旋轉角反射器陣列對SAR-GMTI的無源遮蔽干擾方法

周 陽，房明星，畢大平，沈愛國

(解放軍電子工程學院，安徽 合肥 230037)

旋轉角反射器陣列對SAR-GMTI的無源遮蔽干擾方法

周 陽，房明星，畢大平，沈愛國

(解放軍電子工程學院，安徽 合肥 230037)

針對SAR-GMTI有源干擾設備的高要求和成本大的問題，提出了旋轉角反射器陣列對SAR-GMTI的無源遮蔽干擾方法。該方法利用旋轉角反射器的微多普勒調制在方位向上形成干擾條帶，通過多個旋轉角反射器L形布陣在距離向上形成壓制干擾，由于旋轉的微動特性，回波信號經GMTI處理后不能被對消，因此該方法對SAR-GMTI具有大面積遮蔽干擾效果。仿真實驗表明，該方法能夠對SAR-GMTI產生大面積的遮蔽干擾效果。

合成孔徑雷達；地面動目標檢測；旋轉角反射器；微多普勒調制；無源干擾

0 引言

合成孔徑雷達(SyntheticApertureRadar，SAR)可全天時，全天候對大場景進行高分辨率成像[1]，因而被廣泛用于軍事偵查等領域。地面動目標顯示(GroundMovingTargetIndication，GMTI)技術能夠檢測和跟蹤地面運動目標，在軍事領域被運用于發現敵運動軍事目標。SAR-GMTI結合了GMTI的運動目標檢測和SAR對地面目標高分辨成像的功能，能夠實時對地面任意目標進行檢測、識別、定位、跟蹤和成像，已成為SAR重要的發展趨勢[2-3]和先進體制SAR必備的功能。SAR-GMTI的快速發展，對我地面重要軍事目標(特別是裝甲車、坦克、導彈發射車等運動型目標)的軍事部署、作戰狀態、戰時生存等構成了嚴重的威脅，所以對SAR-GMTI干擾方法的研究十分有意義。

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干擾方法很容易被多通道SAR-GMTI所抑制[4-7]，這使得對SAR-GMTI干擾必須有別于SAR干擾。目前，針對SAR-GMTI的干擾技術研究相對較少，主要集中在有源欺騙干擾[8-11]，這一類干擾信號產生需要對敵方SAR信號精準偵察，并在此基礎上進行復雜調制，所以對干擾設備的要求很高且成本較大。文獻[12][13]提出利用多干擾機對抗SAR雙通道干擾對消技術，為多通道SAR-GMTI干擾提供了新的思路，但多個干擾機的協同工作難度較大。文獻[14]提出了一種無源壓制性SAR干擾方法，該方法利用旋轉角反射器排布成陣，可以在SAR圖像中形成大片區域干擾，對干擾設備要求低，但此方法沒有針對多通道GMTI的對抗性能進行討論。本文針對有源干擾設備的高要求和成本大的問題，提出了旋轉角反射器陣列對SAR-GMTI的無源遮蔽干擾方法。

1 旋轉角反射器SAR成像原理

如圖1，設載機以速度v沿x軸方向直線運動，其高度為H，合成孔徑長度為L，合成孔徑時間為TL=L/v。

圖1 旋轉角反射器SAR成像幾何模型Fig.1 The SAR imaging geometrical model of rotating angular reflector

(1)

(2)

式(2)中，前三項和可以看作點P處靜止目標與SAR間的距離隨ta變化，第四項引入固定相位誤差，由于r?Rj，所以此項對成像沒有影響，第五項引入了方位向余弦調相相位，對方位向影響較大。

雷達發射的線性調頻(Linear Frequency Modulation, LFM)信號可寫為：

(3)

(4)

式(4)中，k=2π/λ為距離波數，μr為距離向調頻率。下面以RD算法為例，推導旋轉角反射器的成像表達式。

圖2為合成孔徑雷達的RD成像處理流程圖，下面將利用RD算法推導出旋轉角反射器的成像輸出。

圖2 SAR的RD成像處理流程Fig.2 RD imaging processing flow of SAR

圖2中距離壓縮前的干擾信號S1為：

(5)

1)距離壓縮

回波信號進行距離壓縮時，距離向參考函數為：

(6)

經距離壓縮可得

(7)

2)距離徙動校正

(8)

3)方位壓縮

由于慢時間域余弦調制分量可根據數學恒等式展開為

(9)

回波信號進行方位壓縮時，方位向參考函數為

(10)

式(10)中，μa=-2v2/λRj為方位向調頻率，忽略常數相位項，經過方位壓縮，輸出為方位向慢時間ta的互相關函數

(11)

由此，得到了旋轉角反射器回波經過SAR成像處理后的表達式。從表達式可以看出，它的成像效果是在方位向出現多個成對像元，即一條與飛行航跡平行的線或點列，其幅度受到第一類貝塞爾函數調制。由式(11)可以得到第n階像元方位向位置x=x0-nωav/2πμa、兩像元間距Δx=-ωav/2πμa。像元個數M和所有像元方位向跨度ΔL的表達式[15]分別為：

(12)

(13)

其中，Ba為方位向多普勒帶寬，Bm為轉動引起的余弦相位對應的調制頻帶寬度。一般情況下Bm≤2Ba，所以像元方位向跨度不會超過2L。

2 旋轉角反射器陣列對SAR-GMTI的無源遮蔽干擾方法

2.1 旋轉角反射器布陣方式

單個旋轉角反射器只有一維干擾效果，不能保護區域目標。為了用旋轉角反射器產生二維干擾效果，可以在垂直于航跡方向架設多個旋轉角反射器，這樣在距離向上就能產生多個平行的線狀條帶，達到二維干擾效果。但是，SAR飛行航跡往往無法事先準確得知，若直線放置旋轉角反射器，當飛機以近乎平行于旋轉角反射器陣列的航跡飛過時，干擾效果就只有很窄的條帶。針對這一問題，本文提出一種L形旋轉角反射器布陣方式，具體布陣如圖3所示。該布陣方式解決了無論何種飛行航跡，均能夠產生較大的干擾區域。

圖3 旋轉角反射器L形布陣方式示意圖Fig.3 The arrangement of rotating angular reflectors

旋轉角反射器數目會影響距離向像元條帶的數量，旋轉角反射器擺設間距則會影響到距離向干擾的密集程度。布陣時，需要綜合考慮地形、保護區域大小和預期干擾效果，從而根據實際所需保護區域的大小合理選擇旋轉角反射器的數目，并根據所偵測到的SAR信號參數選擇合適的擺放間距，以使干擾設備數量達到最優支配。最后選擇適當的有效半徑和轉速，這樣就能達到有效的遮蔽干擾效果。

2.2 旋轉角反射器陣列對SAR-GMTI的對抗性能

靜止目標、雜波以及一般的無源或有源干擾在通過SAR-GMTI系統后，基本上都可以得到很好的對消，但陣列旋轉角反射器產生的回波是否在通過SAR-GMTI系統后仍有好的干擾效果，這十分值得研究。SAR-GMTI采用三孔徑干涉對消處理時，陣列天線采用一發三收工作模式，由沿航跡、以等間隔Da線性排列的三個接收子孔徑構成[9]，由中間孔徑天線發射信號，三個孔徑同時接收回波信號，其幾何模型如圖4所示。

三通道子孔徑天線沿航跡以等間隔Da排列，天線2發射信號，天線1，2，3同時接收信號。由圖3可知，SAR信號經反射到三個通道的距離傳播路程分別為Rj1=(Rja2+Rja1)，Rj2=2Rja2，Rj3=(Rja2+Rja3)。三個通道接收到的信號分別為式(14)所示。

圖4 三通道SAR-GMTI干涉處理幾何模型Fig.4 The sketch map of tri-antenna interference cancelling technique

(14)

對各通道分別進行距離壓縮，可得

(15)

(16)

經多普勒中心偏差補償，再分別進行方位向壓縮，可得：

(17)

由式(17)知通道2的成像結果與式(18)一致，但由于各接收天線存在沿航跡方向的位置偏差，因而在對消前需補償此位置偏差引起的相位偏差，相應的補償函數為：

(18)

利用式(18)進行相位補償后，進行雜波對消可得

(19)

對上式取模，可得到干擾通過SAR-GMTI系統后的輸出幅度為式(20)：

(20)

消后的圖像能量近似為：

(21)

2.3 關鍵干擾參數

陣列旋轉角反射器干擾具有等效半徑和旋轉角速度兩個關鍵指標，它們對干擾效果具有很大影響。因此需要進一步理解這些干擾參數的影響。

1)等效半徑r0

根據式(11)、式(13)可知，等效半徑影響成像后干擾幅度和像元方位向跨度。等效半徑越小，像元方位向跨度越短，干擾幅度越大；等效半徑越大，像元方位向跨度越長，干擾幅度越小。

2)旋轉角速度ωa

旋轉角速度影響兩像元的間距和像元方位向跨度，因而會影響到方位向干擾效果的疏密程度。由第1節可知，兩像元間的間距Δx=-ωav/2πμa，與旋轉角速度呈線性變化關系。ωa越大，像元間距越大，像元方位向跨度越大，方位向干擾效果越稀疏；ωa越小，像元間距越小，像元方位向跨度越小，方位向干擾效果越密集。

3)旋轉角反射器初始相位角φ0

3 仿真實驗

為了驗證理論分析的正確性和干擾的有效性，對旋轉角反射器按照RD成像算法進行成像仿真。設SAR工作于正側視，其主要實驗參數如表1所示。

表1 SAR實驗參數

3.1 瞬時斜距近似的可行性仿真驗證

在旋轉角反射器SAR成像推導過程中，式(1)和式(2)中有兩處近似，下面對真實距離值和兩個近似后距離值在慢時間ta從-TL/2到TL/2的變化進行仿真，結果如圖5所示。

圖5 真實距離值和近似距離值對比圖Fig.5 The contrast between the real distance and approximate distance

圖5為真實距離值和近似距離值對比圖，其橫坐標表示慢時間ta，縱坐標表示旋轉角反射器與SAR間的距離。可見，近似距離值與真實值在任意ta時刻均相差很小，從而可以說明仿真中的近似是可行的。

3.2 各干擾參數的影響仿真

1)等效半徑的影響

旋轉角反射器放置于(0,10 000,0)處，取旋轉角速度ωa=1.5π，等效半徑r0依次為0.1 m,0.2 m,0.3 m，進行仿真實驗來分析等效半徑對成像的影響。圖6為不同等效半徑下旋轉角反射器成像圖，由式(13)可知，當r0=0.1 m時，所有像元跨度ΔL=54 m；當r0=0.2 m時，所有像元跨度ΔL=103 m；當r0=0.3 m時，所有像元跨度ΔL=149.17m。將圖6(a)、(b)、(c)實驗結果與上述理論值進行對比，實驗結果與理論分析結果吻合。

2)旋轉角速度的影響

根據第2節可知當ωa=π時，像元間距Δx=1.06m，所有像元跨度ΔL=66.25m；當ωa=2π時，像元間距Δx=2.12m，所有像元跨度ΔL=134.8m；當ωa=3π時，像元間距Δx=3.18m，所有像元跨度ΔL=200m。像元亮度的明暗變化是由于干擾幅度受Bessel函數調制的結果。將圖7(a)-(c)結果與上述理論值進行對比，發現仿真結果與理論分析結果基本一致。

3.3 陣列旋轉角反射器干擾效果

圖8 干擾效果圖

3.4 外場試驗結果

為了更好地證明本文方法的可行性，對旋轉角反射器進行了外場成像試驗。試驗過程中，在場景中放置一臺旋轉角反射器，其成像結果如圖9所示。從圖9(b)可以看到，在放置旋轉角反射器的石子路面上出現了一條明亮的直線，再次證明了本方法的正確性。

圖9 SAR成像處理結果Fig.9 The result of SAR images

4 結論

本文提出了旋轉角反射器陣列對SAR-GMTI的無源遮蔽干擾方法。該方法利用旋轉角反射器的微多普勒調制在方位向上形成干擾條帶，通過多個旋轉角反射器L形排布在距離向上形成壓制干擾，由于旋轉的微動特性，回波信號經GMTI處理后不能被對消，因此該方法對SAR-GMTI具有大面積遮蔽干擾效果。仿真實驗表明，此方法能夠對SAR-GMTI產生大面積的遮蔽干擾效果。

[1]陳勇，趙惠昌，陳思，等.彈載合成孔徑雷達成像處理算法綜述[J].探測與控制學報，2015,37(6):1-6.

[2]Sjogren T K, Viet T V, Pettersson M I, et al.Suppression of clutter in multichannel SAR/GMTI[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2014, 52(7): 4005-4013.

[3]張煥勝.機載SAR地面運動目標檢測與成像技術研究[D].北京：中國科學院電子學研究所, 2006.

[4]李兵，洪文.合成孔徑雷達噪聲干擾研究[J].電子學報，2005,32(12):2035-2037.

[5]吳曉芳, 李金梁, 邢世其, 等.SAR的箔條干擾技術研究[J].現代雷達, 2010, 32(7): 58-62.

[6]李傳中, 蘇衛民, 顧紅, 等.改進的合成孔徑雷達間歇采樣轉發干擾[J].電波科學學報, 2014, 29(6): 1045-1050.

[7]張靜克, 代大海, 邢世其, 等.對調頻斜率極性捷變SAR間歇采樣轉發干擾效果分析[J].系統工程與電子技術, 2015, 37(5): 1030-1034.

[8]徐少坤, 李亞楠, 付耀文.欺騙式動目標SAR干擾技術研究[J].現代雷達, 2008, 30( 7): 94-98.

[9]吳曉芳, 王雪松, 梁景修.SAR-GMTI 高逼真勻速運動假目標調制干擾方法[J].宇航學報, 2012, 33(10): 1472-1479.

[10]吳曉芳, 梁景修, 王雪松, 等.SAR-GMTI勻加速運動假目標有源調制干擾方法[J].宇航學報,2012, 33(6):761-768.

[11] ZHOU Feng, ZHAO Bo, TAO Mingliang, et al.A large scene deceptive jamming method for space-borne SAR[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2013,51(8): 4486-4489.

[12]黃龍，董春曦，趙國慶.利用多干擾機對抗SAR 雙通道干擾對消技術的研究[J].電子與信息學報,2014,34(4): 903-907.

[13]黃龍，董春曦，沈志博，等.多天線干擾機對抗InSAR雙通道干擾對消的研究[J].電子與信息學報, 2015, 37(4): 914-918.

[14]孫光才，白雪茹，周峰，等.一種新的無源壓制性SAR干擾方法[J].電子與信息學報, 2009,31(3):610-613.

[15]劉業民.對SAR-GMTI有源欺騙干擾研究[D].長沙：國防科技大學，2010.

A Passive Shading Jamming Method to SAR-GMTI Using Array Rotating Angular Reflectors

ZHOU Yang, FANG Mingxing, BI Daping, SHEN Aiguo

(Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China)

Due to the strict requirements and high expense of positive jamming equipment for SAR-GMTI systems, a passive shading jamming method againest SAR-GMTI by utilizing array rotating angular reflectors was proposed. This method used micro-Doppler modulation induced by rotating angle reflectors to form jamming strips, and used azimuth and L arrays of rotating angle reflectors to form barrage jamming. Because of the rotating micro-motion features, the jamming echo could not be cancelled by GMTI. Simulation results showed that the method could provide a big shading jamming area.

synthetic aperture radar-ground moving target indication(SAR-GMTI); rotating angular reflector; Micro-Doppler modulation; passive jamming

2016-11-17

國家自然科學基金項目資助(61171170)；總裝預研基金項目資助(5133030103)

周陽(1991—)，男，江西南昌人，博士研究生，研究方向：SAR信號處理及SAR對抗理論。E-mail:zhouyanglb@163.com。

TN911

A

1008-1194(2017)02-0087-07