對SAR地面動目標檢測系統的運動調制假目標干擾*

解禮

(國防科技大學 電子對抗學院,安徽 合肥 230037)

0 引言

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)具有全天時、全天候高分辨對大區域地面進行成像的功能[1]，能夠準確地發現地面軍事目標(如坦克陣地、機場等)，因此具有極大的威脅性。為了保護己方敏感軍事目標免遭敵方SAR探測或者破壞敵方SAR工作效能，許多對抗SAR的干擾方法應運而生[2-11]。文獻[2]研究了對SAR的噪聲干擾方法，能夠實現對SAR的大面積遮蔽干擾效果，但是由于噪聲干擾無法獲得距離向和方位向的壓縮增益，因此往往需要很大的干擾能量，而且遮蔽干擾效果一般。為了提高干擾效率，文獻[3-8]研究了對SAR的轉發干擾，主要是將截獲的SAR信號經過簡單的處理后轉發出去，由于干擾信號與SAR信號高度一致，因此轉發干擾具有距離和方位向的高增益，需要的干擾功率很低。還有文獻提出了對SAR的無源干擾方法，如角反射器干擾[9-10]和箔條干擾[11]，它們具有干擾成本低、實施方便的優點。隨著SAR技術的不斷發展，多通道SAR-GMTI技術[12-13]逐漸發展成熟，它具有SAR沒有的動目標檢測能力，能夠檢測軍事機動目標，因此更具威脅性。目前，對合成孔徑雷達-地面動目標檢測系統(SAR-GMTI)的干擾技術研究已成為研究熱點。

由于靜止目標干擾(例如箔條干擾[11]或角反射器干擾)或者一般常規SAR虛假目標欺騙干擾[3-4,7]沒有運動信息，因而經過SAR-GMTI處理后可能會被濾除，從而失去效果。本文研究一種具有運動信息的假目標干擾方法，該方法主要思想是在靜態轉發干擾的基礎上，將運動的相位信息調制在截獲的SAR信號上，再將調制后的干擾信號轉發出去，使得干擾信號具有運動信息，從而不會被SAR-GMTI處理對消。

1 干擾信號模型

R1(ta)=

(1)

圖1 SAR成像場景圖Fig.1 Imaging scene map of SAR

若P保持靜止，則ta時刻P與SAR距離R2(ta)表達式為

(2)

設SAR發射的線性調頻信號可寫為

(3)

(4)

式中：μa=-2v2/λR0。

本文干擾原理是在常規的轉發干擾基礎上，加上一個運動附加相位Δφ，這樣就能改進常規轉發干擾的性能，使得轉發干擾具有運動特性。設干擾機J位置為(xj,yj,0)，任意時刻干擾機到SAR的斜距為Rj(ta)。那么在干擾機截獲的SAR信號上調制相位Δφ，再轉發出去，即能完成干擾。此時，SAR接收到達干擾信號的基帶形式為

(5)

2 干擾效果分析

2.1 干擾SAR成像輸出

運動調制干擾信號成像輸出流程圖如圖2所示，下面將逐步推導干擾信號的成像輸出。

圖2 干擾信號經過SAR的成像處理流程圖Fig.2 Flow chart of SAR imaging processing of jamming signal

(1) 距離壓縮

干擾經距離向壓縮處理后，表達式為

(6)

(2) 距離徙動校正

距離徙動校正是指將式(6)包絡中的Rj(ta)變為與方位時間ta無關的量Rj，使得距離和方位向能夠獨立處理。校正后的信號S3表達式為

(7)

(3) 方位壓縮

信號進行方位壓縮時，輸出為ta的互相關函數。經方位壓縮后可得最終成像的表達式為

(8)

(9)

由干擾成像表達式可見，干擾信號經過SAR處理后能獲得全部的距離向增益和部分方位向增益，因而所需的干擾發射峰值功率較低，相對于非相干干擾具有較大的功率優勢。而且，經方位壓縮后干擾成像表達式沿著方位向仍然具有能量殘余，說明該干擾具有對SAR的方位向干擾能力。

2.2 對SAR-GMTI的干擾性能分析

多通道SAR-GMTI系統具有消除地面靜止雜波和發現地面動目標的能力，運動調制干擾在通過該系統后是否仍有好的干擾效果(對地面動目標而言)，這十分值得研究。當SAR-GMTI采用三孔徑對消處理時，陣列天線采用一發三收工作模式[10]，由沿航跡、以等間隔Da線性排列的3個接收子孔徑構成，由中間孔徑天線發射信號，3個孔徑同時接收回波信號，其系統模型如圖3所示。

圖3 三通道SAR-GMTI系統模型Fig.3 Model of three channel SAR-GMTI system

三天線沿航跡以等距排列，間距為Da，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3個通道的距離傳播路程分別為Rj1=Rja2+Rja1，Rj2=2Rja2，Rj3=Rja2+Rja3，其中Rja1，Rja2，Rja3表達式為

(10)

因此，3個通道接收到的信號分別為

(11)

進行距離壓縮，可得

(12)

(13)

經偏差補償，再分別進行方位壓縮，可得

(14)

還需沿航跡方向的位置偏差，相應補償函數為

(15)

相應相位補償后，進行雜波對消可得

(16)

對式(16)取模，可得到干擾通過SAR-GMTI系統后的輸出幅度為

(17)

(18)

(19)

由式(19)可知，干擾機位置，距離向和方位向速度、加速度取值將直接影響到雜波對消后勻加速運動假目標的保留能量的大小。當xjvx+yjvy+(xjax+yjay)τ*=nλRjv/Da時，干擾能量將被全部對消；當xjvx+yjvy+(xjax+yjay)τ*=(n+1/2)λRjv/Da時，干擾能量得到最大程度的增強，可達到對消前的4倍；其余值均介于0～4倍之間。

3 仿真實驗

為了驗證理論分析的正確性，根據式(5)生成的干擾信號按照距離多普勒(range-Doppler,RD)成像算法進行干擾仿真。設SAR工作于正側視，系統參數見表1，干擾機坐標為(0,10 000,0)，干擾參數見表2。

表1 SAR系統參數Table 1 Parameters of SAR system

表2 假目標運動調制干擾參數Table 2 Parameters of false target motion modulation jamming

設一輛運動裝甲車在坐標為(0,9 700,0)以vx=2 m/s，vy=2 m/s，ax=1 m/s2，ay=1 m/s2勻加速運動。現欲產生與運動裝甲車類似的勻加速運動假目標欺騙敵方SAR-GMTI探測系統，達到以假亂真的效果。為達到欺騙效果，將干擾機的干擾參數設置為vx=2 m/s，vy=2 m/s，ax=1 m/s2，ay=1 m/s2，即與運動裝甲車運動參數一致。虛假運動目標干擾效果仿真圖如圖4所示。

圖4 運動調制干擾效果Fig.4 Effect of motion modulation jamming

圖4a)表示SAR受到虛假勻加速運動目標調制干擾的干擾圖，靜止參考點清晰可見，運動裝甲車的運動使得裝甲車成像發生了偏移和展寬，在裝甲車成像的下方有一條與裝甲車成像效果相同的展寬亮線，這是產生的干擾效果；圖4b)表示經過GMTI處理后的干擾效果圖，靜止參考點經過GMTI處理已被對消，運動裝甲車和干擾成像沒有被對消，而且干擾假目標和真實目標成像結果非常相近，無法區分；圖4c),d)分別是圖4a),b)的三維效果圖，其縱坐標表示信號經處理后的幅度相對值，從圖4d)中可見，運動裝甲車和干擾經GMTI處理后，幅度均得到了增強，這與3.2節分析相一致。從圖4a),b)的仿真干擾效果圖中可以看到，已無法辨認出真實運動目標和虛假運動目標，說明本文提出的干擾達到了欺騙的效果。

為了說明運動調制干擾的優越性，下面利用干擾機對SAR進行間歇采樣轉發干擾[3]，仿真場景不變，干擾結果如圖5所示。其中，圖5a)和圖5b)分別表示間歇采樣轉發干擾對消前干擾效果。可見，間歇采樣干擾通過SAR-GMTI處理后，干擾能量已被消除，說明間歇采樣轉發干擾對SAR-GMTI沒有欺騙干擾效果。因此，運動調制干擾對SAR-GMTI系統的干擾效果優于間歇采樣轉發干擾。

圖5 間歇采樣干擾效果Fig.5 Effect of intermittent sampling jamming

4 結束語

本文提出了一種對SAR-GMTI的運動調制干擾方法，理論推導和仿真實驗均證明了該干擾的有效性。經過理論推導，表明該干擾SAR成像后是一條沿方位向的亮線，而且經SAR-GMTI通道對消后無法消除。經過仿真實驗，表明該干擾經過SAR成像后產生虛假目標，經過SAR-GMTI處理后無法被對消，而且對SAR-GMTI具有較強的迷惑性，使得SAR-GMTI無法區分真實目標，削弱了SAR-GMTI的探測性能。因此，本文干擾方法是一種對SAR和SAR-GMTI都有效的干擾方法。