對SAR-GMTI的大區(qū)域遮蔽有源-無源協(xié)同干擾方法

周 陽, 畢大平, 沈愛國

(國防科技大學電子對抗學院, 安徽 合肥 230037)

0 引 言

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)雖能獲得地面高分辨圖像[1],但無法檢測運動目標,且對運動目標的成像會發(fā)生方位向散焦或偏移。合成孔徑雷達地面動目標檢測(SAR-ground moving target indication,SAR-GMTI)系統(tǒng)彌補了合成孔徑雷達這方面的不足,能夠檢測地面運動目標[2],并且能夠根據沿跡干涉技術(along track interference,ATI)獲取動目標運動信息,實現(xiàn)動目標方位向聚焦成像和重新定位[3-5],因此SAR-GMTI系統(tǒng)能輕易識別軍事運動目標并確定其坐標,從而引導導彈摧毀。SAR-GMTI的出現(xiàn)對裝甲車等動目標戰(zhàn)時生存產生了較大威脅,所以對該系統(tǒng)干擾的研究已成為電子對抗領域的熱點問題[6]。

SAR-GMTI系統(tǒng)一般采用通道對消技術消除干擾和地雜波[7],僅留下運動目標的回波信息,達到對動目標的檢測功能。常規(guī)的SAR干擾方法[8-9]可能對SAR-GMTI系統(tǒng)失去效果,因此對SAR-GMTI的干擾必須有別于對SAR的干擾。文獻[10]提出了對SAR-GMTI的運動調制干擾,該方法在截獲的SAR信號上調制具有運動特性的相位,能夠產生逼真的虛假動目標,但由于缺乏二維干擾效果無法保護分布式目標;文獻[11-12]針對這一問題提出了遮蔽區(qū)域可控的壓制干擾,該方法能夠產生靈活可控的區(qū)域壓制干擾效果,可以保護一定區(qū)域內的分布式目標,但對偵察精度和干擾機收發(fā)隔離要求較高,因此要實現(xiàn)良好區(qū)域壓制不夠穩(wěn)健;文獻[13-14]提出基于旋轉角反射器的對SAR-GMTI的無源壓制干擾方法由于沒有嚴格的偵察要求又易于工程實現(xiàn),而且干擾效果基本不受SAR 抗干擾體制[15-16]的影響,具有穩(wěn)健的壓制干擾效果,但是旋轉角反射器陣列擺放常受地形限制,壓制區(qū)域一般無法改變,不夠靈活。針對以上問題,本文提出一種對SAR-GMTI的大區(qū)域遮蔽有源-無源協(xié)同干擾方法,該方法以無源干擾作為有源-無源干擾的主體部分,有源干擾協(xié)同工作作為無源干擾的補充,能夠實現(xiàn)對SAR-GMTI的大區(qū)域遮蔽干擾效果。首先給出了有源-無源遮蔽干擾模型,在分析對SAR-GMTI干擾效果的基礎上,著重討論了有源-無源干擾如何協(xié)同工作實現(xiàn)最佳優(yōu)勢互補,該方法為SAR-GMTI的干擾提供了一種更加穩(wěn)健有效的大區(qū)域壓制手段。

1 有源-無源干擾模型

如圖1所示,飛機高度為H,沿x軸做勻速直線運動,速度為v。合成孔徑時間為TL=L/v,其中,L為合成孔徑長度。

1.1 無源干擾模型

單個旋轉角反射器SAR成像后會產生平行于航跡的條狀干擾[14],如圖1所示,將多個旋轉角反射器L形排布于成像場景中,能夠對SAR產生區(qū)域遮蔽干擾效果,這就構成了無源遮蔽干擾的模型。L形排布的原因是保證對任何飛行航跡的SAR均能產生較大面積遮蔽干擾效果。設所有旋轉角反射器旋轉半徑為r,第i個旋轉角反射器旋轉中心坐標為(xi,yi,0),旋轉初始相位為αi,則該角反射器到SAR間的距離為Rji(ta)表達式為

(1)

SAR發(fā)射的線性調頻(linear frequency modulation, LFM)信號表達式為

(2)

(3)

式中,c為光速;μr為距離向調頻率;波形常數k=2π/λ。

1.2 有源干擾模型

運動調制干擾通過設置干擾參數可以產生方位向條帶干擾效果[11],距離向間歇采樣干擾可在距離向上產生大量周期延拓假目標[17],結合這兩種干擾的特點,可以實現(xiàn)一定的遮蔽干擾效果[18]。

sJ(tr,ta)=s(tr,ta)·p(tr)·exp[jΔφ(ta)]

(4)

式中,s (tr,ta)是干擾機截獲的SAR信號；Δφ(ta)是運動附加相位,其表達式[10-11]為

Δφ(ta)=

(5)

間歇采樣脈沖信號p(tr)為矩形包絡脈沖串(見圖2),其表達式為

(6)

式中,Ts為采樣周期;Tw為采樣脈沖寬度;δ(·)為沖擊函數;an=Twfssinc(nπTwfs)=Drsinc(nπDr)為幅度加權系數;Dr=Tw/Ts=Twfs為占空比。

圖2 間歇采樣脈沖串Fig.2 Intermittent sampling pulse series

將無源干擾與有源干擾協(xié)同工作,能夠實現(xiàn)兩種干擾體制優(yōu)勢互補,稱這種新的干擾方法稱為有源-無源干擾。

2 對SAR-GMTI的有源-無源干擾效果分析

多通道SAR-GMTI通常利用通道間的對消來抑制地雜波,即使信噪比較低時,該系統(tǒng)仍可以有效檢測動目標。本文主要研究對三通道SAR-GMTI的干擾原理,其斜距平面如圖3所示。

如圖3所示,SAR-GMTI系統(tǒng)沿平臺飛行方向放置了3幅天線1、2、3,相鄰天線相位中心沿航跡以等間隔Da線性

排列。陣列天線采用一發(fā)三收工作模式,即2號天線發(fā)射電磁波,3幅天線同時接收。干擾信號到1、2、3號天線的路程分別為RJ1=(RJa2+RJa1),RJ2=2RJa2,RJ3=(RJa2+RJa3),RJa1、RJa2、RJa3表達式如式(7)所示。

圖3 三通道SAR-GMTI斜距平面幾何模型Fig.3 Sketch map of tri-channel SAR-GMTI

(7)

SAR信號經第i個角反射器反射到3個天線的距離傳播路程分別為Ri1=(Ria2+Ria1),Ri2=2Ria2,Ri3=(Ria2+Ria3),Ria1、Ria2、Ria3表達式為

(8)

1、2、3號天線截獲的干擾信號分別為(不計干擾機轉發(fā)延遲)

(9)

式中,h(tr,ta)為有源干擾信號的窗函數;σJ為有源干擾信號強度;σi為第i個旋轉角反射器反射信號強度。

為了3個通道間能達到好的對消(處理流程見圖4),在利用RD算法對3個通道接收信號進行處理的同時,還需要以2號通道為基準,補償1、3兩通道存在的多普勒中心頻率偏差,且在通道對消前還需補償因通道位置間隔產生的相位偏差。其補償函數為

(10)

圖4 三通道干涉對消技術動目標檢測處理框圖Fig.4 Process diagram of tri-antenna interference cancelling technique

經補償處理,3個通道最終成像結果為

(11)

(1) 有源遮蔽干擾J1(tr,ta)成像結果分析

(12)

(13)

由式(13)可知,運動目標會發(fā)生方位向偏移,且目標像會發(fā)生展寬和散焦,這就是運動調制效應。干擾條帶方位像中心偏移位置和展寬量分別為

(14)

(15)

由式(12)知,產生的干擾條帶在距離向以ncfs/2μr等間隔排布。一般地,干擾條帶有floor (2/Dr)-1個,其中floor(·)表示向下取整。由此會形成一個干擾遮蔽面,可以計算出有效遮蔽干擾的面積為

(16)

(17)

由式(17)可以看出,它的成像結果是在方位向上以各個旋轉角反射器為中心向兩邊周期延拓的像元,兩像元間距Δx=-ωav/2πμa,其幅度受第一類Bessel函數調制。由于旋轉反射器反射回波強度往往強于一般地物回波百倍以上,當角反射器轉速不太快時,所有像元間距小于SAR方位向分辨率,就能有效形成大面積遮蔽干擾。由文獻[14]得知有效像元個數M為

(18)

式中,Bm為轉動調制帶寬;Ba為多普勒帶寬。根據像元個數M可以計算出旋轉角反射器有效遮蔽面積為

Sj=(M-1)·Δx·δL

(19)

式中,δL為旋轉角反射器陣列相對于飛行航跡的縱深。

SAR-GMTI檢測運動目標最為關鍵的一步是通道間的兩兩對消。在對消前,要補償天線位置偏差,對應補償函數為

(20)

經相位補償,通道1、2和通道2、3對消后可得

(21)

在式(21)中分別對有源干擾部分和無源干擾部分取模,可得到有源干擾和無源干擾對消后的輸出幅度AJ和Aj為

(22)

由式(22)可知,干擾機位置,干擾機運動調制參數將直接影響到有源干擾部分對消后輸出幅值的大小,當ta=xJ/v或xJvx+yJvy+(xJax+yJay)τ*=nλRJv/Da時,有源干擾輸出值為0;當xJvx+yJvy+(xJax+yJay)τ*=(n+1/2)λRJv/Da時,干擾輸出值為對消前的2倍;其余輸出均不被對消。角反射器位置、旋轉半徑和角速度的取值將直接影響到無源干擾部分對消后輸出幅值的大小,當ta=xi/v或nωaDa/4v=mπ(m,n∈Z)時,無源干擾部分輸出值為0;當nωaDa/4v=(1/2+m)π(m,n∈Z)時,無源干擾部分輸出值最大,可達到對消前幅值的2倍;其余輸出幅值隨著階數呈正弦規(guī)律變化。上述分析說明有源-無源干擾經過GMTI處理后不會被對消,能夠起到遮蔽干擾效果。

3 有源-無源干擾協(xié)同

有源干擾和無源干擾協(xié)同工作,能夠解決有源干擾可能出現(xiàn)的偵察誤差、干擾轉發(fā)不及時和敵方采取抗干擾措施等不穩(wěn)健因素造成的干擾失效問題,同時能夠彌補由于無源干擾配置不靈活導致的干擾盲區(qū)問題,因而能對SAR-GMTI系統(tǒng)形成穩(wěn)健的大面積遮蔽干擾效果。有源干擾和無源干擾如何協(xié)同工作才能達到更好的優(yōu)勢互補,這非常值得研究。由于旋轉角反射器陣列成本低,且對SAR-GMTI具有穩(wěn)健的大面積干擾,所以這里將無源干擾作為有源-無源干擾的主體部分,有源干擾協(xié)同工作作為無源干擾的補充。

根據第2節(jié)對旋轉角反射器陣列干擾效果分析可知,在ta=xi/v附近時無源干擾部分的SAR-GMTI輸出值幾乎為0,這說明在擺放旋轉角反射器陣列附近位置處干擾遮蔽效果將會被對消,也就是說,如果運動目標成像后位置落在此區(qū)域,將會被SAR-GMTI檢測,并準確估計出動目標運動參數。這部分干擾對消區(qū)域幾乎占整個理想遮蔽區(qū)域的20%～30%,嚴重影響大場景遮蔽效果,因此非常有必要對此被對消的遮蔽區(qū)域進行有效地彌補。這里利用第1節(jié)介紹的有源干擾對無源干擾的遮蔽盲區(qū)進行補充,式(12)說明這種干擾可以產生遮蔽干擾效果,而式(14)～式(16)則反映了有源干擾遮蔽面的中心位置、長和寬等性質。有源干擾遮蔽面的性質可以通過設置運動調制參數、間歇采樣周期和占空比來靈活改變。下面將具體給出如何設置干擾參數,以使得有源-無源干擾達到最佳效果。

干擾參數設置流程圖如圖5所示。無源干擾方面,旋轉角反射器布陣時首先需要綜合考慮地形、保護區(qū)域大小和預期干擾效果,選擇旋轉角反射器數目及放置間隔,讓干擾設備滿足最佳配置。最后根據兩像元間距Δx=-ωav/2πμa小于方位向分辨率,選擇合理的旋轉半徑和轉速。有源干擾方面,從圖5可以看到,干擾機與旋轉角反射器陣列的位置是相對確定的,因而可以根據干擾機與旋轉角反射器之間的相對方位向距離Δl,利用式(14)確定運動調制參數vx和vy,再根據旋轉角反射器陣列相對于飛行航跡的縱深δL以及被對消區(qū)域的寬度ΔW(一般取值為0.3·(M-1)Δx),利用式(15)、式(16)確定運動調制參數ax和ay以及間歇采樣頻率fs和占空比Dr。

4 仿真實驗

為了驗證本文干擾方法的可行性,下面進行干擾仿真實驗。設合成孔徑雷達工作于正側視,其主要參數如表1所示。

仿真1SAR和SAR-GMTI的場景成像

仿真場景是一個模擬軍事基地,基地內有12輛靜止的坦克,還有2輛運動裝甲車。1、2號運動裝甲車坐標分別為(80,10 000,0)m和(80,10 020,0)m,其運動狀態(tài)分別為v1x=0,a1x=0,v1y=1.5 m/s,a1y=0.4 m/s2和v2x=0,a2x=0,v2y=3 m/s,a2y=0.3 m/s2。沒有任何干擾時,SAR(通道2)的場景成像結果如圖6(a)所示,12輛坦克清晰可見,而兩輛運動裝甲車發(fā)生了位置偏移和散焦;圖6(b)表示SAR-GMTI(通道對消后)的場景成像圖,可以看到靜止地物回波基本上被消除,兩輛運動裝甲車被SAR-GMTI系統(tǒng)清楚地檢測出來。經過后續(xù)的相位處理,SAR-GMTI系統(tǒng)能夠將運動目標準確定位和聚焦,因而對運動目標構成了極大威脅。

仿真2旋轉角反射器陣列對SAR和SAR-GMTI的干擾效果

在上述場景中將等效半徑為ri=0.6 m的旋轉角反射器L形排布,旋轉角反射器旋轉中心坐標為(0,10 000±7n,0)m、(7m,10 070,0)m,其中m,n取0～10的整數,1、2號運動目標參數設置與仿真1相同。根據表1參數可以計算出SAR方位向分辨率約為0.5 m,為了滿足遮蔽條件要使兩像元間距Δx=-ωav/2πμa小于方位向分辨率,故選取每個旋轉角反射器旋轉角速度為ωa=0.7π rad/s。旋轉角反射器陣列對SAR干擾效果如圖7(a)所示,可以看到場景被很好地遮蔽,已無法識別場景中的12輛靜止坦克。從圖7(a)中可以看到,遮蔽區(qū)域的方位向長度約為130 m,遮蔽面積約為18 200 m2,這與式(19)理論計算的結果基本一致,說明了理論分析的正確性。圖7(b)表示通道對消后的無源干擾成像結果,干擾遮蔽面在垂直于航跡的旋轉反射器陣列中心附近36 m區(qū)域范圍被消除,這與前面的理論分析相吻合。成像后落入未被對消的遮蔽區(qū)的運動裝甲車已無法被SAR-GMTI系統(tǒng)檢測,而成像后落入被對消干擾對消區(qū)域的運動目標依然能夠被SAR-GMTI系統(tǒng)清楚地檢測。仿真結果說明,旋轉角反射器陣列能對SAR和SAR-GMTI產生大區(qū)域干擾,但是由于SAR-GMTI的對消處理會產生一定的干擾對消區(qū),因而遮蔽效果在一定程度上被削弱。為了全面分析干擾效果,增加了運動目標成像后不在中心時的干擾仿真。將1號運動目標參數設置為v1x=0,a1x=0,v1y=0.5 m/s,a1y=0.4 m/s2,2號運動目標運動參數同仿真1,此時干擾效果仿真如圖7(c)、圖7(d)所示?？梢?在1號運動目標成像后不在場景中心時,兩運動目標均落入了未被對消的遮蔽區(qū),因此這種情況下旋轉角反射器陣列能夠實現(xiàn)良好的遮蔽干擾效果。

圖7 旋轉角反射器陣列干擾效果Fig.7 Effect of array rotating angular jamming

仿真3有源-無源協(xié)同干擾對SAR和SAR-GMTI

在上述擺放旋轉反射器陣列的場景中增加一部干擾機,其放置坐標為(60,10 000,0)m,有源干擾參數符號如表2所示,運動目標參數設置與仿真1相同。根據第3節(jié)討論的干擾參數設置流程,確定最佳協(xié)同的情況下有源干擾參數的選取。

表2 有源干擾參數

由Δl=60 m,利用式(14)得到運動調制參數vx=0和vy=1.8 m/s;根據ΔW=40 m利用式(15)得到運動調制參數ax=0和ay=0.8 m/s2;再根據δL=140 m,利用式(16)得到間歇采樣周期Ts=6 μs和占空比Dr=5%。利用計算出的有源干擾參數進行仿真,在干信比為18 dB情況下得到有源-無源協(xié)同干擾對SAR干擾效果如圖8(a)所示,場景被很好地遮蔽,無法識別場景中的12輛靜止坦克。圖8(b)表示通道對消后的有源-無源協(xié)同干擾成像結果,可以看到,通過合理的有源干擾參數設置,有源干擾很好地彌補了無源干擾的干擾對消區(qū)域,兩輛運動裝甲車均被干擾壓制,已無法被SAR-GMTI系統(tǒng)檢測。然而,仔細觀察圖8(b)中兩個被遮蔽的運動目標像,仍能被隱約看到,這主要是由于干擾遮蔽面由若干干擾條帶組成,而干擾條帶間存在一定間隙,運動目標像會少量落在干擾條帶間隙中,因此能被隱約看到。實際上,可以通過改變干擾參數(無源干擾方面,減小旋轉角反射器陣列間的擺放間距;有源干擾方面,適當降低間歇采樣頻率fs),使得干擾條帶間隙減小,從而更好地遮蔽運動目標。仿真結果說明，有源-無源協(xié)同干擾有效彌補了旋轉角反射器干擾部分干擾遮蔽區(qū)域被SAR-GMTI系統(tǒng)消除的不足,真正實現(xiàn)了對SAR-GMTI的大區(qū)域遮蔽干擾效果。

圖8 有源-無源協(xié)同干擾效果Fig.8 Effect of active and passive synergy jamming

5 結 論

本文提出一種對SAR-GMTI的有源-無源協(xié)同干擾方法,該方法以無源干擾作為有源-無源干擾的主體部分,有源干擾協(xié)同工作作為無源干擾的補充。理論分析表明,有源-無源協(xié)同干擾有效彌補了旋轉角反射器陣列由于SAR-GMTI系統(tǒng)的對消處理后產生的干擾對消區(qū),能夠實現(xiàn)對SAR-GMTI的大區(qū)域遮蔽干擾效果。仿真實驗表明,該干擾對SAR和SAR-GMTI均有大面積遮蔽干擾效果,能同時有效保護場景中靜止和運動軍事目標。此干擾不僅具備無源干擾的穩(wěn)健壓制效果,還具有有源干擾靈活性的優(yōu)點,因此具有較高的研究與運用價值。

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