干涉式合成孔径雷达干扰方法研究

贾 丽,贾 鑫,尹灿斌,王 威

(装备指挥技术学院光电装备系,北京 101416)

0 引言

干涉式合成孔径雷达(INSAR)以SAR复数据提取的相位信息为信息源获取地表的三维信息及变化信息,具有全天时、全天候的特点,在地形测绘、军事侦察、武器系统精确制导等领域发挥着重要的作用[1-2]。本文首先论证了对干涉式合成孔径雷达实施干扰的可行性,通过分析和仿真,得出弹射式干扰能有效对抗INSAR的结论。

1 INSAR原理[3]

以单航过、双天线测高INSAR为例,它通过两副天线同时获取同一地面区域的复图像对,利用目标与两副天线的不同几何关系在复图像上产生的相位差,形成干涉纹图,并根据这些“指纹”特征得到地形的高度信息。它的基本原理如图1所示。

图1 INSAR成像原理图

在单航过、双天线工作模式下,假设干涉基线与飞行方向垂直且干涉SAR正侧视工作并由天线1发射信号,而两部天线同时接收回波。回波信号的相位差与天线的空间几何关系和地面点相对于参考平面的高度Z有关。根据图1的空间几何关系,对由1、2天线接收到的信号得的SAR图像对进行处理,即可形成干涉相位图。

干涉相位图每一点的相位φ与回波传输的路径差异Δr成正比,并且具有恒定的比率2π/λ。两幅复图像的相位差可表示为:

因此有:

根据图1所示的几何关系:

可以将雷达波束侧视角表达为斜距、干涉基线等的函数:

再利用高程表达式:

可求出所测区域的高程信息。

2 对INSAR实施干扰的可行性分析

INSAR可看作SAR的一种工作模式。它对满足一定时间相关性、空间相关性以及相位相关性的SAR图像对进行处理,提取SAR图像对的相位差异来获得所观测目标区域的高程信息。由于INSAR处理的数据来源是SAR成像系统,而对SAR干扰方法的研究是目前国内外比较热门的领域,取得的研究成果也比较多。由于SAR很容易受到干扰,对受到干扰的SAR图像对进行干涉处理时,干扰信息可能被保留在相位信息里,从而使获得的高程信息与观测区域的真实高程信息存在差异,因此对INSAR实施干扰是可行的。

尽管INSAR与SAR关系紧密,但是INSAR成像技术具有特殊性,使得对SAR的干扰与对INSAR的干扰存在着差异:SAR的干扰效果在单视复图像上就能表现出来,并且对SAR干扰效果的分析在单视复图像上就可以进行,而INSAR成像技术处理的是SAR图像对,它利用的是相位信息,单视复图像并不能体现出干扰的效果,因此,两者受干扰影响的表现途径是不同的;INSAR是对目标区域地形的成像,最终获得的是目标区域地形起伏的高程信息,所以对SAR有效的干扰方法不一定对INSAR有效,但是只要干扰能够产生虚假的“指纹”特征,就可能实现对INSAR的干扰。

综上所述,对INSAR实施干扰是可行的,采取适当的干扰方式就可以破坏其对观测区域真实地形的准确成像,使其不能获得正确的地形高程信息。

3 干扰对INSAR的影响分析

由于INSAR最重要的信息是复图像对的相位差,只要相位差受到了影响,INSAR成像就一定会受到影响。在研究干扰对INSAR产生的影响时,只要得到相位解缠后的相位图即可判断干扰效果,因此,本文给出的处理结果止于解缠后的相位图,限于本文的主旨及篇幅,这里不再就INSAR的相关处理算法进行详细描述,仅简单地给出处理流程[4]如图2所示。

图2 INSAR的仿真处理流程

通过分析可知,在不考虑目标散射特性变化及处理误差的情况下,未受干扰时INSAR的两副天线收到的信号可以表示为:

式中Δφt(x,y)表示两天线所接收目标复图像信号的相位差。由于采用了单发双收的工作模式,此值与两天线位置到目标区域的路径差有关:

式中,k=2π/λ为电波传播波数,rt1和rt2分别代表两副天线到目标的距离。

当SAR受到常规直达式干扰时,两天线收到的干扰信号的相位差为φjz,其表达式为:

式中rsj1和rsj2分别代表INSAR的两副天线到干扰机的距离,而ϑ为干扰信号的相位调制引入的相位误差。

当SAR受到弹射式干扰[5](其原理如图1所示)时。两天线所接收的信号中不仅有目标对SAR发射信号的后向散射,且包含了目标对干扰信号的散射波或经目标散射又被干扰机接收并直接转发给SAR接收机的信号,干扰信号中总是具有与真实目标回波相似的信号分量。记两天线收到的与真实目标回波相似的干扰信号相位差为φj,其表达式总可以表示为:

式中,rjt代表干扰机到目标的距离,而rsj则代表INSAR的发射天线到干扰机的距离。

对比(7)、(8)及(9)式可知,常规直达式干扰对INSAR产生的干涉相位与真实回波的干涉相位差异较大,而且当采用常规的噪声压制干扰时,受ϑ的影响,干涉相位之间的差异会更大,经INSAR成像处理后只能形成随机性很强的类似相位噪声的效果,并在干涉相位去噪的过程中被抑制掉。因此,在干扰功率较低的情况下,它们并不足以改变地形的“指纹”特征,导致其干扰效果非常有限。采用普通的弹射式干扰(干扰机在转发信号的过程中不对信号进行调制)时则完全不同,干扰引入的干涉相位与真实目标回波引起的干涉相位形成原理相同,经过成像处理后,这些干涉相位能够形成具有一定“指纹”特征的虚假信息,从而改变真实地形的“指纹”特征,形成对INSAR的有效干扰。

采用常规的弹射式干扰技术时,两天线所接收的干扰信号相位差与真实目标回波相位差非常相似,它们都与天线到目标区域的路径差有关,并且随着天线的位置及目标区域地型的变化而发生变化。此时,干扰信号可以表达为:

因此,两天线所接收到的信号表达为:

故两天线接收信号的比值为:

式中Rj/t=Aj(x,y)/At(x,y)是干扰-信号比。

由式(12)可以看出,当没有受到干扰或者干扰极弱时(Rj/t≪1),两信号比值近似为exp[jΔφt(x,y)],INSAR可进行正常的高程测绘;当接收的干扰信号与目标信号电平相当时(Rj/t≈1),最后所获得高程信息是真实目标高程信息与虚假高程信息的叠加;当遭受到严重干扰时(Rj/t≫1),两信号比值接近exp[j Δφj(x,y)],此时干扰信号相位差占据了干涉相位的主导地位,经过INSAR处理得到的高程信息与目标区域真实的高程信息差异巨大,即INSAR在进行高程信息的测量时已经完全被干扰了。

4 仿真试验及分析

为了使结果更易于比较,设计了如图3所示的目标区域,仿真试验的参数设置如表1所示,而仿真结果如图4～6所示。

表1 仿真参数设置

图3 目标区域原始高程信息

仿真结果表明,纯噪声压制干扰可能有效地干扰SAR成像,但对INSAR的干扰效果有限。相位解缠后的干涉相位在干扰前后取值范围明显地发生了变化,尽管这种纯噪声干扰引起的变化能够在一定程度上影响INSAR系统对地形高程的提取,使地形高度出现偏差,但它并不足以改变地形的特征,因为干扰前后相关的地形“指纹”仍然非常相似,并没有发生根本性的变化。然而在弹射式干扰的影响下,最终所得到的高程信息与原地形的高程信息存在比较大的差异,甚至已经与原始的地形信息完全不一致了,说明弹射式干扰能够有效地干扰INSAR。这与前面的分析结果非常吻合。

5 结束语

干涉式合成孔径雷达是合成孔径雷达的新发展,两者之间有着紧密的联系也有着一定的差别,经过分析,对干涉式合成孔径雷达进行有效干扰是可行的,但是其干扰方法有别于对合成孔径雷达的干扰方法。

单航过测高干涉式合成孔径雷达对地面固定的直达式干扰站的欺骗干扰具有抗干扰性能[6],但是弹射式干扰可以有效地对其获取观测区域地形高程信息进行干扰,为了达到更好的干扰效果,还可以在转发信号的过程中进行调制,也可使干扰机按照一定的路径运动起来。这些都是下一步研究的重点。

通过计算仿真表明,常规的弹射式干扰对INSAR是非常有效的。并且弹射式干扰的功率需求并不大,这一点相对于常规噪声干扰或直达式转发干扰而言,优势非常明显。此外,还应该引起注意的是,INSAR处理的前提是能够获取配准度极高的单视复图像对。当常规噪声干扰功率非常高时,INSAR系统很可能根本完成不了图像配准,更谈不上后续的干涉处理了。此时,INSAR的使用者很可能抛弃该数据,转而利用别的数据,因而就谈不上对敌方的干扰了;而采用弹射式干扰时,情况完全不同,极具迷惑特征的干扰效果并不影响INSAR系统对单视复图像对的配准,因而INSAR的使用者很容易会被其得到的虚假信息迷惑,从而达到对敌方实施干扰的目的。

综上所述,弹射式干扰确实能够对INSAR系统形成较好的干扰效果。■

[1] 王秋生.星载干涉SAR图像处理技术研究[D].中科院计算技术研究所博士后研究工作报告,2004.

[2] 周晓群.精确制导武器技术和发展趋势[J].舰船电子对抗,2001(5):12-18.

[3] 王超,等.星载合成孔径雷达干涉测量[M].科学出版社,2002.

[4] 苏世龙,孙希龙,余安嘉.利用InSAR生成DEM技术现状及发展趋势[J].科技信息,2009(9):72-73.

[5] 甘荣兵,王建国,何川.对合成孔径雷达的弹射式干扰性能分析[J].信号处理,2003,19(增刊):382-385.

[6] 唐波,王卫廷.干涉合成孔径雷达抗干扰性能分析[J].电子与信息学报,2006,28(10):1810-1812.