散射波干扰对多通道SAR-GMTI的对抗性能分析

房明星，毕大平，沈爱国

(电子工程学院 503教研室,　合肥 230037)



·电子对抗·

散射波干扰对多通道SAR-GMTI的对抗性能分析

房明星，毕大平，沈爱国

(电子工程学院 503教研室,合肥 230037)

针对散射波干扰对多通道合成孔径雷达-地面动目标显示(SAR-GMTI)的对抗性能展开研究，文中给出了散射波干扰原理，分析了散射波干扰在SAR距离向和方位向的干扰效果，采用三通道干涉对消技术分析了散射波干扰对多通道GMTI的对抗性能。理论分析和仿真实验表明：散射波干扰对多通道SAR-GMTI仍然具有假目标干扰效果，由于多通道GMTI对干扰的抑制和对消，假目标幅度受正弦调制系数的影响将出现增强区和削弱区。

合成孔径雷达-地面动目标显示；散射波干扰；对抗性能；干涉对消

0　引　言

合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，具有全天时、全天候和透视性等特点，已广泛用于军事侦查、地图测绘以及导弹末端图像匹配制导等方面[1]。地面动目标显示(GMTI)技术能够检测和跟踪地面运动目标，将SAR与GMTI相结合即SAR-GMTI，已成为战略情报侦察和战场监视系统的重要发展趋势[2-3]。SAR-GMTI系统的快速发展和应用，使敌方能够快速洞悉地面运动战略目标的军事意图，严重削弱了我方重要地面军事运动目标的作战效能以及战时生存能力，当前，对SAR-GMTI干扰技术研究已成为电子对抗领域的热点问题[4-6]。

SAR-GMTI通常采用多个通道对杂波和干扰进行抑制和对消，常规的SAR干扰信号很容易被多通道SAR-GMTI所抑制[7-10]，干扰效果不尽人意。目前，针对SAR-GMTI的干扰技术相对较少，主要集中在对SAR的虚假动目标欺骗干扰[11-12]，干扰信号产生通常需要复杂的调制，对侦察依赖度较高，干扰的实时性和有效性有待进一步提高。散射波干扰能够携带丰富的地物散射信息和多普勒频移，干扰机位置隐蔽且实现简单，干扰信号可以获得很高的匹配处理增益，可有效干扰SAR对地物目标的识别、成像。文献[13]较早地提出了SAR散射波干扰方法，从原理上说明了散射波干扰相对于直达波干扰的优势，并针对机载和星载SAR进行了仿真对比分析；文献[14]通过对SAR信号进行距离向延时和方位向相位补偿，使得散射波干扰信号与回波信号的距离向频率和方位向相位保持一致，从而实现了SAR散射波欺骗场景干扰；文献[15]详细研究了散射波干扰对SAR成像的干扰效果，并利用散射波干扰因子对SAR目标方位向特性进行了分析；文献[16-17]则分别结合间歇采样干扰和余弦调相转发干扰对散射波干扰进行了扩展，可对SAR形成二维多假目标干扰效果。可见，SAR散射波技术研究已较为成熟，但散射波干扰对多通道SAR-GMTI是否具有干扰效果，干扰效果和对抗性能如何却鲜有报道。基于上述背景，本文针对散射波干扰对多通道SAR-GMTI的对抗性能展开研究，理论推导了散射波干扰对SAR和三通道SAR-GMTI的干扰成像输出，并进行了仿真实验分析。

1　散射波干扰原理

SAR散射波干扰的基本原理如图1所示，当SAR雷达波束照射到干扰机时，干扰机接收SAR信号，并将信号放大后投射到选定的散射区域，SAR接收到经地物散射形成的散射波干扰信号，从而达到预期干扰目的。

图1　散射波干扰原理框图

设SAR平台以速度v沿x轴正方向运动，其方位向慢时间ta=0时的地面投影为坐标原点O，SAR平台瞬时坐标为(vta,0,H)，干扰机J坐标为(xj,yj,h)，散射区域内目标T坐标为(xt,yt,0)，根据散射波干扰原理，对任意慢时间ta，干扰回波的传播路径为

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

(1)

(2)

(3)

式中：Rj0、Rt0为ta=0时Rrj(ta)和Rtr(ta)的初始斜距，可求得干扰信号的多普勒中心频率fjc1和多普勒调频率ua1分别为

(4)

目标回波信号SAR匹配滤波器的多普勒中心频率和多普勒调频率分别为fc=2vxt/λRt0和ua=-2v2/λRt0，对比式(4)可知，由于Rj0≠Rt0，散射波干扰信号的多普勒参数与匹配滤波器之间存在着匹配失配，其中，多普勒中心频率失配导致目标方位向位置的偏移，多普勒调频率失配将导致方位向的散焦。通常情况下H≫h，且为了确保散射波干扰的实时性和有效性，干扰机通常部署在距离目标较近的位置，因此可认为Rj0≈Rt0，此时多普勒调频率失配小于1%，可忽略多普勒调频率失配对散射波干扰的影响[17]，即散射波干扰可产生携带真实目标散射信息的假目标欺骗干扰效果。

2　散射波干扰对SAR的干扰效果分析

2.1距离向干扰效果

在分析散射波干扰对多通道SAR-GMTI的对抗性能之前，首先，分析散射波干扰对SAR的干扰效果。设SAR发射的线性调频信号表达式为

(5)

式中:rect(·)为矩形窗函数；tr为距离向快时间；ta=mTq(m=0,1,2,…,M)为方位向慢时间，Tq为脉冲重复周期；全时间t=tr+ta；Tq为脉冲宽度；f0为载频；ur为调频斜率。忽略干扰机的转发延时，SAR接收到的基频干扰信号为

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，即所形成的假目标位置滞后于真实目标。

2.2方位向干扰效果

sja(tr,ta)=sjr(tr,ta)⊗ha(ta)=

(9)

式中：“⊗”表示卷积。在Fresnel近似条件下，SAR方位向慢时间信号仍可视为线性调频信号，且具有较大的时宽带宽积，故可采用驻定相位原理对式(9)进行近似求解[6]，则方位向慢时间的待积分相位项为

φ(τ)=-2πRj(τ)/λ-πua(ta-τ)2=

2πfc1τ+πua1τ2-πua(ta-τ)2

(10)

对式(10)关于τ求导，可得驻定相位点处的关系式为

(11)

(12)

则干扰信号经过方位向匹配滤波的输出包络为

sinc[πua(ta-tam)(TL-|ta|)]

(13)

x*=(xj+xt)/2

(14)

假目标方位向位置偏移量为

Δx=x*-xt=(xj-xt)/2

(15)

即假目标方位向位置为干扰机和真实目标方位向距离和的一半，方位向位置偏移量为干扰机和真实目标方位向距离差的一半。通过以上分析可知，散射波干扰信号所形成的假目标位置相对真实目标在距离向和方位向均有所偏移。因此，在实际应用中必须对干扰机进行合理配置才能满足假目标位置和功率等方面的需求。

3　散射波干扰对SAR-GMTI的对抗性能分析

散射波干扰可对SAR形成逼真的假目标干扰效果，但对于SAR-GMTI而言，可通过杂波和干扰的抑制、对消来实现动目标检测和成像。因此，散射波干扰对SAR-GMTI的干扰效果亟需进一步研究。GMTI按实现方式的不同可分为两类：一是单通道GMTI，该方式对硬件需求较低，运算量相对较小，但是对弱目标或慢速目标的检测性能较差；二是多通道GMTI，该方式通过增加雷达系统空间维信息对杂波实现良好的抑制和对消，能够在低信噪比条件下对慢速运动目标进行有效检测，主要包括DPCA、STAP、ATI等，这里采用三通道干涉技术分析散射波干扰对SAR-GMTI的对抗性能[3]，其几何模型如图2所示。

图2　三通道SAR-GMTI干涉处理几何模型

三个通道的子孔径天线以等间隔D沿航迹排列，采用一发三收工作模式，即子孔径2发射SAR信号，三个孔径同时接收回波信号，子孔径1、2、3的瞬时坐标分别为(vta+D,0,H)、(vta,0,H)、(vta-D,0,H)，则散射波干扰信号到三个通道的传播路程分别为

(16)

忽略干扰机转发延迟影响，三个通道接收到的干扰信号分别为

(17)

仍采用R-D成像算法对干扰信号的成像结果进行分析，则三个通道接收到的干扰信号经过距离向匹配滤波可得

(18)

(19)

利用式(19)对通道1和3进行多普勒中心频率偏差补偿，并进行方位向匹配滤波可得

(20)

由式(20)可知，通道2的匹配滤波结果与式(13)一致，但由于各接收通道存在沿航迹方向的位置偏差，在进行杂波对消之前，必须补偿由位置偏差引起的相位偏差，相应的补偿函数为

(21)

利用式(21)进行相位误差补偿，并进行杂波对消可得

(22)

对式(22)取模，则散射波干扰信号通过SAR-GMTI系统后的输出幅度为

sinc[πua(ta-tam)(TL-|ta|)]|·

(23)

4　仿真实验分析

采用表1的仿真实验参数验证散射波对三通道SAR-GMTI的对抗性能，设SAR成像场景距离向范围为[9 800m, 10 200m]，方位向范围为[-150, 150]，场景中心坐标为 (斜距-方位坐标)，无干扰时通道2的成像场景如图3a)所示，场景中包含9个静止强散射目标(如坦克、汽车等)，其坐标分别为[10 000,0]，[10 000±10, 0]，[10 000, -18]，[10 000±10, -18]，[10 000, 15]，[10 000±10, 15](按方位向位置分为三组)。

表1仿真实验参数

依据散射波干扰原理，假设干扰机坐标为[9 800,0]，干扰机高度h=50m，转发延迟为0.2μs，干信比JSR=5dB，图3b)为散射波干扰时通道2成像结果。从干扰成像结果可以看出，忽略微小调频率失配的影响，散射波干扰能够对SAR形成逼真的假目标欺骗干扰效果，此时各假目标在距离向滞后真实目标约40m，三组假目标方位向位置坐标分别为-9m、0m、7.5m，仿真结果与式(8)和式(14)理论推导一致，从而验证了散射波干扰对SAR干扰的可行性和有效性。

图3　SAR散射波干扰成像结果

采用三通道干涉技术对散射波干扰和背景杂波进行对消处理，图4分别为两种情况下的通道1和2的对消成像结果。从对消结果可以看出，三通道SAR-GMTI对背景杂波和静止强散射目标均具有良好的对消性能，而对散射波干扰在不同情况下会出现削弱区和增强区。其中，图4a)为图3b)的对消成像结果，此时中间组强散射目标的方位向位置与干扰机相同，散射波干扰对消后幅度为0，其余两组散射波干扰对消后正弦调制系数ρ<0.4，即两组散射波干扰处于削弱区。由此可见，当散射目标方位向位置位于干扰机附近时，干扰调制系数ρ<1，从而导致散射波干扰的能量被削弱。重新设置干扰机坐标为[9 800, -120]，其余仿真条件不变，对消成像结果如图4b)所示，此时对消后正弦调制系数ρ≈1.2，散射波干扰处于增强区，散射波干扰信号能量得到增强，尽管由于多普勒参数的失配导致成像结果发生微小的扭曲和变形，但仍然具有逼真的假目标欺骗干扰效果。因此，在实际的干扰机配置中需要兼顾干扰能量对消和多普勒失配的影响，既保证对消后干扰的能量，又使多普勒失配的影响在可容许范围内，从而最大限度地提高散射波干扰对多通道SAR-GMTI的对抗性能。

图4　三通道SAR-GMTI对消成像结果

5　结束语

本文在SAR散射波干扰原理基础上，针对散射波干扰对多通道SAR-GMTI的对抗性能进行了分析。研究结果表明：散射波干扰对SAR和SAR-GMTI均能够形成假目标干扰效果，二者的主要区别在于假目标能量的对消情况，由于SAR-GMTI对干扰信号的对消处理，是依据干扰机方位向位置的不同，其所形成的假目标幅度受到正弦系数的调制。因此，假目标幅度会出现增强和削弱。本文研究成果能够有效提高SAR-GMTI对抗能力，进一步增强我方地面军事运动目标的保护能力，具有较强的军事应用价值。

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房明星男，1988年生，博士研究生。研究方向为SAR信号处理及SAR对抗理论。

毕大平男，1965年生，教授，博士生导师。研究方向为电子对抗侦察和干扰新技术。

沈爱国男，1975年生，博士，讲师。研究方向为雷达信号处理、雷达干扰与抗干扰技术。

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