對(duì)SAR地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)調(diào)制假目標(biāo)干擾*

解禮

(國(guó)防科技大學(xué) 電子對(duì)抗學(xué)院,安徽 合肥 230037)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)具有全天時(shí)、全天候高分辨對(duì)大區(qū)域地面進(jìn)行成像的功能[1]，能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)地面軍事目標(biāo)(如坦克陣地、機(jī)場(chǎng)等)，因此具有極大的威脅性。為了保護(hù)己方敏感軍事目標(biāo)免遭敵方SAR探測(cè)或者破壞敵方SAR工作效能，許多對(duì)抗SAR的干擾方法應(yīng)運(yùn)而生[2-11]。文獻(xiàn)[2]研究了對(duì)SAR的噪聲干擾方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SAR的大面積遮蔽干擾效果，但是由于噪聲干擾無(wú)法獲得距離向和方位向的壓縮增益，因此往往需要很大的干擾能量，而且遮蔽干擾效果一般。為了提高干擾效率，文獻(xiàn)[3-8]研究了對(duì)SAR的轉(zhuǎn)發(fā)干擾，主要是將截獲的SAR信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理后轉(zhuǎn)發(fā)出去，由于干擾信號(hào)與SAR信號(hào)高度一致，因此轉(zhuǎn)發(fā)干擾具有距離和方位向的高增益，需要的干擾功率很低。還有文獻(xiàn)提出了對(duì)SAR的無(wú)源干擾方法，如角反射器干擾[9-10]和箔條干擾[11]，它們具有干擾成本低、實(shí)施方便的優(yōu)點(diǎn)。隨著SAR技術(shù)的不斷發(fā)展，多通道SAR-GMTI技術(shù)[12-13]逐漸發(fā)展成熟，它具有SAR沒(méi)有的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力，能夠檢測(cè)軍事機(jī)動(dòng)目標(biāo)，因此更具威脅性。目前，對(duì)合成孔徑雷達(dá)-地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)(SAR-GMTI)的干擾技術(shù)研究已成為研究熱點(diǎn)。

由于靜止目標(biāo)干擾(例如箔條干擾[11]或角反射器干擾)或者一般常規(guī)SAR虛假目標(biāo)欺騙干擾[3-4,7]沒(méi)有運(yùn)動(dòng)信息，因而經(jīng)過(guò)SAR-GMTI處理后可能會(huì)被濾除，從而失去效果。本文研究一種具有運(yùn)動(dòng)信息的假目標(biāo)干擾方法，該方法主要思想是在靜態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的基礎(chǔ)上，將運(yùn)動(dòng)的相位信息調(diào)制在截獲的SAR信號(hào)上，再將調(diào)制后的干擾信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)出去，使得干擾信號(hào)具有運(yùn)動(dòng)信息，從而不會(huì)被SAR-GMTI處理對(duì)消。

1 干擾信號(hào)模型

R1(ta)=

(1)

圖1 SAR成像場(chǎng)景圖Fig.1 Imaging scene map of SAR

若P保持靜止，則ta時(shí)刻P與SAR距離R2(ta)表達(dá)式為

(2)

設(shè)SAR發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)可寫(xiě)為

(3)

(4)

式中：μa=-2v2/λR0。

本文干擾原理是在常規(guī)的轉(zhuǎn)發(fā)干擾基礎(chǔ)上，加上一個(gè)運(yùn)動(dòng)附加相位Δφ，這樣就能改進(jìn)常規(guī)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的性能，使得轉(zhuǎn)發(fā)干擾具有運(yùn)動(dòng)特性。設(shè)干擾機(jī)J位置為(xj,yj,0)，任意時(shí)刻干擾機(jī)到SAR的斜距為Rj(ta)。那么在干擾機(jī)截獲的SAR信號(hào)上調(diào)制相位Δφ，再轉(zhuǎn)發(fā)出去，即能完成干擾。此時(shí)，SAR接收到達(dá)干擾信號(hào)的基帶形式為

(5)

2 干擾效果分析

2.1 干擾SAR成像輸出

運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾信號(hào)成像輸出流程圖如圖2所示，下面將逐步推導(dǎo)干擾信號(hào)的成像輸出。

圖2 干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)SAR的成像處理流程圖Fig.2 Flow chart of SAR imaging processing of jamming signal

(1) 距離壓縮

干擾經(jīng)距離向壓縮處理后，表達(dá)式為

(6)

(2) 距離徙動(dòng)校正

距離徙動(dòng)校正是指將式(6)包絡(luò)中的Rj(ta)變?yōu)榕c方位時(shí)間ta無(wú)關(guān)的量Rj，使得距離和方位向能夠獨(dú)立處理。校正后的信號(hào)S3表達(dá)式為

(7)

(3) 方位壓縮

信號(hào)進(jìn)行方位壓縮時(shí)，輸出為ta的互相關(guān)函數(shù)。經(jīng)方位壓縮后可得最終成像的表達(dá)式為

(8)

(9)

由干擾成像表達(dá)式可見(jiàn)，干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)SAR處理后能獲得全部的距離向增益和部分方位向增益，因而所需的干擾發(fā)射峰值功率較低，相對(duì)于非相干干擾具有較大的功率優(yōu)勢(shì)。而且，經(jīng)方位壓縮后干擾成像表達(dá)式沿著方位向仍然具有能量殘余，說(shuō)明該干擾具有對(duì)SAR的方位向干擾能力。

2.2 對(duì)SAR-GMTI的干擾性能分析

多通道SAR-GMTI系統(tǒng)具有消除地面靜止雜波和發(fā)現(xiàn)地面動(dòng)目標(biāo)的能力，運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾在通過(guò)該系統(tǒng)后是否仍有好的干擾效果(對(duì)地面動(dòng)目標(biāo)而言)，這十分值得研究。當(dāng)SAR-GMTI采用三孔徑對(duì)消處理時(shí)，陣列天線采用一發(fā)三收工作模式[10]，由沿航跡、以等間隔Da線性排列的3個(gè)接收子孔徑構(gòu)成，由中間孔徑天線發(fā)射信號(hào)，3個(gè)孔徑同時(shí)接收回波信號(hào)，其系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 三通道SAR-GMTI系統(tǒng)模型Fig.3 Model of three channel SAR-GMTI system

三天線沿航跡以等距排列，間距為Da，天線2發(fā)射信號(hào)，天線1，2，3同時(shí)接收信號(hào)。由圖3可知，SAR信號(hào)經(jīng)反射到3個(gè)通道的距離傳播路程分別為Rj1=Rja2+Rja1，Rj2=2Rja2，Rj3=Rja2+Rja3，其中Rja1，Rja2，Rja3表達(dá)式為

(10)

因此，3個(gè)通道接收到的信號(hào)分別為

(11)

進(jìn)行距離壓縮，可得

(12)

(13)

經(jīng)偏差補(bǔ)償，再分別進(jìn)行方位壓縮，可得

(14)

還需沿航跡方向的位置偏差，相應(yīng)補(bǔ)償函數(shù)為

(15)

相應(yīng)相位補(bǔ)償后，進(jìn)行雜波對(duì)消可得

(16)

對(duì)式(16)取模，可得到干擾通過(guò)SAR-GMTI系統(tǒng)后的輸出幅度為

(17)

(18)

(19)

由式(19)可知，干擾機(jī)位置，距離向和方位向速度、加速度取值將直接影響到雜波對(duì)消后勻加速運(yùn)動(dòng)假目標(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；當(dāng)xjvx+yjvy+(xjax+yjay)τ*=(n+1/2)λRjv/Da時(shí)，干擾能量得到最大程度的增強(qiáng)，可達(dá)到對(duì)消前的4倍；其余值均介于0～4倍之間。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，根據(jù)式(5)生成的干擾信號(hào)按照距離多普勒(range-Doppler,RD)成像算法進(jìn)行干擾仿真。設(shè)SAR工作于正側(cè)視，系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1，干擾機(jī)坐標(biāo)為(0,10 000,0)，干擾參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 SAR系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of SAR system

表2 假目標(biāo)運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾參數(shù)Table 2 Parameters of false target motion modulation jamming

設(shè)一輛運(yùn)動(dòng)裝甲車(chē)在坐標(biāo)為(0,9 700,0)以vx=2 m/s，vy=2 m/s，ax=1 m/s2，ay=1 m/s2勻加速運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)欲產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)裝甲車(chē)類(lèi)似的勻加速運(yùn)動(dòng)假目標(biāo)欺騙敵方SAR-GMTI探測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到以假亂真的效果。為達(dá)到欺騙效果，將干擾機(jī)的干擾參數(shù)設(shè)置為vx=2 m/s，vy=2 m/s，ax=1 m/s2，ay=1 m/s2，即與運(yùn)動(dòng)裝甲車(chē)運(yùn)動(dòng)參數(shù)一致。虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾效果仿真圖如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾效果Fig.4 Effect of motion modulation jamming

圖4a)表示SAR受到虛假勻加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)調(diào)制干擾的干擾圖，靜止參考點(diǎn)清晰可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)裝甲車(chē)的運(yùn)動(dòng)使得裝甲車(chē)成像發(fā)生了偏移和展寬，在裝甲車(chē)成像的下方有一條與裝甲車(chē)成像效果相同的展寬亮線，這是產(chǎn)生的干擾效果；圖4b)表示經(jīng)過(guò)GMTI處理后的干擾效果圖，靜止參考點(diǎn)經(jīng)過(guò)GMTI處理已被對(duì)消，運(yùn)動(dòng)裝甲車(chē)和干擾成像沒(méi)有被對(duì)消，而且干擾假目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)成像結(jié)果非常相近，無(wú)法區(qū)分；圖4c),d)分別是圖4a),b)的三維效果圖，其縱坐標(biāo)表示信號(hào)經(jīng)處理后的幅度相對(duì)值，從圖4d)中可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)裝甲車(chē)和干擾經(jīng)GMTI處理后，幅度均得到了增強(qiáng)，這與3.2節(jié)分析相一致。從圖4a),b)的仿真干擾效果圖中可以看到，已無(wú)法辨認(rèn)出真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，說(shuō)明本文提出的干擾達(dá)到了欺騙的效果。

為了說(shuō)明運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾的優(yōu)越性，下面利用干擾機(jī)對(duì)SAR進(jìn)行間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾[3]，仿真場(chǎng)景不變，干擾結(jié)果如圖5所示。其中，圖5a)和圖5b)分別表示間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)消前干擾效果?？梢?jiàn)，間歇采樣干擾通過(guò)SAR-GMTI處理后，干擾能量已被消除，說(shuō)明間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)SAR-GMTI沒(méi)有欺騙干擾效果。因此，運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾對(duì)SAR-GMTI系統(tǒng)的干擾效果優(yōu)于間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

圖5 間歇采樣干擾效果Fig.5 Effect of intermittent sampling jamming

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種對(duì)SAR-GMTI的運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾方法，理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)均證明了該干擾的有效性。經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，表明該干擾SAR成像后是一條沿方位向的亮線，而且經(jīng)SAR-GMTI通道對(duì)消后無(wú)法消除。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，表明該干擾經(jīng)過(guò)SAR成像后產(chǎn)生虛假目標(biāo)，經(jīng)過(guò)SAR-GMTI處理后無(wú)法被對(duì)消，而且對(duì)SAR-GMTI具有較強(qiáng)的迷惑性，使得SAR-GMTI無(wú)法區(qū)分真實(shí)目標(biāo)，削弱了SAR-GMTI的探測(cè)性能。因此，本文干擾方法是一種對(duì)SAR和SAR-GMTI都有效的干擾方法。