CN115015848A

CN115015848A - 基于sar成像的相干干扰方法

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Publication number: CN115015848A
Application number: CN202210817280.XA
Authority: CN
Inventors: 袁月; 章永翼; 陈思; 张淑宁; 赵惠昌
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2022-09-06

Abstract

本发明公开了一种基于SAR成像的相干干扰方法，对SAR的传统干扰易被抗干扰算法分离出真实目标和虚假目标；该方法提出利用相干压制干扰和欺骗干扰的方式进行干扰，一方面可以提高干扰信号与SAR信号的相参性，使其获得部分脉冲压缩增益，从而降低干扰信号的发射功率，提高干扰功率的利用效率；另一方面可以通过欺骗干扰的方式生成若干假目标，让敌方雷达难以识别真实目标。本发明的干扰效果良好，对进一步研究SAR干扰技术有一定的参考意义。

Description

基于SAR成像的相干干扰方法

技术领域

本发明涉及一种相干干扰方法，具体是一种基于SAR成像的相干干扰方法。

背景技术

RD算法于1978年处理出第一幅机载SAR数字图像，至今仍在广泛使用，它通过距离和方位上的频域操作，达到了高效的模块化处理要求，同时又具有了一维操作的简便性。该算法根据距离和方位上的大尺度时间差异，在两个一维操作之间使用距离徙动校正(RCMC)，对距离和方位进行了近似的分离处理，从而成像效果较好。现有的干扰方法从相干性角度可划分为相干干扰和非相干干扰，非相干干扰通常指的是噪声压制性干扰，相干干扰与非相干干扰噪声相比可以获得脉冲压缩处理增益，大大降低了干扰功率的需求，且更好地实现了对重要目标的保护，也让抗干扰的实现变得困难。传统相干干扰中的卷积相干干扰是利用卷积噪声的方法获得脉冲压缩增益，从而生成区域性干扰，但由于是卷积噪声生成的干扰信号，所以易被反卷积算法分离识别。通过移频或者转发式干扰的生成相干干扰会与真实目标信息更为相似，难以被分离识别。因此，对SAR成像的相干干扰技术研究具有十分重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SAR成像的相干干扰方法，以克服现有干扰易被抗干扰技术识别和分离的现状。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于SAR成像的相干干扰方法，包括：

合成孔径雷达成像：雷达发射的是线性调频信号，对目标进行RD成像，需要对信号回波进行距离向压缩、距离徙动校正和方位向压缩，最后得到压缩数据及成像结果；

相干压制干扰：根据拟保护目标的位置大小、干扰位置、SAR平台参数，调制一个LFM信号转发，从而在SAR图像中形成一个面状压制区域；

欺骗干扰：根据拟保护目标的位置大小、干扰位置、SAR平台参数，实现在距离向或方位向上的欺骗干扰，包括距离向上的密集假目标干扰和距离移频干扰，方位向上的转发式干扰。

第二方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法的步骤。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：相干压制干扰和移频干扰都是相干干扰技术，可以有效地降低对干扰机功率的需求；根据移频量和移频方式的不同，可以产生多种不同的干扰效果，还可以与现存较多的运动调制干扰或卷积干扰配合使用解决欺骗目标单一的问题；本发明将不同的距离向和方位向上的干扰方法结合使用，可以达到区域型假目标欺骗干扰，扩展了干扰区域，更好地保护真实目标，大大提高了抗干扰的难度。

附图说明

图1为基于SAR成像及干扰流程图。

图2为正侧视SAR几何关系示意图。

图3为未施加干扰时目标成像示意图。

图4为二维失配压制干扰成像示意图。

图5为距离固定移频干扰示意图。

图6为距离随机移频干扰示意图。

图7为距离步进移频干扰示意图。

图8为距离分段移频干扰示意图。

图9为密集假目标干扰示意图。

图10为转发式干扰示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种基于SAR成像的相干干扰方法，包括：

首先获得雷达原始数据，利用原始数据进行距离向压缩、距离徙动校正和方位向压缩，获得压缩数据和成像结果。

根据拟保护目标的位置大小、干扰位置、SAR平台参数，可以调制一个LFM信号转发，从而在SAR图像中形成一个面状压制区域，降低图像对比度，实现相干压制干扰，从而实现对目标的保护。

根据拟保护目标的位置大小、干扰位置、SAR平台参数，可以实现在距离向或方位向上的欺骗干扰，包括距离向上的密集假目标干扰和距离移频干扰，方位向上的转发式干扰。

对于不同的欺骗干扰，在同一信干比情况下进行干扰效果的评估，主要评估指标包含：峰值旁瓣比、积分旁瓣比、结构相似度及相关系数。

对于同一干扰，在不同信干比情况下进行干扰效果的评估，并对各种干扰结果进行对比。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，一种基于机动SAR平台成像干扰方法，包括以下步骤：

步骤1，首先根据雷达信号，生成雷达原始数据，雷达发射的一般是线性调频信号，其表达式为：

式中：t_r为距离快时间，f_c为信号载频，T为LFM信号脉冲宽度，B_r为LFM信号带宽，k_r为线性调频率，k_r＝B_r/T，λ＝c/f_c为载频对应的波长；

回波信号经过去载频处理后为：

式中，t_a为方位慢时间，R(t_a)为目标与SAR之间的慢时相关瞬时距离。

对距离向做脉冲压缩的系统匹配函数为：

s_r(t_r)＝exp(-jπk_rt_r ²)

完成距离向压缩处理后就要对方位向进行处理，首先要考虑距离徙动的影响，当正侧视工作时，只考虑距离弯曲，如图2，对最近距离R_B的点目标P，其斜距与t_a的关系为：

式中，V为载机速度，第二项为距离弯曲，它对合成孔径期间的包络移动影响可以忽略，但对回波相位的影响必须考虑。进行距离徙动校正后，对方位向做脉冲压缩的系统匹配函数为：

s_a(t_a)＝exp(-jπK_at_a ²)

式中，多普勒调频率为

完成以上操作后，得到回波成像数据及成像结果。

步骤2，SAR发射LFM信号后，为实现相干压制干扰，干扰机对截获的SAR发射信号进行调制后转发，转发信号为：

式中，T_L为信号脉冲宽度，C为调频斜率，调制信号带宽为B_L＝T_LC，f(t_a)为方向位慢时间t_a为变量的调制信号中心频率，可表示为

f(t_a)＝M₁+M₂t_a

其中，M₁和M₂为根据干扰距离可调配参数。

假设干扰机位于真实目标附近，其距离忽略不计，且调制信号脉冲宽度与截获的SAR信号脉冲宽度保持一致，则去载频后的干扰信号可表示为：

式中Δt为延迟时间，主要包括调制干扰、转发干扰信号的时间，k_J＝k_r+C为干扰信号的调频斜率。第一个指数项主要与距离向压缩有关，第二、三个指数项主要与方位向压缩有关。根据脉冲压缩原理可知，干扰信号的调频斜率与SAR发射信号的调频斜率不一致，从而导致脉冲压缩输出主瓣宽度展宽。同理，干扰信号与方位向脉冲压缩参考信号的调频斜率不一致，使得方位向脉冲压缩输出主瓣宽度展宽。干扰信号经成像处理，在SAR图像中形成散焦的图像，从而形成压制区域，而二维脉压失配压制干扰正是在此基础上产生的。因此，通过调整调制信号L(t_r,t_a)的参数，可形成面积可调的压制干扰区域，实现对重要目标的保护。

步骤3，基于LFM信号具有时频耦合特性，所以可以对SAR进行移频欺骗干扰。

距离固定移频干扰为：干扰机接收到雷达信号后，对信号载频进行固定的频移后转发，固定移频量为f_d，此时SAR接收机接收到的移频干扰信号形式为：

其中t_r为距离向快时间，t_a为方位向慢时间，Δt为干扰机转发时延，T_L为合成孔径时间，R_j(t_a)为雷达到干扰机的距离，k_r为信号调频斜率。

经雷达下变频后，得到信号为：

再经距离向和方位向压缩处理后得到：

式中

表示二维信号相乘。k_a为方位向调频率，T为信号脉冲宽度。

当移频量为固定时，干扰机输出为一个距离向上相对干扰机偏移τ_d＝-2πf_d/k_r的虚假点目标。若去脉间相干干扰后，可在点偏移位置生成一条直线。

距离随机移频干扰同固定移频干扰步骤类似，区别为其中的随机移频的干扰移频量为：

f_d(t_d)＝ξ(t_a)·δ·B_r

其中ξ(t_a)为方向位上的高斯随机变量，设置其范围为[1,Na]，Na为方向位采样点数，δ为常数，B_r为SAR信号带宽。这种情况下的移频干扰可在SAR图像上形成一定宽度的条带似噪干扰，起到保护分布式目标的作用。

此时SAR接收机处接收到的距离随机移频干扰信号可表示为：

距离随机移频干扰将在SAR图像上形成沿方位向上一定宽度的条带似噪欺骗干扰，起到分布式保护目标的作用。

距离步进移频干扰是一种移频量与方位向慢时间相关，且以固定移频量逐次递增或递减的干扰方法。

移频量为f_step＝n·Δf_step，其中Δf_step为固定的移频增量，为正时表示逐次递增，为负时表示逐次递减，且要求f_step≤|B_r|，使得干扰信号形成有效干扰。

假设t₀为SAR照射干扰机初始时刻，n₁为n的初始值，则移频量与方位向慢时间的关系表达式为：

f_step＝PRF·Δf_stept_a-Δf_step(m-n₁)

其中PRF为脉冲重复频率，t_a为方位向慢时间，m＝t₀·PRF。

则接收到的距离随机移频干扰信号为：

距离步进移频干扰将在SAR图像上形成沿距离向上一定宽度的条带欺骗干扰，其干扰效果更加密集。

距离分段移频干扰是在合成孔径时间内的不同时段，做不同量的移频干扰，设分段数为N，分段移频量可表示为：

其中，t_a为方向位慢时间，T_L为合成孔径时间，，t_i-1，t_i为第i段起止时间和截止时间，f_i为第i段移频量。

距离移频干扰可在距离向上形成不同位移的虚假点目标，与固定移频干扰不同，可以自由选择分段数和移频量，形成需要的干扰效果。

密集假目标干扰首先对原始脉冲时域压缩得到一个子脉冲，其表达式可以表示为：

J₁(t)＝Aexp(jπμt²),μ＝n·kr,0≤t≤T_r/n

其中，A为子脉冲的幅度，压缩后调制频率为μ＝n·kr,时宽为T＝T_r/n，T_r为原脉冲时宽。

将J₁(t)复制n次，得到干扰信号表达式为：

转发式干扰是干扰机对接收到的SAR信号按PRF进行转发，SAR接收到的干扰信号为：

其中t_j为干扰信号到SAR的时延，N_a为方位向的脉冲个数，t_ai为方位向上的转发时延。可以使i从-N_a到N_a，以实现方位向上前后时延。

步骤4，对于不同的欺骗干扰，将其信干比控制在同一情况下进行干扰效果的评估。基于图像质量评估的指标主要分为峰值旁瓣比、积分旁瓣比、结构相似度及相关系数。

峰值旁瓣比：一般定义为点目标冲激响应的最高旁瓣峰值P_s与主瓣峰值P_m之比，一般用分贝表示。峰值旁瓣比的大小决定了强目标掩盖弱目标的能力。通常要求峰值旁瓣比小于一定值。

距离向峰值旁瓣比PSLR_r：

式中P_sr和P_mr分别为距离向点目标冲激响应的主瓣峰值和最高旁瓣峰值；

方位向峰值旁瓣比PSLR_a：

式中P_sa和P_ma分别为方位向点目标冲激响应的主瓣峰值和最高旁瓣峰值。

积分旁瓣比：一般定义为旁瓣能量与主瓣能量的比值，单位为分贝。它是图像局部对比度的衡量指标，即它定量的描述了一个局部较暗的区域被来自周围的明亮区域的能量泄露所淹没的程度。它也是通过测量点目标特性获得的。

通常情况下，积分旁瓣比越小，图像质量越高。

距离向积分旁瓣比LSLR_r：

式中E_sr和E_mr分别为距离向冲激响应旁瓣能量和主瓣能量；

方位向积分旁瓣比LSLR_a：

式中E_sa和E_ma分别为方位向冲激响应旁瓣能量和主瓣能量。

结构相似度：其基本思想是，人类视觉系统的主要功能是从视觉区域提取图像的结构性信息，它比较两幅图像的相似度，而不是差值，获得图像的相似结构映像，从而得到客观预测质量。SSIM将图像分成亮度，对比度，结构，分别进行比较，然后加权乘积获得相似性，可以计算出干扰图像的质量，以此来评估SAR的抗干扰能力，当SSIM值越大时，图像越相似。其数学表达式如：

SSIM(x,y)＝[l(x,y)]^α·[c(x,y)]^β·[s(x,y)]^γ

式中，x和y分别代表SAR原图像和干扰之后的图像；

其中，l(x,y)、c(x,y)、s(x,y)分别表示亮度、对比度、结构因子的比较，可以用它们来度量SAR图像受干扰的程度；其中，μ_x和μ_y分别为原始图像与干扰图像中像素灰度均值，表征图像的亮度。σ_x和σ_y分别为原始图像和干扰图像中像素灰度的标准差，表征图像的对比度，σ_xy为是原始图像与干扰图像对应块的相关系数，表征结构信息的相似性；C₁、C₂、C₃是避免分母为零或接近零的很小的正数。通常令α＝β＝γ＝1，方便结构相似度的计算。

相关系数：根据随机信号中两随机变量相关系数的相关理论，定义SAR干扰图像与无干扰图像的相关系数公式如下：

式中，f(x_i,y_i)和g(x_i,y_i)分别为同一场景SAR无干扰图像和干扰图像的像素灰度值，而f和g分别为SAR无干扰图像和干扰图像的灰度均值。干扰前后SAR图像的相关系数ρ_FG反映了干扰前后两幅图像之间的统计相关性，对于压制式干扰，相关系数ρ_FG越大，表明受干扰后的SAR图像与原始SAR图像之间越相似，说明图像受干扰程度越小，对SAR的干扰效果越不好；反之，对SAR的干扰效果越好。

步骤5，对于同一干扰，设置不一样的信干比来进行干扰评估。分析信干比大小对干扰效果的影响，并对各种干扰结果进行比对。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。系统参数为：线性调频信号部分，载频f_c＝1.5GHz，信号脉宽T＝1.5us，信号带宽B_r＝150MHz，调制频率k_r＝B/T，距离向快时间采样频率f_s＝450MHz,SAR平台速度v＝100m/s，高度H＝1000m，选取距离向采样点数为1024，方位向采样点数为256。

图3为未施加干扰时的目标RD算法成像。图4为施加二维失配压制干扰成像，二维失配压制干扰调制频率C＝-0.2k_r，M₁＝0.4f_c，M₂＝0，呈区域型压制干扰。图5为距离固定移频干扰，固定移频量f_d＝-0.3B_r，呈目标右拖欺骗干扰。图6为距离随机移频干扰，随机移频量f_d(t_d)＝0.1·ξ(t_a)·B_r，呈沿方位向上一定宽度的条带似噪欺骗干扰。图7为距离步进移频干扰，步进移频量Δf_step＝0.06B_r，呈沿距离向上一定宽度的条带欺骗干扰。图8为距离分段移频干扰，分段移频量

呈距离向前后欺骗干扰。图9为密集假目标干扰，设置n＝10，并且在叠加后向频谱的同时叠加前向频谱，实现距离向上双向密集假目标。图10为转发式干扰，实现方位向上的欺骗干扰。

表1为不同干扰在干信比20dB时的效果评估。

表1

可以看出在距离向上实现干扰和方位向上实现干扰的峰值旁瓣比和积分旁瓣比有明显的区别，距离向和方位向上的干扰掩盖能力越强，其对应的峰值旁瓣比就越小。距离向和方位向上的干扰对图像质量影响越大，其对应的积分旁瓣比就越大。由峰值旁瓣比可以判断干扰后信号的质量，由积分旁瓣比可以判断图像的质量。由相关系数和结构相似度可以看出欺骗干扰后的图像相似程度和结构相似性。

表2为不同干扰在不同干信比时的相关系数效果评估。

表2

可以看出，在假目标欺骗干扰时，随着干信比的改变，图像整体质量变化较小，相关系数变化也在一定范围中。

表3为不同干扰在不同干信比时的结构相似度效果评估。

表3

结合相关系数效果评估可以看出，欺骗性干扰在结构相似性和统计相关性上区分度较小，在不影响图像质量的情况下实现假目标干扰，符合欺骗性干扰特征。实验中测量结果与理论值一致，符合设计要求。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于SAR成像的相干干扰方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于SAR成像的相干干扰方法，其特征在于，雷达发射的线性调频信号表达式为：

式中，t_r为距离快时间，T为LFM信号脉冲宽度，B_r为LFM信号带宽，k_r为线性调频率，k_r＝B_r/T，f_c为信号载频，λ＝c/f_c为载频对应的波长；

距离向脉冲压缩函数表达式分别：

s_r(t_r)＝exp(-jπk_rt_r ²)

完成距离向压缩处理后，对方位向进行处理，当正侧视工作时，仅考虑距离弯曲，对最近距离R_B的点目标P，其斜距与方位向慢时间t_a的关系为：

式中，t_a为方位慢时间，v为载机速度；

进行距离徙动校正后，对方位向做脉冲压缩的系统匹配函数为：

s_a(t_a)＝exp(-jπK_at_a ²)

式中，多普勒调频率为

完成以上操作后，得到回波成像数据及成像结果。

3.根据权利要求2所述的基于SAR成像的相干干扰方法，其特征在于，SAR发射LFM信号后，为实现相干压制干扰，干扰机对截获的SAR发射信号进行调制后转发，转发信号为：

式中，T_L为调制信号脉冲宽度，C为调频斜率，调制信号带宽为B_L＝T_LC，f(t_a)为以t_a为变量的调制信号中心频率，可表示为f(t_a)＝M₁+M₂t_a

其中，M₁和M₂为根据干扰距离可调配参数；

式中Δt为延迟时间，主要包括调制干扰、转发干扰信号的时间，k_J＝k_r+C为干扰信号的调频斜率；通过调整调制信号L(t_r,t_a)的参数，形成面积可调的压制干扰区域。

4.根据权利要求3所述的基于SAR成像的相干干扰方法，其特征在于，对SAR进行移频欺骗干扰，具体分为距离固定移频干扰、距离随机移频干扰、距离步进移频干扰和距离分段移频干扰；

距离固定移频干扰的移频量为f_d；

距离随机移频干扰移频量为：

f_d(t_d)＝ξ(t_a)·δ·B_r

其中ξ(t_a)为方向位上的高斯随机变量，设置其范围为[1,Na]，Na为方向位采样点数，δ为常数，B_r为SAR信号带宽；

距离步进移频干扰移频量为：f_step＝n·Δf_step，其中Δf_step为固定的移频增量，为正时表示逐次递增，为负时表示逐次递减，且要求f_step≤|B_r|，使得干扰信号形成有效干扰；

距离分段移频干扰移频量为：

其中，t_i为第i段起止时间和截止时间，f_i为第i段移频量；

密集假目标干扰是首先对原始脉冲时域压缩得到一个子脉冲，其表达式表示为：

J₁(t)＝Aexp(jπμt²),μ＝n·kr,0≤t≤T_r/n

其中，A为子脉冲的幅度，压缩后调制频率为μ＝n·kr,时宽为T＝T_r/n，T_r为原脉冲时宽

将J₁(t)复制n次，得到干扰信号表达式为：

其中t_j为干扰信号到SAR的时延，N_a为方位向的脉冲个数，t_ai为方位向上的转发时延；使i从-N_a到N_a，以实现方位向上前后时延。

5.根据权利要求4所述的基于SAR成像的相干干扰方法，其特征在于，对不同干扰进行干扰效果评估，基于图像质量评估进行效果评估；评估指标主要分为峰值旁瓣比、积分旁瓣比、结构相似度及相关系数。

6.根据权利要求5所述的基于SAR成像的相干干扰方法，其特征在于，峰值旁瓣比定义为点目标冲激响应的最高旁瓣峰值P_s与主瓣峰值P_m之比；

积分旁瓣比定义为旁瓣能量与主瓣能量的比值；

结构相似度表达式为：

SSIM(x,y)＝[l(x,y)]^α·[c(x,y)]^β·[s(x,y)]^γ

式中，x和y分别代表SAR原图像和干扰之后的图像；

其中，l(x,y)、c(x,y)、s(x,y)分别表示亮度、对比度、结构因子的比较，可以用它们来度量SAR图像受干扰的程度；μ_x和μ_y分别为原始图像与干扰图像中像素灰度均值，表征图像的亮度；σ_x和σ_y分别为原始图像和干扰图像中像素灰度的标准差，表征图像的对比度；σ_xy为原始图像与干扰图像对应块的相关系数，表征结构信息的相似性；C₁、C₂、C₃是避免分母为零或接近零的很小的正数；

定义SAR干扰图像与无干扰图像的相关系数公式如下：

式中，f(x_i,y_i)和g(x_i,y_i)分别为同一场景SAR无干扰图像和干扰图像的像素灰度值，而

和

分别为SAR无干扰图像和干扰图像的灰度均值。

7.根据权利要求6所述的基于SAR成像的相干干扰方法，其特征在于，α＝β＝γ＝1。

8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-7中任一所述的方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一所述的方法的步骤。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一所述的方法的步骤。