對(duì)SAR-GMTI的靈巧遮蔽干擾方法研究

周　陽(yáng)，畢大平，房明星，沈愛(ài)國(guó)

(電子工程學(xué)院503教研室,　合肥 230037)

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·電子對(duì)抗·

對(duì)SAR-GMTI的靈巧遮蔽干擾方法研究

周陽(yáng)，畢大平，房明星，沈愛(ài)國(guó)

(電子工程學(xué)院503教研室,合肥 230037)

提出了一種對(duì)SAR-GMTI靈巧遮蔽干擾方法。該方法通過(guò)勻加速運(yùn)動(dòng)調(diào)制實(shí)現(xiàn)方位向干擾的同時(shí)，對(duì)SAR信號(hào)進(jìn)行余弦調(diào)相實(shí)現(xiàn)距離向干擾，將二者結(jié)合可在成像中形成區(qū)域遮蔽干擾效果，并以三通道干涉對(duì)消技術(shù)為例分析了其對(duì)多通道GMTI的對(duì)抗性能。該方法的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：一是遮蔽區(qū)域大小和位置均可以通過(guò)改變干擾參數(shù)進(jìn)行靈活控制；二是干擾信號(hào)與SAR的距離向和方位向?yàn)V波器是基本匹配的，所需的干擾功率比較小。仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法對(duì)SAR成像和SAR-GMTI成像均具有很好的干擾效果。

合成孔徑雷達(dá)地面動(dòng)目標(biāo)顯示；余弦調(diào)相；調(diào)制干擾；對(duì)抗性能

0　引　言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)可全天候，全天時(shí)對(duì)大范圍的場(chǎng)景進(jìn)行高分辨率成像，因此被廣泛用于軍事偵查、地圖測(cè)繪以及導(dǎo)彈末端圖像匹配制導(dǎo)等領(lǐng)域[1]。地面動(dòng)目標(biāo)顯示(GMTI)技術(shù)能夠檢測(cè)和跟蹤地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，在軍事領(lǐng)域被運(yùn)用于發(fā)現(xiàn)敵方重要運(yùn)動(dòng)軍事目標(biāo)。SAR-GMTI結(jié)合了GMTI的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和SAR對(duì)地面目標(biāo)高分辨成像的功能，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)地面任意目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別、定位、跟蹤和成像，已成為SAR重要的發(fā)展趨勢(shì)[2-3]和先進(jìn)體制SAR必備的功能。SAR-GMTI的快速發(fā)展，對(duì)我地面重要軍事目標(biāo)(特別是裝甲車、坦克、導(dǎo)彈發(fā)射車等運(yùn)動(dòng)型目標(biāo))的軍事部署、作戰(zhàn)狀態(tài)、戰(zhàn)時(shí)生存等構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。當(dāng)前，對(duì)SAR-GMTI干擾技術(shù)研究已成為電子對(duì)抗領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[4-9]。

SAR-GMTI通常采用多個(gè)通道對(duì)雜波和干擾進(jìn)行抑制和對(duì)消，可以有效濾除雜波，分離出靜止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外提出的許多對(duì)SAR的相干干擾方法，基本上都是基于地面靜止目標(biāo)的保護(hù)，很少考慮其運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特性，其干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)GMTI處理后可能會(huì)被濾除[10-12]，地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)仍極易被SAR探測(cè)出來(lái)，當(dāng)前對(duì)SAR-GMTI的干擾技術(shù)相對(duì)較少，主要集中在對(duì)SAR的虛假動(dòng)目標(biāo)欺騙干擾[7-9]，這些干擾信號(hào)產(chǎn)生通常很少考慮運(yùn)動(dòng)假目標(biāo)的后向散射強(qiáng)度，所以干擾逼真度往往不高，很容易被識(shí)別。散射波干擾雖能夠攜帶豐富的地物散射信息和多普勒頻移[13]，干擾逼真度較高，但將接收到的信號(hào)投射到大范圍場(chǎng)景上，需要較高的功率，功率的利用率也會(huì)很低，而且難以靈活控制干擾區(qū)域的大小和位置，適用條件較為有限。

基于上述背景，本文根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)SAR成像在方位向具有運(yùn)動(dòng)調(diào)制效應(yīng)和余弦調(diào)相干擾在距離向上具有周期延拓效應(yīng)，提出了一種對(duì)SAR-GMTI靈巧遮蔽干擾方法。本文首先分析了勻加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)SAR成像的調(diào)制效應(yīng)；然后，結(jié)合運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾和余弦調(diào)相干擾建立了該方法的干擾模型，并根據(jù)SAR成像處理流程分析了干擾機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，以三通道干涉對(duì)消技術(shù)為例分析了其對(duì)多通道GMTI的對(duì)抗性能；最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法對(duì)SAR成像和SAR-GMTI成像均具有很好的遮蔽干擾效果。

1　勻加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)SAR成像的調(diào)制效應(yīng)

1.1勻加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波相位分析

如圖1所示，設(shè)載機(jī)以速度v沿x軸方向直線運(yùn)動(dòng)，其高度為H，合成孔徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)，合成孔徑時(shí)間為TL=L/v。在SAR雷達(dá)中，為了使信號(hào)具有好的相干性，發(fā)射信號(hào)的載頻必須十分穩(wěn)定。設(shè)載頻信號(hào)為ej2πf0t，脈沖信號(hào)以重復(fù)周期T依次發(fā)射。為了后續(xù)研究方便，定義發(fā)射時(shí)刻ta=mT(m=0,1,2,…)為慢時(shí)間。以發(fā)射時(shí)刻為起點(diǎn)的時(shí)間用tr表示，稱為快時(shí)間。快時(shí)間用來(lái)計(jì)量電波傳播的時(shí)間，而慢時(shí)間用來(lái)計(jì)量發(fā)射脈沖的時(shí)刻，這兩個(gè)時(shí)間與全時(shí)間t的關(guān)系為tr=t-mT。

圖1　SAR成像場(chǎng)景圖

(1)

雷達(dá)發(fā)射的線信調(diào)頻(LFM)信號(hào)可寫為

(2)

exp[-j2kR(ta)]

(3)

式中：k=2π/λ為距離波數(shù)；μr為距離向調(diào)頻率；TLP為P點(diǎn)的合成孔徑時(shí)間，由于目標(biāo)P的運(yùn)動(dòng)會(huì)使TL發(fā)生變化，故取TLP來(lái)區(qū)分目標(biāo)靜止時(shí)的合成孔徑時(shí)間TL；σ是與后向散射強(qiáng)度和天線方向圖有關(guān)的慢變函數(shù)，受到天線方向圖的調(diào)制，在波束寬度內(nèi)近似為常數(shù)[8]。在Fresnel近似條件下，信號(hào)經(jīng)過(guò)距離徙動(dòng)校正，距離向處理后可分離出只與ta有關(guān)的方位向信號(hào)為

(4)

根據(jù)式(1)，通過(guò)R(ta)的麥克勞林展開(kāi)，可以得到方位向相位為

(5)

式中：k=2π/λ，μa=-2v2/λR0， 為方位向調(diào)頻率。

令φ=φ0+Δφ，φ0為目標(biāo)靜止時(shí)的方位向相位，Δφ為勻加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加相位，則φ0與Δφ表達(dá)式為

(6)

可以利用Δφ在干擾信號(hào)內(nèi)調(diào)制勻加速運(yùn)動(dòng)附加相位，并可以控制勻加速運(yùn)動(dòng)的速度、加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的調(diào)制和效果。

1.2勻加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)SAR成像特性分析

采用R-D算法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行成像分析，首先，對(duì)目標(biāo)P經(jīng)混頻處理后的回波信號(hào)進(jìn)行距離向壓縮

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

(7)

(8)

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

(9)

忽略常數(shù)項(xiàng)后，得式(9)待積分項(xiàng)的相位為

(10)

因Fresnel近似條件下，SAR的方位向回波數(shù)據(jù)可看作線性調(diào)頻信號(hào)形式，且具有較大的時(shí)寬帶寬積，故可采用駐相點(diǎn)法求取積分[7]，將積分式內(nèi)的相位項(xiàng)φ(τ)對(duì)τ求導(dǎo)，得到駐相點(diǎn)處的關(guān)系式

(11)

令φ′(τ)|τ=τ*=0，可得駐相點(diǎn)τ*處對(duì)應(yīng)的方位向時(shí)刻tam為

(12)

所以運(yùn)動(dòng)目標(biāo)最終成像表達(dá)式為

(13)

(14)

tam關(guān)于τ*的一次、二次和三次項(xiàng)表示峰值時(shí)刻隨τ*的變化，使得方位向位置產(chǎn)生展寬，展寬量可表示為

(15)

2　靈巧遮蔽干擾模型

在干擾機(jī)接收到的SAR信號(hào)基礎(chǔ)上，調(diào)制上勻加速運(yùn)動(dòng)附加相位Δφ和距離向余弦調(diào)相分量，可以建立基于余弦調(diào)相和運(yùn)動(dòng)調(diào)制的SAR-GMTI靈巧遮蔽干擾信號(hào)模型為

exp[-j2kRj(ta)]·exp(jΔφ)·

exp[jmrcos(ωrtr)]

(16)

式中：Aj為干擾信號(hào)幅度；exp[jmrcos(ωrtr)]項(xiàng)為距離向余弦調(diào)制分量；mr、ωr分別為余弦調(diào)相指數(shù)和余弦調(diào)相角速度。

在建立的基于余弦調(diào)相和運(yùn)動(dòng)調(diào)制的靈巧遮蔽干擾信號(hào)模型中，距離向余弦調(diào)制分量可根據(jù)數(shù)學(xué)恒等式展開(kāi)為

(17)

式中：Jn(·)為第一類n階Bessel函數(shù)。由此可見(jiàn)，此余弦調(diào)相分量可以展開(kāi)為無(wú)窮多個(gè)單頻分量之和。對(duì)上述干擾信號(hào)做成像處理，分別在距離向和方位向進(jìn)行壓縮，原理同1.2節(jié)。最后得到成像表達(dá)式為

(18)

通過(guò)勻加速運(yùn)動(dòng)調(diào)制會(huì)得到方位向展寬效應(yīng)，得到的展寬量可表示為

(19)

這就可形成條帶干擾效果。由于余弦調(diào)相信號(hào)的帶寬決定了沿距離向搬移的干擾條帶數(shù)，因此，可以根據(jù)卡森公式[15]進(jìn)行估計(jì)。其中，距離向搬移點(diǎn)數(shù)為2(mr+1)，可形成2mr+3個(gè)干擾條帶，干擾條帶的的距離向間隔為ωrc/4πμr。由此可以計(jì)算出形成的干擾面積為

(20)

式中：μr為SAR信號(hào)的距離向線性調(diào)頻率；ωr是余弦調(diào)相角速度。

3　對(duì)SAR-GMTI靈巧遮蔽干擾性能分析

靜止目標(biāo)、雜波，一般的虛假圖像欺騙干擾和散射波干擾在通過(guò)SAR-GMTI系統(tǒng)后，基本上都可以得到很好的對(duì)消，但此干擾方法是否在通過(guò)SAR-GMTI系統(tǒng)后仍有好的干擾效果，值得研究。

這里采用三通道干涉技術(shù)分析此靈巧遮蔽干擾的對(duì)抗性能[3]，其幾何模型如圖2所示。

圖2　三通道SAR-GMTI干涉處理幾何模型

三通道子孔徑天線沿航跡以等間隔Da排列，天線2發(fā)射信號(hào)，天線1、2、3同時(shí)接收信號(hào)，則干擾信號(hào)到三個(gè)天線的傳播路程分別為

(21)

忽略干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延遲，三個(gè)通道接收到的信號(hào)分別為

(22)

對(duì)各通道分別進(jìn)行距離壓縮，可得

(23)

(24)

經(jīng)多普勒中心偏差補(bǔ)償，再分別進(jìn)行方位向壓縮，可得

(25)

由式(25)可知通道2的成像結(jié)果與式(18)一致，但由于各接收天線存在沿航跡方向的位置偏差，因此在對(duì)消前需補(bǔ)償此位置偏差引起的相位偏差，相應(yīng)的補(bǔ)償函數(shù)為

(26)

利用上式進(jìn)行相位補(bǔ)償后，進(jìn)行雜波對(duì)消可得

(27)

對(duì)式(27)取模，則基于余弦調(diào)相和運(yùn)動(dòng)調(diào)制的SAR-GMTI靈巧遮蔽干擾通過(guò)SAR-GMTI系統(tǒng)后的輸出幅度為

|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，靜止假目標(biāo)位置地距向和方位向的速度、加速度取值將直接影響到雜波對(duì)消后運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的保留能量的大小。當(dāng)xjvx+yjvy+(xjax+yjay)τ*=nλRjv/Da時(shí)，干擾能量將被全部對(duì)消，干擾位于對(duì)消特性的凹口處；當(dāng)xjvx+yjvy+(xjax+yjay)τ*=(n+1/2)λRjv/Da時(shí)，干擾位于對(duì)消特性的凸口處，干擾能量得到最大程度地增強(qiáng)，可達(dá)到對(duì)消前的四倍；其余均介于凸口和凹口之間。

4　仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證理論分析的正確性和干擾的有效性，進(jìn)行SAR-GMTI靈巧遮蔽干擾仿真。設(shè)SAR工作于正側(cè)視，其主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，SAR干擾機(jī)放置坐標(biāo)為(0,10 000, 0)，并將其作為靜止參考點(diǎn)。

表1　SAR實(shí)驗(yàn)參數(shù)

現(xiàn)欲遮蓋六輛具有較強(qiáng)反射特性的裝甲車，按表1中仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行仿真，表2中干擾參數(shù)設(shè)置為vx=0，ax=0，vy=-0.6，ay=-0.3，mr=10，ωr=6.28e5。當(dāng)干信比為15 dB時(shí)，仿真效果如圖3所示。

表2　干擾實(shí)驗(yàn)參數(shù)

其中，圖3a)表示SAR對(duì)地面的成像圖，靜止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)均清晰可見(jiàn)；圖3b)表示經(jīng)多通道對(duì)消后的成像圖，靜止目標(biāo)被濾除，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)仍清晰可見(jiàn)；圖3c)表示受干擾后SAR成像的效果圖，可見(jiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)被完全遮蔽；圖3d)表示多通道對(duì)消后的干擾效果圖，可以看到在對(duì)消后，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)仍可被完全遮蔽。圖3e)～3h)分別是對(duì)應(yīng)3a)～3d)的三維顯示，由圖3g)和圖3h)可以看出，干擾信號(hào)經(jīng)成像處理后的幅度和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的基本一致，故可以達(dá)到良好的遮蓋效果。對(duì)圖3c)遮蓋區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，其覆蓋面積大約為2 160 m2，與式(22)計(jì)算的結(jié)果2 079 m2基本一致。表明本文理論分析是正確的，對(duì)干擾目標(biāo)的遮蓋是有效果的。

圖3　干擾運(yùn)動(dòng)裝甲車效果圖

按表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾仿真，設(shè)置不同干擾參數(shù)情況下對(duì)消后的干擾效果，如圖4所示。

由圖4可以看出，通過(guò)改變不同的干擾參數(shù)，可以達(dá)到靈活控制遮蔽面的效果。圖4a)中設(shè)置不同的距離向速度，可以控制遮蔽面中心的方位向位置；圖4b)中設(shè)置不同的方位向加速度，可以控制遮蔽面方位向的寬窄；圖4c)中設(shè)置不同的余弦調(diào)相指數(shù)，可以控制遮蔽面距離向的寬窄；圖4d)中設(shè)置不同的余弦調(diào)相角速度，可以控制組成遮蔽面的干擾條帶之間的間距。因此，這種靈巧遮蔽干擾可以靈活控制其干擾遮蔽區(qū)域。

圖4　設(shè)置不同干擾參數(shù)的對(duì)消后干擾效果圖

5　結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于余弦調(diào)相和運(yùn)動(dòng)調(diào)制的SAR-GMTI靈巧遮蔽干擾方法，它沿方位向的干擾是利用了勻加速運(yùn)動(dòng)調(diào)制的方位向展寬效應(yīng)，沿距離向的干擾是通過(guò)SAR信號(hào)的余弦調(diào)相實(shí)現(xiàn)距離向的周期延拓，二者結(jié)合在成像中形成區(qū)域遮蔽干擾效果，并采用三通道干涉對(duì)消技術(shù)為例分析了此干擾對(duì)多通道GMTI的對(duì)抗性能。經(jīng)驗(yàn)證，此方法對(duì)SAR成像和SAR-GMTI成像均具有很好的干擾效果。此方法的優(yōu)點(diǎn)：1)其干擾區(qū)域大小和位置可以通過(guò)改變干擾參數(shù)進(jìn)行控制，形成靈活的遮蔽干擾區(qū)域，遮蔽需要干擾的重要目標(biāo)；2)干擾信號(hào)與SAR的距離向和方位向?yàn)V波器基本是完全匹配，因此，所需的干擾功率比較小，具有很高的研究與運(yùn)用價(jià)值。

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周陽(yáng)男，1991年生，碩士研究生。研究方向?yàn)镾AR信號(hào)處理及SAR對(duì)抗理論。

畢大平男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗偵察和干擾新技術(shù)。

房明星男，1989年生，博士研究生。研究方向?yàn)镾AR信號(hào)處理及SAR對(duì)抗理論。

沈愛(ài)國(guó)男，1975年生，博士，講師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)干擾與抗干擾技術(shù)。

A Smart Area Shading Jamming Method for SAR-GMTI

ZHOU Yang，BI Daping，F(xiàn)ANG 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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61171170)

周陽(yáng)Email：zhouyanglb@163.com

2016-04-20

2016-06-22

TN957

A

1004-7859(2016)09-0079-07