面向星载SAR系统的星间地形散射干扰研究.pdf
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1、第2卷第3期2 0 2 3年5月信 息 对 抗 技 术I n f o r m a t i o n C o u n t e r m e a s u r e T e c h n o l o g yV o l.2 N o.3M a y 2 0 2 3引用格式:陶明亮,孙欢雨,刘艳阳,等.面向星载S A R系统的星间地形散射干扰研究J.信息对抗技术,2 0 2 3,2(3):6 4-7 3.T AO M i n g l i a n g,S UN H u a n y u,L I U Y a n y a n g,e t a l.R e s e a r c h o n m u t u a l t e r r
2、 a i n s c a t t e r e d i n t e r f e r e n c e f o r s p a c e b o r n e S A R s y s t e mJ.I n f o r m a t i o n C o u n t e r m e a s u r e T e c h n o l o g y,2 0 2 3,2(3):6 4-7 3.(i n C h i n e s e)面向星载S A R系统的星间地形散射干扰研究陶明亮1,孙欢雨1,刘艳阳2,粟 嘉1,陈 明3,王 伶1*(1.西北工业大学电子信息学院,陕西西安 7 1 0 0 7 2;2.上海卫星工程研究所
3、,上海 2 0 1 1 0 9;3.杭州海康威视数字技术股份有限公司,浙江杭州 3 1 0 0 5 1)摘 要 射频干扰是影响星载S A R系统精细化观测能力的主要因素,而随着组网卫星的发展,在星载S A R系统时空频交叠的情况下,又出现了一种新的地形散射干扰。因此,研究星载S A R系统的星间地形散射干扰对于提高其观测能力具有重要意义。本文介绍了星载S A R系统的星间地形散射干扰样式,分析了其存在条件和作用机理,构建了干扰传播路径的几何关系,推导出叠加干扰后的回波信号模型。基于地面直射干扰和星间散射互扰信号模型的不同,对比分析了两种干扰在不同信号表征域中的特征差异。仿真分析了模拟场景下不同
4、干扰源所产生的成像结果,并从成像质量评估方面给出了雷达工作带宽、脉冲重复频率和卫星运行速度的影响。关键词 星载合成孔径雷达;异源雷达;射频干扰;星间地形散射干扰中图分类号 TN 9 7 4 文章编号 2 0 9 7-1 6 3 X(2 0 2 3)0 3-0 0 6 4-1 0文献标志码 A D O I 1 0.1 2 3 9 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 6 3 x.2 0 2 3.0 3.0 0 6R e s e a r c h o n m u t u a l t e r r a i n s c a t t e r e d i n t e r f e r e n c e f
5、o r spa c e b o r n e S A R sys t e mT AO M i n g l i a n g1,S UN H u a n y u1,L I U Y a n y a n g2,S U J i a1,CHE N M i n g3,WAN G L i n g1*(1.S c h o o l o f E l e c t r o n i c s a n d I n f o r m a t i o n,N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y,X i a n 7 1 0 0 7 2,
6、C h i n a;2.S h a n g h a i I n s t i t u t e o f S a t e l l i t e E n g i n e e r i n g,S h a n g h a i 2 0 1 1 0 9,C h i n a;3.H a n g z h o u H i k v i s i o n D i g i t a l T e c h n o l o g y C o.,L t d.,H a n g z h o u 3 1 0 0 5 1,C h i n a)A b s t r a c t R a d i o f r e q u e n c y i n t e
7、r f e r e n c e(R F I)i s a m a i n f a c t o r t h a t a f f e c t s t h e f i n e o b s e r v a t i o n a b i l i t y o f s p a c e b o r n e s y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r(S A R)s y s t e m s.W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f n e t-w o r k i n g s a t e l l i t e s,a n e w t e
8、r r a i n s c a t t e r e d i n t e r f e r e n c e(T S I)h a s a p p e a r e d i n t h e c a s e o f o v e r-l a p p i n g o f t i m e,s p a c e,a n d f r e q u e n c y b e t w e e n s p a c e b o r n e S A R s y s t e m.T h e r e f o r e,i t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o s t u d y
9、t h e m u t u a l t e r r a i n s c a t t e r e d i n t e r f e r e n c e(MT S I)o f s p a c e b o r n e S A R s y s t e m s f o r i m p r o v i n g t h e i r o b s e r v a t i o n a b i l i t y.I n t h i s p a p e r,t h e p a t t e r n,e x i s t i n g c o n-d i t i o n s,a n d m e c h a n i s m o f
10、 MT S I w e r e i n t r o d u c e d.T h e n,t h e g e o m e t r i c r e l a t i o n s h i p o f t h e i n t e r f e r e n c e p r o p a g a t i o n p a t h a n d t h e e c h o s i g n a l m o d e l a f t e r s u p e r p o s i t i o n i n t e r f e r e n c e w a s a c q u i r e d.B a s e d o n t h e
11、d i f f e r e n t s i g n a l m o d e l s o f g r o u n d d i r e c t i n t e r f e r e n c e a n d MT S I,t h e c h a r a c t e r i s t i c d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e t w o k i n d s o f i n t e r f e r e n c e i n d i f f e r e n t s i g n a l r e p r e s e n t a-t i o n d o m a i n
12、 s w e r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d.F i n a l l y,t h e i m a g i n g r e s u l t s p r o d u c e d b y d i f f e r e n t 收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 2 修回日期:2 0 2 3-0 3-2 4通信作者:王伶,E-m a i l:l i n g w a n g n w p u.e d u.c n.基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 2 2 7 1 4 0 8,6 2 1 7 1 3 7 9);上海航天科技创新基金资助项目(S A S
13、T 2 0 2 1-0 4 4)第3期陶明亮,等:面向星载S A R系统的星间地形散射干扰研究 i n t e r f e r e n c e s o u r c e s i n t h e s i m u l a t e d s c e n e w e r e s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d,a n d t h e i n f l u e n c e o f b a n d w i d t h,p u l s e r e p e t i t i o n f r e q u e n c y,a n d s a t e l l i t e v e
14、l o c i t y w e r e g i v e n f r o m t h e a s p e c t o f i m a g i n g q u a l i t y e v a l u a t i o n.K e y w o r d s s p a c e b o r n e S A R;h e t e r o g e n e o u s r a d a r;R F I;MT S I0 引言星载 合 成 孔 径 雷 达(s y n t h e t i c a p e r t u r e r a-d a r,S A R)作为一种重要的主动微波探测载荷,成像范围广、工作时间长,能够全天时
15、、全天候地获取地物目标的物理特征信息,并结合相参成像原理获取目标场景的二维高分辨率图像1-3。星载S A R系统在军事和民用方面具有独特优势,在军事方面可进行战场侦察、目标识别、精确制导等,在民用方面可进行地形测绘、交通监视、灾情预报等,是我国高分辨率对地观测系统的重要组成部分4-8。射频干扰(r a d i o f r e q u e n c y i n t e r f e r-e n c e,R F I)对星载S A R的精细化观测能力造成了重要的挑战,其主要来源为地面同频段的大量大功率军用及民用无线电设备。同时,新型电子干扰技术和系统也层出不穷9。已有的R F I研究主要集中在地面直射干
16、扰,相比S A R接收回波,地面直射干扰具有较窄的频带带宽和较高的信号功率1 0-1 4。与地面直射干扰不同,基于空中浮空平台的地形散射干扰(t e r r a i n s c a t t e r e d i n-t e r f e r e n c e,T S I)不直接向雷达发射干扰信号,而是通过接收雷达的发射信号形成不同的干扰相参信号,再将其发射到干扰地形区域,经过干扰区域的地形散射后形成干扰回波,最后将其混叠在原 始S A R回 波 信 号 中 即 可 达 到 干 扰 的 目的1 5-1 6。但此类干扰在覆盖范围、防护时间等方面也存在着局限性。伴随着遥感卫星组网观测的日益发展,空间相邻、
17、时频交叠的异源雷达卫星之间会产生相互地形散射干扰(m u t u a l t e r r a i n s c a t t e r e d i n t e r f e r-e n c e,MT S I),其干扰方式与散射波干扰类似,表现为干扰卫星发射的脉冲信号经过地面地形散射后进入受扰卫星的雷达接收机。欧洲航天局在哨兵1号卫星2 0 1 8年的年度总结报告中首次提到了MT S I1 7。特别是随着未来大规模商业小卫星的部署应用,潜在的星间干扰概率会显著增加1 8。目前,针对星间地形散射干扰的研究尚处于起步阶段,还缺乏系统性的深入剖析。文献1 9研究了MT S I的机理,并通过哨兵1号实测数据分析
18、了星间地形散射干扰的特性。文献2 0 研究了MT S I的存在条件,并通过仿真数据给出了参数变化对干扰成像的影响。文献2 1 通过分析受到MT S I污染的哨兵1号产品,提出了一种图像域表征星间地形散射干扰特征的模型,并通过传统的主成分分析(p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s,P C A)和鲁棒主成分分析方法来进行干扰抑制。文献2 2 介绍了MT S I的信号性质,并提出了一种改进的特征子空间投影法和传统的频域陷波滤波法进行干扰抑制。总体而言,现有针对干扰来源要素的研究更侧重于地面直射干扰源与浮空平台散射干扰。本文首先从空间博
19、弈的角度,分析了MT S I的存在条件、作用方式及其对S A R系统的影响,模拟构建了卫星轨道与干扰传播路径之间的几何模型,推导得出受扰S A R卫星所接收到的回波信号。其次,通过对地面直射干扰的分类,对比分析了其与MT S I在时域、频域和时频域中的不同特性,给出了不同信号域中二者的区别。最后,模拟对比了仿真场景下叠加不同干扰源的干扰成像区别,并通过改变雷达卫星参数从干扰成像形态和干扰质量评估两方面,定性及定量地分析了不同参数变化对干扰成像和干扰性能所带来的影响,评估了星间干扰的潜在可行性。1 星间散射互扰的建模与回波分析1.1 场景建模由于卫星运行轨道较为复杂,因此本文适当简化了实际的卫星
20、轨道。假设2颗卫星轨道高度不同,且 都 沿 着Y轴 正 方 向 运 动,由 此 构 建 的MT S I信号传播路径的几何模型如图1所示。其中,卫星A为受扰卫星,卫星B为干扰卫星。卫星B发射脉冲信号照射地表,经过地面地形散射后的回波散布在不同方向,其中一部分回波经过后向散射被卫星B的接收机接收,另一部分经过前向散射被卫星A接收,被卫星A接收的部分回56 信 息 对 抗 技 术2 0 2 3年波信号即为卫星B对卫星A所产生的星间散射互扰。T 和T分别为卫星B和卫星A所照射到的目标,Rt和Rr分别为目标区域T 到干扰卫星和受扰卫星的距离,R为目标区域T到受扰卫星的距离,H为2个卫星轨道的高度差,VA
21、和VB分别为卫星A和卫星B的运行速度。图1 M T S I传播路径的几何示意图F i g.1 G e o m e t r i c d i a g r a m o f MT S I p r o p a g a t i o n p a t h由于S A R系统的发射信号一般是线性调频信号,因此卫星A的发射信号可表示为:s1()=r e c tT1 e x pj 2 f1+j k12 (1)式中,r e c t()表示矩形包络函数,T1、f1和k1分别表示卫星A的脉冲宽度、中心频率和调频斜率,表示距离向快时间。同理,卫星B的发射信号可表示为:s2()=r e c tT2 e x pj 2 f2+j
22、k22 (2)式中,T2、f2和k2分别表示卫星B的脉冲宽度、中心频率和调频斜率。经过去载频后,卫星A所得到的二维回波信号为:s(,t)=r e c t-2R(t)/cT1 e x pj k1-2R(t)c 2-j4 R(t)cf1 +r e c t-(Rt(t)+Rr(t)/cT2 e x p j k2-Rt(t)+Rr(t)c 2-j2 Rt(t)+Rr(t)cf2(3)式中,c表示光速,t表示方位向慢时间。1.2 影响分析只有当干扰卫星和受扰卫星满足时间、空间和频率同步时,受扰卫星才有可能被干扰卫星所产生的星间地形散射干扰影响到。时间同步表示受扰S A R卫星在接收自身回波信号的同时,存
23、在其他S A R卫星的回波信号进入其接收机内;空间同步表示2颗S A R卫星之间的距离足够近;频率同步表示2颗S A R卫星的发射信号带宽有一部分的重叠。根据雷达方程,S A R系统接收到的有用信号功率Ps可以表示为:Ps=PtG22(4)3R4=PtA2e(4)2R4(4)式中,Pt是S A R系统的发射功率,G表示发射和接收天线增益,表示雷达截面积,表示雷达的工作波长,Ae表示天线有效接收面积。S A R系统接收MT S I的过程类似于双基地雷达的回波接收过程,因此单个点状干扰源所产生的MT S I的信号功率可以由雷达方程表示为:PMT S I=PItGIG 2I(4)3Rr 2(Rt)2
24、(5)式中,PIt表示干扰S A R系统的发射功率,GI表示干扰S A R系统的发射天线增益,I表示单个干扰源的散射系数,Rr和Rt分别表示干扰源到受扰卫星和干扰卫星的距离。对于面目标干扰场景,可以将其分为多个小散射点组成,每个散射点内存在数个点状干扰源,因 此,面 目 标 场 景 中 各 个 散 射 点 所 产 生 的MT S I信号功率为:PMT S I=PIt2GIG(4)3Li=1IiRri 2Rti 2(6)式中,L为散射点内点状干扰源的数量,Ii表示第i个干扰源的散射系数,Rri和Rti分别表示第i个干扰源到受扰卫星和干扰卫星的距离。1.3 与地面直射干扰的对比星载S A R系统所
25、受到的常见地面直射干扰可大体分类为 窄 带 干 扰(n a r r o w b a n d i n t e r f e r-e n c e,N B I)和宽带干扰(w i d e b a n d i n t e r f e r e n c e,WB I)。为了增强对不同干扰类型的认知,可以从回波信号的角度对它们进行分析。假设S A R系统接收回波时持续受到来自地面干扰源的N B I和WB I,下面分别对存在不同干扰的S A R回波进行时域、频域和时频域的特性分析,其中干扰和回波都是仿真信号,中心频率为5.3 GH z,回波66第3期陶明亮,等:面向星载S A R系统的星间地形散射干扰研究 信号
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