对SAR-GMTI的大区域遮蔽有源-无源协同干扰方法

周 阳, 毕大平, 沈爱国

(国防科技大学电子对抗学院, 安徽 合肥 230037)

0 引 言

合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)虽能获得地面高分辨图像[1],但无法检测运动目标,且对运动目标的成像会发生方位向散焦或偏移。合成孔径雷达地面动目标检测(SAR-ground moving target indication,SAR-GMTI)系统弥补了合成孔径雷达这方面的不足,能够检测地面运动目标[2],并且能够根据沿迹干涉技术(along track interference,ATI)获取动目标运动信息,实现动目标方位向聚焦成像和重新定位[3-5],因此SAR-GMTI系统能轻易识别军事运动目标并确定其坐标,从而引导导弹摧毁。SAR-GMTI的出现对装甲车等动目标战时生存产生了较大威胁,所以对该系统干扰的研究已成为电子对抗领域的热点问题[6]。

SAR-GMTI系统一般采用通道对消技术消除干扰和地杂波[7],仅留下运动目标的回波信息,达到对动目标的检测功能。常规的SAR干扰方法[8-9]可能对SAR-GMTI系统失去效果,因此对SAR-GMTI的干扰必须有别于对SAR的干扰。文献[10]提出了对SAR-GMTI的运动调制干扰,该方法在截获的SAR信号上调制具有运动特性的相位,能够产生逼真的虚假动目标,但由于缺乏二维干扰效果无法保护分布式目标;文献[11-12]针对这一问题提出了遮蔽区域可控的压制干扰,该方法能够产生灵活可控的区域压制干扰效果,可以保护一定区域内的分布式目标,但对侦察精度和干扰机收发隔离要求较高,因此要实现良好区域压制不够稳健;文献[13-14]提出基于旋转角反射器的对SAR-GMTI的无源压制干扰方法由于没有严格的侦察要求又易于工程实现,而且干扰效果基本不受SAR 抗干扰体制[15-16]的影响,具有稳健的压制干扰效果,但是旋转角反射器阵列摆放常受地形限制,压制区域一般无法改变,不够灵活。针对以上问题,本文提出一种对SAR-GMTI的大区域遮蔽有源-无源协同干扰方法,该方法以无源干扰作为有源-无源干扰的主体部分,有源干扰协同工作作为无源干扰的补充,能够实现对SAR-GMTI的大区域遮蔽干扰效果。首先给出了有源-无源遮蔽干扰模型,在分析对SAR-GMTI干扰效果的基础上,着重讨论了有源-无源干扰如何协同工作实现最佳优势互补,该方法为SAR-GMTI的干扰提供了一种更加稳健有效的大区域压制手段。

1 有源-无源干扰模型

如图1所示,飞机高度为H,沿x轴做匀速直线运动,速度为v。合成孔径时间为TL=L/v,其中,L为合成孔径长度。

1.1 无源干扰模型

单个旋转角反射器SAR成像后会产生平行于航迹的条状干扰[14],如图1所示,将多个旋转角反射器L形排布于成像场景中,能够对SAR产生区域遮蔽干扰效果,这就构成了无源遮蔽干扰的模型。L形排布的原因是保证对任何飞行航迹的SAR均能产生较大面积遮蔽干扰效果。设所有旋转角反射器旋转半径为r,第i个旋转角反射器旋转中心坐标为(xi,yi,0),旋转初始相位为αi,则该角反射器到SAR间的距离为Rji(ta)表达式为

(1)

SAR发射的线性调频(linear frequency modulation, LFM)信号表达式为

(2)

(3)

式中,c为光速;μr为距离向调频率;波形常数k=2π/λ。

1.2 有源干扰模型

运动调制干扰通过设置干扰参数可以产生方位向条带干扰效果[11],距离向间歇采样干扰可在距离向上产生大量周期延拓假目标[17],结合这两种干扰的特点,可以实现一定的遮蔽干扰效果[18]。

sJ(tr,ta)=s(tr,ta)·p(tr)·exp[jΔφ(ta)]

(4)

式中,s (tr,ta)是干扰机截获的SAR信号；Δφ(ta)是运动附加相位,其表达式[10-11]为

Δφ(ta)=

(5)

间歇采样脉冲信号p(tr)为矩形包络脉冲串(见图2),其表达式为

(6)

式中,Ts为采样周期;Tw为采样脉冲宽度;δ(·)为冲击函数;an=Twfssinc(nπTwfs)=Drsinc(nπDr)为幅度加权系数;Dr=Tw/Ts=Twfs为占空比。

图2 间歇采样脉冲串Fig.2 Intermittent sampling pulse series

将无源干扰与有源干扰协同工作,能够实现两种干扰体制优势互补,称这种新的干扰方法称为有源-无源干扰。

2 对SAR-GMTI的有源-无源干扰效果分析

多通道SAR-GMTI通常利用通道间的对消来抑制地杂波,即使信噪比较低时,该系统仍可以有效检测动目标。本文主要研究对三通道SAR-GMTI的干扰原理,其斜距平面如图3所示。

如图3所示,SAR-GMTI系统沿平台飞行方向放置了3幅天线1、2、3,相邻天线相位中心沿航迹以等间隔Da线性

排列。阵列天线采用一发三收工作模式,即2号天线发射电磁波,3幅天线同时接收。干扰信号到1、2、3号天线的路程分别为RJ1=(RJa2+RJa1),RJ2=2RJa2,RJ3=(RJa2+RJa3),RJa1、RJa2、RJa3表达式如式(7)所示。

图3 三通道SAR-GMTI斜距平面几何模型Fig.3 Sketch map of tri-channel SAR-GMTI

(7)

SAR信号经第i个角反射器反射到3个天线的距离传播路程分别为Ri1=(Ria2+Ria1),Ri2=2Ria2,Ri3=(Ria2+Ria3),Ria1、Ria2、Ria3表达式为

(8)

1、2、3号天线截获的干扰信号分别为(不计干扰机转发延迟)

(9)

式中,h(tr,ta)为有源干扰信号的窗函数;σJ为有源干扰信号强度;σi为第i个旋转角反射器反射信号强度。

为了3个通道间能达到好的对消(处理流程见图4),在利用RD算法对3个通道接收信号进行处理的同时,还需要以2号通道为基准,补偿1、3两通道存在的多普勒中心频率偏差,且在通道对消前还需补偿因通道位置间隔产生的相位偏差。其补偿函数为

(10)

图4 三通道干涉对消技术动目标检测处理框图Fig.4 Process diagram of tri-antenna interference cancelling technique

经补偿处理,3个通道最终成像结果为

(11)

(1) 有源遮蔽干扰J1(tr,ta)成像结果分析

(12)

(13)

由式(13)可知,运动目标会发生方位向偏移,且目标像会发生展宽和散焦,这就是运动调制效应。干扰条带方位像中心偏移位置和展宽量分别为

(14)

(15)

由式(12)知,产生的干扰条带在距离向以ncfs/2μr等间隔排布。一般地,干扰条带有floor (2/Dr)-1个,其中floor(·)表示向下取整。由此会形成一个干扰遮蔽面,可以计算出有效遮蔽干扰的面积为

(16)

(17)

由式(17)可以看出,它的成像结果是在方位向上以各个旋转角反射器为中心向两边周期延拓的像元,两像元间距Δx=-ωav/2πμa,其幅度受第一类Bessel函数调制。由于旋转反射器反射回波强度往往强于一般地物回波百倍以上,当角反射器转速不太快时,所有像元间距小于SAR方位向分辨率,就能有效形成大面积遮蔽干扰。由文献[14]得知有效像元个数M为

(18)

式中,Bm为转动调制带宽;Ba为多普勒带宽。根据像元个数M可以计算出旋转角反射器有效遮蔽面积为

Sj=(M-1)·Δx·δL

(19)

式中,δL为旋转角反射器阵列相对于飞行航迹的纵深。

SAR-GMTI检测运动目标最为关键的一步是通道间的两两对消。在对消前,要补偿天线位置偏差,对应补偿函数为

(20)

经相位补偿,通道1、2和通道2、3对消后可得

(21)

在式(21)中分别对有源干扰部分和无源干扰部分取模,可得到有源干扰和无源干扰对消后的输出幅度AJ和Aj为

(22)

由式(22)可知,干扰机位置,干扰机运动调制参数将直接影响到有源干扰部分对消后输出幅值的大小,当ta=xJ/v或xJvx+yJvy+(xJax+yJay)τ*=nλRJv/Da时,有源干扰输出值为0;当xJvx+yJvy+(xJax+yJay)τ*=(n+1/2)λRJv/Da时,干扰输出值为对消前的2倍;其余输出均不被对消。角反射器位置、旋转半径和角速度的取值将直接影响到无源干扰部分对消后输出幅值的大小,当ta=xi/v或nωaDa/4v=mπ(m,n∈Z)时,无源干扰部分输出值为0;当nωaDa/4v=(1/2+m)π(m,n∈Z)时,无源干扰部分输出值最大,可达到对消前幅值的2倍;其余输出幅值随着阶数呈正弦规律变化。上述分析说明有源-无源干扰经过GMTI处理后不会被对消,能够起到遮蔽干扰效果。

3 有源-无源干扰协同

有源干扰和无源干扰协同工作,能够解决有源干扰可能出现的侦察误差、干扰转发不及时和敌方采取抗干扰措施等不稳健因素造成的干扰失效问题,同时能够弥补由于无源干扰配置不灵活导致的干扰盲区问题,因而能对SAR-GMTI系统形成稳健的大面积遮蔽干扰效果。有源干扰和无源干扰如何协同工作才能达到更好的优势互补,这非常值得研究。由于旋转角反射器阵列成本低,且对SAR-GMTI具有稳健的大面积干扰,所以这里将无源干扰作为有源-无源干扰的主体部分,有源干扰协同工作作为无源干扰的补充。

根据第2节对旋转角反射器阵列干扰效果分析可知,在ta=xi/v附近时无源干扰部分的SAR-GMTI输出值几乎为0,这说明在摆放旋转角反射器阵列附近位置处干扰遮蔽效果将会被对消,也就是说,如果运动目标成像后位置落在此区域,将会被SAR-GMTI检测,并准确估计出动目标运动参数。这部分干扰对消区域几乎占整个理想遮蔽区域的20%～30%,严重影响大场景遮蔽效果,因此非常有必要对此被对消的遮蔽区域进行有效地弥补。这里利用第1节介绍的有源干扰对无源干扰的遮蔽盲区进行补充,式(12)说明这种干扰可以产生遮蔽干扰效果,而式(14)～式(16)则反映了有源干扰遮蔽面的中心位置、长和宽等性质。有源干扰遮蔽面的性质可以通过设置运动调制参数、间歇采样周期和占空比来灵活改变。下面将具体给出如何设置干扰参数,以使得有源-无源干扰达到最佳效果。

干扰参数设置流程图如图5所示。无源干扰方面,旋转角反射器布阵时首先需要综合考虑地形、保护区域大小和预期干扰效果,选择旋转角反射器数目及放置间隔,让干扰设备满足最佳配置。最后根据两像元间距Δx=-ωav/2πμa小于方位向分辨率,选择合理的旋转半径和转速。有源干扰方面,从图5可以看到,干扰机与旋转角反射器阵列的位置是相对确定的,因而可以根据干扰机与旋转角反射器之间的相对方位向距离Δl,利用式(14)确定运动调制参数vx和vy,再根据旋转角反射器阵列相对于飞行航迹的纵深δL以及被对消区域的宽度ΔW(一般取值为0.3·(M-1)Δx),利用式(15)、式(16)确定运动调制参数ax和ay以及间歇采样频率fs和占空比Dr。

4 仿真实验

为了验证本文干扰方法的可行性,下面进行干扰仿真实验。设合成孔径雷达工作于正侧视,其主要参数如表1所示。

仿真1SAR和SAR-GMTI的场景成像

仿真场景是一个模拟军事基地,基地内有12辆静止的坦克,还有2辆运动装甲车。1、2号运动装甲车坐标分别为(80,10 000,0)m和(80,10 020,0)m,其运动状态分别为v1x=0,a1x=0,v1y=1.5 m/s,a1y=0.4 m/s2和v2x=0,a2x=0,v2y=3 m/s,a2y=0.3 m/s2。没有任何干扰时,SAR(通道2)的场景成像结果如图6(a)所示,12辆坦克清晰可见,而两辆运动装甲车发生了位置偏移和散焦;图6(b)表示SAR-GMTI(通道对消后)的场景成像图,可以看到静止地物回波基本上被消除,两辆运动装甲车被SAR-GMTI系统清楚地检测出来。经过后续的相位处理,SAR-GMTI系统能够将运动目标准确定位和聚焦,因而对运动目标构成了极大威胁。

仿真2旋转角反射器阵列对SAR和SAR-GMTI的干扰效果

在上述场景中将等效半径为ri=0.6 m的旋转角反射器L形排布,旋转角反射器旋转中心坐标为(0,10 000±7n,0)m、(7m,10 070,0)m,其中m,n取0～10的整数,1、2号运动目标参数设置与仿真1相同。根据表1参数可以计算出SAR方位向分辨率约为0.5 m,为了满足遮蔽条件要使两像元间距Δx=-ωav/2πμa小于方位向分辨率,故选取每个旋转角反射器旋转角速度为ωa=0.7π rad/s。旋转角反射器阵列对SAR干扰效果如图7(a)所示,可以看到场景被很好地遮蔽,已无法识别场景中的12辆静止坦克。从图7(a)中可以看到,遮蔽区域的方位向长度约为130 m,遮蔽面积约为18 200 m2,这与式(19)理论计算的结果基本一致,说明了理论分析的正确性。图7(b)表示通道对消后的无源干扰成像结果,干扰遮蔽面在垂直于航迹的旋转反射器阵列中心附近36 m区域范围被消除,这与前面的理论分析相吻合。成像后落入未被对消的遮蔽区的运动装甲车已无法被SAR-GMTI系统检测,而成像后落入被对消干扰对消区域的运动目标依然能够被SAR-GMTI系统清楚地检测。仿真结果说明,旋转角反射器阵列能对SAR和SAR-GMTI产生大区域干扰,但是由于SAR-GMTI的对消处理会产生一定的干扰对消区,因而遮蔽效果在一定程度上被削弱。为了全面分析干扰效果,增加了运动目标成像后不在中心时的干扰仿真。将1号运动目标参数设置为v1x=0,a1x=0,v1y=0.5 m/s,a1y=0.4 m/s2,2号运动目标运动参数同仿真1,此时干扰效果仿真如图7(c)、图7(d)所示。可见,在1号运动目标成像后不在场景中心时,两运动目标均落入了未被对消的遮蔽区,因此这种情况下旋转角反射器阵列能够实现良好的遮蔽干扰效果。

图7 旋转角反射器阵列干扰效果Fig.7 Effect of array rotating angular jamming

仿真3有源-无源协同干扰对SAR和SAR-GMTI

在上述摆放旋转反射器阵列的场景中增加一部干扰机,其放置坐标为(60,10 000,0)m,有源干扰参数符号如表2所示,运动目标参数设置与仿真1相同。根据第3节讨论的干扰参数设置流程,确定最佳协同的情况下有源干扰参数的选取。

表2 有源干扰参数

由Δl=60 m,利用式(14)得到运动调制参数vx=0和vy=1.8 m/s;根据ΔW=40 m利用式(15)得到运动调制参数ax=0和ay=0.8 m/s2;再根据δL=140 m,利用式(16)得到间歇采样周期Ts=6 μs和占空比Dr=5%。利用计算出的有源干扰参数进行仿真,在干信比为18 dB情况下得到有源-无源协同干扰对SAR干扰效果如图8(a)所示,场景被很好地遮蔽,无法识别场景中的12辆静止坦克。图8(b)表示通道对消后的有源-无源协同干扰成像结果,可以看到,通过合理的有源干扰参数设置,有源干扰很好地弥补了无源干扰的干扰对消区域,两辆运动装甲车均被干扰压制,已无法被SAR-GMTI系统检测。然而,仔细观察图8(b)中两个被遮蔽的运动目标像,仍能被隐约看到,这主要是由于干扰遮蔽面由若干干扰条带组成,而干扰条带间存在一定间隙,运动目标像会少量落在干扰条带间隙中,因此能被隐约看到。实际上,可以通过改变干扰参数(无源干扰方面,减小旋转角反射器阵列间的摆放间距;有源干扰方面,适当降低间歇采样频率fs),使得干扰条带间隙减小,从而更好地遮蔽运动目标。仿真结果说明，有源-无源协同干扰有效弥补了旋转角反射器干扰部分干扰遮蔽区域被SAR-GMTI系统消除的不足,真正实现了对SAR-GMTI的大区域遮蔽干扰效果。

图8 有源-无源协同干扰效果Fig.8 Effect of active and passive synergy jamming

5 结 论

本文提出一种对SAR-GMTI的有源-无源协同干扰方法,该方法以无源干扰作为有源-无源干扰的主体部分,有源干扰协同工作作为无源干扰的补充。理论分析表明,有源-无源协同干扰有效弥补了旋转角反射器阵列由于SAR-GMTI系统的对消处理后产生的干扰对消区,能够实现对SAR-GMTI的大区域遮蔽干扰效果。仿真实验表明,该干扰对SAR和SAR-GMTI均有大面积遮蔽干扰效果,能同时有效保护场景中静止和运动军事目标。此干扰不仅具备无源干扰的稳健压制效果,还具有有源干扰灵活性的优点,因此具有较高的研究与运用价值。

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