基于相干兩點源的虛假運動目標(biāo)生成方法

紀朋徽 邢世其 徐 偉 代大海 馮德軍

(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室 長沙 410073)

1 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種微波成像雷達，能夠全天時、全天候地對地進行觀測成像，并且成像分辨率不隨距離變化發(fā)生改變，因此被廣泛應(yīng)用于地表信息觀測、軍事情報獲取和導(dǎo)彈末端圖像匹配制導(dǎo)領(lǐng)域[1,2]。合成孔徑雷達地面運動目標(biāo)指示(Synthetic Aperture Radar-Ground Moving Target Indication, SARGMTI)結(jié)合了SAR成像和地面動目標(biāo)指示的優(yōu)勢，還能夠?qū)\動目標(biāo)進行檢測、定位和成像，并實時感知戰(zhàn)場態(tài)勢[3]。SAR和SAR-GMTI的廣泛使用對我國高價值軍事運動目標(biāo)如指揮車、坦克和導(dǎo)彈發(fā)射車等構(gòu)成巨大威脅，研究SAR-GMTI對抗技術(shù)具有重要應(yīng)用價值[4]。

SAR-GMTI通常使用多個接收通道對消靜止雜波來檢測運動目標(biāo)，多個通道的使用也提高了其抗干擾能力[5]。傳統(tǒng)的SAR干擾技術(shù)，多以靜止目標(biāo)保護為基礎(chǔ)建立，未考慮目標(biāo)的運動特性，通過多個通道的對消處理容易被對消掉，干擾效果大打折扣[6,7]。基于運動調(diào)制的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)[8]、微動干擾技術(shù)[9]雖然能對抗SAR-GMTI，但這些方法生成的虛假目標(biāo)分布較為規(guī)律，易被判別為假目標(biāo)。散射波干擾雖然能攜帶豐富的地物信息和多普勒頻移，生成的虛假目標(biāo)較為逼真，不易被鑒別出來，但干擾目標(biāo)的生成不易控制，且因需要地物進行2次散射，所需功率較高[10]；基于多普勒調(diào)制的虛假目標(biāo)生成技術(shù)能夠生成位置可控的虛假目標(biāo)，但速度無法控制[11]，利用回波距離差異的虛假運動目標(biāo)生成方法，能夠生成位置和速度均可控的虛假運動目標(biāo)[12]，但這兩種干擾技術(shù)都基于單個干擾機生成，虛假目標(biāo)經(jīng)重定位處理后方位位置與干擾機一致，易被識別[13]。文獻[14,15]給出了基于多干擾機協(xié)同生成虛假目標(biāo)的方法，重定位后目標(biāo)方位位置與設(shè)定一致，較為逼真，但因為需要進行實時延時和多普勒調(diào)制，實現(xiàn)過程較為復(fù)雜。

基于以上背景，本文基于2維移頻調(diào)制和雙干擾機協(xié)同，提出了一種新型的虛假運動目標(biāo)生成方法。其中2維移頻調(diào)制能夠控制虛假目標(biāo)的位置并使虛假目標(biāo)具有運動特性，雙干擾機協(xié)同則使虛假目標(biāo)相位在各個通道滿足真實目標(biāo)相位，使用該方法生成的虛假運動目標(biāo)速度、位置均可控，且經(jīng)重定位后目標(biāo)被定位到其設(shè)定位置；此外，該方法使用移頻調(diào)制生成虛假運動目標(biāo)，實現(xiàn)方式簡單，具備一定的工程可實現(xiàn)性。

本文首先分析了移頻調(diào)制干擾生成的虛假目標(biāo)對抗雙通道SAR-GMTI的局限性，然后介紹了基于雙干擾機協(xié)同的移頻調(diào)制的虛假運動目標(biāo)生成方法，最后通過實驗仿真驗證了本文提出的虛假運動目標(biāo)信號生成方法的有效性。

2 單干擾機移頻調(diào)制干擾的局限性

3 基于雙干擾協(xié)同的移頻調(diào)制干擾方法

通過第1節(jié)的分析可以知道，單個干擾機生成的干擾信號對應(yīng)的虛假目標(biāo)經(jīng)重定位處理后可以被鑒別出來，主要是因為虛假目標(biāo)成像結(jié)果在兩副天線之間的相位差只與方位向移頻量有關(guān)，而不能進行任意控制。如果設(shè)法在移頻干擾對應(yīng)的虛假目標(biāo)處有選擇的控制相位，那么生成的虛假目標(biāo)經(jīng)重定位后方位位置將不再與干擾機一致，虛假目標(biāo)對應(yīng)的速度也能進行相應(yīng)控制。顯然單臺干擾機難以做到，可以考慮聯(lián)合多臺干擾機進行控制。

假設(shè)在圖1對應(yīng)的欺騙干擾場景中再增加一臺干擾機J0，其坐標(biāo)為(xJ0,yJ,0)，徑向距離坐標(biāo)與干擾機J1一致，如果干擾機J0也在(xp,rp)處生成干擾信號，則其對應(yīng)的方位向移頻應(yīng)為fa0=?μa(xp?xJ0)/Va，距離向移頻應(yīng)為fr=?K(rp?RJ)/c。相應(yīng)地，干擾機J0生成的干擾信號在天線An成像結(jié)果為

圖1 雙通道SAR-GMTI欺騙干擾模型

步驟4 把步驟3求出的幅相調(diào)制系數(shù)應(yīng)用到兩干擾機生成干擾信號的過程中。

經(jīng)過以上4個步驟的處理，兩干擾機協(xié)同生成的干擾信號將滿足期望生成的虛假運動目標(biāo)。

4 算法分析

4.1 雙干擾機位置

根據(jù)第3節(jié)描述的雙干擾機調(diào)制算法可知，雙干擾機需要同時偵測到雷達信號時才生成干擾信號，因此兩干擾機必須能同時處在主波束內(nèi)，此時兩干擾機之間的方位間距應(yīng)當(dāng)小于一個合成孔徑長度L；并且為了使兩干擾機同時處在主波束的時間更長，兩干擾機之間的方位間距應(yīng)當(dāng)盡可能小。同時考慮到在單個干擾機生成假目標(biāo)時采用的是移頻調(diào)制方法，任一干擾機生成虛假目標(biāo)時，方位向移頻fa必須要小于方位向多普勒帶寬Ba；因此，為了能在兩干擾機之外的范圍內(nèi)生成較多虛假運動目標(biāo)，兩干擾機之間的方位間距最好小于半個合成孔徑長度。因此，兩干擾機之間的方位位置需滿足

至于兩干擾機的距離向位置，根據(jù)第3節(jié)對算法的推導(dǎo)，兩者之間保持一致即可。

4.2 算法對比

根據(jù)文獻[14]的介紹和對本文方法的闡述，傳統(tǒng)的雙干擾機協(xié)同方法與本文提出的干擾機協(xié)同方法在干擾機協(xié)同上是一致的，均需要首先根據(jù)虛假運動目標(biāo)的特性，計算所需的幅相調(diào)制系數(shù)，然后每臺干擾機據(jù)此調(diào)制系數(shù)生成虛假運動目標(biāo)。兩者的差異性主要表現(xiàn)在單個干擾機生成虛假運動目標(biāo)的方式上，其中傳統(tǒng)方法需要根據(jù)SAR與虛假運動目標(biāo)和干擾機的實時距離差進行延遲和方位向相位調(diào)制來生成虛假運動目標(biāo)，在以數(shù)字射頻存儲(Digital Radio Frequency Memory, DRFM)為主要結(jié)構(gòu)的干擾機中，精確延遲通常在頻域?qū)崿F(xiàn)，這需要干擾機首先對接收的雷達信號進行FFT變換，然后通過與延時量有關(guān)的距離頻域相位相乘實現(xiàn)距離延遲，其次再進行IFFT變換并進行方位向相位調(diào)制。而本文提出的方法單個干擾機只需根據(jù)虛假運動目標(biāo)在SAR圖像中的位置采用移頻調(diào)制即可，總共需要距離向和方位向的兩次相位調(diào)制，省略了FFT和IFFT變換，實現(xiàn)過程相對簡單。

5 仿真實驗

以某機載雙通道SAR-GMTI雷達為干擾對象，其參數(shù)如表1所示。在接下來仿真中，目標(biāo)和干擾機坐標(biāo)單位均為米(m)。

表1 兩通道 SAR-GMTI系統(tǒng)參數(shù)

5.1 虛假點目標(biāo)仿真對比

首先，對比單干擾機和雙干擾機生成虛假運動目標(biāo)的有效性。為此，設(shè)置4個虛假運動目標(biāo)p1,p2,p3和p4，其坐標(biāo)分別為(10,10040) , (?10,10020),(?20,9970), (30,9990)，對應(yīng)的徑向速度為–0.3 m/s,0.5 m/s, –0.6 m/s, 0.8 m/s，映射到SAR圖像中的坐標(biāo)分別為(25,10040) , (?35,10020), (10,9970),(?10,9990)。另外設(shè)置了兩個真實目標(biāo)作為參考，一個是真實靜止目標(biāo)p5，坐標(biāo)為(50,10010)；一個是真實運動目標(biāo)p6，坐標(biāo)為(?20,9960)，徑向速度為0.7 m/s。兩臺干擾機J0和J1沿方位向放置，坐標(biāo)分別為(0,10000), (?20,10000)，由第3節(jié)介紹的虛假運動目標(biāo)生成步驟生成相應(yīng)的虛假目標(biāo)。

圖2上面一行給出了只有干擾機J0生成虛假運動目標(biāo)的成像處理結(jié)果，下面一行給出了雙干擾機聯(lián)合生成虛假運動目標(biāo)的成像處理結(jié)果，圓圈代表目標(biāo)在SAR圖像中的位置。圖2(a)給出了單干擾機生成的4個虛假運動目標(biāo)和兩個真實目標(biāo)的SAR成像結(jié)果，圖2(d)為干擾機J0和J1協(xié)同生成的4個虛假運動目標(biāo)和兩個真實目標(biāo)的SAR成像結(jié)果，可以看到兩種方法都在相同的位置生成了虛假目標(biāo)。圖2(b)和圖2(e)給出了DPCA對消處理后的結(jié)果，其中只有真實靜止目標(biāo)p5被對消掉了，單干擾機和雙干擾機生成的虛假目標(biāo)以及真實運動目標(biāo)都未被對消，這說明干擾機通過方位向移頻生成的虛假目標(biāo)具有運動特性。

表2給出了所有目標(biāo)的徑向速度估計和方位位置重定位結(jié)果，可以看到真實目標(biāo)p5和p6檢測出的速度和重定位后的位置與設(shè)定值一致；單干擾機生成的虛假目標(biāo)p1,p2,p3和p4都被測出了速度，經(jīng)重定位后方位位置與干擾機J0一致，偏離了設(shè)定虛假目標(biāo)的特性，而雙干擾機生成的虛假目標(biāo)檢測出的徑向速度和方位位置與設(shè)定特性基本一致，這證明了文中提出的干擾方法生成虛假運動目標(biāo)的有效性。圖2(c)和圖2(f)為對應(yīng)的目標(biāo)重定位后的結(jié)果，直觀地顯示出單干擾機生成的虛假目標(biāo)重定位后的位置在與干擾機方位位置相同的直線上，雙干擾機生成的虛假目標(biāo)都被定位到了其設(shè)定的位置。

圖2 真實及虛假目標(biāo)成像處理結(jié)果

表2 不同干擾方法下目標(biāo)的徑向速度估計和方位位置估計

其次，為了進一步驗證文中提出干擾方法的有效性，又仿真了多組虛假運動目標(biāo)，對比其設(shè)定速度與估計速度之間的誤差。根據(jù)文中對算法的推導(dǎo)可知，虛假目標(biāo)的徑向速度與距離向位置無關(guān)，為此假設(shè)此處虛假目標(biāo)的距離向位置恒定為10030 m，方位位置在兩干擾機附近以間隔2 m變動?？紤]到干擾機的方位位置，把虛假目標(biāo)的方位位置變動范圍設(shè)定為(–40 m, 10 m)。圖3給出了雙干擾機生成不同的徑向速度的虛假運動目標(biāo)時，徑向速度估計誤差隨方位位置的變動情況?？梢钥闯鲭p干擾機生成的虛假目標(biāo)速度誤差主要分布在0.02 m/s附近，誤差很小，此時能達到較好的欺騙干擾效果；個別的在0.1 m/s附近，對比此種情況下目標(biāo)設(shè)定的速度0.55 m/s和0.75 m/s，雖然誤差相對較大但同樣能達到一定的欺騙干擾效果。因此，本文提出的干擾方法能較好實現(xiàn)對SAR-GMTI系統(tǒng)的欺騙。

圖3 虛假運動目標(biāo)徑向速度估計誤差

最后，為了驗證本文提出的雙干擾機協(xié)同方法相對文獻[14]介紹的傳統(tǒng)干擾機協(xié)同方法的優(yōu)越性，對比了兩種方法在生成虛假運動目標(biāo)上的差別，根據(jù)文獻[14]的介紹，傳統(tǒng)雙干擾機之間的間距在1/2合成孔徑附近時，生成的虛假運動目標(biāo)魯棒性強。此處結(jié)合本文提出的方法和SAR系統(tǒng)參數(shù)，選擇干擾機之間的方位間隔為30 m，為此把上面干擾機J1的坐標(biāo)調(diào)整為(30,10000)，其他干擾機條件和假目標(biāo)的參數(shù)均不變。表3給出了兩種方法下生成p1,p2,p3和p44個假目標(biāo)的速度估計，可以看出兩種方法下生成的虛假運動目標(biāo)徑向速度均小于0.05 m/s，相比設(shè)定的速度誤差可以忽略不計。兩者在生成虛假運動目標(biāo)的有效性性上基本一致，但因為本文方法在實現(xiàn)時只需移頻調(diào)制，不需要實時延遲調(diào)制，過程相對簡單，具有一定的優(yōu)越性。

表3 不同雙干擾機干擾方法下目標(biāo)的徑向速度估計和方位位置估計

5.2 基于實測數(shù)據(jù)的目標(biāo)仿真

為了進一步驗證文中提出方法的有效性，考慮在真實靜止場景的公路上生成4個運動的虛假目標(biāo)q1,q2,q3和q4，每個目標(biāo)由3～4個散射點組成，如圖4(a)所示，其對應(yīng)的中心點坐標(biāo)為(?40,9930),(?20,9960) , (10,10020), (30,10050)，徑向速度為–0.85 m/s, –0.8 m/s, 0.7 m/s, 0.8 m/s。相應(yīng)地，中心點坐標(biāo)映射到SAR圖像中的坐標(biāo)為(2.5,9930),(20,9960) , (?25,10020), (?10,10050)，兩臺干擾機J0和J1沿方位向放置，坐標(biāo)分別為(0,10000),(?20,10000)，SAR-GMTI系統(tǒng)參數(shù)與5.1節(jié)相同。然后按照文中給出的方法步驟生成虛假目標(biāo)。

圖4(b)給出了虛假目標(biāo)的生成結(jié)果，4個虛假運動目標(biāo)均偏離其真實位置。圖4(c)為DPCA對消處理結(jié)果，靜止場景被消除，所有的虛假運動目標(biāo)都得以保留。表4給出了虛假運動目標(biāo)的徑向速度估計和中心點方位重定位結(jié)果，可以看出生成的虛假運動目標(biāo)與設(shè)定值基本一致，雖然誤差較表2無背景情況下偏大，但仍在可接受的水平；其中q3的誤差較大，這主要因為其受周圍背景噪聲的影響較強，但即使誤差較大，仍能實現(xiàn)欺騙干擾的目的。圖4(d)給出了虛假運動目標(biāo)的重定位結(jié)果，結(jié)果表明經(jīng)重定位后，虛假目標(biāo)定位到公路上的位置與真實情況近似一致。以上仿真再次證明文中提出的雙干擾機協(xié)同移頻干擾方法生成虛假運動目標(biāo)的可行性。

圖4 靜止場景虛假運動目標(biāo)成像處理結(jié)果

表4 靜止場景下目標(biāo)的徑向速度估計和方位位置估計

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于雙干擾機協(xié)同的移頻調(diào)制新型虛假運動目標(biāo)生成方法，解決了單干擾機2維移頻調(diào)制生成的虛假運動目標(biāo)對抗雙通道SAR-GMTI時方位位置固定和徑向速度無法控制的問題。該方法通過2維移頻調(diào)制控制虛假目標(biāo)的位置，使用雙干擾機協(xié)同控制虛假運動目標(biāo)的徑向速度。經(jīng)驗證，此方法可在雙通道SAR-GMTI系統(tǒng)中生成逼真的虛假運動目標(biāo)。該方法有3個優(yōu)點：(1) 虛假運動目標(biāo)的徑向速度和方位位置可以靈活控制；(2) 2維移頻調(diào)制干擾方式實現(xiàn)簡單；(3) 雙干擾機調(diào)制的幅相調(diào)制系數(shù)求解簡單，且不隨慢時間變化。