而且射频频偏必须小于其多普勒 频偏。目前比较常见的距离欺骗式干扰的方法主要 有2种:转发式干扰和应答式干扰。 4.2.1转发式于扰 转发式干扰又分为延时转发式干扰和移频转发 式干扰。延时转发式干扰是转发干扰机在接收到雷 达信号以后,把雷达信号延迟一段时问后放大并发 射的干扰方法。转发干扰对SAR的干扰效果为单 点虚假目标干扰。而移频转发式干扰是将接收到的 雷达信号通过移频器获得频移量 ,,经放大后 输出。 4.2.2应答式干扰 应答式干扰并不直接对接收到的雷达信号进行 放大,而是用存储的方法获得干扰信号,经一段时间 后再发射出去。在实施应答干扰过程中,应答干扰 机通过多次改变干扰发射的延迟时问和对干扰信号 进行移相处理获得频移量,从而在方位向和距离向 形成多点虚假目标。 应答干扰信号的产生可以采用多种途径,就目 前情况看,研究较多的方法是利用空间数字储频 (DRFM)技术,它对变换到基带内的雷达信号进行 存储,然后经数字移频,再上变频发射。DRFM技 术能够精确复制sAR的发射信号,通过目标采样或 计算机仿真建立假目标数据库施放干扰时,干扰机 可以把假目标样本调制到精确复制的SAR载频信 号上发射。 4.3 对FMCw SAR的其他有源干扰技术 无论是转发式干扰还是应答式干扰,只能对 SAR造成虚假点目标干扰,难以产生具有一定区域 的虚假图像干扰。两种能造成虚假雷达图像干扰的 方法是:基于移相调制虚假图像干扰法和散射波干 扰法。 基于移相调制虚假图像干扰是通过把调制在干 扰信号幅度中的地物后向散射系数特性信息进行移 相处理,从而达到虚假图像的干扰效果;散射波干扰 则是通过接收SAR雷达发射的线形调频信号并形 成干扰相参脉冲串,将其投射到需要进行干扰的地 区,经地物散射以后形成地物干扰回波与雷达原始 回波信号混合在一起被雷达接收,从而破坏雷达对 地物目标的识别。 由于散射干扰中的干扰信号保留了信号相干性 和地物散射特性,所以无论是从干扰功率增益还是 从包含的干扰信息来说,散射干扰综合效果在理论 上都要优于直达波干扰。这2种干扰方法可以产生 覆盖一定区域的、包括各种地物信息的虚假图像,欺 骗干扰效果远强于传统的点欺骗干扰方法。 除了以上新的干扰技术外,将压制式干扰与欺 骗式干扰组合的方式对抗FMCw SAR也会取得良 好的干扰效果。一定功率的噪声干扰虽然不太可能 完全遮盖雷达图像上的目标,但它却可以增加雷达 图像上的斑点,降低SAR的图像质量,造成强点目 标模糊,增加雷达图像的判读难度。此时如果发射 一些欺骗式强干扰信号,就可以大大提高欺骗式干 扰的干扰成功率。 4.4 对SAR的无源干扰措施 无源干扰并不破坏SAR系统的正常工作,而是 利用器材、材料及自然条件,隐真示假,增强、减弱、 模拟或歪曲雷达回波,使SAR不能对地物目标正确 成像,从而降低SAR的作战效能。常用器材有偶极 子反射器(箔条)、微波吸收材料、反雷达伪装网等。 5 结束语 FMCW SAR是一种新近被提出来的新的雷达 成像,它结合连续波与合成孔径成像技术,具有 结构简单、体积小、重量轻、分辨率高等一系列优点, (下转第46页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 46 舰船电子对抗 第31卷 末制导雷达位于海岸固定点,其弹轴与电轴之 成功。 间处于初始状态(即弹轴与电轴之间有一个最初的 冲淡干扰总效果评定要根据不同的试验方法来 固定夹角),去掉雷达距离选择波门,加距离灵敏度 确定。若不考虑导弹自控终点的散布,采用雷达定 控制。 点定向的试验方法,则总的干扰效果可用干扰成功 试验舰(装有无源干扰系统)按预定航向进入预 次数的比值来表示: 定发射点,末制导雷达不加高压,转动方位转台,通 一 ×100 (10) 过光学瞄准器跟踪舰艇。舰艇进入发射点后,按冲 Y/ 淡干扰方式要求发射干扰弹,然后舰艇按预定方向 式中:Q 为冲淡干扰成功的总频数;埘为冲淡干扰 机动。经过t(箔条云形成有效雷达截面积需要的 成功的次数;”为冲淡干扰总试验次数。 时间)时间后,雷达加高压捕捉目标。在整个试验过 若考虑导弹自控终点的散布,雷达采用定点多 程中,雷达光轴始终瞄准试验舰,笔录仪记录雷达输 向的试验方法,则总的干扰效果采用加权的方法评 出的航向电压、距离电压、战斗指令等参数,由雷达 定。设雷达偏开角为 。,相对此 对应的导弹自 显示并用录像机录取雷达波门搜索和跟踪目标的 控终点横向散布的概率为P ,则总的冲淡干扰效果 情况。 用概率指标来描述: K (2)考虑导弹自控终点的散布 P 一∑m_Lp (11) 导弹自控终点散布条件下的试验方法与不考虑 :。l 自控终点散布的试验方法基本一样,所不同的只是 式中: 为第i个角度下干扰成功的次数;”,为第i 要根据所要求的雷达的不同布站,而设定雷达电轴 个角度下试验的总次数;P瑾,为总的冲淡干扰效果成 与雷达和目标舰连线的初始偏角,即设定雷达的初 功的概率,i一1,2,3,一,k。 始状态。 冲淡式干扰失败即为抗冲淡式干扰成功。 设根据散布点要求,雷达需要布放在B 点(如 5 结束语 图4),则相对于雷达固定在0点而雷达轴线偏离雷 达与目标舰连线 角。对于导弹来说,末制导雷达 本文针对反舰导弹现代作战面lI缶的复杂电磁环 开机前其电轴与导弹弹轴在初始状态有一个固定夹 境,分析了冲淡式干扰的基本原理,提出了实施抗冲 角a ,因此,在采用定向测试法的试验条件下,使雷 淡式干扰试验的方案,给出了利用定向测试法进行 达光轴与电轴之问的夹角调至 +a (a 前的“±” 抗冲淡式干扰试验的方法,建立了评估干扰效果的 根据雷达起始搜索方向及雷达布站点上对于中心点 方法。这些试验方法的研究对于提高导弹作战能力 的右、左)。其它试验方法与(1)相同,这里不重复。 具有重要意义。 4 冲淡干扰效果的评估方法 参考文献 达捕捉目标的概率为I,那么对于单次试验来说,雷 冲淡干扰效果的评定标准方法比较简单。设雷 口 蓦嘉兰 海军,2005战. 术导弹试验一与鉴 伽・北京 达跟踪舰艇则为干扰无效,跟踪假目标则为干扰 (上接第38页) [2]张军,毛二可.线形调频连续波SAR成像处理研究 备受有关人员的关注。本文分析了FMCW SAR的 EJ].现代雷达,2005,27(4):42—45. 原理和距离维成像过程,提出了对FMCW SAR的 [3]Skolinik M I.Radar handbook[M].New York: 对抗措施。 McGraw—Hill Book Co.(Second Edition)。1990. [4]梁百川.对巡航导弹雷达高度表的侦收告警技术[J]. 参考文献 上海航天,2006(3):36—40. E5] 赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学 [1]耿淑敏,皇甫堪.FM—CWSAR系统及其发展概况[J]. 出版社,1999. 电子对抗,2007(3):39—44.