A Method of SAR Jamming Based on Dual-digital Channelized Frequency Storage
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摘要:
为提高目标截获概率，雷达干扰机通常通过增加多个接收通道来拓宽其工作带宽，以减少频率扫描时间，从而达到快速搜索目标的目的，但这同时也带来了由于捕获的目标存在跨越多个通道，导致侦测到目标信息不全而影响干扰效能的问题。文中提出了一种跨通道处理的双数字信道化储频结构，以实现跨通道信道化接收和信道化发射。首先，针对合成孔径雷达(SAR)侦察，采用时频分析方法估计SAR雷达脉内参数，同时结合通道内与通道间的脉冲描述字完成SAR雷达数据融合与识别；然后，针对SAR干扰，采用距离向、方位向联合调制的“脉组步进移频+多抽头”方法，以生成复杂的干扰脉冲信号；最后，通过仿真测试验证了在设置不同带宽比例的目标及施加相应的干扰调制条件下，所提方法对SAR雷达形成了有效的干扰覆盖面积。
Abstract:To improve the probability of target interception, the operating bandwidth of radar jammers is usually widen by adding receiving channels to reduce frequency scanning time as well as achieving quickly searching for targets. However, this also brings the problem of incomplete detection information of target due to the presence of captured targets crossing multiple channels, which affects the effectiveness of jamming. A dual-digital channelized frequency storage structure with cross channel processing is proposed in this paper to achieve cross channel channelized receiving and transmission. Firstly, for the synthetic aperture radar (SAR) reconnaissance, time-frequency analysis is used to estimate the intra pulse parameters of SAR, and the SAR data fusion and recognition are completed by combining the pulse description words within and between channels. Then, for the SAR jamming, the 'pulse group step frequency shift and multi-tap' method of joint modulation between the range and azimuth directions is used to generate complex jamming pulse signals. Finally, simulation results show that the proposed method forms an effective area of jamming for SAR under different bandwidth ratios of targets and corresponding jamming modulation conditions.
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0. 引言
合成孔径雷达(SAR)作为一种重要的探测系统，具备全天候工作能力，对军事应用发挥了重要作用。随着SAR不断的发展，为了满足高分辨成像要求，SAR的工作带宽越来越大，并且具有成像时间短、多种工作模式等特点，这必然要求对抗SAR设备具有宽频域接收、干扰反应时间短等特点。
对于SAR侦察、干扰时，采用宽带瞬时测频接收机有助于提高干扰反应时间[1]，但接收灵敏度较低。为克服上述缺点且兼顾其优点，基于多通道信道化的数字射频存储器(DRFM)应运而生，但多通道的应用会带来一些棘手问题。例如，当目标瞬时带宽大于单通道带宽或者本振信号选择的缘故，均会导致目标跨通道，进而造成侦测到的目标信息不全。前者要求干扰机必须具备同时处理多通道的能力；后者虽可通过控制选择合适的本振信号引导目标在单通道内处理，但仍有增加了目标引导时间、使得干扰反应时间变长，从而导致目标丢失的缺点。
针对以上问题，本文给出了基于双数字信道化储频的SAR干扰方法，当存在目标频率跨通道时，SAR接收、转发干扰均在通道间完成目标融合与识别，无需通过本振信号将目标引导到单通道内处理，缩短了干扰机从捕获目标至干扰发出的时间，进而提高了干扰机在在战场上的生存能力。
1. SAR干扰源设计
为了提高雷达的目标截获概率及干扰反应时间，增加干扰机瞬时工作带宽是有效的方法之一，可以减少频域搜索时间[2-3]。
如图 1所示，由接收分系统将射频变频输出两路中频至SAR干扰源模块；SAR干扰源分别设计两个接收通道与两个发射通道，并采用四组双倍速率同步动态随机存取内存(DDR)实现大时宽信号样本存储；系统收发时序控制由干扰控制器来完成，其中每个通道采用数字信道化接收、干扰信号信道化重构发射；单通道瞬时带宽覆盖不小于1 000 MHz，因此两个通道并行工作时，瞬时带宽不小于2 000 MHz，使得干扰机瞬时工作带宽大大地提高，能满足对抗典型SAR雷达的应用要求。
2. 数字信道化设计
2.1 信道化接收
如图 2所示，信道化接收设计了32信道，主要通过数字滤波器组来实现。为了确保整个覆盖带宽内无盲区，相邻信道采用50 % 交叠的滤波器组[4]。
图 2中，由模数转换器(ADC)采集的信号经D倍降速、信号滤波、傅里叶逆变换、检测和傅里叶变换等处理，最终形成脉冲描述字(PDW)用于目标信号融合和识别。其中，检测用以确定测量值是目标信号还是仅为干扰项，并且只有判定过门限的信号，才会进行后续的处理。
2.2 信道化发射
如图 3所示，首先，将发射信号划分为D个基带，其基带信号为mi(t)(i=0, 1, …, D-1)，总信号带宽为Bs，使用采样频率Fs≥2Bs对其进行采样，并根据信道化接收的检测结果选择过门限的目标信道，以提高发射信号的信噪比；其次，进行D倍内插和滤波后，得到的基带谱带宽变为2π/D，分别用移频因子ejωkn把基带移至ωk处，k信道的中心频率ωk表示为
$$ \omega_k=\frac{2 \pi}{1}\left(k-\frac{D-1}{2}\right) $$ (1) 最后，进行D个移频信号合成相加，对目标信号添加干扰调制，并且写入DDR，再根据干扰时序读至数模转换器(DAC)从而输出SAR干扰信号。
3. 干扰控制器设计
如图 4所示，干扰控制器是系统的控制中心，对系统的接收、发射资源进行全局控制和管理。
干扰控制器分为5个子模块：
(1) 通道1及通道2控制接口
接收缓存数字信道化射频存储通道发来的PDW、检波信号(PW)，同时转发收发方波信号和移频量等参数；
(2) SAR数据融合及识别
侦察引导干扰，对两个数字信道化射频存储通道侦察的PDW进行融合处理，并快速完成目标SAR信号分选识别；
(3) 干扰信号调制
对信道化重构后的信号进行调制，包括距离向和方位向调制，以完成复杂的干扰脉冲调制；
(4) 产生干扰时序
根据侦察的目标参数，产生收发方波时序，以完成目标信号存储、干扰信号转发功能。
3.1 SAR数据融合与识别
本文对SAR信号参数估计采用时频分析方法，即小波分析方法，其主要思想是选择合适的小波基函数h(t)，再对小波基函数通过式(2)生成函数族[5-7]。
$$ h_{a b}(t)=\frac{1}{\sqrt{a}} h\left(\frac{t-b}{a}\right), b \in \boldsymbol{R}, a>0 $$ (2) 式中：a为伸缩因子；b为平移因子。
小波变换即通过该函数族对信号进行分析。对于一个能量有限函数s(t)，其连续小波变换定义为
$$ \begin{aligned} W T_{\mathrm{s}}(a, b)= & \frac{1}{\sqrt{a}} \int_{-\infty}^{\infty} s(t) h^*\left(\frac{t-b}{a}\right) \mathrm{d} t= \\ & \int_{-\infty}^{\infty} s(t) h_{a b}^*(t) \mathrm{d} t \end{aligned} $$ (3) 基于小波变换后的时频图像，采用拉东变换和解线调相结合的方法提取信号调制斜率，解线调通过构造新的线调信号来获得信号的起始频率，其实现步骤如下：
(1) 计算小波变换后的时频分布图像数据的拉东变换R(ρ, θ)；
(2) 从变换后获得的二维数据R(ρ, θ)中搜索出最大信号强度对应的角度值θs，该值即对应信号调制斜率；
(3) 根据估计的调制斜率k构造一线调信号e-jπkt2，与原信号相乘获得点频信号，然后采用常规信号载频估计方法得到信号起始频率；
(4) 由信号调制斜率和脉宽即可得到信号调制带宽。
根据时频分析方法给出的参数测量结果对数据进行融合，包括通道内、通道间融合：
(1) 通道内融合。对于跨信道宽带调频信号，多个相邻信道相继出现响应，且相邻信道响应时间存在交叠。如下一个PDW的脉冲前沿时间小于当前PDW的脉冲结束时间，同时调制斜率满足一定的容差范围，则认为是同一个宽带调频信号，将其合并为一个PDW字。
(2) 通道间融合。当目标工作带宽跨越两个通道时，从时域上来看，其带宽被分割为两个部分，导致目标测量的参数不完整。因此，基于两个通道内的PDW需要再次融合，主要依据满足一定容差的调制斜率、脉冲到达时间等参数，将其融合为同一个目标。
基于融合结果，对同一个目标进行脉内和脉间特征的判别，即脉间的信号类型为固定重复周期，且脉内为线性调频满足SAR特性的，再通过与目标库进行匹配来完成目标SAR识别。
3.2 干扰信号调制
根据SAR成像原理可知，在回波信号快时间的基础上进行移频可实现距离向欺骗干扰，在慢时间进行多普勒频率调制可实现方位欺骗干扰。采用有源调制转发干扰的信号模型为
$$ J=A_{\mathrm{j}} \cdot x_0 \cdot \exp \left[\mathrm{j} \Delta \phi\left(t_{\mathrm{p}}\right)\right] $$ (4) 式中：Aj为幅度；x0为干扰源接收到的SAR信号；附加相位Δϕ(tp)的函数关系式与目标运动的类型和参数有关[8-12]。
本文采用距离向与方位向联合调制，即调制方式采用“脉组步进移频+多抽头”以实现复杂的脉冲干扰信号，在SAR照射干扰源的合成孔径时间内，距离向和方位向调制参数表达式为
$$ f(t)=f_0+\frac{\Delta f t}{N \times PRI} $$ (5) 式中：f0为初始移频量；Δf为移频间隔；N为脉冲数量；PRI为信号重复周期。将干扰脉冲数量分为M组，单组脉冲数量为N，如表 1所示。
表 1 脉冲调制Table 1. Pulse modulation调制参数 脉冲1 脉冲2 … 脉冲N f0+Δf P1 P2 … PN f0+2Δf PN+1 PN+2 … P2N f0+3Δf P2N+1 P2N+2 … P3N $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ f0+MΔf P(M-1)N+1 P(M-1)N+2 … PMN 3.3 产生干扰时序
干扰时序控制数字信道化储频完成双通道信号采集与转发，本文着重针对SAR工作频率跨越两个通道的干扰时序进行设计，具体步骤如下：
(1) 当收到干扰指令后，对目标SAR进行检测与识别，由各通道信道化检波器基于门限判别目标是否存在，对过门限的信号进行采集形成PDW以完成SAR识别；
(2) 若SAR识别成功，则干扰标志有效，因此进入干扰时序产生接收窗与发射窗，其主要作用通过收发分离，避免互扰；
(3) 在接收窗内进行目标驻守，两个通道完成SAR目标信号采集存储，在发射窗内，干扰控制器根据两通道PDW先到先干扰原则，协同并行完成干扰信号调制与转发，如图 5所示。
4. 仿真与验证
仿真设置参数如表 2所示。针对目标SAR信号几种典型跨通道的情况，在未加干扰调制下对两个通道接收到不同的带宽比例进行成像仿真。其中，通道1接收存储、转发SAR信号的前半部分，通道2接收存储、转发SAR信号的后半部分。
表 2 仿真设置参数Table 2. Simulation parameters序号 参数 参数值 备注 1 载波频率Fc/MHz 15 200 中频1 800 2 信号带宽BW/MHz 300 / 3 脉冲宽度TP/μs 26 / 4 脉冲重复频率PRF/kHz 9 / 5 脉冲数量N/个 1 000 / 6 成像中心斜距R/m 2 000 / 仿真结果如图 6~图 14所示。由仿真结果可知，与真实目标相比，单通道转发独立成像时，其图像均展宽，分辨率降低，但两通道合成后逼近真实目标。值得注意的是图 12与图 8相比，其全带宽转发，图像具有更好的聚焦性，符合干扰成像要求。
如图 15所示，对目标添加干扰调制，基于实采数据模板进行干扰仿真对比，即对DRFM1+DRFM2全带宽合成转发干扰进行仿真。干扰策略采用一收两发，并使用“脉组步进移频+多抽头”的调制方式产生干扰脉冲。通过干扰前后图像对比可知，对SAR进行干扰后，在方位向、距离向形成预设的干扰覆盖面积不小于720×600 m2，因此该干扰方法是有效的。
5. 结束语
为了提高宽带SAR信号检测识别并缩短干扰反应时间，本文提出了一种跨通道处理的双数字信道化储频SAR干扰方法，以实现通道间接收与干扰转发。首先，进行了信道化接收和信道化发射设计；然后，完成了干扰控制器设计，主要包括SAR识别与数据融合、干扰信号调制与产生干扰时序；最后，通过仿真实测结果验证了本文所提方法对SAR干扰的有效性。
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表 1 脉冲调制
Table 1 Pulse modulation
调制参数 脉冲1 脉冲2 … 脉冲N f0+Δf P1 P2 … PN f0+2Δf PN+1 PN+2 … P2N f0+3Δf P2N+1 P2N+2 … P3N $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ f0+MΔf P(M-1)N+1 P(M-1)N+2 … PMN 
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表 2 仿真设置参数
Table 2 Simulation parameters
序号 参数 参数值 备注 1 载波频率Fc/MHz 15 200 中频1 800 2 信号带宽BW/MHz 300 / 3 脉冲宽度TP/μs 26 / 4 脉冲重复频率PRF/kHz 9 / 5 脉冲数量N/个 1 000 / 6 成像中心斜距R/m 2 000 /
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