多通道SAR-GMTI虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像特性分析

張靜克，汪 亞，戚宗鋒，曾勇虎，汪連棟

（電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽410073）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)地面動(dòng)目標(biāo)指示（SAR-GMTI）可實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域的動(dòng)目標(biāo)檢測、定位以及聚焦成像［1－4］，是對SAR獲取信息能力的有力增強(qiáng)，特別是其在最近幾次高技術(shù)局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮了顯著的作用，已成為當(dāng)前不可或缺的偵察手段之一，受到了各國的強(qiáng)烈關(guān)注和大力發(fā)展。相應(yīng)地，對SAR-GMTI干擾也成為雷達(dá)對抗領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

對SAR-GMTI干擾可分為壓制干擾和欺騙干擾。壓制干擾是通過產(chǎn)生壓制斑塊或條帶，使得動(dòng)目標(biāo)湮滅在干擾內(nèi)，降低其檢測概率［5－10］。欺騙干擾是產(chǎn)生與真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有類似散射特性和運(yùn)動(dòng)特性的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，使得雷達(dá)難以辨別檢測到的目標(biāo)的真?zhèn)?。由于具備?qiáng)迷惑性和低識(shí)別率，欺騙干擾一直都是SAR-GMTI干擾研究中的熱點(diǎn)，目前多集中在虛假動(dòng)目標(biāo)生成方法方面［11－16］，研究如何利用單個(gè)干擾機(jī)生成能夠模擬真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波特性的干擾信號(hào)，以期在SAR圖像生成具有特定運(yùn)動(dòng)特性的虛假目標(biāo)，而在評價(jià)干擾是否有效時(shí)往往只關(guān)注雜波抑制后干擾是否能被檢測為動(dòng)目標(biāo)，而關(guān)于虛假動(dòng)目標(biāo)的速度以及定位特性是否與真實(shí)目標(biāo)匹配或吻合的研究鮮見報(bào)道。實(shí)際上，多通道SAR-GMTI具備測速和定位能力［17－20］，因此有必要研究單干擾機(jī)生成的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在多通道SAR-GMTI中的速度和定位特性，論證其對SAR-GMTI干擾的有效性。

針對上述問題，本文以三通道SAR-GMTI系統(tǒng)為例，分析單干擾機(jī)生成的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的估計(jì)速度信息以及定位特性。首先建立三通道虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)模型，然后利用三通道對消干涉處理分析其速度和定位特性，最后利用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 單干擾機(jī)生成的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)三通道信號(hào)模型

如圖1所示，正側(cè)視三通道SAR-GMTI系統(tǒng)為干擾對象，3個(gè)子天線l、m、r以間距d等間隔分布，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為Va。工作時(shí)子天線m發(fā)射信號(hào)，3個(gè)子天線同時(shí)接收信號(hào)。以干擾機(jī)所處位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，平行于雷達(dá)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄軸建立如圖1所示的笛卡爾坐標(biāo)系。子天線m 在慢時(shí)間η＝0時(shí)刻位于（0，－RJ），即干擾機(jī)到雷達(dá)的最小斜距為RJ。假定干擾機(jī)在（xT，yT）處生成一個(gè)虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其徑向和方位向速度分量分別為vr和vx，散射系數(shù)為σ（xT，yT），xT實(shí)際上為虛假目標(biāo)與干擾機(jī)之間的方位向間隔。為了表述方便，令RT＝RJ＋yT表示虛假目標(biāo)到雷達(dá)的最小斜距。

圖1 三通道SAR-GMTI干擾場景幾何關(guān)系圖

由圖1可知干擾機(jī)到各子天線的瞬時(shí)斜距為：

如果（xT，yT）處有一個(gè)真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其徑向和方位向速度分量分別為vr和vx，則目標(biāo)到發(fā)射子天線的瞬時(shí)斜距為：

進(jìn)一步可得真實(shí)目標(biāo)到發(fā)射子天線與干擾機(jī)到發(fā)射子天線的斜距差為：

根據(jù)SAR欺騙干擾原理，生成一個(gè)虛假目標(biāo)，干擾機(jī)需對截獲的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)延和幅度調(diào)制來生成干擾信號(hào)。由式（5）可知干擾機(jī)的延遲量應(yīng)為2ΔR（η）／c，則各子天線接收到的干擾信號(hào)的雙程距離歷程分別為：

假定SAR-GMTI系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)S（τ），則各子天線接收到的干擾信號(hào)可表示為：

式中，i∈l，m，r｛｝，τ為快時(shí)間，為卷積運(yùn)算。

2 單干擾機(jī)生成的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度和定位特性

三通道對消干涉處理是一種成熟的動(dòng)目標(biāo)檢測與定位 方 法［3，18－20］，被 廣 泛 應(yīng) 用 于 AN／APY－7、AN／APG-76以及RadarSAT-2等多個(gè)SAR-GMTI系統(tǒng)，因此本節(jié)利用三通道對消干涉處理來分析單干擾機(jī)生成的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度和定位特性。該方法結(jié)合了DPCA和ATI的優(yōu)點(diǎn)，其處理流程圖如圖2所示。

由于子天線間的固有間隔會(huì)在子天線圖像間存在方位向位置偏差，降低雜波對消效果，因此需要在雜波對消前消除該偏差，既可在方位向匹配濾波前通過相位補(bǔ)償消除，也可在圖像域通過配準(zhǔn)來消除。本節(jié)利用相位補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ犹炀€l和r的補(bǔ)償因子分別為exp（ － j（2πdVaη）／（λRT）） 和exp（j（2πdVaη）／（λRT））。 經(jīng)過去載頻、距離向壓縮后、距離遷徙校正、方位向相位補(bǔ)償以及方位向壓縮后，可得各子天線的圖像為：

圖2 三通道干涉對消處理流程圖

式中，A（τ，η）表示假目標(biāo)方位向速度對成像結(jié)果的影響，如散焦與模糊等，但是并不影響假目標(biāo)的峰值位置，Ba為多普勒帶寬。

根據(jù)三通道對消干涉處理原理，雜波對消之前，需補(bǔ)償子天線間隔d引入的相位偏差，其中天線l和r的補(bǔ)償因子分別為exp（j（πd（d＋2Vaη））／（λRT））和exp（j（πd（d－2Vaη））／（λRT）），然后相鄰天線圖像相減實(shí)現(xiàn)雜波和靜止目標(biāo)的對消，即為：

對式（12）和式（13）取幅度可得：

由式（11）可知虛假目標(biāo)峰值點(diǎn)為η＝（xT／Va）－（vrRT／），對消后幅度與｜sin（（2πd）／（λRT）（xT－（vrRT）／））｜成正比，當(dāng)其不為零時(shí)，則被檢測為動(dòng)目標(biāo)。特別地，虛假靜止目標(biāo)幅度與｜sin（（2πdxT）／（λRT））｜成正比，當(dāng)xT≠ （kλRT）／（2d）（k∈Ζ）時(shí)，虛假靜止目標(biāo)則會(huì)被檢測為動(dòng)目標(biāo)。

將式（12）和式（13）共軛相乘可得：

通常以虛假目標(biāo)峰值處的干涉相位為虛假目標(biāo)的干涉相位，則虛假目標(biāo)的干涉相位為：

式中，k為纏繞周期數(shù)。

由動(dòng)目標(biāo)SAR成像特性可知，真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的徑向速度vr與干涉相位ΔφT和方位向位置偏移Δx的關(guān) 系 分 別 為 ΔφT＝－ （2πdvr）／（λVa）和 Δx ＝－（vrRT）／Va。 對比可、發(fā)現(xiàn)，真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的干涉相位僅與徑向速度有關(guān)，而虛假目標(biāo)的干涉相位由設(shè)定徑向速度和方位向位置共同決定。將式（16）帶入ΔφT和Δx可得虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的估計(jì)徑向速度和方位向位置偏移分別為：

由式（17）可知，虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的估計(jì)徑向速度與設(shè)定速度、方位向位置以及纏繞周期數(shù)均有關(guān)，當(dāng)xT不為0時(shí)，單干擾機(jī)形成的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的估計(jì)徑向速度與設(shè)定徑向速度不同。由式（18）可知虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的估計(jì)方位向位置偏移不僅與設(shè)定徑向速度有關(guān)，而且與虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位向位置有關(guān)，這也與真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像特性不同。

由式（11）可知虛假目標(biāo)在SAR圖像中的方位向位置x＝（xT－vrRT／Va），將式（18）所示方位向位置偏移代入，則定位后虛假目標(biāo)的方位向位置為k（λRT）／d （k∈Z），由纏繞周期決定。當(dāng)k＝0時(shí)，即不存在纏繞，虛假目標(biāo)的方位向定位位置為0，與干擾機(jī)位置一致，而與設(shè)定位置無關(guān)。當(dāng)存在纏繞時(shí)，相同纏繞周期的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，定位后其方位向位置相同，由纏繞周期決定。對于分布在空間不同位置的多個(gè)虛假目標(biāo)，若干涉相位不存在纏繞，定位后會(huì)被壓縮為一條沿距離向分布的點(diǎn)或點(diǎn)線，其方位向位置與干擾機(jī)一致；若存在纏繞時(shí)，會(huì)被壓縮為沿距離向分布的多條點(diǎn)線，點(diǎn)線的方位向位置k（λRT）／d，具有相同纏繞周期的虛假運(yùn)動(dòng)位于同一條點(diǎn)線上。

綜上所述，單干擾機(jī)生成的虛假靜止／運(yùn)動(dòng)目標(biāo)經(jīng)三通道對消干涉處理后均會(huì)被視為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其估計(jì)干涉相位由設(shè)定徑向速度和方位向位置共同決定，估計(jì)徑向速度與設(shè)定徑向速度不一致，定位后的方位向位置由估計(jì)干涉相位的纏繞周期決定，而與設(shè)定位置無關(guān)，即存在方位向位置和徑向速度不可控的缺陷。究其原因，相對于靜止目標(biāo)信號(hào)而言，單干擾機(jī)無論是通過時(shí)延還是幅相調(diào)制然后轉(zhuǎn)發(fā)生成的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其方位向位置和徑向速度均會(huì)引起附加的多普勒相位，而真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)附加的多普勒相位僅僅是由徑向速度引起的，因此SAR-GMTI成像處理認(rèn)為附加的多普勒相位是由徑向速度引起的，不能區(qū)分虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)附加的多普勒相位中的方位向位置分量和徑向速度分量，進(jìn)而導(dǎo)致虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方位向位置和徑向速度不可控。另外從信號(hào)來波方向的角度來看，SAR接收到的單干擾機(jī)生成的不同位置的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)都是由干擾機(jī)發(fā)出的，即來波方向是相同的，其定位后方位向位置由干擾機(jī)的方位向位置決定，而真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波是從不同位置反射回來的，兩者有本質(zhì)的區(qū)別。

3 仿真分析與驗(yàn)證

本節(jié)通過仿真進(jìn)一步分析單干擾機(jī)生成的虛假目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性。SAR-GMTI參數(shù)如表1所示。仿真場景的方位向和距離向范圍分別為700m和300m。干擾機(jī)位于場景中心處。假設(shè)成像區(qū)域中存在兩個(gè)真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，分別記為真實(shí)目標(biāo)1和2，利用干擾機(jī)在SAR場景中生成8個(gè)虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。真假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的參數(shù)設(shè)定如表2所示，其中虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的干涉相位根據(jù)式（16）（不考慮纏繞）計(jì)算。圖3給出了真實(shí)目標(biāo)和虛假目標(biāo)的位置示意圖，三角形的指向表示徑向速度的方向，紅色對應(yīng)真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，黑色對應(yīng)虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。三通道對消干涉處理結(jié)果如圖4所示，距離向坐標(biāo)表示真實(shí)距離向位置與場景中心斜距之差。

圖3 真假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)理論位置示意圖

圖4 （a）和圖4（b）分別為SAR成像結(jié)果和動(dòng)目標(biāo)檢測結(jié)果，白色標(biāo)號(hào)和紅色標(biāo)號(hào)分別對應(yīng)虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。由圖4（a）和（b）可知，無論真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)還是虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其成像位置均與設(shè)定位置之間存在方位向偏移（如表2中成像位置所示），符合動(dòng)目標(biāo)SAR成像特性；此外對比圖4（a）和圖4（b）可知，除了真實(shí)目標(biāo)2（徑向速度為零），其它目標(biāo)均被檢測為動(dòng)目標(biāo)，特別的虛假目標(biāo)1和8的徑向速度為零，但是對消后虛假目標(biāo)幅度與徑向速度和方位向位置均有關(guān)，即sin（2πdxT／（λRT））不為零，從而被檢測為動(dòng)目標(biāo)，證明了虛假靜止目標(biāo)會(huì)被檢測為動(dòng)目標(biāo)的結(jié)論。

圖4 三通道對消干涉結(jié)果

圖4 （c）給出了檢測到的動(dòng)目標(biāo)的未解纏干涉相位圖，其估計(jì)值如表3所示，進(jìn)而可得相應(yīng)的方位向偏移以及定位位置。對比表2和表3可知：1）對于真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)1，因其干涉相位無纏繞，所以其估計(jì)值與設(shè)定值基本一致，相應(yīng)地，其估計(jì)徑向速度以及定位位置也與設(shè)定值吻合；2）對于虛假目標(biāo)1、4、5和8干涉相位不存在纏繞，估計(jì)值與理論值的誤差也可以忽略，其定位后位置與干擾機(jī)位置基本一致；3）對于虛假目標(biāo)2、3、6和7，由表2可知其理論干涉相位超出了，其中虛假目標(biāo)2、3，其纏繞周期為1，理論纏繞值分別為1.462rad和0.8377rad，由于定位后方位向理論位置為－300m，而虛假目標(biāo)6、7，纏繞周期為－1，理論纏繞值分別為－0.8377rad和－1.462rad，定位后方位向理論位置為300m，由表3可知，估計(jì)值與理論值基本一致。上述結(jié)果證明虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的干涉相位由徑向速度與方位向位置共同決定的結(jié)論，其定位后位置由纏繞周期決定。

為了更好的呈現(xiàn)定位后的結(jié)果，圖4（d）給出了定位結(jié)果示意圖，其中綠色對應(yīng)虛假目標(biāo)，黃色對應(yīng)真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，三角形的指向表示徑向速度的方向。由圖4（d）可以看出虛假目標(biāo)1、4、5和8定位后方位向位置與干擾機(jī)一致，形成一條沿距離向分布的點(diǎn)線，虛假目標(biāo)2、3和虛假目標(biāo)6、7分別被定位至方位向位置距干擾機(jī)－300m和300m處，形成兩條沿距離向分布的點(diǎn)線。

表1 三通道SAR-GMTI系統(tǒng)參數(shù)

表2 真假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的理論位置、徑向速度、干涉相位、成像位置

表3 真假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的估計(jì)干涉相位、徑向速度和定位位置

4 結(jié)束語

本文基于三孔徑干涉對消處理，分析了單干擾機(jī)生成的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度和定位特性。結(jié)果表明，經(jīng)過多通道SAR-GMTI處理后，虛假靜止／運(yùn)動(dòng)目標(biāo)均可能會(huì)被檢測為動(dòng)目標(biāo)，與真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干涉相位僅與徑向距離有關(guān)不同，虛假目標(biāo)的估計(jì)干涉相位由設(shè)定徑向速度和方位向位置共同決定，進(jìn)而導(dǎo)致其估計(jì)徑向速度和方位向位置均與理論設(shè)定值不一致。當(dāng)干涉相位不存在纏繞或經(jīng)過解纏繞處理后，虛假目標(biāo)的定位后方位向位置一致；當(dāng)干涉相位存在纏繞時(shí)，虛假目標(biāo)的定位后方位向?yàn)樘囟ㄖ?，由纏繞周期決定，具有相同纏繞周期的虛假目標(biāo)具有相同的方位向定位位置。

本文研究成果證明單干擾機(jī)生成的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空間分布特征不符合，易被鑒別為虛假目標(biāo)，進(jìn)而被多通道對消或其他抗干擾措施剔除，可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)多通道SAR虛假目標(biāo)鑒別方法和抗干擾方法，同時(shí)也為進(jìn)一步開展對多通道SAR-GMTI欺騙干擾研究提供理論依據(jù)。在后續(xù)工作研究中，將開展基于雙／多干擾機(jī)的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)生成方法研究，力求突破單干擾機(jī)欺騙干擾的缺陷，對多通道SARGMTI形成有效欺騙干擾?！?/p>