一種反多通道對消的多干擾機(jī)協(xié)同干擾方法

邢世其 黃大通* 徐 偉② 李永禎 肖順平

①(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410073)

②(中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二O六研究所 西安 710100)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)[1](Synthetic Aperture Radar,SAR)作為高分辨微波成像設(shè)備，具備全天時(shí)、全天候和高增益等眾多優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代“察打一體化”武器系統(tǒng)的核心傳感器[2]。近年來，多通道技術(shù)的成熟與應(yīng)用更是極大提高了SAR系統(tǒng)的自由度，使其不僅能實(shí)現(xiàn)高分辨成像監(jiān)視，還具備了地面動目標(biāo)指示(Ground Moving Target Indication,GMTI)功能[3]，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位并跟蹤運(yùn)動目標(biāo)，為敵方提供豐富的地面部隊(duì)行動信息，進(jìn)而對其作適時(shí)、快速和精準(zhǔn)打擊，嚴(yán)重威脅到了我高價(jià)值軍事目標(biāo)的戰(zhàn)場生存。鑒于此，針對多通道SAR-GMTI的干擾技術(shù)研究已成為當(dāng)今電子對抗領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[4]。自20世紀(jì)末起，對SAR干擾技術(shù)的研究就一直備受世界軍事強(qiáng)國的大力支持和長期投入，涌現(xiàn)出了大量對常規(guī)SAR的干擾樣式[5]，但對多通道SARGMTI的干擾研究卻相對較少。根據(jù)干擾傳播路徑，可將對SAR-GMTI的干擾分為散射波干擾和直達(dá)波干擾兩類，其中散射波干擾[6-8]由于擴(kuò)散范圍廣，不易進(jìn)入雷達(dá)主瓣，干擾效果較差，很少應(yīng)用于工程實(shí)踐。而在直達(dá)波干擾方面，文獻(xiàn)[9]詳盡分析了對SAR-GMTI的幾種常見噪聲干擾效能。文獻(xiàn)[10-12]將旋轉(zhuǎn)微動和勻(加)速運(yùn)動目標(biāo)的成像特性[13]應(yīng)用于干擾，分別提出了基于微動調(diào)制和勻(加)速運(yùn)動調(diào)制的干擾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對GMTI的方位向干擾。文獻(xiàn)[14]對2維間歇采樣干擾作慢時(shí)間延遲，產(chǎn)生了大面積的假目標(biāo)群。文獻(xiàn)[15]將逆ω-k的場景欺騙算法應(yīng)用于對GMTI干擾，生成了逼真的勻速運(yùn)動假目標(biāo)。文獻(xiàn)[16]將截獲信號分段后作亂序轉(zhuǎn)發(fā)，產(chǎn)生了對GMTI的壓制效果。此外，為達(dá)到更加理想和豐富的干擾效果，文獻(xiàn)[17-20]分別將勻(加)速運(yùn)動調(diào)制、微動調(diào)制、間歇采樣和移頻調(diào)制等基本干擾樣式相互組合，提出了各類復(fù)合干擾方法，彌補(bǔ)了單一干擾樣式存在的不足。然而，以上對多通道SAR-GMTI的干擾卻均是在單干擾機(jī)情況下，干擾的GMTI輸出結(jié)果始終受正弦函數(shù)影響而被對消，從而會沿方位向周期性地出現(xiàn)干擾盲區(qū)，降低了干擾效能，導(dǎo)致運(yùn)動目標(biāo)被暴露。鑒于此，文獻(xiàn)[21]雖通過雙干擾機(jī)的空間布置，實(shí)現(xiàn)了對GMTI的全平面噪聲壓制，但依然存在以下缺陷：(1)噪聲壓制對功率的需求較大，干擾設(shè)備易被敵方鎖定而遭反輻射打擊；(2)干擾效果粗放，可控性差，無法對指定位置和區(qū)域進(jìn)行干擾，能量利用率低；(3)只能產(chǎn)生噪聲壓制，干擾作用效果單一；(4)缺乏誤差下的干擾性能分析，不利于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

針對以上問題，本文以噪聲乘積[22]為基礎(chǔ)，提出一種多干擾機(jī)空-頻協(xié)同的對抗方法，其創(chuàng)新之處在于：(1)通過對噪聲模板的線下預(yù)先設(shè)計(jì)，靈活產(chǎn)生相參壓制或虛假點(diǎn)目標(biāo)欺騙；(2)可對壓制中心和范圍以及假目標(biāo)數(shù)量和位置作有效控制；(3)通過多干擾機(jī)空-頻協(xié)同，有效反制了多通道SARGMTI的對消作用，實(shí)現(xiàn)了無盲區(qū)干擾；(4)增加干擾機(jī)數(shù)目，可有效增大其功率增益，提升對要地的掩護(hù)效果。文中剩余內(nèi)容分為5個(gè)部分，第1部分建立了多干擾機(jī)信號模型；第2部分推導(dǎo)了多干擾機(jī)的SAR-GMTI輸出解析式，繼而得到了實(shí)現(xiàn)反對消的空-頻協(xié)同條件；第3部分分析了干擾的性能情況；第4部分通過數(shù)字仿真對本文所提干擾方法作了充分驗(yàn)證；第5部分總結(jié)全文。

2 干擾模型

圖1 干擾場景

3 基于空-頻協(xié)同的反對消方法

對比式(10)可知，當(dāng)多干擾機(jī)同時(shí)滿足式(11)和式(15)所示的空-頻協(xié)同條件時(shí)，干擾的GMTI輸出將不再受正弦調(diào)制影響，與式(13)相對比，除幅度差異外，其取得了與對SAR相同的干擾效果，干擾能量均勻覆蓋于指定區(qū)域內(nèi)，即多干擾機(jī)協(xié)同時(shí)能成功反制多通道GMTI處理的對消作用，消除干擾盲區(qū)。

綜上所述，本文所提的多干擾機(jī)協(xié)同反對消調(diào)制流程如圖2所示，主要分為以下步驟：(1)通過前期的電子偵察，獲取干擾調(diào)制所需的基本參數(shù)，如初始斜距、調(diào)頻斜率以及平臺速度等；(2)根據(jù)式(15)的空域協(xié)同條件，控制多干擾機(jī)的位置分布，以消除多通道GMTI處理的對消作用；(3)根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)需求，各干擾機(jī)分別設(shè)計(jì)出噪聲調(diào)制模板，以滿足式(11)的頻域協(xié)同條件，進(jìn)而保證各干擾機(jī)的SAR-GMTI干擾輸出結(jié)果能有效合成；(4)各干擾機(jī)將截獲的基帶雷達(dá)信號直接乘以設(shè)計(jì)好的噪聲模板，經(jīng)功率放大和上變頻后向SAR平臺轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 多干擾機(jī)的協(xié)同調(diào)制流程

4 干擾性能分析

4.1 干擾范圍分析

4.2 誤差影響分析

鑒于本文所采用的干擾樣式屬于相參干擾，干擾的執(zhí)行離不開對SAR平臺相關(guān)參數(shù)的前期偵察，故首先分析偵察誤差對干擾效果的影響。假設(shè)干擾方使用同一種型號的對抗設(shè)備，所有干擾機(jī)具備相同偵察誤差，從3.1節(jié)可知，干擾調(diào)制所需的偵察參數(shù)包括信號調(diào)頻斜率kr，SAR平臺速度v，信號波長λ以及初始斜距Rc，設(shè)對應(yīng)的絕對誤差分別為 Δkr, Δv, Δλ和ΔRm2,0，則相對誤差分別 為εkr=Δkr/kr,εv=Δv/v,ελ=Δλ/λ以 及εR0=ΔR0/R0。

可以看出，偵察誤差會造成實(shí)際干擾效果與設(shè)定效果發(fā)生偏差：距離向的干擾范圍、干擾中心和假目標(biāo)位置與εkr成正比，方位向的干擾范圍、干擾中心和假目標(biāo)位置與εv成 正比，與ελ和εR0成反比。

另一方面，考慮到實(shí)際地形等因素限制，干擾機(jī)間不一定完全滿足空域協(xié)同條件。根據(jù)式(16)頻域協(xié)同時(shí)的干擾輸出結(jié)果可知，多干擾機(jī)的不同站點(diǎn)分布將直接產(chǎn)生不同的頻域協(xié)同系數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致GMTI輸出的干擾能量分布差異。

4.3 功率增益分析

對于壓制性干擾效果，功率增益會直接影響到對場景的掩護(hù)效果[28-30]?？紤]到壓縮網(wǎng)絡(luò)是無源的，根據(jù)能量守恒定律，壓縮前后的能量保持不變，單干擾機(jī)的2維增益為

5 仿真驗(yàn)證

5.1 有效性驗(yàn)證

設(shè)SAR平臺的飛行高度為5 km，速度為200 m/s ，信號載頻為1 0 GHz，時(shí)寬和帶寬分別為10 μs和 2 00 MHz，波束寬度為0.03 rad，雷達(dá)下視角為45°，脈沖重復(fù)頻率為800 Hz，成像區(qū)域大小為300 m×400 m，場景中存在3個(gè)沿地距向運(yùn)動的目標(biāo)，如圖3(a)所示，經(jīng)GMTI處理后，靜止雜波背景被對消，動目標(biāo)得以顯示，如圖3(b)所示。

圖3 無干擾成像結(jié)果

圖4所示為單干擾機(jī)產(chǎn)生的干擾效果，干擾機(jī)部署于 (0 m,5000 m)場景中心，干信比為15 dB，壓制面積設(shè)置為100 × 100 m，干擾中心的方位向和地距向偏移量分別設(shè)置為35 m和100 m。圖4(a)是SAR干擾結(jié)果，區(qū)域場景被完全掩護(hù)；然而，經(jīng)GMTI處理后，干擾輸出由于受式(10)的正弦函數(shù)調(diào)制影響，壓制面沿方位向以71 m為間隔被周期性對消而出現(xiàn)了兩個(gè)干擾盲區(qū)，動目標(biāo)被暴露，如圖4(b)。另一方面，通過對噪聲模板作頻域采樣即可產(chǎn)生欺騙效果，干擾機(jī)的方位向和地距向偏移量分別設(shè)置為70 m和100 m，假目標(biāo)群則能將場景中的動目標(biāo)包圍，如圖4(c)所示，但其GMTI輸出結(jié)果同樣會因衰減而導(dǎo)致動目標(biāo)被暴露，如圖4(d)所示。由此可知，單干擾機(jī)的GMTI輸出結(jié)果會被周期性對消，降低了干擾的效果。

圖4 單干擾機(jī)的干擾效果

根據(jù)本文所提的協(xié)同干擾方法，在場景中(35 m,5000 m)處再部署第2部干擾機(jī)，以滿足式(15)的空域協(xié)同條件，在此基礎(chǔ)上，將第1部干擾機(jī)的方位向和地距向偏移量分別設(shè)置為35 m和100 m，第2部干擾機(jī)僅在地距向偏移100 m，以滿足式(11)的頻域協(xié)同條件，干擾能量則能均勻覆蓋于指定面積區(qū)域，如圖5(a)所示，且此時(shí)的干擾結(jié)果不再被GMTI處理對消，如圖5(b)所示，成功消除了圖4(b)的干擾盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了對動目標(biāo)的掩護(hù)。另一方面，當(dāng)進(jìn)行欺騙干擾時(shí)，第1部干擾機(jī)的方位向和地距向偏移量分別設(shè)置為70 m和100 m，第2部干擾機(jī)的方位向和地距向偏移量分別設(shè)置為35 m和100 m，與圖4(c)相同，假目標(biāo)群包圍了動目標(biāo)，如圖5(c)所示，即使經(jīng)GMTI處理后，假目標(biāo)群依然不會被對消，進(jìn)而有效掩護(hù)了真實(shí)目標(biāo)，如圖5(d)所示。由此可知，本文所提的多干擾機(jī)空-頻協(xié)同的干擾方法能有效反制多通道SAR-GMTI的對消作用，實(shí)現(xiàn)對任意指定位置和范圍的無盲區(qū)壓制和欺騙，仿真結(jié)果與理論分析相一致。

5.2 誤差影響驗(yàn)證

在偵察誤差的影響分析中，考慮存在較大誤差的惡劣情況：kr,v,λ和R0的 相對偵察誤差為3 0%。對于壓制干擾效果，以圖5(b)作為參考基準(zhǔn)，式(20)和式(21)可計(jì)算得kr誤差將導(dǎo)致干擾的地距向壓制范圍擴(kuò)展30 m，干擾中心滯后30 m，但依然滿足協(xié)同條件，如圖6(a)；v誤差將導(dǎo)致第1部干擾機(jī)的方位向壓制中心偏移10.5 m，壓制范圍擴(kuò)展于[-19.5 m, 110.5 m]間，第2部干擾機(jī)的壓制中心不變，壓制范圍擴(kuò)展于[-30 m,100 m]間，總的方位向干擾范圍為[-30 m, 110.5 m]，但只有[-19.5 m,100 m]的重合區(qū)域才滿足協(xié)同條件，其余范圍內(nèi)的干擾結(jié)果仍會受正弦函數(shù)影響而被削弱，如圖6(b)；同理，λ和R0誤差將導(dǎo)致第1部干擾機(jī)的方位向壓制中心偏移-8 m，壓制范圍縮減于[-11.5, 65.5]間，第2部干擾機(jī)的壓制中心不變，壓制范圍縮減于[-3.5, 73.5]間，總的方位向干擾范圍為[-11.5 m,73.5 m]，與圖6(b)類似，只有位于[-3.5 m, 65.5 m]的重合區(qū)域才滿足協(xié)同條件，如圖6(c)和圖6(d)。

圖6 偵察誤差下的協(xié)同壓制效果

對于欺騙干擾效果，以圖5(d)作為參考基準(zhǔn)，kr誤差將造成假目標(biāo)群的地距向間距增大為13 m，中心滯后30 m，但依然滿足協(xié)同條件，如圖7(a)；v誤差將導(dǎo)致假目標(biāo)群的方位向間距增大為3.9 m，兩部干擾機(jī)的假目標(biāo)群方位向中心分別偏移至91 m和81 m，不再滿足協(xié)同條件，故圖7(b)中產(chǎn)生了兩組假目標(biāo)群；同樣，λ和R0誤差將導(dǎo)致假目標(biāo)群的方位向間距均縮小為2.3 m，兩部干擾機(jī)的假目標(biāo)群方位向中心分別偏移至54 m和62 m，同樣產(chǎn)生了兩組假目標(biāo)群，如圖7(c)和圖7(d)。由此可知，偵察誤差對壓制效果的影響較小，雖會改變壓制中心位置和壓制范圍，但重合區(qū)域卻滿足協(xié)同條件，該區(qū)域內(nèi)依然可實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)壓制；而對于欺騙效果，只有當(dāng)所有干擾機(jī)產(chǎn)生的假目標(biāo)在偵察誤差下依然滿足協(xié)同條件時(shí)，GMTI輸出才不受正弦函數(shù)影響，故其對偵察誤差較為敏感。

圖5 雙干擾機(jī)空-頻協(xié)同的干擾效果

圖7 偵察誤差下的協(xié)同欺騙效果

另一方面，地形等實(shí)際自然條件的限制必然會帶來一定的空域協(xié)同誤差?？紤][0 m, 35 m]的誤差范圍，以場景中心作為參考位置，經(jīng)50次蒙特卡洛后得到圖8所示的空域協(xié)同誤差曲線，頻域協(xié)同系數(shù)隨誤差的增大而逐漸降低，實(shí)驗(yàn)值和理論值基本相同：當(dāng)誤差為0 m時(shí)，滿足空域協(xié)同條件，干擾能量均勻分布；然而，當(dāng)誤差增大為35 m時(shí)，頻域協(xié)同系數(shù)則僅為0.0545，干擾能量被基本對消，場景中會出現(xiàn)干擾盲區(qū)而導(dǎo)致動目標(biāo)被暴露。故在實(shí)際應(yīng)用中，需參考誤差性能圖來指導(dǎo)多干擾機(jī)的布置，以盡量減少空域協(xié)同誤差，最大化干擾效能。

圖8 空域協(xié)同誤差的影響

5.3 功率增益驗(yàn)證

表1記錄了本文所提干擾方法的增益情況，可以看出，對于單干擾機(jī)，調(diào)制模板的2維帶寬越小，所獲的SAR干擾增益就越大，其掩護(hù)效果將越好，但壓制面積卻會減小。對于多干擾機(jī)，干擾機(jī)數(shù)目越多，其所獲的干擾增益就越大，掩護(hù)效果將越好：相比于2維帶寬為4.7 MHz和94 Hz時(shí)的SAR干擾增益，2部、4部和6部干擾機(jī)協(xié)同時(shí)的SAR干擾增益將分別約增加3.0 dB, 6.0 dB和7.8 dB，與式(26)的理論分析結(jié)果相一致，故增加干擾機(jī)數(shù)目能有效降低干擾機(jī)的發(fā)射功率，進(jìn)而提升設(shè)備的戰(zhàn)場生存能力；此外，結(jié)合式(27)可知，干擾的G M T I 增益是其S A R 增益的兩倍，故GMTI增益將始終比其相同條件下的SAR增益約大3.0 dB。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了4.3節(jié)的正確性。

表1 干擾增益對比

6 結(jié)論

針對單干擾機(jī)的3天線SAR-GMTI輸出結(jié)果存在干擾盲區(qū)，導(dǎo)致運(yùn)動目標(biāo)被暴露的問題，本文在噪聲乘積的基礎(chǔ)上，輔之以移頻處理，提出了多干擾機(jī)空-頻協(xié)同的對抗方法，并從干擾范圍、誤差分析和功率增益3個(gè)方面對干擾的性能情況進(jìn)行了充分論證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提的協(xié)同干擾方法可有效反制GMTI的干擾對消作用，靈活高效地實(shí)現(xiàn)干擾中心位置和范圍均可控的無盲區(qū)壓制或假目標(biāo)數(shù)量和位置分布均可控的無盲區(qū)欺騙，提高了干擾能量的利用率，增強(qiáng)了設(shè)備的抗摧毀能力。而在干擾性能方面，壓制效果對偵察參數(shù)的依賴性較小，而欺騙效果卻較為敏感，但當(dāng)偵察設(shè)備誤差已知時(shí)，干擾方仍能通過協(xié)同設(shè)置不同干擾機(jī)間的參數(shù)來滿足頻域協(xié)同條件，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期欺騙效果；干擾機(jī)的空間布置應(yīng)參考誤差性能圖，以最大化干擾效果；此外，增加干擾機(jī)數(shù)目能有效降低對發(fā)射功率的需求，提升我干擾設(shè)備的戰(zhàn)場生存能力。