（电路与系统专业论文）合成孔径雷达干扰及干扰效能评估研究.pdf

摘要 摘要 合成孔径雷达是一种全天候、全天时的主动式微波成像雷达，能全天候、实时 地获取地面图像，具有良好的植被和地面穿透能力，对资源探测和军事侦察等有 重大意义，已广泛运用于民用和军事领域。 本文在对s a r 的工作原理及其典型成像算法分析研究的基础上，对s a r 的点 目标成像进行了距离一多普勒算法仿真；在此基础上，详细分析了s a r 的有源干 扰技术及干扰效能评估方法，系统的研究了压制式干扰和欺骗式干扰，实现了多 种干扰样式压制式干扰和点目标欺骗式干扰的仿真，证明了其有效性和正确性， 得出了结论：用多种不同的干扰效能评估方法对压制式干扰仿真进行了干扰效能 评估，分析了所得结果。 论文的主要工作和成果如下： 1 通过对s a r 成像原理的分析，采用经典的r 。d 算法进行了点目标成像的仿真； 2 通过多种干扰样式进行了s a r 压制式干扰仿真实验，并得出了一些有意义的 结论； 3 针对点目标进行了s a r 假目标欺骗式干扰仿真试验； 4 系统的分析研究了s a r 干扰效果评估方法，用多种干扰效能评估方法对前面 进行的s a r 压制干扰仿真结果进行了干扰效能评估，分析并得出了结论，证 明了其有效性和正确性。 关键字：合成孔径、压制式干扰、噪声、欺骗式干扰、干扰效能评估 a b s t r a c t a b s t r a c t s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) i sak i n do fa c t i v em i c r o w a v ei m a g i n gr a d a r i t c a na l l - w e a t h er a l l - d a ya n dt i m e l yg e tg r o u n d i m a g eo fw i d er e g i o na n dh a sf i n e p e n e t r a b i l i t y t o v e g e t a t i o n a n d g r o u n d s a ri sp r e t t yi m p o r t a n t t or e s o u r c e s e x p l o i t a t i o na n dm i l i t a r yr e c o n n a i s s a n c ea n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nd i v e r s ef i e l d so f c i v i la n dm i l i t a r y t h i sd i s s e r t a t i o ns i m u l a t e ss a r p o i n tt a r g e ti m a g i n gw i t hr a n g e - d o p p l e r ( r d ) a l g o r i t h mb a s e do na n a l y z i n gs a ri m a g i n gt h e o r i e sa n da l g o r i t h m s b a s e dt h a t ，w e a n a l y z e t h e t e c l m o l o g yo fs a ra c t i v ej a m m i n ga n dt h em e t h o d so fj a m m i n g e f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o n ，r e s e a r c h s u p p r e s s i o nj a m m i n ga n dd e c e p t i o nj a m m i n g s y s t e m i c a l l y a n dw es i m u l a t es e v e r a lj a m m i n gm o d a l i t i e so fs u p p r e s s i o nj a m m i n ga n d d e c e p t i o nj a n a m i n g ，w h i c hp r o v e si t sv a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s s w et h e nu s et h r e e d i f f e r e n tm e t h o d st oe v a l u a t et h ej a m m i n ge f f e c t i v e n e s s ，a n a l y z et h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o n t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1s i m u l a t e ss a r p o i u tt a r g e ti m a g i n gw i t hr - da l g o r i t h m ； 2 u s i n gf o u rd i f f e r e n tj a m m i n gm o d a l i t i e st os i m u l a t es u p p r e s s i o nj a m m i n g ， a n d g e ts o m es i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o n s ； 3 s i m u l a t e sp o i n t sd e c e p t i o n j a m m i n gs i m p l y ； 4 a n a l y z i n g t h em e t h o d so fs a r j a m m i n g e f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o n s y s t e m i c l y u s i n gt h r e em e t h o d st o e v a l u a t et h ej a m m i n ge f f e c t i v e n e s s ， a n a l y z et h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n ，a n di ti sv a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s s k e yw o r d s ：s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) ，s u p p r e s s i o nj a m m i n g ，j a m m i n gy a w p d e c e p t i o nj a m m i n g ，j a m m i n ge f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：i 垫查： 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：数丧： 导师签名碰一 日期：年月日 第一章绪论 1 1 合成子l 径雷达简介 第一章绪论 合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ，s a r ) 是一种全天候、全天时的现 代高分辨率微波成像雷达。自2 0 世纪5 0 年代以来，至今已获得飞跃式的发展。 以飞机为平台的机载s a r 己被广泛运用。以卫星为平台的星载s a r 也早已走 向实用阶段。以1 9 7 8 年6 月美国成功发射海洋星( s e a s a t ) 为源头，其后，欧 空局、日本、俄罗斯和加拿大等国家和地区相继成功地发射了自己的s a r 卫星， 在世界上掀起了发展主动微波遥感对地观测卫星的热潮。在国土测量、农作物的 植被分析、海洋及水文观测、环境及灾害监测、资源勘探、地形测绘和微变监视， 以及军事侦察等领域内，s a r 发挥了越来越重要的作用【0 ”。 合成孔径雷达是现代雷达领域的项重大成就，它是利用合成孔径原理、脉 冲压缩技术，以真实的小孔径天线获得距离向和方位向高分辨遥感图像的雷达系 统。它使雷达的基本功能发生了质的变化，扩展了人类观察自然界和生存环境的 能力。合成孔径雷达作为一种工作在微波波段的主动式遥感器，它能够不受日照 和天气条件的限制完成对地观测，并对某些地物具有一定的穿透能力。这些特点， 使它在民用和军事等领域的应用具有独到的优势，在某些情况下，能起到其他遥 感手段起不到的作用 0 2 j 。 在军事方面，发现和识别军事目标是合成孔径雷达的主要运用之一。敌方目 标如飞机( 群) 、坦克( 群) 、机场和停机坪、各种车辆、桥梁、铁路、公路、堤 坝和各种军事建筑物等，由于这些目标在s a r 图像中的特征非常明显，且与其周 围其他目标相比有比较大的对比度，因此对其中的大部分目标利用视觉就可以做 出准确的判断和识别。另外，s a r 正在向多频段、多极化、变入射角、多模式方 向发展，即使被伪装或隐藏起来的军事目标，s a r 照样可以发现和识别目标【0 。 在民用方面，由于s a r 图像主要反映了目标物的两类特性，一是目标物的几 何结构特性，即目标的表面粗糙度，几何结构，分布方向、方位；二是目标物的 介电特性，与目标物的含水量有很大的相关性，因此，使合成孔径雷达在农业、 林业、水文、地质、海洋、洪水检测、测绘、减灾防灾等很多方面都有广泛的应 用【0 20 3 1 。 电子科技大学硕十学位论文 1 。2 合成孑l 径雷达干扰及干扰效能评估的重要意义 现代战争中，通信联络、作战指挥、军事情报和兵器控制等日益依赖无线电 电子设备，无线电电子设备的广泛应用导致现代战争中出现了新的领域电子 对抗，又称电子战( e w ) 。所谓电子对抗就是敌我双方利用电子设备和器材所进 行的电子斗争。雷达干扰是电子对抗的一个重要组成部分。 所谓对合成孔径雷达的干扰就是一切破坏和扰乱敌方利用合成孔径雷达检测 我方目标信息的战术、技术措施的总称。这些对抗措施主要包括对合成孔径雷达 的侦察、干扰、对目标的伪装和欺骗。合成孔径雷达是通过对目标回波信号的检 测发现目标的存在并测量其参数信息的，而干扰的目的就是通过对合成孔径雷达 的侦察以及对其的干扰，破坏或阻碍敌方雷达发现我方目标与测量目标参数。 现代战争已由海陆空的三维立体战发展到加上电子战的四维战争。合成孔径 雷达干扰技术在现代战争中处于举足轻重、f ：= | 益重要的地位，其重要意义主要表 现在以f 三个方面： ( 1 ) s a r 干扰是取得军事优势的重要手段和保证。 由于在各种现代武器系统中，雷达仍然是信息获取和精确制导领域中最重要 的装备，特别是在广大的作战地域内，及时、准确、全面地获取各种目标信息， 雷达的作用是不可取代的。破坏了雷达的j f 常工作，也就破坏了整个武器系统的 重要信息来源，很可能使其成为“聋子”、“瞎子”。这对于取得军事优势，无疑是十 分重要的。 ( 2 ) s a r 干扰设备是武器系统和军事目标生存与发展的必不可少的自卫武 器。 s a r 干扰技术是改善武器系统和军事目标生存与发展条件的有效手段。现代 战争和未来战争都是一场在高科技支持下的高度信息化的战争，每一个作战单元 都是与详尽的作战信息紧密联系在一起的。s a r 和s a r 干扰技术作为其中信息来 源的重要部分，无疑具有广阔的发展前景。 ( 3 ) s a r 干扰是提高雷达抗干扰性能和整个电子战能力的必不可少的条件。 一个国家，没有先进的雷达干扰技术就不可能有先进的雷达系统，反之亦然。 s a r 干扰和s a r 是相互对立又相互促进的，但敌方的先进的对抗措施只在战争 中的紧要关头才会使用。所以要使自己的雷达系统适应未来战争的电子战环境， 完全要靠自己的雷达干扰设备模拟敌方的对抗环境来检验雷达的抗干扰性能。 有了对合成孔径雷达的干扰，那么，用什么方式来判断所施干扰的有效性， 第一章绪论 正确的比较各种干扰方式的干扰效果，即合成孔径雷达干扰效能评估也就成为了 我们研究的目标，干扰效能是衡量干扰技术和装备性能的一项重要的综合性指标， 定量地评估干扰效能对于干扰技术的研究和电子战装备的论证、研制、试验、部 署以及部队的训练和实战都非常重要，因此，对合成孔径雷达干扰的效能评估方 法进行研究也是一个重要的内容。 1 3 国内外研究动态 1 3 1s a r 研究动态 合成孔径雷达( s a r ) 是一种高分辨率的微波成像系统，它能够对地物目标进行 大面积的成像，在微波遥感领域占有极为重要的地位。 随着信号处理技术、大规模集成电路和微波毫米波技术的飞速发展，相继出 现了一系列多频、多极化、多模式的机载和星载s a r 系统。1 9 7 8 年6 月，美国发 射了海洋卫星( s e a s a t ) ，在卫星上首次装载了合成孔径雷达，对地球表面1 亿平 方公里的面积进行了测绘，标志着s a r 已成功地进入了空间领域。 此后，星载s a r 技术得到了迅速的发展，一系列星载s a r 先后升空。除 s e a s a t 外，n a s a 还发射了“航天飞机成像雷达”s i r a 、s i r b 和s i r - - c p a s a r ；前苏联于1 9 9 1 年发射了a l m a z 星载s a r ；欧空局于1 9 9 1 年发射了e r s 一1 ；日本于19 9 2 年发射了j e r s 一1 ；加拿大于1 9 9 5 年发射了r a d a r s a t 等等。在1 9 9 1 年的海湾战争中，美国的两架载有x 波段s a r 的j s t a r s 预警飞机和一颗“长 曲棍球”s a r 卫星充分显示了s a r 技术在现代高技术战争中所表现出来的卓越的 战场监视和侦察能力，被认为是赢得这场现代高技术战争的关键因素之一。从九 十年代起，对能够提供三维信息的干涉式s a r 的研究引起了世界各国的格外关注， 成为s a r 技术发展的新热点。 2 0 0 0 年2 月，美国奋进号航天飞机顺利地实现了全球范围内的高精度三维成 像，在全世界引起了不小的震动。当前一些发达国家正在筹划和研制新的可长期 进行观测的各种技术先进的空问雷达卫星。如欧洲空间局预计发射的a s a r 是到 目前为止正在研制的最先进的星载s a r ；美国下一个计划是发刺s i r d ，它将是多 频段( 可能有4 个) 、多极化的星载成像雷达。另外，美国目前正在进行“发现者二 号”天基雷达的研究。纵观国外空间s a r 的发展过程，可以看出随着科学技术的不 断进步，s a r 的水平和功能也在不断提高。可以相信，科学家们将不断地挖掘s a r 电子科技大学硕士学位论文 的技术潜力，为人类的需要服务。 目前，s a r 发展水平的高低己经成为衡量一个国家军事力量与综合国力水平 的标志之一，其发展受到各国越来越多的重视。根据我国的迫切需要和国际上s a r 技术发展趋势，我国也在高分辨率机载s a r 系统、s a r 定标技术、s a r 干涉技术 等一系列相关的领域开展研究。 7 0 年代中期，中国科学院电子学研究所率先开展了s a r 技术的研究。1 9 7 9 年取得突破，研制成功了机载s a r 原理样机，获得我国第一批雷达图像。目前机 载s a r 系统己成为我国民用遥感的有效工具，近年来多次在我国洪涝监测中发挥 了重要作用。自8 0 年代末，国家许多计划部署了发展s a r 及相关技术的一系列 课题，中科院电子所、电子科技大学、航天总公司五院和北京航空航天大学等单 位都参与研究。中国科学院空间科学与应用研究中，t l , 开展了微波遥感系统与机理、 空间微波遥感技术与遥感器、遥感信息的传输和相关应用技术研究。先后建立了 陆基、机载及星载主动、被动微波遥感器。主要包括：雷达高度计、微波散射计和 辐射计。并已应用于地质、农业、海洋等领域研究中。另外，电子科技集团公司 第1 4 所，3 8 所以及航天6 0 7 所等单位在开展机载，星载s a r 的成像以及信号处 理方面的研究。同发达国家相比，国内在s a r 方面的研究虽然起步较晚，但发展 较快，且具有很大的发展前景。 在发展方向方面，合成孔径雷达将主要注重在以下几个方面0 1 ： 1 未来的星载s a r 将越来越多地使用多频段、多极化、可变视角和可变波 束的有源相控阵天线，并且向着柔性可展开的轻型薄膜天线方向发展。 2 未来的星载s a r 将进一步向着超高分辨率和多模式工作方向发展。 3 ，干涉式合成孔径雷达技术将获得进一步的发展。 4 动目标检测与动目标成像技术将取得新的突破。 5 星载s a r 的小型化技术和星座对地观测技术将受到更大的重视。 6 星载s a r 的校准技术，特别是极化雷达、s c a n s a r 和i n s a r 校准技术将 受到更大的重视和发展。 13 2s a r 干扰及干扰效能评估研究动态 由于某些原因，对合成孔径雷达的干扰技术研究的文章国外没有公开报道， 但是由于其重要性，对它的研究肯定都在开展。国内由于在这方面落后于国外。 因此，我们在合成孔径雷达系统的特点以及其成像原理基础上结合信号处理技术 笫一章绪论 独立地开展了对合成孔径雷达干扰及二f 扰效能评估研究，希望对合成孔径雷达干 扰领域的研究做出贡献，对以后开展该领域的工作提供参考，这就是本论文的目 的和重大意义所在。 由于s a r 本身是近几十年才逐渐发展起来的一种新的雷达体制，并且会随着 数字信号处理理论与技术的发展、更高速度的数字处理器的不断出现，而不断向 前发展。s a r 雷达本身在信号处理中所具有的新特点，决定了干扰的复杂性和困 难度。目前，在国内对其干扰方法的研究，还处于刚开始阶段，在这方面需要做 很多的工作，本文在这方面做的工作属于研究性的。 1 4 本文结构安排 第一章：绪论 介绍s a r 的发展和s a r 干扰研究的意义，国内外s a r 及其干扰研 究动态： 第二章：合成孔径雷达基本原理、成像算法及仿真 简述s a r 的结构、分析s a r 的基本原理、成像算法，并采用r - d 算法进行点目标成像仿真： 第三章：雷达干扰概述 介绍雷达干扰基本概念，分析s a r 干扰类型，干扰方式及特殊性： 第四章：合成孔径雷达干扰仿真实验： 研究压制式干扰，对多种噪声和噪声调制干扰信号在不同的干信比下 进行了仿真实验，得出结果和结论；实现假目标欺骗式干扰仿真： 第五章：合成孔径雷达干扰效能评估； 分析总结各种s a r 干扰效能评估方法，并对其中数种方法进行计算 验证，比较前文所用干扰样式的好坏，得出结论； 第六章：结束语。 电子科技大学硕士学位论文 第二章合成子l 径雷达基本原理、成像算法及仿真 2 1 合成子l 径雷达的结构及工作特点 2 1 1 合成孔径雷达的结构 合成孔径雷达是运用了合成孔径和脉冲压缩技术的相参雷达。典型的相参雷 达信号处理的系统组成如图2 1 所示【0 ”，虚线框内确定发射波形，有两个稳定振 荡器组成。混频器l 产生多个和频及差频，并选择所需要的频率送到功率放大器。 由于采用了脉冲压缩技术，采用频移振荡器得到所希望的调频信号。通常用 本振锁定频移振荡器，用线性斜变电压加到频移振荡器以实现线性调频，此外其 它波形也可用于脉冲压缩技术。 灵敏度时间控制( s t c ) ：雷达目标回波功率与传输时间( 距离) 的4 次方成 反比，距离对信号强度的影响不利于对目标尺寸的测量，s t c 使雷达接收机的灵 敏度随时间变化，从而使被放大的雷达回波强度与距离无关。对于合成孔径雷达 来浣，测绘带宽度远小于斜距，目标区域的回波强度随斜距变化不大，则s t c 对 成像和地面干扰信号影响不大。 第二章合成孔径雷逃基本原理、成像算法及仿真 图2 一i 相参雷达信号处理前的系统组成 自动增益控制( a g c ) ：通常用来保证接收机中的信号电平足够小，以便让放 大器工作在线性范围内，a g c 控制射频和中频部分的增益。 瞬时自动增益控制：指当回波信号的幅度变化时，电路能快速地自动调整接 收机增益的一种技术。它与一般i h 动增益控制电路的原理相同，不同的只是这种 电路的自动增益控制应能跟上干扰的变化，故其控制回路的时间常数较小，一般 约为发射脉冲宽度的5 1 0 倍，以使其能跟上干扰信号的变化。电路能根据干扰 信号的强弱自动调节中放级的偏压，以使信号始终处于特性曲线的直线部分。它 可以有效地防l l 由于等幅波干扰、宽脉冲干扰和低频调幅干扰所引起的中放饱和。 常用的办法是利用负反馈把输出电压检波后去控制中放级的偏压。当回波的时间 长度小于雷达的发射脉冲宽度时，则成为快时间常数( 即快速a g c ) 电称微分电 路，它可以降低强干扰中的直流和低频成分，避免接收机的后续放大器因强干扰 而截止。 中频限幅器：当接收到的信号使接收机的某几级达到饱和，而接收机的这几 级又没有专门的设计以对付这种饱和时，在信号消失后其运动状态会出现i 琦变并 会持续一段n , t l n j 。限幅器是一个当输入信号幅度变化范围很大时，其输出仍为常 数的电路或类似于电阻的组合。限幅器可以防止任何后续级( 如a d 转换) 的饱 电子科技大学硕士学位论文 和。 模数转换器( a d ) ：最早的合成孔径雷达成像采用光学处理方式，随着电子 元器件性能飞速提高，数字信号处理成像已为合成孔径雷达普遍采用。早期合成 孔径雷达采用4 位甚至更少位数的a d ，目前多采用8 位的a d 。通常4 位的a d 已经可以较清晰成像。 天线：天线的水平孔径决定了单波束s a r 所能达到的最佳方位分辨力。信号 处理过程中也假定天线沿航迹运动时其增益不变。因此，天线的指向必须很稳定。 完整的合成孔径雷达主要组成部分有：天线子系统、射频子系统( 收、发) 、 控制子系统、信号处理子系统，对于星载合成孔径雷达还需要数据下传和地面站 子系统，在此就不详细介绍了。 2 1 2 合成子l 径雷达的工作特点 ( 1 ) 天线相对于目标以确定规律运动是s a r 工作的基础，舍此就不能得到 高的方位分辨率。 ( 2 ) s a r 的理论方位分辨率为d 2 ，与目标距离无关。可见，合成孔径天线 与固定孔径的真实天线不同，其孔径长度正比于目标距离，从而抵消了真实孔径 雷达分辨率随距离的变化。 ( 3 ) s a r 的接收回波信号功率与目标距离的三次方成反比，而在普通雷达中， 其接收回波信号功率与目标距离的四次方成反比。 ( 4 ) 星载s a r 是s a r 的一利，空间应用形式，与机载s a r 相比，它具有其独 特的特点：由于飞行高度高，天线波束照射范围很大，因而s a r 的数据量将有几 个数量级的扩大：又由于飞行速度快，所以数据的更新率也成数量级加快；地球 自转造成的目标走动和大合成孔径引起的距离弯曲效应应必须在信号处理中补 偿；卫星轨道和姿态数据具有不确定性，为了得到精确得成像数据，通常对星载 s a r 的多普勒参数进行精确的估计。 2 2 合成孑l 径雷达成像原理 2 2 1 合成子l 径原理 合成孔径天线就是用一定的方式综合处理沿一定规律运动的天线在不同位置 上接收的信号数据，以获得一个等效的大尺寸的雷达天线孔径，而不是实际用若 第二章台成孔径雷选基本原理、成像算法及仿真 干个单元天线构成大尺寸的线性阵列天线。雷达平台载着雷达以一定速度沿直线 运动，在运动中雷达以一定的重复频率发射雷达脉冲，并接收和存储回波信息， 包括振幅和相位。当雷达运动一定长度后将存储器中的信号取出来合成一个大的 线阵天线的输出信号。这就好比实际线阵天线中各单元天线信号合成整个线阵天 线信号一样。 假设实际天线沿飞行方向的口径尺寸为d ，雷达的飞行速度为v ，如图2 1 所示，则实际天线的波束张角为z d ，咒为发射信号波长。如果目标到飞行轨道的 垂直距离为j e ，则实际天线在地面照射区域沿方位向为, u - i d 。 幽2 - - 1 台成孔径天线的最大综合长度 从图中可见，地面一点目标从开始进入实际天线照射区域到离开照射区域， 天线飞过了 片d 。在图2 1 中对应从位置飞到，可以认为到以外的位 置收不到该目标的回波。因此合成孔径的最大值取决于天线运动过程中所能接收 到的来自同一目标的回波信号的最大照射范围，它等于真实天线的波束所能覆盖 的最大范围，即 ， 上。、= 三h ( 2 1 ) a 对于长度为k 。的合成孔径天线，考虑双程距离差的因素，波束宽度为 2 上。、，这样的波束宽度对应地面方位分辨率为 生h ：一d ( 2 2 ) 2 上。、 2 由式( 2 2 ) 表明，s a r 在地面的最佳方位分辨率为d 2 ，是一常数，与轨道 垂直高度h 无关。实际天线方位孔径d 越小方位分辨率越好，实际天线越小，目 标受到照劓的区叫越长，最大综合长度也越长，从而分辨率就越好。这与普通雷 达概念相反。 电子科技大学硕士学位论文 真实孔径小天线相对于目标运动( 一般为匀速直线运动) ，并辐射相二f 信号， 记录接收信号并经适当的信号处理，使对同一目标单元的各个回波信号能够同相 叠加，即聚焦。这就形成了合成孔径天线的基本概念。 2 22 合成孑l 径雷达方程 一般雷达方程为 旦：曼鱼! ! ( 2 3 ) n ( 4 r r ) r 4 k r o s z , ，o l 式中，s | v 为末级中放信噪比；尸为发射脉冲功率；g 为天线增益；丑为发 射波长；盯为雷达等效截面：r 为雷达到目标的距离；k 视波尔兹曼常数； t o = 2 9 0 。k ：f 。为接收系统噪声系数；三为系统损耗；b 为雷达带宽。 对于s a r ，发射信号为线性调频脉冲，接收采用脉冲压缩技术，压缩比为l f ， l 、l 分别为线性调频脉冲持续时问和脉冲压缩网络输出脉冲半功率点脉宽。而 且，雷达以速度p 飞行，可得方位向压缩比为工。v t ，上。为有效综合长度，丁为发 刺周期。综合两个压缩比，则总压缩比为 王生：王里_ ( 2 4 ) r 2 v 7 1 f 22 , ov t 其中n 为方位分辨率。 另外，s a r 的平均功率为只。= p r t ：天线增益g = 4 r c a ，2 2 ，a 。是天线有 效面积；等效截面盯等于地面散射系数y 乘以地面可分辩区域面积在波束方向得投 影，即口= ，致p rs i n p , ，p ，为地面上距离分辨率，y 视俯视角。 所以星载s a r 的雷达方程为 羔：生堡尘! ! ! ! 坐( 2 - 5 ) n 8 z r k t b f ，o v l 可见，s a r 的s n 与r3 成反比1 0 2 i 1 0 6 1 。 2 2 3 点目标回波信号模型 s a r 的天线一般是侧视的，二 三要目的是为了获得地面距离分辨率。图2 2 显 示出s a r 的孔径几伺关系。s a r 的e 行路径是弯曲的，目标( 地球) 表面也有曲 率，为了分析s a r 成像原理，先假设s a r 是匀速直线飞行，并且目标表面电是平 第二章台成孔径雷达基本原理、成像算法及仿真 面。飞行路径的地面航迹方向称为方位方向，与其垂直的方向称j , j p e 离方向嘲【q 1 8 j 。 图2 2 星载s a r 的空间几何关系 蚓波信号的波形表不 星载s a r 是种特殊的相干系统，从本质上讲，星载s a r 的目标原始回波信 号是个二维移变过程。沿星载s a r 运动路径雷达发射和接收都是窄带线性调 频脉冲串。 设每个发射脉冲串为： p ( ，) = 口( f ) e x p e j ( 2 n - f o t x k 2 ) ( 2 _ 6 ) 式中d ( f ) 是定义在区间( 一r ，2 ，r ，2 ) 的矩形窗函数，即 呻，= 托l 掣2 协， 丌k ，t 2 是f d c r ，2 上的线性调频相位项，矗是载频，o 是脉冲宽度。多个脉冲 信号形成的脉冲发射串为： ，( f ) = p ( t ( 2 8 ) 式中，f ，是脉冲重复周期。上式包括雷达波束照射目标范围上的所有脉冲。 在s a r 系统中，雷达载波必须保持它的相干性。 设一个点目标雷达的距离为r ( t ) ，则回波信号5 ( f ) 可以表示为： 电子科技大学硕士学位论文 叩印彬， f _ 半m 一_ 2 r ( t ) 撬叱卜半卅吩半 ， 式中，口是目标等效复散射函数c 是光速，w o ( t ) 是方向位的天线加权函数。 经过对回波信弓混频后，得到基带信号： 印卜，妻盯 卜半卅母半h 一，丁4 x r ( t ) 啊k 卜吩半 2 ) ( 2 1 0 ) 引入两个新的时问变量女l 与r 来代替一维时间变量t ，使一维回波变为二维 形式。这里f 是相对于斜距方向的时间，称为斜距( 快) 时间，t 是沿雷达飞行路 径时间，成为方位( 慢) 时间。其关系是：扣l + f ，一。f d m 。+ 乙，其中， d 是最小的回波延时，为方向位脉冲数，圮表示方向位上的时问信息，f 表示 距离向的时间信息。而且日jf d j 的慢变化函数岷( ，) 和r ( ，) 可以表示为： 嘭，i t 一2 r ( f ) c 】= 肜，如0 ) ，月( ，) = r ( n t ，) 。则回波信号可表示为： 姒，弩墨叱c 吣x ”卜等等忡一盱掣 ，、 ( 2 1 1 ) 唧卜eh 。一掣 对于“k l ，+ r 一”l ，一2 r n l ；，) c j ，线性调频信号其回波延时满足： d 。s 三竺! 兰互立t - t - p + d 。， 凹汲1 吾亏j 以与版： m ，扯罗, , c r w ( n t ) , ) e x p 卜竺掣汁竺纠唧卜 f - 兰爿 ( 2 1 2 ) 令= 圪- i ，r = c v 2 ，则在某一方位时刻的回波信号i ( x ，r ) 为： 巾叫如) e x p 卜掣1 一万2 “【卜) ( p h k 【圳】2 ) ( 2 _ 1 3 ) 式中，x 袁示箱1 1 个脉冲时刻的方位位置，r 表示- h , 3 刻的斜距方向上的空间 第二章台成孔径雷达基丰原理、成像算法及仿真 位置，旷，是雷达平台在方位向的速度。 脉冲响应函数 令盯= 1 ，r = c r 2 ，则可得出s a r 对点目标的脉冲响应函数h ( x ，r ) ： 帐，咖x ) e x p - j 半h 一酬) 固高f i ( x ) a ( r ) e x p ( - j z k r 2 ) = 吃( x ，r ) o 以( x ，r ) ( 2 1 4 ) 式中，h x ，r ) 表示距离向的冲激响应函数，是与发射脉冲同波形的一维函数； h 。x ，r ) 表示方位向的冲激响应函数，可见，星载合成孔径雷达的回波信号可以用 数学模型拙述为波束照射区域内目标的后向散射系数通过一个二维线性系统构成 s a r 成像的过程，是一个二维的解卷积过程。 因此可以将s a r 看成是一个线性网络，如图2 3 所示，将目标表面对发射波 的散射系数表示为c r ( x ，r ) ，雷达图像表示为4 ( x ，r ) ，则s a r 可等效为二维滤波网 络，即 子( x ，r ) = c r ( x ，) o h ( x ，r ) ( 2 1 5 ) 幽2 - 3s a r 的理论模型 由信号分析论理可知，当h ( x ，r ) 为占函数时，d - ( x ，r ) = 盯( x ，r ) ，此时，雷达图 像才是目标表面散射系数的正确复现。因此，应要求星载s a r 的脉冲冲激响应尽 可能压缩为的接近占函数表示的一个脉冲。而h ( x ，r ) 是由距离向响应 ( x ，r ) 和方位 向响应h ( x ，) 的卷积形成，因此只要把回波响应与曩( x ，r ) 和h o ( x ，) 顺序相关就能 达到目标场的重构【0 8 1 1 0 9 1 i o l 。 2 2 4 s a r 工作原理 星载s a r 在飞行中向地而发射线性调频脉冲信号，由于星载s a r 相对于地面 运动，自地面发射回来的回波有多普勒( d o p p l e r ) 频移现象。频移量的大小完全 取决于雷达相当于成像区矢径方向上的相对速度的大小。所有在源于雷达天线相 位中心的矢径上投影速度相等的曲线上的点构成多普勒曲面。使用s a r 成像时， 目标点的空间定位一是根据雷达在目标上回波时间的时延长短来确定目标点离雷 电子科技大学硕士学位论文 达的距离，二是根据回波的多普勒特性。目标点必定在等距离曲面与个等多普 勒曲面之交线上。若预先知道目标点所在的约束平面，如地面，则目标点的空间 位置就能定下来了。s a r 工作原理示意图如图2 - 4 所示。 图2 - 4s a rj 作原理示意图 设雷达离地面的高度为h ，运动速度在x y 平面的投影速度为 町2 面丽 图中c o s y 为常数的那些曲线是地面上的等多普勒曲线。因此有 i 蒹t a n 7 ) 一告h = 1 ( 2 堋) 似 22 一 式2 1 8 是双曲线方程，即s a r 回波等多普勒曲线在地面上的目标点是在双曲 线族上。它们与离雷达天线相位中心等距离的曲线交点实际上是给目标点定位的 条件。因此尽管s a r 接收到的回波在每一时刻都包含着地面上诸多目标( 同一等 距离点的集合) 的回波，但是经过成像处理后，仍是可以将每一像素“区分”出来， 放在它原来的位置。在式2 一1 8 中为使数学式简化，假定地面是不动的，在这种 情况下，在垂直于雷达平台运动方向上，多普勒中心频率为零。实际上由于地球 的自转，在不同纬度地区获墩的s a r 数据的多普勒中心频率是不等于零的，其绝 列值在赤道 l ：最大，在极区最小。 ) ) 6 7 一 一 2 2 ( ( 第二章合成孔径雷达摧本原理、成像算法及仿真 2 2 5s a r 成像算法 s a r 的成像处理就是对接收回波信号加以一定的数学运算，还原目标的散射 特性，获得灰度不同散射特性几何分布相对应的可视图像。星载s a r 成像处理的 目的是要得到目标区域散射系数的二维分布，它是一个二维相关处理过程就是对 回波信进行二次相关处理来重构目标场，通常可以分成距离压缩处理和方位压缩 处理两个部分。距离压缩处理是一维的移不变过程且相关核已知，处理起来比较 简单，通常用各种脉冲压缩技术来实现。方位压缩处理则困难得多，因为存在距 离徙动现象，它是一个二维的移变相关过程，可用匹配滤波、互相关运算、傅立 叶变换以及对接收信号加权后矢量和等方法实现。如何解决方位压缩处理的移变 问题是s a r 成像算法的核心，它导致了各种算法在成像质量和运算量方面的差异。 随着s a r 成像技术的不断改进发展，s a r 成像算法己由最初的距离多普勒 ( r a n g e d o p p l e r ) 算法、二次距离压缩( s e c o n dr a n g ec o m p r e s s ) 算法发展到了 波数域算法( w k 算法) 、c h i r p s c a l i n g 算法( c s 算法) 。 本文介绍了应用较为广泛的r - d ( 距离多普勒) 算法和c s 算法，并使用距 离多普勒算法进行s a r 点目标成像仿真。本文中的所有相关试验均采用r d 算 法 i l2 1 。 2 ，2 5 1 距离多普勒算法 距离一多普勒算法( r a n g e - d o p p l e r a l g o r i t h m ，简称r - d 算法) 是一类经典的 并且也是应用最广泛的s a r 成像处理算法。r d 算法将距离处理后的信号变换到 距离一多普勒域，由于s a r 回波信号在方位向具有线性调频特性，因此在距离一 多普勒域斜距相同的目标的距离徙动曲线相重合，斜距不同的目标的距离徙动曲 线近似平行，这样可以方便地进行距离徙动校正，然后可以完成方位处理。 s a r 信号的可分离处理方法基于的前提是：s a r 回波信号在距离向和方位向 都满足去耦条件。因为s a r 回波信号在距离向是时间的快变化函数，方位向是时 间的慢变化函数，所以，h “( x ，r ) 可以分解成为h ，。( t ，) 和丸。( x ，r ) 。图2 - - 5 是 r d 算法的流程图。 电子科技大学硕士学位论文 幽2 5r d 算法流程图 距离一多普勒 成像算法 22 52 c h i r ps c a l i n g ( c - s ) 算法 c h i r ps c a l i n g 算法直接从原始回波信号入手，精确推导回波信号在距离一多普 勒域的表达式。c s 算法通过c s 因子相乘，将不同距离的目标的距离徙动曲线补 偿到相同形状，然后分别在二维频域和距离多普勒域完成距离处理和方位处理， 距离压缩是在二维频域完成的，距离徙动、二次距离压缩也同时完成，因此二次 距离压缩参考函数不需要忽略随频率的变化，更为精确。c s 算法通过频域相位补 偿完成成像处理是一种具有良好相位保持特性的成像处理方法。算法结构清晰、 简洁，不需要进行插值处理，仅通过复乘和f f t 就可以完成整个成像处理。图2 6 是c s 算法流程图。 第二章合成孔径雷逃基本原理、成像算法及仿真 图2 - - 6 c s 算法流程图 2 26s a r 距离分辨率及方位分辨率 距离补偿因子 方位向补偿因子 距离分辨率 s a r 的距离分辨率来源于距离向的脉冲压缩，它取决于发射脉冲的宽度。设 发射脉冲宽度为r ，线性调频率为口发射脉冲的宽度为b 。则脉冲压缩后，斜 距方向的分辨率为： j ：二：二( 2 1 9 ) 2 b ，2 r ，d 电子科技大学硕士学伊论文 式中c 为光速。如果对应地面( 假设为平坦) ，入射角为矿，机载和星载情况 下，距离向地面分辨率分别为： 靠= 去礁书警矗n 眈( 2 - - 2 0 ) 其中足是地球半径，h 是星载s a r 的轨道高度。 可见，无论是机载s a r 还是星载s a r ，它在斜距上的分辨率只与发射脉冲的 宽度有关，并且在不同的斜距上分辨率相同。但实际上地面上的分辨率还与入射 角等几何参数有关，一般情况下近距离分辨率低，远距离分辨率高。 方位分辨率 无沦是机载s a r 还是星载s a r ，它们的回波的频率表达式是一致的。它们在 方位向获取高分辨率的原理也是一样的，都是通过对方位向信号进行脉冲压缩来 获取分辨率的改善，定义点f i 标横向穿过雷达波束的时间为合成孔径时间t ，则r 与平台速度及天线长度d 的关系为： 旦丛：生 ( 2 2 1 ) v fv f 眈为方位向的波束宽度，v 。为平台速度，r 。为当波束正侧视a 点时，平台与 目标问的距离，则点目标回波的多普勒宽度为： 蛎2 击吲l = 2 眈v 。五 2 2 2 ) 根据脉冲压缩理论，角分辨率的改善和点目标p 横过天线波束时产生的最大 多普勒带宽有关。正如距离分辨率反比与信号频带宽度一样，多普勒带宽越宽， 角分辨率改善越大，故当陔线性调频信号通过匹配滤波器后，其输出信号包络的 主瓣宽度为： f ：上：旦( 2 2 3 ) 。o ，2 v e 所以，s a r 的方位分辨率为： ，圹而l s = 詈( 2 - - 2 4 ) 式2 - - 2 4 呵看出，要提高分辨率，只需降低天线实际孔径长度d ，也就是相 当于扩大天线波束宽度，增加相干积累的时i 司，但实际上d 不可能无限减小，它 知一k = 丁 笫二章合成孔径雷达捧奉原理、成像算法及仿真 必须保证菲涅尔近似条件成立，即必须满足r ，x x 。) ，而0 与d 成反比 三。= r 2 d ，d _ 0 ，则0 _ o o ，菲涅尔近似条件不成立，回波信号的多普勒频 率不能再近似为线性信号，而是含有很多高次的相位项，多普勒带宽并不随波束 的增大而线性增加，而是有一极限，式2 2 4 不再成立【叭i t 3 1 d s l 。 2 3 距离一多普勒算法点目标仿真 不同成像算法的成像质量差别与s a r 参数有关，不过，一般来醴，差别不大。 本文采用了r d 算法对点目标进行仿真，如图2 7 、2 8 、2 9 、2 一1 0 。 图2 7 原始回波信号图 皇王型垫查兰婴主堂竺堡苎 图2 - 8 回波距离徒动校正后信号图 图2 - 9 回波方位压缩后点目标成像图 第二章合成孔径雷达基本原理、成像算法及仿真 2 4 本章小节 图2 - 1 0 回波方位压缩后点目标三维图 本章介绍了s a r 的基本结构、工作特点，分析了s a r 的合成孔径原理、点目 标回波信号模型、距离分辨率、方位分辨率，介绍了两种广泛应用的成像算法： r d 算法和c s 算法，并采用r - d 算法对点目标成像进行了仿真，作为接下来干扰 和二1 二t 扰效能评估研究的基础。 电子科技大学硕士学位论文 第三章合成孔径雷达干扰概述 3 1 雷达干扰简介 雷达干扰，就是利用各种干扰设备和器材辐射、反射、散射或吸收电磁能量， 使其不能发现目标，不能检测有用信息或跟踪目标，达到阻碍雷达的正常工作、 降低雷达效能的目的。对雷达干扰的方法，包括掩盖真实目标和制造假目标。雷 达抗干扰，就是在实施电子对抗的情况下，为保障己方雷达系统生存和正常发挥 效能而采取的技术、战术措施。它包括雷达反电子侦察，雷达反电子干扰，雷达 反电子摧毁等内容。 3