散射波干擾對(duì)多通道SAR-GMTI的對(duì)抗性能分析

房明星，畢大平，沈愛國

(電子工程學(xué)院 503教研室,　合肥 230037)

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散射波干擾對(duì)多通道SAR-GMTI的對(duì)抗性能分析

房明星，畢大平，沈愛國

(電子工程學(xué)院 503教研室,合肥 230037)

針對(duì)散射波干擾對(duì)多通道合成孔徑雷達(dá)-地面動(dòng)目標(biāo)顯示(SAR-GMTI)的對(duì)抗性能展開研究，文中給出了散射波干擾原理，分析了散射波干擾在SAR距離向和方位向的干擾效果，采用三通道干涉對(duì)消技術(shù)分析了散射波干擾對(duì)多通道GMTI的對(duì)抗性能。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明：散射波干擾對(duì)多通道SAR-GMTI仍然具有假目標(biāo)干擾效果，由于多通道GMTI對(duì)干擾的抑制和對(duì)消，假目標(biāo)幅度受正弦調(diào)制系數(shù)的影響將出現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)和削弱區(qū)。

合成孔徑雷達(dá)-地面動(dòng)目標(biāo)顯示；散射波干擾；對(duì)抗性能；干涉對(duì)消

0　引　言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種高分辨率成像雷達(dá)，具有全天時(shí)、全天候和透視性等特點(diǎn)，已廣泛用于軍事偵查、地圖測繪以及導(dǎo)彈末端圖像匹配制導(dǎo)等方面[1]。地面動(dòng)目標(biāo)顯示(GMTI)技術(shù)能夠檢測和跟蹤地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，將SAR與GMTI相結(jié)合即SAR-GMTI，已成為戰(zhàn)略情報(bào)偵察和戰(zhàn)場監(jiān)視系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。SAR-GMTI系統(tǒng)的快速發(fā)展和應(yīng)用，使敵方能夠快速洞悉地面運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)略目標(biāo)的軍事意圖，嚴(yán)重削弱了我方重要地面軍事運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的作戰(zhàn)效能以及戰(zhàn)時(shí)生存能力，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)問題[4-6]。

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，常規(guī)的SAR干擾信號(hào)很容易被多通道SAR-GMTI所抑制[7-10]，干擾效果不盡人意。目前，針對(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[11-12]，干擾信號(hào)產(chǎn)生通常需要復(fù)雜的調(diào)制，對(duì)偵察依賴度較高，干擾的實(shí)時(shí)性和有效性有待進(jìn)一步提高。散射波干擾能夠攜帶豐富的地物散射信息和多普勒頻移，干擾機(jī)位置隱蔽且實(shí)現(xiàn)簡單，干擾信號(hào)可以獲得很高的匹配處理增益，可有效干擾SAR對(duì)地物目標(biāo)的識(shí)別、成像。文獻(xiàn)[13]較早地提出了SAR散射波干擾方法，從原理上說明了散射波干擾相對(duì)于直達(dá)波干擾的優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)機(jī)載和星載SAR進(jìn)行了仿真對(duì)比分析；文獻(xiàn)[14]通過對(duì)SAR信號(hào)進(jìn)行距離向延時(shí)和方位向相位補(bǔ)償，使得散射波干擾信號(hào)與回波信號(hào)的距離向頻率和方位向相位保持一致，從而實(shí)現(xiàn)了SAR散射波欺騙場景干擾；文獻(xiàn)[15]詳細(xì)研究了散射波干擾對(duì)SAR成像的干擾效果，并利用散射波干擾因子對(duì)SAR目標(biāo)方位向特性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[16-17]則分別結(jié)合間歇采樣干擾和余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)散射波干擾進(jìn)行了擴(kuò)展，可對(duì)SAR形成二維多假目標(biāo)干擾效果?？梢姡琒AR散射波技術(shù)研究已較為成熟，但散射波干擾對(duì)多通道SAR-GMTI是否具有干擾效果，干擾效果和對(duì)抗性能如何卻鮮有報(bào)道?；谏鲜霰尘?，本文針對(duì)散射波干擾對(duì)多通道SAR-GMTI的對(duì)抗性能展開研究，理論推導(dǎo)了散射波干擾對(duì)SAR和三通道SAR-GMTI的干擾成像輸出，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)分析。

1　散射波干擾原理

SAR散射波干擾的基本原理如圖1所示，當(dāng)SAR雷達(dá)波束照射到干擾機(jī)時(shí)，干擾機(jī)接收SAR信號(hào)，并將信號(hào)放大后投射到選定的散射區(qū)域，SAR接收到經(jīng)地物散射形成的散射波干擾信號(hào)，從而達(dá)到預(yù)期干擾目的。

圖1　散射波干擾原理框圖

設(shè)SAR平臺(tái)以速度v沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，其方位向慢時(shí)間ta=0時(shí)的地面投影為坐標(biāo)原點(diǎn)O，SAR平臺(tái)瞬時(shí)坐標(biāo)為(vta,0,H)，干擾機(jī)J坐標(biāo)為(xj,yj,h)，散射區(qū)域內(nèi)目標(biāo)T坐標(biāo)為(xt,yt,0)，根據(jù)散射波干擾原理，對(duì)任意慢時(shí)間ta，干擾回波的傳播路徑為

Rj(ta)=Rrj(ta)+Rjt+Rtr(ta)

(1)

(2)

(3)

式中：Rj0、Rt0為ta=0時(shí)Rrj(ta)和Rtr(ta)的初始斜距，可求得干擾信號(hào)的多普勒中心頻率fjc1和多普勒調(diào)頻率ua1分別為

(4)

目標(biāo)回波信號(hào)SAR匹配濾波器的多普勒中心頻率和多普勒調(diào)頻率分別為fc=2vxt/λRt0和ua=-2v2/λRt0，對(duì)比式(4)可知，由于Rj0≠Rt0，散射波干擾信號(hào)的多普勒參數(shù)與匹配濾波器之間存在著匹配失配，其中，多普勒中心頻率失配導(dǎo)致目標(biāo)方位向位置的偏移，多普勒調(diào)頻率失配將導(dǎo)致方位向的散焦。通常情況下H?h，且為了確保散射波干擾的實(shí)時(shí)性和有效性，干擾機(jī)通常部署在距離目標(biāo)較近的位置，因此可認(rèn)為Rj0≈Rt0，此時(shí)多普勒調(diào)頻率失配小于1%，可忽略多普勒調(diào)頻率失配對(duì)散射波干擾的影響[17]，即散射波干擾可產(chǎn)生攜帶真實(shí)目標(biāo)散射信息的假目標(biāo)欺騙干擾效果。

2　散射波干擾對(duì)SAR的干擾效果分析

2.1距離向干擾效果

在分析散射波干擾對(duì)多通道SAR-GMTI的對(duì)抗性能之前，首先，分析散射波干擾對(duì)SAR的干擾效果。設(shè)SAR發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式為

(5)

式中:rect(·)為矩形窗函數(shù)；tr為距離向快時(shí)間；ta=mTq(m=0,1,2,…,M)為方位向慢時(shí)間，Tq為脈沖重復(fù)周期；全時(shí)間t=tr+ta；Tq為脈沖寬度；f0為載頻；ur為調(diào)頻斜率。忽略干擾機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，SAR接收到的基頻干擾信號(hào)為

exp[jπur(tr-Rj(ta)/c2]·

exp[-j2πRj(ta)/λ]

(6)

exp[-j2πRj(ta)/λ]

(7)

ΔR=(Rj0+Rjt-Rt0)/2

(8)

由于(Rj0+Rjt)>Rt0，故ΔR>0，即所形成的假目標(biāo)位置滯后于真實(shí)目標(biāo)。

2.2方位向干擾效果

sja(tr,ta)=sjr(tr,ta)?ha(ta)=

(9)

式中：“?”表示卷積。在Fresnel近似條件下，SAR方位向慢時(shí)間信號(hào)仍可視為線性調(diào)頻信號(hào)，且具有較大的時(shí)寬帶寬積，故可采用駐定相位原理對(duì)式(9)進(jìn)行近似求解[6]，則方位向慢時(shí)間的待積分相位項(xiàng)為

φ(τ)=-2πRj(τ)/λ-πua(ta-τ)2=

2πfc1τ+πua1τ2-πua(ta-τ)2

(10)

對(duì)式(10)關(guān)于τ求導(dǎo)，可得駐定相位點(diǎn)處的關(guān)系式為

(11)

(12)

則干擾信號(hào)經(jīng)過方位向匹配濾波的輸出包絡(luò)為

sinc[πua(ta-tam)(TL-|ta|)]

(13)

x*=(xj+xt)/2

(14)

假目標(biāo)方位向位置偏移量為

Δx=x*-xt=(xj-xt)/2

(15)

即假目標(biāo)方位向位置為干擾機(jī)和真實(shí)目標(biāo)方位向距離和的一半，方位向位置偏移量為干擾機(jī)和真實(shí)目標(biāo)方位向距離差的一半。通過以上分析可知，散射波干擾信號(hào)所形成的假目標(biāo)位置相對(duì)真實(shí)目標(biāo)在距離向和方位向均有所偏移。因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)干擾機(jī)進(jìn)行合理配置才能滿足假目標(biāo)位置和功率等方面的需求。

3　散射波干擾對(duì)SAR-GMTI的對(duì)抗性能分析

散射波干擾可對(duì)SAR形成逼真的假目標(biāo)干擾效果，但對(duì)于SAR-GMTI而言，可通過雜波和干擾的抑制、對(duì)消來實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測和成像。因此，散射波干擾對(duì)SAR-GMTI的干擾效果亟需進(jìn)一步研究。GMTI按實(shí)現(xiàn)方式的不同可分為兩類：一是單通道GMTI，該方式對(duì)硬件需求較低，運(yùn)算量相對(duì)較小，但是對(duì)弱目標(biāo)或慢速目標(biāo)的檢測性能較差；二是多通道GMTI，該方式通過增加雷達(dá)系統(tǒng)空間維信息對(duì)雜波實(shí)現(xiàn)良好的抑制和對(duì)消，能夠在低信噪比條件下對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行有效檢測，主要包括DPCA、STAP、ATI等，這里采用三通道干涉技術(shù)分析散射波干擾對(duì)SAR-GMTI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

三個(gè)通道的子孔徑天線以等間隔D沿航跡排列，采用一發(fā)三收工作模式，即子孔徑2發(fā)射SAR信號(hào)，三個(gè)孔徑同時(shí)接收回波信號(hào)，子孔徑1、2、3的瞬時(shí)坐標(biāo)分別為(vta+D,0,H)、(vta,0,H)、(vta-D,0,H)，則散射波干擾信號(hào)到三個(gè)通道的傳播路程分別為

(16)

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

(17)

仍采用R-D成像算法對(duì)干擾信號(hào)的成像結(jié)果進(jìn)行分析，則三個(gè)通道接收到的干擾信號(hào)經(jīng)過距離向匹配濾波可得

(18)

(19)

利用式(19)對(duì)通道1和3進(jìn)行多普勒中心頻率偏差補(bǔ)償，并進(jìn)行方位向匹配濾波可得

(20)

由式(20)可知，通道2的匹配濾波結(jié)果與式(13)一致，但由于各接收通道存在沿航跡方向的位置偏差，在進(jìn)行雜波對(duì)消之前，必須補(bǔ)償由位置偏差引起的相位偏差，相應(yīng)的補(bǔ)償函數(shù)為

(21)

利用式(21)進(jìn)行相位誤差補(bǔ)償，并進(jìn)行雜波對(duì)消可得

(22)

對(duì)式(22)取模，則散射波干擾信號(hào)通過SAR-GMTI系統(tǒng)后的輸出幅度為

sinc[πua(ta-tam)(TL-|ta|)]|·

(23)

4　仿真實(shí)驗(yàn)分析

采用表1的仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)驗(yàn)證散射波對(duì)三通道SAR-GMTI的對(duì)抗性能，設(shè)SAR成像場景距離向范圍為[9 800m, 10 200m]，方位向范圍為[-150, 150]，場景中心坐標(biāo)為 (斜距-方位坐標(biāo))，無干擾時(shí)通道2的成像場景如圖3a)所示，場景中包含9個(gè)靜止強(qiáng)散射目標(biāo)(如坦克、汽車等)，其坐標(biāo)分別為[10 000,0]，[10 000±10, 0]，[10 000, -18]，[10 000±10, -18]，[10 000, 15]，[10 000±10, 15](按方位向位置分為三組)。

表1仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

依據(jù)散射波干擾原理，假設(shè)干擾機(jī)坐標(biāo)為[9 800,0]，干擾機(jī)高度h=50m，轉(zhuǎn)發(fā)延遲為0.2μs，干信比JSR=5dB，圖3b)為散射波干擾時(shí)通道2成像結(jié)果。從干擾成像結(jié)果可以看出，忽略微小調(diào)頻率失配的影響，散射波干擾能夠?qū)AR形成逼真的假目標(biāo)欺騙干擾效果，此時(shí)各假目標(biāo)在距離向滯后真實(shí)目標(biāo)約40m，三組假目標(biāo)方位向位置坐標(biāo)分別為-9m、0m、7.5m，仿真結(jié)果與式(8)和式(14)理論推導(dǎo)一致，從而驗(yàn)證了散射波干擾對(duì)SAR干擾的可行性和有效性。

圖3　SAR散射波干擾成像結(jié)果

采用三通道干涉技術(shù)對(duì)散射波干擾和背景雜波進(jìn)行對(duì)消處理，圖4分別為兩種情況下的通道1和2的對(duì)消成像結(jié)果。從對(duì)消結(jié)果可以看出，三通道SAR-GMTI對(duì)背景雜波和靜止強(qiáng)散射目標(biāo)均具有良好的對(duì)消性能，而對(duì)散射波干擾在不同情況下會(huì)出現(xiàn)削弱區(qū)和增強(qiáng)區(qū)。其中，圖4a)為圖3b)的對(duì)消成像結(jié)果，此時(shí)中間組強(qiáng)散射目標(biāo)的方位向位置與干擾機(jī)相同，散射波干擾對(duì)消后幅度為0，其余兩組散射波干擾對(duì)消后正弦調(diào)制系數(shù)ρ<0.4，即兩組散射波干擾處于削弱區(qū)。由此可見，當(dāng)散射目標(biāo)方位向位置位于干擾機(jī)附近時(shí)，干擾調(diào)制系數(shù)ρ<1，從而導(dǎo)致散射波干擾的能量被削弱。重新設(shè)置干擾機(jī)坐標(biāo)為[9 800, -120]，其余仿真條件不變，對(duì)消成像結(jié)果如圖4b)所示，此時(shí)對(duì)消后正弦調(diào)制系數(shù)ρ≈1.2，散射波干擾處于增強(qiáng)區(qū)，散射波干擾信號(hào)能量得到增強(qiáng)，盡管由于多普勒參數(shù)的失配導(dǎo)致成像結(jié)果發(fā)生微小的扭曲和變形，但仍然具有逼真的假目標(biāo)欺騙干擾效果。因此，在實(shí)際的干擾機(jī)配置中需要兼顧干擾能量對(duì)消和多普勒失配的影響，既保證對(duì)消后干擾的能量，又使多普勒失配的影響在可容許范圍內(nèi)，從而最大限度地提高散射波干擾對(duì)多通道SAR-GMTI的對(duì)抗性能。

圖4　三通道SAR-GMTI對(duì)消成像結(jié)果

5　結(jié)束語

本文在SAR散射波干擾原理基礎(chǔ)上，針對(duì)散射波干擾對(duì)多通道SAR-GMTI的對(duì)抗性能進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：散射波干擾對(duì)SAR和SAR-GMTI均能夠形成假目標(biāo)干擾效果，二者的主要區(qū)別在于假目標(biāo)能量的對(duì)消情況，由于SAR-GMTI對(duì)干擾信號(hào)的對(duì)消處理，是依據(jù)干擾機(jī)方位向位置的不同，其所形成的假目標(biāo)幅度受到正弦系數(shù)的調(diào)制。因此，假目標(biāo)幅度會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)和削弱。本文研究成果能夠有效提高SAR-GMTI對(duì)抗能力，進(jìn)一步增強(qiáng)我方地面軍事運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的保護(hù)能力，具有較強(qiáng)的軍事應(yīng)用價(jià)值。

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房明星男，1988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。

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)。

沈愛國男，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)。

Countering Performance Analysis of Scatter-waveJammingtoMulti-channelSAR-GMTI

FANG Mingxing，BI Daping，SHEN Aiguo

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

Thepaperstudiesthecounteringperformanceofscatter-wavejammingtomulti-channelsyntheticapertureradar-groundmovingtargetindication(SAR-GMTI).Thescatter-wavejammingtheoryisproposed,anditsjammingperformancetoSARinrangeandazimuthisanalyzedindetail.Then,thecounteringperformanceagainstGMTIisanalyzedbyusingthetri-channelinterferencecancellingtechnique.Theoreticalanalysisandcomputersimulationshowthat:scatter-wavejammingstillcanproducefalsetargetsjammingperformanceformulti-channelSAR-GMTI,andduetointerferencesuppressionandcancellationofmulti-channelGMTI,theamplitudesoffalsetargetshaveenhancedandweakenedareasundertheinfluenceofsinusoidalmodulationcoefficient.

syntheticapertureradar-groundmovingtargetindication；scatter-wavejamming；counteringperformance；interferencecancelling

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.08.020

房明星Email：mingxingfang89@163.com

2016-05-04

2016-07-03

TN974

A

1004-7859(2016)08-0088-06