基于雙干擾機(jī)協(xié)同的SAR-GMTI/InSAR 有源欺騙干擾方法

劉業(yè)民，袁 露，周 瑜，陸正文，吳 韜

（1.中國(guó)人民解放軍 32579 部隊(duì)，廣西 桂林 541001；2.國(guó)營(yíng)第722 廠，廣西 桂林 541001）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)（SAR）具有全天時(shí)、全天候和高處理增益的工作特點(diǎn)，是戰(zhàn)略偵察和戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)的重要組成部分，它與地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示（GMTI）相結(jié)合，即SAR-GMTI，可獲得全面詳盡的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖。干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）是最早提出且目前發(fā)展最為成熟的雷達(dá)三維成像體制，是對(duì)SAR 信息獲取能力的有力增強(qiáng)，可進(jìn)一步獲取到觀測(cè)目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征。因此，為了提高己方地面軍事目標(biāo)和戰(zhàn)略要地的戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)和生存能力，研究和發(fā)展對(duì)SAR-GMTI/InSAR的干擾技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

干擾通常分為無源和有源干擾，有源干擾又可分為壓制干擾和欺騙干擾。對(duì)SAR-GMTI/InSAR 有源欺騙干擾作為SAR/InSAR 對(duì)抗的一個(gè)重要方向，具有干擾功率低、靈活性強(qiáng)、逼真度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前雷達(dá)電子戰(zhàn)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。干擾與抗干擾始終是電子戰(zhàn)永恒的主題，兩者相互對(duì)立，共同發(fā)展。隨著對(duì)SAR-GMTI/InSAR 干擾方法的發(fā)展，相應(yīng)的抗干擾方法和措施也隨之提出。在對(duì)抗SAR-GMTI 方面，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)單部干擾機(jī)生成虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方法在對(duì)抗SAR-GMTI 系統(tǒng)時(shí)有其固有的缺陷，即干擾信號(hào)經(jīng)SAR-GMTI 系統(tǒng)處理后，雷達(dá)系統(tǒng)估計(jì)的徑向速度與干擾信號(hào)初始設(shè)定的徑向速度不一致，且經(jīng)定位后虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方位向位置與干擾機(jī)方位向位置一致，與干擾信號(hào)初始設(shè)定位置無關(guān)。針對(duì)此缺陷，文獻(xiàn)［12］提出了一種基于干涉相位的虛假目標(biāo)鑒別算法，可鑒別出靜止或運(yùn)動(dòng)虛假目標(biāo)。在對(duì)抗InSAR 方面，學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)單部干擾機(jī)生成虛假目標(biāo)對(duì)抗InSAR 時(shí)，其虛假目標(biāo)的干涉相位始終為常數(shù)，其干涉相位等于干擾機(jī)天線實(shí)際所處位置的干涉相位。針對(duì)這一特點(diǎn)，文獻(xiàn)［13］提出了鑒別和抑制InSAR 虛假目標(biāo)的抗干擾方法。隨著這些抗干擾方法的提出，一些學(xué)者研究了相應(yīng)的干擾方法。在對(duì)抗SAR-GMTI 方面，文獻(xiàn)［2］提出了一種基于雙干擾機(jī)協(xié)同的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)生成方法，通過合理選擇2 個(gè)干擾機(jī)所調(diào)制的散射系數(shù)之比保證干涉相位和設(shè)定的徑向速度相匹配。隨后，文獻(xiàn)［11］提出了一種新的基于雙干擾機(jī)協(xié)同對(duì)抗雙通道SAR-GMTI 的干擾方法，該方法相比文獻(xiàn)［2］所提方法更為簡(jiǎn)潔，只需通過求解線性方程組，將求解出的復(fù)調(diào)制系數(shù)應(yīng)用到每部干擾機(jī)上，生成的干擾信號(hào)就可有效控制虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的徑向速度和方位向位置。在對(duì)抗InSAR方面，文獻(xiàn)［14］提出了一種基于雙干擾機(jī)協(xié)同的In-SAR 三維虛假場(chǎng)景生成方法；借鑒文獻(xiàn)［11］思路，文獻(xiàn)［9］提出了一種基于多轉(zhuǎn)發(fā)器協(xié)同的InSAR 三維虛假場(chǎng)景生成方法。

上述關(guān)于雙（多）干擾機(jī)協(xié)同的干擾方法只適用于對(duì)抗SAR-GMTI 或InSAR，其通用性不強(qiáng)。當(dāng)前，隨著SAR 的廣泛應(yīng)用，為適應(yīng)不同應(yīng)用需求，不同種類的SAR 體制應(yīng)運(yùn)而生，除前面提到的SAR-GMTI和InSAR 外，還有圓周SAR、極化SAR 以及視頻SAR等。對(duì)干擾方而言，針對(duì)不同類型的SAR 體制，由于工作體制和工作方式的不同，通常需研發(fā)出不同類型的干擾系統(tǒng)，這既增加了研發(fā)成本，也不利于干擾實(shí)施。因此，研究針對(duì)2 種或2 種以上不同SAR 體制的通用干擾方法和手段，是未來SAR 干擾措施研究的發(fā)展趨勢(shì)之一，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。

基于以上背景和問題，本文提出了一種基于雙干擾機(jī)協(xié)同的SAR-GMTI/InSAR 有源欺騙干擾方法。該方法揭示了虛假（動(dòng)）目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)在SAR/In-SAR 圖像域中的本質(zhì)區(qū)別，在此基礎(chǔ)上，給出了對(duì)抗SAR-GMTI/InSAR 統(tǒng)一的干擾實(shí)施步驟，對(duì)兩或三通道SAR-GMTI 系統(tǒng)均適用，其方法通用性強(qiáng)。本文首先闡述了單干擾機(jī)假目標(biāo)SAR-GMTI/InSAR 的目標(biāo)特性；在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙干擾機(jī)協(xié)同的SAR-GMTI/InSAR 有源欺騙干擾方法；然后給出了該方法的具體實(shí)施步驟；最后，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的可行性。

1 單干擾機(jī)假目標(biāo)對(duì)抗SAR-GMTI/InSAR的目標(biāo)特性

本節(jié)分別闡述單干擾機(jī)情形下生成虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)抗SAR-GMTI 以及生成虛假靜止目標(biāo)對(duì)抗In-SAR 的目標(biāo)特性，并分析它們的固有缺陷和不足。

1.1 單干擾機(jī)假目標(biāo)對(duì)抗SAR-GMTI 的定位特性

以圖1 所示正側(cè)視2 天線SAR-GMTI 為干擾對(duì)象，SAR 載機(jī)平臺(tái)以速度v沿直線勻速運(yùn)動(dòng)，載機(jī)平臺(tái)高度為，以載機(jī)飛行的方向?yàn)檩S正方向、垂直于軸在地面的投影為軸正方向建立右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)為當(dāng)方位向慢時(shí)間t=0 時(shí)，SAR 載機(jī)在地面上的投影點(diǎn)。SAR 子天線發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，子天線和同時(shí)接收雷達(dá)信號(hào)，2 天線沿SAR 載機(jī)航跡方向分布，間距為。在SAR 成像條帶區(qū)域內(nèi)放置2部干擾機(jī)和，其坐標(biāo)分別為（x，y，0）和（x，y，0）。此外，成像條帶區(qū)域內(nèi)有一個(gè)以速度v沿軸方向運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)目標(biāo)，當(dāng)t=0 時(shí)，其坐標(biāo)位置為（x，y，0）。則對(duì)于任意慢時(shí)間t，子天線和到點(diǎn)目標(biāo)的瞬時(shí)斜距為：

圖1 干擾SAR-GMTI 幾何示意圖

式中，?為估計(jì)的干涉相位。從式（5）可以看出，虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)估計(jì)的徑向速度與真實(shí)目標(biāo)和干擾機(jī)的位置均有關(guān)系。

由動(dòng)目標(biāo)的SAR 成像特性可知，徑向速度為?的動(dòng)目標(biāo)在SAR 圖像中方位向位置與實(shí)際位置之間偏移量為：

此外，虛假目標(biāo)在SAR 圖像中方位向位置為：

由式（8）可知，虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位后方位向位置與干擾機(jī)方位向位置相同，而與設(shè)定位置無關(guān)。這一特性是單干擾機(jī)情形下生成虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)抗SAR-GMTI 時(shí)存在的固有缺陷，利用這一特性，文獻(xiàn)［12］提出了相應(yīng)的抗干擾措施，可以鑒別出虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

1.2 單干擾機(jī)假目標(biāo)對(duì)抗InSAR 的干涉相位特性

如圖2 所示，以機(jī)載單航過InSAR 測(cè)繪模式為例，工作時(shí)主天線發(fā)射信號(hào)，主天線和輔天線同時(shí)接收信號(hào)，主、輔天線垂直于SAR 載機(jī)航跡方向分布，其基線長(zhǎng)度為。載機(jī)以速度V沿軸正方向飛行，垂直于軸在地面的投影為軸正方向建立右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)為當(dāng)方位向慢時(shí)間t=0 時(shí)主天線在地面上的投影點(diǎn)，離地面的垂直高度為。

圖2 干擾InSAR 幾何示意圖

假設(shè)2 部干擾機(jī)只有干擾機(jī)工作。同理，對(duì)于任意慢時(shí)間t，主、輔天線到干擾機(jī)的瞬時(shí)斜距可表示為：

從式（12）可以看出，在特定的干擾實(shí)施場(chǎng)景中，由于干擾對(duì)象InSAR 系統(tǒng)參數(shù)、、以及均為固定值，且干擾機(jī)在實(shí)施干擾時(shí)，位置參數(shù)R和y通常也是不變的。因此，單干擾機(jī)情形下對(duì)抗InSAR 系統(tǒng)時(shí)，其虛假目標(biāo)的干涉相位為一常數(shù)，虛假目標(biāo)的干涉相位均等于干擾機(jī)天線實(shí)際所處位置的干涉相位。利用這一特性，文獻(xiàn)［13］提出了相應(yīng)的抗干擾措施，可以鑒別和抑制干擾目標(biāo)或干擾場(chǎng)景。

2 基于雙干擾機(jī)協(xié)同干擾方法

在提出雙干擾機(jī)協(xié)同干擾方法之前，首先分析In-SAR 系統(tǒng)中真實(shí)目標(biāo)和虛假目標(biāo)在圖像域中的區(qū)別。目標(biāo)的回波信號(hào)經(jīng)過成像處理和主、輔圖像配準(zhǔn)后，其主、輔圖像域信號(hào)可表示為：

式中，Δ=y-y，由于′≈，因此角度可近似為干擾機(jī)到InSAR 主天線的俯仰角，這個(gè)角度可以通過截獲SAR 信號(hào)來波方向獲得。

圖3 真假目標(biāo)與雷達(dá)相對(duì)位置示意圖

對(duì)比式（13）和式（23）不難發(fā)現(xiàn)，輔天線接收的干擾信號(hào)中，單干擾機(jī)生成的虛假目標(biāo)在真實(shí)目標(biāo)信號(hào)基礎(chǔ)上附加了一個(gè)指數(shù)調(diào)制相位（對(duì)應(yīng)于式（23）最后一個(gè)指數(shù)項(xiàng)）。

根據(jù)第1 節(jié)可知，單干擾機(jī)對(duì)抗SAR-GMTI/In-SAR 均存在著固有的缺陷。為克服這一不足，本文提出了一種基于雙干擾機(jī)協(xié)同的SAR-GMTI/InSAR 有源欺騙干擾方法，并且將對(duì)抗SAR-GMTI 和InSAR的干擾實(shí)施步驟進(jìn)行了統(tǒng)一，提高了方法的通用性。

如圖1 和圖2 所示，假設(shè)干擾機(jī)和干擾機(jī)協(xié)同工作，每個(gè)虛假運(yùn)動(dòng)或靜止目標(biāo)均由2 部干擾機(jī)共同生成，在每部干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號(hào)上調(diào)制一個(gè)復(fù)調(diào)制系數(shù)，旨在消除式（4）和式（23）的附加指數(shù)調(diào)制相位，使干擾信息達(dá)到以假亂真的效果。為便于統(tǒng)一表述，對(duì)第1 節(jié)和第2 節(jié)的一些符號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一，假設(shè)干擾機(jī)和干擾機(jī)處于相同的距離單元，距離向位置為R，其方位向位置分別為x和x，擬生成的虛假運(yùn)動(dòng)或靜止目標(biāo)的方位坐標(biāo)為x。為了消除式（4）和式（23）的附加指數(shù)調(diào)制相位，得到式（2）和式（13）的表達(dá)式，假設(shè)干擾機(jī)和干擾機(jī)的復(fù)調(diào)制系數(shù)分別為和，當(dāng) 干 擾SAR-GMTI 時(shí)，和由 下 面 方 程組求得：

3 干擾實(shí)施步驟

綜合以上分析，給出本文所提方法的干擾實(shí)施步驟：

Step 1：偵察和調(diào)制干擾信號(hào)。當(dāng)其中一部干擾機(jī)截獲到SAR-GMTI 或InSAR 發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)后，對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分析，偵察SAR-GMTI 或InSAR 需實(shí)施干擾的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)SAR 欺騙干擾原理，利用式（27）對(duì)截獲的雷達(dá)信號(hào)在距離向做延時(shí)處理，在方位向做多普勒調(diào)制，即：

式中，符號(hào)?表示卷積運(yùn)算符，(t，t)為干擾機(jī)截獲SAR-GMTI 或InSAR 發(fā) 射 的 雷 達(dá) 信 號(hào)，(·)為 沖擊函數(shù)，為光速；Δ(t)為干擾機(jī)到雷達(dá)瞬間斜距與虛假目標(biāo)到雷達(dá)的瞬間斜距差。當(dāng)?shù)诙扛蓴_機(jī)截獲到雷達(dá)信號(hào)后，利用式（27）調(diào)制截獲后的干擾信號(hào)。

Step 2：根據(jù)式（26）求解復(fù)調(diào)制系數(shù)和。對(duì)于SAR-GMTI 而言，需要偵察出干擾機(jī)到雷達(dá)的最近斜距R以及天線間距；對(duì)于InSAR 而言，需要偵察出干擾機(jī)到雷達(dá)的最近斜距R、基線長(zhǎng)度，基線傾角和干擾機(jī)到InSAR 主天線的俯仰角。

Step 3：雙干擾機(jī)協(xié)同干擾。2 部干擾機(jī)通過有線通信互相共享偵察參數(shù)，以及復(fù)調(diào)制系數(shù)和，然后根據(jù)SAR-GMT 或InSAR 的脈沖重復(fù)頻率（PRF），每部干擾機(jī)分別向需干擾的雷達(dá)協(xié)同轉(zhuǎn)發(fā)各自調(diào)制的干擾信號(hào)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 對(duì)抗SAR-GMTI 有源欺騙干擾

SAR-GMTI 系統(tǒng)采用方位向一發(fā)兩收的工作模式，其系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1 所示。為簡(jiǎn)便起見，采用坐標(biāo)系來描述干擾場(chǎng)景信息，空間坐標(biāo)系和的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為=，=(+)。

表1 SAR-GMTI 系統(tǒng)仿真參數(shù)

假定2 部干擾機(jī)距離向位置相同，方位向位置間距為30 m。第1 部干擾機(jī)和第2 部干擾機(jī)坐標(biāo)分別為（0 m，10 000 m）和（30 m，10 000 m）。在干擾場(chǎng)景中設(shè)定6 個(gè)虛假目標(biāo)，其距離向徑向速度設(shè)定和初始位置如表2 所示。

表2 虛假目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和位置設(shè)定

作為干擾效果對(duì)比，表3 首先給出了單干擾機(jī)對(duì)抗SAR-GMTI 的誤差，可以看出，在單干擾機(jī)情形下，虛假靜止目標(biāo)也會(huì)作為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)同時(shí)被檢測(cè)出來，估計(jì)的速度與原設(shè)定速度值不一致，且虛假靜止（運(yùn)動(dòng)）目標(biāo)位置經(jīng)SAR-GMTI 定位后，均與單干擾機(jī)方位向位置一致，容易被鑒別出來。表4 給出了本文所提方法對(duì)虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度估計(jì)和方位向定位結(jié)果以及它們的誤差，可以看出，所提方法并未將虛假靜止目標(biāo)作為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)出來，且虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度和方位向位置估計(jì)值與表2 中設(shè)定值之間誤差很小，驗(yàn)證了本文所提方法能夠很好地模擬真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

表3 虛假目標(biāo)速度估計(jì)誤差及定位誤差（單干擾機(jī)）

表4 虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度估計(jì)誤差及定位誤差（所提方法）

圖4 虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、干涉和定位結(jié)果

4.2 對(duì)抗InSAR 有源欺騙干擾

單航跡InSAR 系統(tǒng)工作時(shí)主天線發(fā)射信號(hào)，主、輔天線同時(shí)接收信號(hào)，工作模式為條帶式，其系統(tǒng)仿真參數(shù)如表5 所示。

表5 InSAR 系統(tǒng)仿真參數(shù)

2 部干擾機(jī)的坐標(biāo)分別為（0 m，8 000 m，0 m）和（30 m，8 000 m，0 m）。成像場(chǎng)景設(shè)置為440 m×400 m 平地，在場(chǎng)景中設(shè)定4 個(gè)虛假目標(biāo)，分別為目標(biāo)1（-30 m，8 000 m，10 m），目標(biāo)2（0 m，8 000 m，10 m），目標(biāo)3（30 m，8 000 m，10 m）和目標(biāo)4（0 m，8 030 m，10 m）。設(shè)定干雜比為5 dB，利用所提方法產(chǎn)生干擾，其InSAR 處理結(jié)果如圖5所示。圖5 分別給出了主通道SAR 圖像，解纏后最終干涉相位圖、地距下的高度反演圖以及高度反演圖在方位-高度平面、地距-高度平面的投影。由圖5（c）—（e）容易看出假目標(biāo)設(shè)定位置與反演坐標(biāo)對(duì)比，誤差很小，與設(shè)定值基本吻合。

圖5 InSAR 處理結(jié)果

為進(jìn)一步定量說明本文所提方法的有效性，表6 給出了真實(shí)目標(biāo)、本文所提方法和單干擾機(jī)生成虛假目標(biāo)的干涉相位。從表6 中可知，所提方法的干涉相位與目標(biāo)位置有關(guān)，且與真實(shí)目標(biāo)的干涉相位基本吻合，而單干擾機(jī)生成假目標(biāo)的干涉相位均與干擾機(jī)干涉相位相同，與目標(biāo)設(shè)定位置無關(guān)。

表6 真假點(diǎn)目標(biāo)干涉相位對(duì)比

5 結(jié)束語

本文針對(duì)單部干擾機(jī)生成虛假（動(dòng)）目標(biāo)干擾方法在對(duì)抗SAR-GMTI 或InSAR 時(shí)存在的不足，提出了一種基于雙干擾機(jī)協(xié)同的SAR-GMTI/InSAR 有源欺騙干擾方法。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文方法既可以干擾SAR-GMTI，也可以干擾InSAR，通用性強(qiáng)；利用2 部干擾機(jī)的空間自由度，本文方法可使得現(xiàn)有利用單部干擾機(jī)生成虛假（動(dòng)）目標(biāo)時(shí)的固有缺陷的抗干擾方法失效。

值得指出的是，使用本文所提方法時(shí)，需要預(yù)先獲取到干擾機(jī)到雷達(dá)的最近斜距、天線基線長(zhǎng)度、干擾機(jī)到雷達(dá)的俯仰角等偵察參數(shù)。因此，如何獲取這些偵察參數(shù)、進(jìn)一步提高本文所提方法的實(shí)用性是下一步需要研究的問題?！?/p>