对SAR-GMTI的灵巧遮蔽干扰方法研究

周　阳，毕大平，房明星，沈爱国

(电子工程学院503教研室,　合肥 230037)



·电子对抗·

对SAR-GMTI的灵巧遮蔽干扰方法研究

周阳，毕大平，房明星，沈爱国

(电子工程学院503教研室,合肥 230037)

提出了一种对SAR-GMTI灵巧遮蔽干扰方法。该方法通过匀加速运动调制实现方位向干扰的同时，对SAR信号进行余弦调相实现距离向干扰，将二者结合可在成像中形成区域遮蔽干扰效果，并以三通道干涉对消技术为例分析了其对多通道GMTI的对抗性能。该方法的优点有两个：一是遮蔽区域大小和位置均可以通过改变干扰参数进行灵活控制；二是干扰信号与SAR的距离向和方位向滤波器是基本匹配的，所需的干扰功率比较小。仿真实验证明了该方法对SAR成像和SAR-GMTI成像均具有很好的干扰效果。

合成孔径雷达地面动目标显示；余弦调相；调制干扰；对抗性能

0　引　言

合成孔径雷达(SAR)可全天候，全天时对大范围的场景进行高分辨率成像，因此被广泛用于军事侦查、地图测绘以及导弹末端图像匹配制导等领域[1]。地面动目标显示(GMTI)技术能够检测和跟踪地面运动目标，在军事领域被运用于发现敌方重要运动军事目标。SAR-GMTI结合了GMTI的运动目标检测和SAR对地面目标高分辨成像的功能，能够实时对地面任意目标进行检测、识别、定位、跟踪和成像，已成为SAR重要的发展趋势[2-3]和先进体制SAR必备的功能。SAR-GMTI的快速发展，对我地面重要军事目标(特别是装甲车、坦克、导弹发射车等运动型目标)的军事部署、作战状态、战时生存等构成了严重的威胁。当前，对SAR-GMTI干扰技术研究已成为电子对抗领域的热点问题[4-9]。

SAR-GMTI通常采用多个通道对杂波和干扰进行抑制和对消，可以有效滤除杂波，分离出静止目标和运动目标，实现对动目标的探测。目前，国内外提出的许多对SAR的相干干扰方法，基本上都是基于地面静止目标的保护，很少考虑其运动目标特性，其干扰信号经过GMTI处理后可能会被滤除[10-12]，地面运动目标仍极易被SAR探测出来，当前对SAR-GMTI的干扰技术相对较少，主要集中在对SAR的虚假动目标欺骗干扰[7-9]，这些干扰信号产生通常很少考虑运动假目标的后向散射强度，所以干扰逼真度往往不高，很容易被识别。散射波干扰虽能够携带丰富的地物散射信息和多普勒频移[13]，干扰逼真度较高，但将接收到的信号投射到大范围场景上，需要较高的功率，功率的利用率也会很低，而且难以灵活控制干扰区域的大小和位置，适用条件较为有限。

基于上述背景，本文根据运动目标SAR成像在方位向具有运动调制效应和余弦调相干扰在距离向上具有周期延拓效应，提出了一种对SAR-GMTI灵巧遮蔽干扰方法。本文首先分析了匀加速运动目标SAR成像的调制效应；然后，结合运动调制干扰和余弦调相干扰建立了该方法的干扰模型，并根据SAR成像处理流程分析了干扰机理。在此基础上，以三通道干涉对消技术为例分析了其对多通道GMTI的对抗性能；最后，通过仿真实验验证了此方法对SAR成像和SAR-GMTI成像均具有很好的遮蔽干扰效果。

1　匀加速运动目标SAR成像的调制效应

1.1匀加速运动目标回波相位分析

如图1所示，设载机以速度v沿x轴方向直线运动，其高度为H，合成孔径长度为L，合成孔径时间为TL=L/v。在SAR雷达中，为了使信号具有好的相干性，发射信号的载频必须十分稳定。设载频信号为ej2πf0t，脉冲信号以重复周期T依次发射。为了后续研究方便，定义发射时刻ta=mT(m=0,1,2,…)为慢时间。以发射时刻为起点的时间用tr表示，称为快时间。快时间用来计量电波传播的时间，而慢时间用来计量发射脉冲的时刻，这两个时间与全时间t的关系为tr=t-mT。

图1　SAR成像场景图

(1)

雷达发射的线信调频(LFM)信号可写为

(2)

exp[-j2kR(ta)]

(3)

式中：k=2π/λ为距离波数；μr为距离向调频率；TLP为P点的合成孔径时间，由于目标P的运动会使TL发生变化，故取TLP来区分目标静止时的合成孔径时间TL；σ是与后向散射强度和天线方向图有关的慢变函数，受到天线方向图的调制，在波束宽度内近似为常数[8]。在Fresnel近似条件下，信号经过距离徙动校正，距离向处理后可分离出只与ta有关的方位向信号为

(4)

根据式(1)，通过R(ta)的麦克劳林展开，可以得到方位向相位为

(5)

式中：k=2π/λ，μa=-2v2/λR0， 为方位向调频率。

令φ=φ0+Δφ，φ0为目标静止时的方位向相位，Δφ为匀加速运动产生的附加相位，则φ0与Δφ表达式为

(6)

可以利用Δφ在干扰信号内调制匀加速运动附加相位，并可以控制匀加速运动的速度、加速度来实现不同运动状态的调制和效果。

1.2匀加速运动目标SAR成像特性分析

采用R-D算法对运动目标进行成像分析，首先，对目标P经混频处理后的回波信号进行距离向压缩

sr(tr,ta)=s(tr,ta)*hr(tr)=

(7)

(8)

I(tr,ta)=sr(tr,ta)*ha(ta)=

(9)

忽略常数项后，得式(9)待积分项的相位为

(10)

因Fresnel近似条件下，SAR的方位向回波数据可看作线性调频信号形式，且具有较大的时宽带宽积，故可采用驻相点法求取积分[7]，将积分式内的相位项φ(τ)对τ求导，得到驻相点处的关系式

(11)

令φ′(τ)|τ=τ*=0，可得驻相点τ*处对应的方位向时刻tam为

(12)

所以运动目标最终成像表达式为

(13)

(14)

tam关于τ*的一次、二次和三次项表示峰值时刻随τ*的变化，使得方位向位置产生展宽，展宽量可表示为

(15)

2　灵巧遮蔽干扰模型

在干扰机接收到的SAR信号基础上，调制上匀加速运动附加相位Δφ和距离向余弦调相分量，可以建立基于余弦调相和运动调制的SAR-GMTI灵巧遮蔽干扰信号模型为

exp[-j2kRj(ta)]·exp(jΔφ)·

exp[jmrcos(ωrtr)]

(16)

式中：Aj为干扰信号幅度；exp[jmrcos(ωrtr)]项为距离向余弦调制分量；mr、ωr分别为余弦调相指数和余弦调相角速度。

在建立的基于余弦调相和运动调制的灵巧遮蔽干扰信号模型中，距离向余弦调制分量可根据数学恒等式展开为

(17)

式中：Jn(·)为第一类n阶Bessel函数。由此可见，此余弦调相分量可以展开为无穷多个单频分量之和。对上述干扰信号做成像处理，分别在距离向和方位向进行压缩，原理同1.2节。最后得到成像表达式为

(18)

通过匀加速运动调制会得到方位向展宽效应，得到的展宽量可表示为

(19)

这就可形成条带干扰效果。由于余弦调相信号的带宽决定了沿距离向搬移的干扰条带数，因此，可以根据卡森公式[15]进行估计。其中，距离向搬移点数为2(mr+1)，可形成2mr+3个干扰条带，干扰条带的的距离向间隔为ωrc/4πμr。由此可以计算出形成的干扰面积为

(20)

式中：μr为SAR信号的距离向线性调频率；ωr是余弦调相角速度。

3　对SAR-GMTI灵巧遮蔽干扰性能分析

静止目标、杂波，一般的虚假图像欺骗干扰和散射波干扰在通过SAR-GMTI系统后，基本上都可以得到很好的对消，但此干扰方法是否在通过SAR-GMTI系统后仍有好的干扰效果，值得研究。

这里采用三通道干涉技术分析此灵巧遮蔽干扰的对抗性能[3]，其几何模型如图2所示。

图2　三通道SAR-GMTI干涉处理几何模型

三通道子孔径天线沿航迹以等间隔Da排列，天线2发射信号，天线1、2、3同时接收信号，则干扰信号到三个天线的传播路程分别为

(21)

忽略干扰机转发延迟，三个通道接收到的信号分别为

(22)

对各通道分别进行距离压缩，可得

(23)

(24)

经多普勒中心偏差补偿，再分别进行方位向压缩，可得

(25)

由式(25)可知通道2的成像结果与式(18)一致，但由于各接收天线存在沿航迹方向的位置偏差，因此在对消前需补偿此位置偏差引起的相位偏差，相应的补偿函数为

(26)

利用上式进行相位补偿后，进行杂波对消可得

(27)

对式(27)取模，则基于余弦调相和运动调制的SAR-GMTI灵巧遮蔽干扰通过SAR-GMTI系统后的输出幅度为

|A2(tr,ta)|=|A23(tr,ta)|=2|sja2(tr,ta)|·

(28)

(29)

|A2(tr,ta)|2=|A23(tr,ta)|2=2|sja2(tr,ta)|·

(30)

由式(30)可知，静止假目标位置地距向和方位向的速度、加速度取值将直接影响到杂波对消后运动目标的保留能量的大小。当xjvx+yjvy+(xjax+yjay)τ*=nλRjv/Da时，干扰能量将被全部对消，干扰位于对消特性的凹口处；当xjvx+yjvy+(xjax+yjay)τ*=(n+1/2)λRjv/Da时，干扰位于对消特性的凸口处，干扰能量得到最大程度地增强，可达到对消前的四倍；其余均介于凸口和凹口之间。

4　仿真实验

为了验证理论分析的正确性和干扰的有效性，进行SAR-GMTI灵巧遮蔽干扰仿真。设SAR工作于正侧视，其主要实验参数如表1所示，SAR干扰机放置坐标为(0,10 000, 0)，并将其作为静止参考点。

表1　SAR实验参数

现欲遮盖六辆具有较强反射特性的装甲车，按表1中仿真实验参数进行仿真，表2中干扰参数设置为vx=0，ax=0，vy=-0.6，ay=-0.3，mr=10，ωr=6.28e5。当干信比为15 dB时，仿真效果如图3所示。

表2　干扰实验参数

其中，图3a)表示SAR对地面的成像图，静止目标和运动目标均清晰可见；图3b)表示经多通道对消后的成像图，静止目标被滤除，运动目标仍清晰可见；图3c)表示受干扰后SAR成像的效果图，可见运动目标被完全遮蔽；图3d)表示多通道对消后的干扰效果图，可以看到在对消后，运动目标仍可被完全遮蔽。图3e)～3h)分别是对应3a)～3d)的三维显示，由图3g)和图3h)可以看出，干扰信号经成像处理后的幅度和运动目标的基本一致，故可以达到良好的遮盖效果。对图3c)遮盖区域进行测量，其覆盖面积大约为2 160 m2，与式(22)计算的结果2 079 m2基本一致。表明本文理论分析是正确的，对干扰目标的遮盖是有效果的。

图3　干扰运动装甲车效果图

按表2中实验数据进行干扰仿真，设置不同干扰参数情况下对消后的干扰效果，如图4所示。

由图4可以看出，通过改变不同的干扰参数，可以达到灵活控制遮蔽面的效果。图4a)中设置不同的距离向速度，可以控制遮蔽面中心的方位向位置；图4b)中设置不同的方位向加速度，可以控制遮蔽面方位向的宽窄；图4c)中设置不同的余弦调相指数，可以控制遮蔽面距离向的宽窄；图4d)中设置不同的余弦调相角速度，可以控制组成遮蔽面的干扰条带之间的间距。因此，这种灵巧遮蔽干扰可以灵活控制其干扰遮蔽区域。

图4　设置不同干扰参数的对消后干扰效果图

5　结束语

本文提出一种基于余弦调相和运动调制的SAR-GMTI灵巧遮蔽干扰方法，它沿方位向的干扰是利用了匀加速运动调制的方位向展宽效应，沿距离向的干扰是通过SAR信号的余弦调相实现距离向的周期延拓，二者结合在成像中形成区域遮蔽干扰效果，并采用三通道干涉对消技术为例分析了此干扰对多通道GMTI的对抗性能。经验证，此方法对SAR成像和SAR-GMTI成像均具有很好的干扰效果。此方法的优点：1)其干扰区域大小和位置可以通过改变干扰参数进行控制，形成灵活的遮蔽干扰区域，遮蔽需要干扰的重要目标；2)干扰信号与SAR的距离向和方位向滤波器基本是完全匹配，因此，所需的干扰功率比较小，具有很高的研究与运用价值。

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周阳男，1991年生，硕士研究生。研究方向为SAR信号处理及SAR对抗理论。

毕大平男，1965年生，教授，博士生导师。研究方向为电子对抗侦察和干扰新技术。

房明星男，1989年生，博士研究生。研究方向为SAR信号处理及SAR对抗理论。

沈爱国男，1975年生，博士，讲师。研究方向为雷达信号处理、雷达干扰与抗干扰技术。

A Smart Area Shading Jamming Method for SAR-GMTI

ZHOU Yang，BI Daping，FANG Mingxing，SHEN Aiguo

(Department of 503, Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China)

A smart area shading jamming method is presented for SAR-GMTI. Along azimuth jamming could be obtained by uniformly-accelerating modulation of SAR signal and along range jamming could be obtained by cosine phase modulation of SAR signal. The combination of them provides a smart area shading jamming. Then, the countering performance against GMTI is analyzed by using the tri-channel interference cancelling technique. The advantage of this method can be divided into two parts: first, the position and the square of area can be controlled by jamming parameters; second, the power of jamming signal is low, because the signal is nearly matching to azimuth and distance filter. Simulation results verify its effectiveness both for SAR and SAR-GMTI.

synthetic aperture radar-ground moving target indication(SAR-GMTI); cosinusoidal phase-modulated; modulation jamming; countering performance

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.09.017

国家自然科学基金资助项目(61171170)

周阳Email：zhouyanglb@163.com

2016-04-20

2016-06-22

TN957

A

1004-7859(2016)09-0079-07