散射波干擾對多通道SAR-GMTI的對抗性能分析

房明星，畢大平，沈愛國

(電子工程學院 503教研室,　合肥 230037)

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·電子對抗·

散射波干擾對多通道SAR-GMTI的對抗性能分析

房明星，畢大平，沈愛國

(電子工程學院 503教研室,合肥 230037)

針對散射波干擾對多通道合成孔徑雷達-地面動目標顯示(SAR-GMTI)的對抗性能展開研究，文中給出了散射波干擾原理，分析了散射波干擾在SAR距離向和方位向的干擾效果，采用三通道干涉對消技術分析了散射波干擾對多通道GMTI的對抗性能。理論分析和仿真實驗表明：散射波干擾對多通道SAR-GMTI仍然具有假目標干擾效果，由于多通道GMTI對干擾的抑制和對消，假目標幅度受正弦調制系數的影響將出現增強區和削弱區。

合成孔徑雷達-地面動目標顯示；散射波干擾；對抗性能；干涉對消

0　引　言

合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率成像雷達，具有全天時、全天候和透視性等特點，已廣泛用于軍事偵查、地圖測繪以及導彈末端圖像匹配制導等方面[1]。地面動目標顯示(GMTI)技術能夠檢測和跟蹤地面運動目標，將SAR與GMTI相結合即SAR-GMTI，已成為戰略情報偵察和戰場監視系統的重要發展趨勢[2-3]。SAR-GMTI系統的快速發展和應用，使敵方能夠快速洞悉地面運動戰略目標的軍事意圖，嚴重削弱了我方重要地面軍事運動目標的作戰效能以及戰時生存能力，當前，對SAR-GMTI干擾技術研究已成為電子對抗領域的熱點問題[4-6]。

SAR-GMTI通常采用多個通道對雜波和干擾進行抑制和對消，常規的SAR干擾信號很容易被多通道SAR-GMTI所抑制[7-10]，干擾效果不盡人意。目前，針對SAR-GMTI的干擾技術相對較少，主要集中在對SAR的虛假動目標欺騙干擾[11-12]，干擾信號產生通常需要復雜的調制，對偵察依賴度較高，干擾的實時性和有效性有待進一步提高。散射波干擾能夠攜帶豐富的地物散射信息和多普勒頻移，干擾機位置隱蔽且實現簡單，干擾信號可以獲得很高的匹配處理增益，可有效干擾SAR對地物目標的識別、成像。文獻[13]較早地提出了SAR散射波干擾方法，從原理上說明了散射波干擾相對于直達波干擾的優勢，并針對機載和星載SAR進行了仿真對比分析；文獻[14]通過對SAR信號進行距離向延時和方位向相位補償，使得散射波干擾信號與回波信號的距離向頻率和方位向相位保持一致，從而實現了SAR散射波欺騙場景干擾；文獻[15]詳細研究了散射波干擾對SAR成像的干擾效果，并利用散射波干擾因子對SAR目標方位向特性進行了分析；文獻[16-17]則分別結合間歇采樣干擾和余弦調相轉發干擾對散射波干擾進行了擴展，可對SAR形成二維多假目標干擾效果。可見，SAR散射波技術研究已較為成熟，但散射波干擾對多通道SAR-GMTI是否具有干擾效果，干擾效果和對抗性能如何卻鮮有報道。基于上述背景，本文針對散射波干擾對多通道SAR-GMTI的對抗性能展開研究，理論推導了散射波干擾對SAR和三通道SAR-GMTI的干擾成像輸出，并進行了仿真實驗分析。

1　散射波干擾原理

SAR散射波干擾的基本原理如圖1所示，當SAR雷達波束照射到干擾機時，干擾機接收SAR信號，并將信號放大后投射到選定的散射區域，SAR接收到經地物散射形成的散射波干擾信號，從而達到預期干擾目的。

圖1　散射波干擾原理框圖

設SAR平臺以速度v沿x軸正方向運動，其方位向慢時間ta=0時的地面投影為坐標原點O，SAR平臺瞬時坐標為(vta,0,H)，干擾機J坐標為(xj,yj,h)，散射區域內目標T坐標為(xt,yt,0)，根據散射波干擾原理，對任意慢時間ta，干擾回波的傳播路徑為

Rj(ta)=Rrj(ta)+Rjt+Rtr(ta)

(1)

(2)

(3)

式中：Rj0、Rt0為ta=0時Rrj(ta)和Rtr(ta)的初始斜距，可求得干擾信號的多普勒中心頻率fjc1和多普勒調頻率ua1分別為

(4)

目標回波信號SAR匹配濾波器的多普勒中心頻率和多普勒調頻率分別為fc=2vxt/λRt0和ua=-2v2/λRt0，對比式(4)可知，由于Rj0≠Rt0，散射波干擾信號的多普勒參數與匹配濾波器之間存在著匹配失配，其中，多普勒中心頻率失配導致目標方位向位置的偏移，多普勒調頻率失配將導致方位向的散焦。通常情況下H?h，且為了確保散射波干擾的實時性和有效性，干擾機通常部署在距離目標較近的位置，因此可認為Rj0≈Rt0，此時多普勒調頻率失配小于1%，可忽略多普勒調頻率失配對散射波干擾的影響[17]，即散射波干擾可產生攜帶真實目標散射信息的假目標欺騙干擾效果。

2　散射波干擾對SAR的干擾效果分析

2.1距離向干擾效果

在分析散射波干擾對多通道SAR-GMTI的對抗性能之前，首先，分析散射波干擾對SAR的干擾效果。設SAR發射的線性調頻信號表達式為

(5)

式中:rect(·)為矩形窗函數；tr為距離向快時間；ta=mTq(m=0,1,2,…,M)為方位向慢時間，Tq為脈沖重復周期；全時間t=tr+ta；Tq為脈沖寬度；f0為載頻；ur為調頻斜率。忽略干擾機的轉發延時，SAR接收到的基頻干擾信號為

exp[jπur(tr-Rj(ta)/c2]·

exp[-j2πRj(ta)/λ]

(6)

exp[-j2πRj(ta)/λ]

(7)

ΔR=(Rj0+Rjt-Rt0)/2

(8)

由于(Rj0+Rjt)>Rt0，故ΔR>0，即所形成的假目標位置滯后于真實目標。

2.2方位向干擾效果

sja(tr,ta)=sjr(tr,ta)?ha(ta)=

(9)

式中：“?”表示卷積。在Fresnel近似條件下，SAR方位向慢時間信號仍可視為線性調頻信號，且具有較大的時寬帶寬積，故可采用駐定相位原理對式(9)進行近似求解[6]，則方位向慢時間的待積分相位項為

φ(τ)=-2πRj(τ)/λ-πua(ta-τ)2=

2πfc1τ+πua1τ2-πua(ta-τ)2

(10)

對式(10)關于τ求導，可得駐定相位點處的關系式為

(11)

(12)

則干擾信號經過方位向匹配濾波的輸出包絡為

sinc[πua(ta-tam)(TL-|ta|)]

(13)

x*=(xj+xt)/2

(14)

假目標方位向位置偏移量為

Δx=x*-xt=(xj-xt)/2

(15)

即假目標方位向位置為干擾機和真實目標方位向距離和的一半，方位向位置偏移量為干擾機和真實目標方位向距離差的一半。通過以上分析可知，散射波干擾信號所形成的假目標位置相對真實目標在距離向和方位向均有所偏移。因此，在實際應用中必須對干擾機進行合理配置才能滿足假目標位置和功率等方面的需求。

3　散射波干擾對SAR-GMTI的對抗性能分析

散射波干擾可對SAR形成逼真的假目標干擾效果，但對于SAR-GMTI而言，可通過雜波和干擾的抑制、對消來實現動目標檢測和成像。因此，散射波干擾對SAR-GMTI的干擾效果亟需進一步研究。GMTI按實現方式的不同可分為兩類：一是單通道GMTI，該方式對硬件需求較低，運算量相對較小，但是對弱目標或慢速目標的檢測性能較差；二是多通道GMTI，該方式通過增加雷達系統空間維信息對雜波實現良好的抑制和對消，能夠在低信噪比條件下對慢速運動目標進行有效檢測，主要包括DPCA、STAP、ATI等，這里采用三通道干涉技術分析散射波干擾對SAR-GMTI的對抗性能[3]，其幾何模型如圖2所示。

圖2　三通道SAR-GMTI干涉處理幾何模型

三個通道的子孔徑天線以等間隔D沿航跡排列，采用一發三收工作模式，即子孔徑2發射SAR信號，三個孔徑同時接收回波信號，子孔徑1、2、3的瞬時坐標分別為(vta+D,0,H)、(vta,0,H)、(vta-D,0,H)，則散射波干擾信號到三個通道的傳播路程分別為

(16)

忽略干擾機轉發延遲影響，三個通道接收到的干擾信號分別為

(17)

仍采用R-D成像算法對干擾信號的成像結果進行分析，則三個通道接收到的干擾信號經過距離向匹配濾波可得

(18)

(19)

利用式(19)對通道1和3進行多普勒中心頻率偏差補償，并進行方位向匹配濾波可得

(20)

由式(20)可知，通道2的匹配濾波結果與式(13)一致，但由于各接收通道存在沿航跡方向的位置偏差，在進行雜波對消之前，必須補償由位置偏差引起的相位偏差，相應的補償函數為

(21)

利用式(21)進行相位誤差補償，并進行雜波對消可得

(22)

對式(22)取模，則散射波干擾信號通過SAR-GMTI系統后的輸出幅度為

sinc[πua(ta-tam)(TL-|ta|)]|·

(23)

4　仿真實驗分析

采用表1的仿真實驗參數驗證散射波對三通道SAR-GMTI的對抗性能，設SAR成像場景距離向范圍為[9 800m, 10 200m]，方位向范圍為[-150, 150]，場景中心坐標為 (斜距-方位坐標)，無干擾時通道2的成像場景如圖3a)所示，場景中包含9個靜止強散射目標(如坦克、汽車等)，其坐標分別為[10 000,0]，[10 000±10, 0]，[10 000, -18]，[10 000±10, -18]，[10 000, 15]，[10 000±10, 15](按方位向位置分為三組)。

表1仿真實驗參數

依據散射波干擾原理，假設干擾機坐標為[9 800,0]，干擾機高度h=50m，轉發延遲為0.2μs，干信比JSR=5dB，圖3b)為散射波干擾時通道2成像結果。從干擾成像結果可以看出，忽略微小調頻率失配的影響，散射波干擾能夠對SAR形成逼真的假目標欺騙干擾效果，此時各假目標在距離向滯后真實目標約40m，三組假目標方位向位置坐標分別為-9m、0m、7.5m，仿真結果與式(8)和式(14)理論推導一致，從而驗證了散射波干擾對SAR干擾的可行性和有效性。

圖3　SAR散射波干擾成像結果

采用三通道干涉技術對散射波干擾和背景雜波進行對消處理，圖4分別為兩種情況下的通道1和2的對消成像結果。從對消結果可以看出，三通道SAR-GMTI對背景雜波和靜止強散射目標均具有良好的對消性能，而對散射波干擾在不同情況下會出現削弱區和增強區。其中，圖4a)為圖3b)的對消成像結果，此時中間組強散射目標的方位向位置與干擾機相同，散射波干擾對消后幅度為0，其余兩組散射波干擾對消后正弦調制系數ρ<0.4，即兩組散射波干擾處于削弱區。由此可見，當散射目標方位向位置位于干擾機附近時，干擾調制系數ρ<1，從而導致散射波干擾的能量被削弱。重新設置干擾機坐標為[9 800, -120]，其余仿真條件不變，對消成像結果如圖4b)所示，此時對消后正弦調制系數ρ≈1.2，散射波干擾處于增強區，散射波干擾信號能量得到增強，盡管由于多普勒參數的失配導致成像結果發生微小的扭曲和變形，但仍然具有逼真的假目標欺騙干擾效果。因此，在實際的干擾機配置中需要兼顧干擾能量對消和多普勒失配的影響，既保證對消后干擾的能量，又使多普勒失配的影響在可容許范圍內，從而最大限度地提高散射波干擾對多通道SAR-GMTI的對抗性能。

圖4　三通道SAR-GMTI對消成像結果

5　結束語

本文在SAR散射波干擾原理基礎上，針對散射波干擾對多通道SAR-GMTI的對抗性能進行了分析。研究結果表明：散射波干擾對SAR和SAR-GMTI均能夠形成假目標干擾效果，二者的主要區別在于假目標能量的對消情況，由于SAR-GMTI對干擾信號的對消處理，是依據干擾機方位向位置的不同，其所形成的假目標幅度受到正弦系數的調制。因此，假目標幅度會出現增強和削弱。本文研究成果能夠有效提高SAR-GMTI對抗能力，進一步增強我方地面軍事運動目標的保護能力，具有較強的軍事應用價值。

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房明星男，1988年生，博士研究生。研究方向為SAR信號處理及SAR對抗理論。

畢大平男，1965年生，教授，博士生導師。研究方向為電子對抗偵察和干擾新技術。

沈愛國男，1975年生，博士，講師。研究方向為雷達信號處理、雷達干擾與抗干擾技術。

Countering Performance Analysis of Scatter-waveJammingtoMulti-channelSAR-GMTI

FANG Mingxing，BI Daping，SHEN Aiguo

(Department of 503, Electronic Engineering Institute,Hefei 230037, China)

Thepaperstudiesthecounteringperformanceofscatter-wavejammingtomulti-channelsyntheticapertureradar-groundmovingtargetindication(SAR-GMTI).Thescatter-wavejammingtheoryisproposed,anditsjammingperformancetoSARinrangeandazimuthisanalyzedindetail.Then,thecounteringperformanceagainstGMTIisanalyzedbyusingthetri-channelinterferencecancellingtechnique.Theoreticalanalysisandcomputersimulationshowthat:scatter-wavejammingstillcanproducefalsetargetsjammingperformanceformulti-channelSAR-GMTI,andduetointerferencesuppressionandcancellationofmulti-channelGMTI,theamplitudesoffalsetargetshaveenhancedandweakenedareasundertheinfluenceofsinusoidalmodulationcoefficient.

syntheticapertureradar-groundmovingtargetindication；scatter-wavejamming；counteringperformance；interferencecancelling

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.08.020

房明星Email：mingxingfang89@163.com

2016-05-04

2016-07-03

TN974

A

1004-7859(2016)08-0088-06