基于旋轉(zhuǎn)天線的SAR-GMTI二維余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾

房明星 畢大平 沈愛(ài)國(guó)

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基于旋轉(zhuǎn)天線的SAR-GMTI二維余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾

房明星*畢大平 沈愛(ài)國(guó)

(電子工程學(xué)院 合肥 230037)

論文針對(duì)多通道SAR-GMTI提出一種新的干擾方法：基于旋轉(zhuǎn)天線的SAR-GMTI 2維余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾。對(duì)干擾機(jī)截獲的SAR信號(hào)進(jìn)行距離向余弦調(diào)相的同時(shí)，利用干擾機(jī)天線旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)方位向余弦調(diào)相，解決了工程上無(wú)法實(shí)現(xiàn)方位向余弦調(diào)相的難題，并采用三通道干涉對(duì)消方法分析了其對(duì)GMTI的對(duì)抗性能，該方法對(duì)SAR和SAR-GMTI均可產(chǎn)生2維“網(wǎng)狀”多假目標(biāo)干擾效果，可同時(shí)保護(hù)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和靜止目標(biāo)。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該干擾方法的可行性和有效性。

合成孔徑雷達(dá)-地面動(dòng)目標(biāo)顯示；旋轉(zhuǎn)天線；2維余弦調(diào)相；干涉對(duì)消

1 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(cè)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(Ground Moving Target Indication, GMTI)技術(shù)能夠檢測(cè)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(chǎng)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(wèn)題。

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，干擾效果不盡人意。目前，針對(duì)SAR-GMTI的干擾技術(shù)研究相對(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，且沒(méi)有深入討論對(duì)多通道GMTI 的干擾效果和對(duì)抗性能；文獻(xiàn)[13,14]提出利用多干擾機(jī)對(duì)抗SAR雙通道干擾對(duì)消技術(shù)，為多通道SAR-GMTI干擾提供了新的思路，但多個(gè)干擾機(jī)的協(xié)同工作難度較大；文獻(xiàn)[15,16]提出了SAR 2維余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，研究表明該方法可對(duì)SAR形成2維假目標(biāo)干擾效果，但因SAR方位向信號(hào)是運(yùn)動(dòng)合成的，工程上無(wú)法實(shí)現(xiàn)方位向的余弦調(diào)相，同時(shí)也沒(méi)有針對(duì)多通道GMTI的對(duì)抗性能進(jìn)行討論。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出基于旋轉(zhuǎn)天線的SAR-GMTI 2維余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾原理，首先給出了余弦調(diào)相信號(hào)模型，探討了SAR距離向余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，然后利用干擾機(jī)天線的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)方位向余弦調(diào)相，不僅解決了工程上無(wú)法實(shí)現(xiàn)方位向余弦調(diào)相的難題，而且實(shí)現(xiàn)了2維余弦調(diào)相干擾效果，并在SAR干擾效果分析的基礎(chǔ)上，著重分析了其對(duì)三通道干涉GMTI的對(duì)抗性能，指出由于多通道GMTI對(duì)干擾的抑制和對(duì)消，所形成的假目標(biāo)幅度受到正弦系數(shù)的調(diào)制，假目標(biāo)幅度會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)和削弱區(qū)，本文方法為SAR-GMTI干擾提供了有效途徑。

2 干擾原理

2.1 余弦調(diào)相信號(hào)模型

余弦調(diào)相信號(hào)的數(shù)學(xué)模型可表示為

由式(3)可知，余弦調(diào)相信號(hào)的頻譜由無(wú)窮多個(gè)邊頻分量組成，各邊頻分量等間隔分布，且間隔大小等于調(diào)制頻率，幅度正比于相應(yīng)階數(shù)的貝塞爾函數(shù)。從頻譜形狀來(lái)看，余弦調(diào)相信號(hào)的頻譜是由第一類貝塞爾函數(shù)幅度加權(quán)的“梳狀”譜，通過(guò)卡森公式[16]估計(jì)其頻譜的帶寬為

高階邊頻分量的幅度較小通常可忽略，因此單邊邊頻分量只取到次。

2.2 SAR距離向余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾

設(shè)SAR發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式為

記距離向余弦調(diào)相信號(hào)為

結(jié)合式(2)和式(3)，對(duì)式(8)進(jìn)行距離向傅里葉變換可得干擾信號(hào)頻譜為

2.3 基于旋轉(zhuǎn)天線的SAR-GMTI 2維余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾

SAR距離向余弦調(diào)相干擾能夠獲得距離向的假目標(biāo)串，干擾效果單一，干擾的覆蓋面積小，且所形成的假目標(biāo)不具有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的特性，SAR通過(guò)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)(GMTI)可對(duì)假目標(biāo)進(jìn)行濾除，因而距離向余弦調(diào)相干擾對(duì)SAR-GMTI的干擾效果不佳。為滿足SAR-GMTI的干擾需求，對(duì)SAR距離向余弦調(diào)相干擾進(jìn)行方位向擴(kuò)展，即通過(guò)干擾機(jī)天線的旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得方位向的運(yùn)動(dòng)調(diào)制，從而獲得方位向的余弦調(diào)相干擾效果，擴(kuò)展后的干擾信號(hào)對(duì)SAR或SAR-GMTI均具有良好的干擾效果?；谛D(zhuǎn)天線的SAR-GMTI 2維余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾的幾何模型如圖1所示，SAR平臺(tái)以速度沿航跡做勻速直線飛行，干擾機(jī)位于觀測(cè)場(chǎng)景中心，坐標(biāo)為，在時(shí)干擾機(jī)到SAR的初始斜距為，瞬時(shí)斜距為。

旋轉(zhuǎn)天線到SAR的瞬時(shí)斜距為

對(duì)式(12)進(jìn)行麥克勞林公式展開(kāi)可得：

3 干擾效果分析

3.1 對(duì)SAR干擾效果分析

由式(15)可以看出，距離向快時(shí)間余弦調(diào)相分量與旋轉(zhuǎn)天線引起的方位向慢時(shí)間余弦調(diào)相分量的相位歷程互不影響，因此，可將2維余弦調(diào)相干擾視為距離向余弦調(diào)相和方位向余弦調(diào)相的級(jí)聯(lián)，仍可采用R-D 成像算法對(duì)干擾信號(hào)的成像結(jié)果進(jìn)行分析，則對(duì)式(15)干擾信號(hào)進(jìn)行距離向匹配濾波可得：

2維余弦調(diào)相干擾分量使得信號(hào)頻譜在距離向和方位向進(jìn)行了多次搬移復(fù)制，當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生與真實(shí)目標(biāo)相同位置的假目標(biāo)，利用余弦調(diào)相信號(hào)特性可知，干擾信號(hào)在距離向?qū)π盘?hào)頻譜進(jìn)行了次頻譜復(fù)制，可形成個(gè)假目標(biāo)，在方位向?qū)π盘?hào)頻譜進(jìn)行了次頻譜復(fù)制，可形成個(gè)假目標(biāo)，2維余弦調(diào)相干擾相當(dāng)于距離向和方位向的級(jí)聯(lián)，因此共可形成個(gè)假目標(biāo)。

對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行2維匹配濾波時(shí)，由于各假目標(biāo)的部分頻譜落在匹配濾波器帶寬之外，各假目標(biāo)的匹配輸出的主峰展寬、幅度下降，導(dǎo)致干擾功率的失配，距離向各假目標(biāo)干擾功率失配后的峰值幅度為

方位向各假目標(biāo)干擾功率失配后的峰值幅度為

綜合以上分析可知，基于旋轉(zhuǎn)天線的SAR距離向余弦調(diào)相干擾具有2維余弦調(diào)相的干擾特性，對(duì)SAR的干擾效果取決于距離向余弦調(diào)相參數(shù)和旋轉(zhuǎn)天線的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其中,分別決定干擾信號(hào)在距離向和方位向所形成的假目標(biāo)間距，,分別決定假目標(biāo)串在距離向和方位向的擴(kuò)展程度(即假目標(biāo)個(gè)數(shù))，而,,,,,共同決定了各階假目標(biāo)的峰值幅度。

3.2 對(duì)SAR-GMTI對(duì)抗性能分析

由天線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的2維余弦調(diào)相干擾信號(hào)，不僅對(duì)SAR能夠產(chǎn)生2維“網(wǎng)狀”假目標(biāo)干擾，且由于天線的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)SAR-GMTI工作模式也具有干擾效果。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(cè)性能較差；二是多通道GMTI，該方式通過(guò)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(cè)，主要包括DPCA, STAP, ATI等，這里采用三通道干涉技術(shù)分析干擾信號(hào)對(duì)SAR-GMTI的對(duì)抗性能[3]，其幾何模型如圖2所示。

三通道的子孔徑天線以等間隔沿航跡排列，相鄰孔徑等效相位中心間距為，采用1發(fā)3收工作模式，即子孔徑2發(fā)射SAR信號(hào)，3個(gè)孔徑同時(shí)接收回波信號(hào)，結(jié)合上文干擾原理，對(duì)斜距進(jìn)行麥克勞林公式展開(kāi)，則3個(gè)接收天線的等效相位中心到干擾機(jī)旋轉(zhuǎn)天線的近似斜距分別為

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3通道接收到的干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)距離向匹配濾波可得：

利用式(24)對(duì)通道1和通道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

由式(25)可知，通道2的匹配濾波結(jié)果與式(17)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

利用式(26)進(jìn)行相位誤差補(bǔ)償，并進(jìn)行雜波對(duì)消可得：

對(duì)式(27)取?？傻茫?/p>

通過(guò)以上分析可知，基于旋轉(zhuǎn)天線的2維余弦調(diào)相干擾方法對(duì)SAR和SAR-GMTI均能夠形成2維“網(wǎng)狀”假目標(biāo)干擾，假目標(biāo)位置、間隔等干擾指標(biāo)基本相同，兩者的干擾效果主要區(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，所形成的假目標(biāo)幅度受到正弦系數(shù)的調(diào)制，假目標(biāo)幅度會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)和削弱。

4 仿真實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用分析

采用表1的仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)驗(yàn)證本文方法對(duì)SAR-GMTI的干擾效果， SAR成像場(chǎng)景距離向范圍為，方位向范圍為，場(chǎng)景中心坐標(biāo)為[10000 m, 0 m] (斜距-方位坐標(biāo))，干擾機(jī)位于場(chǎng)景中心，設(shè)SAR接收端的干信比。

表1 SAR-GMTI仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖3為通道2不同調(diào)制參數(shù)情況下SAR距離向余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾成像結(jié)果，圖3(a)距離向調(diào)制參數(shù),，干擾信號(hào)在SAR距離向共形成5個(gè)假目標(biāo)，各假目標(biāo)距離向間隔為，且由于受距離向貝塞爾函數(shù)和頻譜失配影響，高階假目標(biāo)幅度較?。粓D3(b)距離向調(diào)制參數(shù)，，干擾信號(hào)在SAR距離向共形成9個(gè)假目標(biāo)，各假目標(biāo)距離向間隔為，兩種情況下所形成的假目標(biāo)個(gè)數(shù)、間隔、幅度均與理論分析一致。

5 結(jié)論

常規(guī)的SAR干擾手段難以對(duì)多通道SAR- GMTI實(shí)施有效干擾，本文針對(duì)SAR-GMTI干擾中存在的難點(diǎn)問(wèn)題，提出基于旋轉(zhuǎn)天線的SAR-GMTI 2維余弦調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法。研究結(jié)果表明，該方法對(duì)SAR和SAR-GMTI均可產(chǎn)生2維“網(wǎng)狀”多假目標(biāo)干擾效果，但由于多通道GMTI對(duì)干擾的抑制和對(duì)消，假目標(biāo)幅度會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)和削弱區(qū)。本文方法解決了工程上無(wú)法實(shí)現(xiàn)方位向余弦調(diào)相的難題，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活可控、欺騙性強(qiáng)，干擾信號(hào)能夠獲得2維相干的匹配處理增益，對(duì)干擾功率的要求較低，可同時(shí)保護(hù)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和靜止目標(biāo)，具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。

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2-D Cosinusoidal Phase-modulated Repeater Jamming Based on Rotating Antenna for SAR-GMTI

FANG Mingxing BI Daping SHEN Aiguo

(,230037,)

A new jamming method for multi-channel SAR-GMTI is proposed: 2-D cosinusoidal phase-modulated repeater jamming based on rotating antenna for SAR-GMTI. The SAR signal received by jammer is modulated by cosinusoidal phase in the range, and is modulated by cosinusoidal phase in the azimuth based on the rotating antenna, so the engineering problem of cosinusoidal phase in the azimuth is solved. The countering performance against GMTI is analyzed by using the tri-channel interference cancelling technique. The method can produce 2-D netted multi-false targets jamming performance, so the ground moving targets and stationary targets can be protected at the same time. Theoretical analysis and computer simulation justify the validity and the efficiency of the proposed method.

SAR-Ground Moving Target Indication (SAR-GMTI); Rotating antenna; 2-D cosinusoidal phase- modulated; Interference cancelling

TN974

A

1009-5896(2016)07-1765-08

10.11999/JEIT151155

2015-10-16; 改回日期：2016-02-18；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-04-07*

房明星 mingxingfang89@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(61171170)

The National Natural Science Foundation of China (61171170)

房明星： 男，1988年生，博士生，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，主要從事電子對(duì)抗偵查和干擾新技術(shù)研究.

沈愛(ài)國(guó)： 男，1975年生，講師，主要從事雷達(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)干擾與抗干擾技術(shù)研究.