对SAR地面动目标检测系统的运动调制假目标干扰*

解礼

(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)具有全天时、全天候高分辨对大区域地面进行成像的功能[1]，能够准确地发现地面军事目标(如坦克阵地、机场等)，因此具有极大的威胁性。为了保护己方敏感军事目标免遭敌方SAR探测或者破坏敌方SAR工作效能，许多对抗SAR的干扰方法应运而生[2-11]。文献[2]研究了对SAR的噪声干扰方法，能够实现对SAR的大面积遮蔽干扰效果，但是由于噪声干扰无法获得距离向和方位向的压缩增益，因此往往需要很大的干扰能量，而且遮蔽干扰效果一般。为了提高干扰效率，文献[3-8]研究了对SAR的转发干扰，主要是将截获的SAR信号经过简单的处理后转发出去，由于干扰信号与SAR信号高度一致，因此转发干扰具有距离和方位向的高增益，需要的干扰功率很低。还有文献提出了对SAR的无源干扰方法，如角反射器干扰[9-10]和箔条干扰[11]，它们具有干扰成本低、实施方便的优点。随着SAR技术的不断发展，多通道SAR-GMTI技术[12-13]逐渐发展成熟，它具有SAR没有的动目标检测能力，能够检测军事机动目标，因此更具威胁性。目前，对合成孔径雷达-地面动目标检测系统(SAR-GMTI)的干扰技术研究已成为研究热点。

由于静止目标干扰(例如箔条干扰[11]或角反射器干扰)或者一般常规SAR虚假目标欺骗干扰[3-4,7]没有运动信息，因而经过SAR-GMTI处理后可能会被滤除，从而失去效果。本文研究一种具有运动信息的假目标干扰方法，该方法主要思想是在静态转发干扰的基础上，将运动的相位信息调制在截获的SAR信号上，再将调制后的干扰信号转发出去，使得干扰信号具有运动信息，从而不会被SAR-GMTI处理对消。

1 干扰信号模型

R1(ta)=

(1)

图1 SAR成像场景图Fig.1 Imaging scene map of SAR

若P保持静止，则ta时刻P与SAR距离R2(ta)表达式为

(2)

设SAR发射的线性调频信号可写为

(3)

(4)

式中：μa=-2v2/λR0。

本文干扰原理是在常规的转发干扰基础上，加上一个运动附加相位Δφ，这样就能改进常规转发干扰的性能，使得转发干扰具有运动特性。设干扰机J位置为(xj,yj,0)，任意时刻干扰机到SAR的斜距为Rj(ta)。那么在干扰机截获的SAR信号上调制相位Δφ，再转发出去，即能完成干扰。此时，SAR接收到达干扰信号的基带形式为

(5)

2 干扰效果分析

2.1 干扰SAR成像输出

运动调制干扰信号成像输出流程图如图2所示，下面将逐步推导干扰信号的成像输出。

图2 干扰信号经过SAR的成像处理流程图Fig.2 Flow chart of SAR imaging processing of jamming signal

(1) 距离压缩

干扰经距离向压缩处理后，表达式为

(6)

(2) 距离徙动校正

距离徙动校正是指将式(6)包络中的Rj(ta)变为与方位时间ta无关的量Rj，使得距离和方位向能够独立处理。校正后的信号S3表达式为

(7)

(3) 方位压缩

信号进行方位压缩时，输出为ta的互相关函数。经方位压缩后可得最终成像的表达式为

(8)

(9)

由干扰成像表达式可见，干扰信号经过SAR处理后能获得全部的距离向增益和部分方位向增益，因而所需的干扰发射峰值功率较低，相对于非相干干扰具有较大的功率优势。而且，经方位压缩后干扰成像表达式沿着方位向仍然具有能量残余，说明该干扰具有对SAR的方位向干扰能力。

2.2 对SAR-GMTI的干扰性能分析

多通道SAR-GMTI系统具有消除地面静止杂波和发现地面动目标的能力，运动调制干扰在通过该系统后是否仍有好的干扰效果(对地面动目标而言)，这十分值得研究。当SAR-GMTI采用三孔径对消处理时，阵列天线采用一发三收工作模式[10]，由沿航迹、以等间隔Da线性排列的3个接收子孔径构成，由中间孔径天线发射信号，3个孔径同时接收回波信号，其系统模型如图3所示。

图3 三通道SAR-GMTI系统模型Fig.3 Model of three channel SAR-GMTI system

三天线沿航迹以等距排列，间距为Da，天线2发射信号，天线1，2，3同时接收信号。由图3可知，SAR信号经反射到3个通道的距离传播路程分别为Rj1=Rja2+Rja1，Rj2=2Rja2，Rj3=Rja2+Rja3，其中Rja1，Rja2，Rja3表达式为

(10)

因此，3个通道接收到的信号分别为

(11)

进行距离压缩，可得

(12)

(13)

经偏差补偿，再分别进行方位压缩，可得

(14)

还需沿航迹方向的位置偏差，相应补偿函数为

(15)

相应相位补偿后，进行杂波对消可得

(16)

对式(16)取模，可得到干扰通过SAR-GMTI系统后的输出幅度为

(17)

(18)

(19)

由式(19)可知，干扰机位置，距离向和方位向速度、加速度取值将直接影响到杂波对消后匀加速运动假目标的保留能量的大小。当xjvx+yjvy+(xjax+yjay)τ*=nλRjv/Da时，干扰能量将被全部对消；当xjvx+yjvy+(xjax+yjay)τ*=(n+1/2)λRjv/Da时，干扰能量得到最大程度的增强，可达到对消前的4倍；其余值均介于0～4倍之间。

3 仿真实验

为了验证理论分析的正确性，根据式(5)生成的干扰信号按照距离多普勒(range-Doppler,RD)成像算法进行干扰仿真。设SAR工作于正侧视，系统参数见表1，干扰机坐标为(0,10 000,0)，干扰参数见表2。

表1 SAR系统参数Table 1 Parameters of SAR system

表2 假目标运动调制干扰参数Table 2 Parameters of false target motion modulation jamming

设一辆运动装甲车在坐标为(0,9 700,0)以vx=2 m/s，vy=2 m/s，ax=1 m/s2，ay=1 m/s2匀加速运动。现欲产生与运动装甲车类似的匀加速运动假目标欺骗敌方SAR-GMTI探测系统，达到以假乱真的效果。为达到欺骗效果，将干扰机的干扰参数设置为vx=2 m/s，vy=2 m/s，ax=1 m/s2，ay=1 m/s2，即与运动装甲车运动参数一致。虚假运动目标干扰效果仿真图如图4所示。

图4 运动调制干扰效果Fig.4 Effect of motion modulation jamming

图4a)表示SAR受到虚假匀加速运动目标调制干扰的干扰图，静止参考点清晰可见，运动装甲车的运动使得装甲车成像发生了偏移和展宽，在装甲车成像的下方有一条与装甲车成像效果相同的展宽亮线，这是产生的干扰效果；图4b)表示经过GMTI处理后的干扰效果图，静止参考点经过GMTI处理已被对消，运动装甲车和干扰成像没有被对消，而且干扰假目标和真实目标成像结果非常相近，无法区分；图4c),d)分别是图4a),b)的三维效果图，其纵坐标表示信号经处理后的幅度相对值，从图4d)中可见，运动装甲车和干扰经GMTI处理后，幅度均得到了增强，这与3.2节分析相一致。从图4a),b)的仿真干扰效果图中可以看到，已无法辨认出真实运动目标和虚假运动目标，说明本文提出的干扰达到了欺骗的效果。

为了说明运动调制干扰的优越性，下面利用干扰机对SAR进行间歇采样转发干扰[3]，仿真场景不变，干扰结果如图5所示。其中，图5a)和图5b)分别表示间歇采样转发干扰对消前干扰效果。可见，间歇采样干扰通过SAR-GMTI处理后，干扰能量已被消除，说明间歇采样转发干扰对SAR-GMTI没有欺骗干扰效果。因此，运动调制干扰对SAR-GMTI系统的干扰效果优于间歇采样转发干扰。

图5 间歇采样干扰效果Fig.5 Effect of intermittent sampling jamming

4 结束语

本文提出了一种对SAR-GMTI的运动调制干扰方法，理论推导和仿真实验均证明了该干扰的有效性。经过理论推导，表明该干扰SAR成像后是一条沿方位向的亮线，而且经SAR-GMTI通道对消后无法消除。经过仿真实验，表明该干扰经过SAR成像后产生虚假目标，经过SAR-GMTI处理后无法被对消，而且对SAR-GMTI具有较强的迷惑性，使得SAR-GMTI无法区分真实目标，削弱了SAR-GMTI的探测性能。因此，本文干扰方法是一种对SAR和SAR-GMTI都有效的干扰方法。