一种反多通道对消的多干扰机协同干扰方法

邢世其 黄大通* 徐 伟② 李永祯 肖顺平

①(国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室 长沙 410073)

②(中国兵器工业集团第二O六研究所 西安 710100)

1 引言

合成孔径雷达[1](Synthetic Aperture Radar,SAR)作为高分辨微波成像设备，具备全天时、全天候和高增益等众多优点，是现代“察打一体化”武器系统的核心传感器[2]。近年来，多通道技术的成熟与应用更是极大提高了SAR系统的自由度，使其不仅能实现高分辨成像监视，还具备了地面动目标指示(Ground Moving Target Indication,GMTI)功能[3]，可及时发现、定位并跟踪运动目标，为敌方提供丰富的地面部队行动信息，进而对其作适时、快速和精准打击，严重威胁到了我高价值军事目标的战场生存。鉴于此，针对多通道SAR-GMTI的干扰技术研究已成为当今电子对抗领域的热点问题[4]。自20世纪末起，对SAR干扰技术的研究就一直备受世界军事强国的大力支持和长期投入，涌现出了大量对常规SAR的干扰样式[5]，但对多通道SARGMTI的干扰研究却相对较少。根据干扰传播路径，可将对SAR-GMTI的干扰分为散射波干扰和直达波干扰两类，其中散射波干扰[6-8]由于扩散范围广，不易进入雷达主瓣，干扰效果较差，很少应用于工程实践。而在直达波干扰方面，文献[9]详尽分析了对SAR-GMTI的几种常见噪声干扰效能。文献[10-12]将旋转微动和匀(加)速运动目标的成像特性[13]应用于干扰，分别提出了基于微动调制和匀(加)速运动调制的干扰技术，实现了对GMTI的方位向干扰。文献[14]对2维间歇采样干扰作慢时间延迟，产生了大面积的假目标群。文献[15]将逆ω-k的场景欺骗算法应用于对GMTI干扰，生成了逼真的匀速运动假目标。文献[16]将截获信号分段后作乱序转发，产生了对GMTI的压制效果。此外，为达到更加理想和丰富的干扰效果，文献[17-20]分别将匀(加)速运动调制、微动调制、间歇采样和移频调制等基本干扰样式相互组合，提出了各类复合干扰方法，弥补了单一干扰样式存在的不足。然而，以上对多通道SAR-GMTI的干扰却均是在单干扰机情况下，干扰的GMTI输出结果始终受正弦函数影响而被对消，从而会沿方位向周期性地出现干扰盲区，降低了干扰效能，导致运动目标被暴露。鉴于此，文献[21]虽通过双干扰机的空间布置，实现了对GMTI的全平面噪声压制，但依然存在以下缺陷：(1)噪声压制对功率的需求较大，干扰设备易被敌方锁定而遭反辐射打击；(2)干扰效果粗放，可控性差，无法对指定位置和区域进行干扰，能量利用率低；(3)只能产生噪声压制，干扰作用效果单一；(4)缺乏误差下的干扰性能分析，不利于指导工程实践。

针对以上问题，本文以噪声乘积[22]为基础，提出一种多干扰机空-频协同的对抗方法，其创新之处在于：(1)通过对噪声模板的线下预先设计，灵活产生相参压制或虚假点目标欺骗；(2)可对压制中心和范围以及假目标数量和位置作有效控制；(3)通过多干扰机空-频协同，有效反制了多通道SARGMTI的对消作用，实现了无盲区干扰；(4)增加干扰机数目，可有效增大其功率增益，提升对要地的掩护效果。文中剩余内容分为5个部分，第1部分建立了多干扰机信号模型；第2部分推导了多干扰机的SAR-GMTI输出解析式，继而得到了实现反对消的空-频协同条件；第3部分分析了干扰的性能情况；第4部分通过数字仿真对本文所提干扰方法作了充分验证；第5部分总结全文。

2 干扰模型

图1 干扰场景

3 基于空-频协同的反对消方法

对比式(10)可知，当多干扰机同时满足式(11)和式(15)所示的空-频协同条件时，干扰的GMTI输出将不再受正弦调制影响，与式(13)相对比，除幅度差异外，其取得了与对SAR相同的干扰效果，干扰能量均匀覆盖于指定区域内，即多干扰机协同时能成功反制多通道GMTI处理的对消作用，消除干扰盲区。

综上所述，本文所提的多干扰机协同反对消调制流程如图2所示，主要分为以下步骤：(1)通过前期的电子侦察，获取干扰调制所需的基本参数，如初始斜距、调频斜率以及平台速度等；(2)根据式(15)的空域协同条件，控制多干扰机的位置分布，以消除多通道GMTI处理的对消作用；(3)根据实际作战需求，各干扰机分别设计出噪声调制模板，以满足式(11)的频域协同条件，进而保证各干扰机的SAR-GMTI干扰输出结果能有效合成；(4)各干扰机将截获的基带雷达信号直接乘以设计好的噪声模板，经功率放大和上变频后向SAR平台转发。

图2 多干扰机的协同调制流程

4 干扰性能分析

4.1 干扰范围分析

4.2 误差影响分析

鉴于本文所采用的干扰样式属于相参干扰，干扰的执行离不开对SAR平台相关参数的前期侦察，故首先分析侦察误差对干扰效果的影响。假设干扰方使用同一种型号的对抗设备，所有干扰机具备相同侦察误差，从3.1节可知，干扰调制所需的侦察参数包括信号调频斜率kr，SAR平台速度v，信号波长λ以及初始斜距Rc，设对应的绝对误差分别为 Δkr, Δv, Δλ和ΔRm2,0，则相对误差分别 为εkr=Δkr/kr,εv=Δv/v,ελ=Δλ/λ以 及εR0=ΔR0/R0。

可以看出，侦察误差会造成实际干扰效果与设定效果发生偏差：距离向的干扰范围、干扰中心和假目标位置与εkr成正比，方位向的干扰范围、干扰中心和假目标位置与εv成 正比，与ελ和εR0成反比。

另一方面，考虑到实际地形等因素限制，干扰机间不一定完全满足空域协同条件。根据式(16)频域协同时的干扰输出结果可知，多干扰机的不同站点分布将直接产生不同的频域协同系数，进而导致GMTI输出的干扰能量分布差异。

4.3 功率增益分析

对于压制性干扰效果，功率增益会直接影响到对场景的掩护效果[28-30]。考虑到压缩网络是无源的，根据能量守恒定律，压缩前后的能量保持不变，单干扰机的2维增益为

5 仿真验证

5.1 有效性验证

设SAR平台的飞行高度为5 km，速度为200 m/s ，信号载频为1 0 GHz，时宽和带宽分别为10 μs和 2 00 MHz，波束宽度为0.03 rad，雷达下视角为45°，脉冲重复频率为800 Hz，成像区域大小为300 m×400 m，场景中存在3个沿地距向运动的目标，如图3(a)所示，经GMTI处理后，静止杂波背景被对消，动目标得以显示，如图3(b)所示。

图3 无干扰成像结果

图4所示为单干扰机产生的干扰效果，干扰机部署于 (0 m,5000 m)场景中心，干信比为15 dB，压制面积设置为100 × 100 m，干扰中心的方位向和地距向偏移量分别设置为35 m和100 m。图4(a)是SAR干扰结果，区域场景被完全掩护；然而，经GMTI处理后，干扰输出由于受式(10)的正弦函数调制影响，压制面沿方位向以71 m为间隔被周期性对消而出现了两个干扰盲区，动目标被暴露，如图4(b)。另一方面，通过对噪声模板作频域采样即可产生欺骗效果，干扰机的方位向和地距向偏移量分别设置为70 m和100 m，假目标群则能将场景中的动目标包围，如图4(c)所示，但其GMTI输出结果同样会因衰减而导致动目标被暴露，如图4(d)所示。由此可知，单干扰机的GMTI输出结果会被周期性对消，降低了干扰的效果。

图4 单干扰机的干扰效果

根据本文所提的协同干扰方法，在场景中(35 m,5000 m)处再部署第2部干扰机，以满足式(15)的空域协同条件，在此基础上，将第1部干扰机的方位向和地距向偏移量分别设置为35 m和100 m，第2部干扰机仅在地距向偏移100 m，以满足式(11)的频域协同条件，干扰能量则能均匀覆盖于指定面积区域，如图5(a)所示，且此时的干扰结果不再被GMTI处理对消，如图5(b)所示，成功消除了图4(b)的干扰盲区，实现了对动目标的掩护。另一方面，当进行欺骗干扰时，第1部干扰机的方位向和地距向偏移量分别设置为70 m和100 m，第2部干扰机的方位向和地距向偏移量分别设置为35 m和100 m，与图4(c)相同，假目标群包围了动目标，如图5(c)所示，即使经GMTI处理后，假目标群依然不会被对消，进而有效掩护了真实目标，如图5(d)所示。由此可知，本文所提的多干扰机空-频协同的干扰方法能有效反制多通道SAR-GMTI的对消作用，实现对任意指定位置和范围的无盲区压制和欺骗，仿真结果与理论分析相一致。

5.2 误差影响验证

在侦察误差的影响分析中，考虑存在较大误差的恶劣情况：kr,v,λ和R0的 相对侦察误差为3 0%。对于压制干扰效果，以图5(b)作为参考基准，式(20)和式(21)可计算得kr误差将导致干扰的地距向压制范围扩展30 m，干扰中心滞后30 m，但依然满足协同条件，如图6(a)；v误差将导致第1部干扰机的方位向压制中心偏移10.5 m，压制范围扩展于[-19.5 m, 110.5 m]间，第2部干扰机的压制中心不变，压制范围扩展于[-30 m,100 m]间，总的方位向干扰范围为[-30 m, 110.5 m]，但只有[-19.5 m,100 m]的重合区域才满足协同条件，其余范围内的干扰结果仍会受正弦函数影响而被削弱，如图6(b)；同理，λ和R0误差将导致第1部干扰机的方位向压制中心偏移-8 m，压制范围缩减于[-11.5, 65.5]间，第2部干扰机的压制中心不变，压制范围缩减于[-3.5, 73.5]间，总的方位向干扰范围为[-11.5 m,73.5 m]，与图6(b)类似，只有位于[-3.5 m, 65.5 m]的重合区域才满足协同条件，如图6(c)和图6(d)。

图6 侦察误差下的协同压制效果

对于欺骗干扰效果，以图5(d)作为参考基准，kr误差将造成假目标群的地距向间距增大为13 m，中心滞后30 m，但依然满足协同条件，如图7(a)；v误差将导致假目标群的方位向间距增大为3.9 m，两部干扰机的假目标群方位向中心分别偏移至91 m和81 m，不再满足协同条件，故图7(b)中产生了两组假目标群；同样，λ和R0误差将导致假目标群的方位向间距均缩小为2.3 m，两部干扰机的假目标群方位向中心分别偏移至54 m和62 m，同样产生了两组假目标群，如图7(c)和图7(d)。由此可知，侦察误差对压制效果的影响较小，虽会改变压制中心位置和压制范围，但重合区域却满足协同条件，该区域内依然可实现无盲区压制；而对于欺骗效果，只有当所有干扰机产生的假目标在侦察误差下依然满足协同条件时，GMTI输出才不受正弦函数影响，故其对侦察误差较为敏感。

图5 双干扰机空-频协同的干扰效果

图7 侦察误差下的协同欺骗效果

另一方面，地形等实际自然条件的限制必然会带来一定的空域协同误差。考虑[0 m, 35 m]的误差范围，以场景中心作为参考位置，经50次蒙特卡洛后得到图8所示的空域协同误差曲线，频域协同系数随误差的增大而逐渐降低，实验值和理论值基本相同：当误差为0 m时，满足空域协同条件，干扰能量均匀分布；然而，当误差增大为35 m时，频域协同系数则仅为0.0545，干扰能量被基本对消，场景中会出现干扰盲区而导致动目标被暴露。故在实际应用中，需参考误差性能图来指导多干扰机的布置，以尽量减少空域协同误差，最大化干扰效能。

图8 空域协同误差的影响

5.3 功率增益验证

表1记录了本文所提干扰方法的增益情况，可以看出，对于单干扰机，调制模板的2维带宽越小，所获的SAR干扰增益就越大，其掩护效果将越好，但压制面积却会减小。对于多干扰机，干扰机数目越多，其所获的干扰增益就越大，掩护效果将越好：相比于2维带宽为4.7 MHz和94 Hz时的SAR干扰增益，2部、4部和6部干扰机协同时的SAR干扰增益将分别约增加3.0 dB, 6.0 dB和7.8 dB，与式(26)的理论分析结果相一致，故增加干扰机数目能有效降低干扰机的发射功率，进而提升设备的战场生存能力；此外，结合式(27)可知，干扰的G M T I 增益是其S A R 增益的两倍，故GMTI增益将始终比其相同条件下的SAR增益约大3.0 dB。实验数据和理论数据基本一致，验证了4.3节的正确性。

表1 干扰增益对比

6 结论

针对单干扰机的3天线SAR-GMTI输出结果存在干扰盲区，导致运动目标被暴露的问题，本文在噪声乘积的基础上，辅之以移频处理，提出了多干扰机空-频协同的对抗方法，并从干扰范围、误差分析和功率增益3个方面对干扰的性能情况进行了充分论证。实验结果表明，本文所提的协同干扰方法可有效反制GMTI的干扰对消作用，灵活高效地实现干扰中心位置和范围均可控的无盲区压制或假目标数量和位置分布均可控的无盲区欺骗，提高了干扰能量的利用率，增强了设备的抗摧毁能力。而在干扰性能方面，压制效果对侦察参数的依赖性较小，而欺骗效果却较为敏感，但当侦察设备误差已知时，干扰方仍能通过协同设置不同干扰机间的参数来满足频域协同条件，以实现预期欺骗效果；干扰机的空间布置应参考误差性能图，以最大化干扰效果；此外，增加干扰机数目能有效降低对发射功率的需求，提升我干扰设备的战场生存能力。