基于旋轉天線的SAR-GMTI二維余弦調相轉發干擾

房明星 畢大平 沈愛國

?

基于旋轉天線的SAR-GMTI二維余弦調相轉發干擾

房明星*畢大平 沈愛國

(電子工程學院 合肥 230037)

論文針對多通道SAR-GMTI提出一種新的干擾方法：基于旋轉天線的SAR-GMTI 2維余弦調相轉發干擾。對干擾機截獲的SAR信號進行距離向余弦調相的同時，利用干擾機天線旋轉來實現方位向余弦調相，解決了工程上無法實現方位向余弦調相的難題，并采用三通道干涉對消方法分析了其對GMTI的對抗性能，該方法對SAR和SAR-GMTI均可產生2維“網狀”多假目標干擾效果，可同時保護地面運動目標和靜止目標。理論分析和仿真實驗驗證了該干擾方法的可行性和有效性。

合成孔徑雷達-地面動目標顯示；旋轉天線；2維余弦調相；干涉對消

1 引言

合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率成像雷達，具有全天時、全天候和透視性等特點，已廣泛用于軍事偵查、地圖測繪以及導彈末端圖像匹配制導等方面[1]。地面動目標顯示(Ground Moving Target Indication, GMTI)技術能夠檢測和跟蹤地面運動目標，將SAR與GMTI相結合即SAR- GMTI，已成為戰略情報偵察和戰場監視系統的重要發展趨勢[2,3]。SAR-GMTI系統的快速發展和應用，使敵方能夠快速洞悉地面運動戰略目標的軍事意圖，嚴重削弱了我方重要地面軍事運動目標的作戰效能以及戰時生存能力，當前，對SAR-GMTI干擾技術研究已成為電子對抗領域的熱點問題。

SAR-GMTI通常采用多個通道對雜波和干擾進行抑制和對消，常規的SAR干擾信號很容易被多通道SAR-GMTI所抑制，干擾效果不盡人意。目前，針對SAR-GMTI的干擾技術研究相對較少，主要集中在對SAR的虛假動目標欺騙干擾[11,12]，干擾信號產生通常需要復雜的調制，對偵察依賴度較高，且沒有深入討論對多通道GMTI 的干擾效果和對抗性能；文獻[13,14]提出利用多干擾機對抗SAR雙通道干擾對消技術，為多通道SAR-GMTI干擾提供了新的思路，但多個干擾機的協同工作難度較大；文獻[15,16]提出了SAR 2維余弦調相轉發干擾方法，研究表明該方法可對SAR形成2維假目標干擾效果，但因SAR方位向信號是運動合成的，工程上無法實現方位向的余弦調相，同時也沒有針對多通道GMTI的對抗性能進行討論。針對以上問題，本文提出基于旋轉天線的SAR-GMTI 2維余弦調相轉發干擾原理，首先給出了余弦調相信號模型，探討了SAR距離向余弦調相轉發干擾方法，然后利用干擾機天線的旋轉來實現方位向余弦調相，不僅解決了工程上無法實現方位向余弦調相的難題，而且實現了2維余弦調相干擾效果，并在SAR干擾效果分析的基礎上，著重分析了其對三通道干涉GMTI的對抗性能，指出由于多通道GMTI對干擾的抑制和對消，所形成的假目標幅度受到正弦系數的調制，假目標幅度會出現增強區和削弱區，本文方法為SAR-GMTI干擾提供了有效途徑。

2 干擾原理

2.1 余弦調相信號模型

余弦調相信號的數學模型可表示為

由式(3)可知，余弦調相信號的頻譜由無窮多個邊頻分量組成，各邊頻分量等間隔分布，且間隔大小等于調制頻率，幅度正比于相應階數的貝塞爾函數。從頻譜形狀來看，余弦調相信號的頻譜是由第一類貝塞爾函數幅度加權的“梳狀”譜，通過卡森公式[16]估計其頻譜的帶寬為

高階邊頻分量的幅度較小通常可忽略，因此單邊邊頻分量只取到次。

2.2 SAR距離向余弦調相轉發干擾

設SAR發射的線性調頻信號表達式為

記距離向余弦調相信號為

結合式(2)和式(3)，對式(8)進行距離向傅里葉變換可得干擾信號頻譜為

2.3 基于旋轉天線的SAR-GMTI 2維余弦調相轉發干擾

SAR距離向余弦調相干擾能夠獲得距離向的假目標串，干擾效果單一，干擾的覆蓋面積小，且所形成的假目標不具有運動目標的特性，SAR通過動目標檢測技術(GMTI)可對假目標進行濾除，因而距離向余弦調相干擾對SAR-GMTI的干擾效果不佳。為滿足SAR-GMTI的干擾需求，對SAR距離向余弦調相干擾進行方位向擴展，即通過干擾機天線的旋轉來獲得方位向的運動調制，從而獲得方位向的余弦調相干擾效果，擴展后的干擾信號對SAR或SAR-GMTI均具有良好的干擾效果。基于旋轉天線的SAR-GMTI 2維余弦調相轉發干擾的幾何模型如圖1所示，SAR平臺以速度沿航跡做勻速直線飛行，干擾機位于觀測場景中心，坐標為，在時干擾機到SAR的初始斜距為，瞬時斜距為。

旋轉天線到SAR的瞬時斜距為

對式(12)進行麥克勞林公式展開可得：

3 干擾效果分析

3.1 對SAR干擾效果分析

由式(15)可以看出，距離向快時間余弦調相分量與旋轉天線引起的方位向慢時間余弦調相分量的相位歷程互不影響，因此，可將2維余弦調相干擾視為距離向余弦調相和方位向余弦調相的級聯，仍可采用R-D 成像算法對干擾信號的成像結果進行分析，則對式(15)干擾信號進行距離向匹配濾波可得：

2維余弦調相干擾分量使得信號頻譜在距離向和方位向進行了多次搬移復制，當時，產生與真實目標相同位置的假目標，利用余弦調相信號特性可知，干擾信號在距離向對信號頻譜進行了次頻譜復制，可形成個假目標，在方位向對信號頻譜進行了次頻譜復制，可形成個假目標，2維余弦調相干擾相當于距離向和方位向的級聯，因此共可形成個假目標。

對干擾信號進行2維匹配濾波時，由于各假目標的部分頻譜落在匹配濾波器帶寬之外，各假目標的匹配輸出的主峰展寬、幅度下降，導致干擾功率的失配，距離向各假目標干擾功率失配后的峰值幅度為

方位向各假目標干擾功率失配后的峰值幅度為

綜合以上分析可知，基于旋轉天線的SAR距離向余弦調相干擾具有2維余弦調相的干擾特性，對SAR的干擾效果取決于距離向余弦調相參數和旋轉天線的運動參數，其中,分別決定干擾信號在距離向和方位向所形成的假目標間距，,分別決定假目標串在距離向和方位向的擴展程度(即假目標個數)，而,,,,,共同決定了各階假目標的峰值幅度。

3.2 對SAR-GMTI對抗性能分析

由天線旋轉產生的2維余弦調相干擾信號，不僅對SAR能夠產生2維“網狀”假目標干擾，且由于天線的運動特性，對SAR-GMTI工作模式也具有干擾效果。GMTI 按實現方式的不同可分為兩類，一是單通道GMTI，該方式對硬件需求較低，運算量相對較小，但是對弱目標或慢速目標的檢測性能較差；二是多通道GMTI，該方式通過增加雷達系統空間維信息對雜波實現良好的抑制和對消，能夠在低信噪比條件下對慢速運動目標進行有效檢測，主要包括DPCA, STAP, ATI等，這里采用三通道干涉技術分析干擾信號對SAR-GMTI的對抗性能[3]，其幾何模型如圖2所示。

三通道的子孔徑天線以等間隔沿航跡排列，相鄰孔徑等效相位中心間距為，采用1發3收工作模式，即子孔徑2發射SAR信號，3個孔徑同時接收回波信號，結合上文干擾原理，對斜距進行麥克勞林公式展開，則3個接收天線的等效相位中心到干擾機旋轉天線的近似斜距分別為

仍采用R-D 成像算法對干擾信號的成像結果進行分析，則3通道接收到的干擾信號經過距離向匹配濾波可得：

利用式(24)對通道1和通道3進行多普勒中心頻率偏差補償，并進行方位向匹配濾波可得

由式(25)可知，通道2的匹配濾波結果與式(17)一致，但由于各接收通道存在沿航跡方向的位置偏差，在進行雜波對消之前，必須補償由位置偏差引起的相位偏差，相應的補償函數為

利用式(26)進行相位誤差補償，并進行雜波對消可得：

對式(27)取模可得：

通過以上分析可知，基于旋轉天線的2維余弦調相干擾方法對SAR和SAR-GMTI均能夠形成2維“網狀”假目標干擾，假目標位置、間隔等干擾指標基本相同，兩者的干擾效果主要區別在于假目標能量的對消情況，由于SAR-GMTI對干擾信號的對消處理，所形成的假目標幅度受到正弦系數的調制，假目標幅度會出現增強和削弱。

4 仿真實驗和應用分析

采用表1的仿真實驗參數驗證本文方法對SAR-GMTI的干擾效果， SAR成像場景距離向范圍為，方位向范圍為，場景中心坐標為[10000 m, 0 m] (斜距-方位坐標)，干擾機位于場景中心，設SAR接收端的干信比。

表1 SAR-GMTI仿真實驗參數

圖3為通道2不同調制參數情況下SAR距離向余弦調相轉發干擾成像結果，圖3(a)距離向調制參數,，干擾信號在SAR距離向共形成5個假目標，各假目標距離向間隔為，且由于受距離向貝塞爾函數和頻譜失配影響，高階假目標幅度較小；圖3(b)距離向調制參數，，干擾信號在SAR距離向共形成9個假目標，各假目標距離向間隔為，兩種情況下所形成的假目標個數、間隔、幅度均與理論分析一致。

5 結論

常規的SAR干擾手段難以對多通道SAR- GMTI實施有效干擾，本文針對SAR-GMTI干擾中存在的難點問題，提出基于旋轉天線的SAR-GMTI 2維余弦調相轉發干擾方法。研究結果表明，該方法對SAR和SAR-GMTI均可產生2維“網狀”多假目標干擾效果，但由于多通道GMTI對干擾的抑制和對消，假目標幅度會出現增強區和削弱區。本文方法解決了工程上無法實現方位向余弦調相的難題，實現簡單、靈活可控、欺騙性強，干擾信號能夠獲得2維相干的匹配處理增益，對干擾功率的要求較低，可同時保護地面運動目標和靜止目標，具有重要的軍事應用價值。

[1] CUMMING I G and WONG F H. Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation[M]. Boston: Artech House, 2009: 3-25.

[2] SJOGREN T K, VIET T V, PETTERSSON M I,. Suppression of clutter in multichannel SAR/GMTI[J]., 2014, 52(7): 4005-4013. doi: 10.1109/TGRS.2013.2278701.

[3] 張煥勝. 機載SAR地面運動目標檢測與成像技術研究[D]. [博士論文]. 中國科學院電子學研究所, 2006.

ZHANG Huansheng. Study on the moving target detection and imaging techniques of airborne SAR[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2006.

[4] ZHOU Feng, ZHAO Bo, TAO Mingliang,. A large scene deceptive jamming method for space-borne SAR[J]., 2013, 51(8): 4486-4489. doi: 10.1109/TGRS.2013.2259178.

[5] 孫光才, 周峰, 邢孟道. 一種SAR-GMTI的無源壓制性干擾方法[J]. 系統工程與電子技術, 2010, 32(1): 39-45.

SUN Guangcai, ZHOU Feng, and XING Mengdao. New passive barrage jamming method for SAR-GMTI[J]., 2010, 32(1): 39-45.

[6] 吳曉芳, 王雪松, 梁景修. SAR-GMTI 高逼真勻速運動假目標調制干擾方法[J]. 宇航學報, 2012, 33(10): 1472-1479. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2012.10.016.

WU Xiaofang, WANG Xuesong, and LIANG Jingxiu. Modulation jamming method for high-vivid false uniformly- moving targets against SAR-GMTI[J]., 2012, 33(10): 1472-1479. doi: 10.3873/ j.issn.1000-1328.2012.10.016.

[7] 唐波, 王衛延. 干涉合成孔徑雷達抗干擾性能分析[J]. 電子與信息學報, 2006, 28(10): 1809-1811.

TANG Bo and WANG Weiyan. The study of the characteristic of InSAR in ECCM[J].&, 2006, 28(10): 1809-1811.

[8] 孫光才, 白雪茹, 周峰, 等. 一種新的無源壓制性SAR干擾方法[J]. 電子與信息學報, 2009, 31(3): 610-613.

SUN Guangcai, BAI Xueru, ZHOU Feng,. A new passive barrage jamming method for SAR[J].&, 2009, 31(3): 610-613.

[9] 李傳中, 蘇衛民, 顧紅, 等. 改進的合成孔徑雷達間歇采樣轉發干擾[J]. 電波科學學報, 2014, 29(6): 1045-1050. doi: 10.13443/j.cjors.2013120501.

LI Chuanzhong, SU Weimin, GU Hong,. Improved interrupted sampling repeater jamming for synthetic aperture radar[J]., 2014, 29(6): 1045-1050. doi: 10.13443/j.cjors.2013120501.

[10] 張靜克, 代大海, 邢世其, 等. 對調頻斜率極性捷變SAR間歇采樣轉發干擾效果分析[J]. 系統工程與電子技術, 2015, 37(5): 1030-1034. doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2015.05.08.

ZHANG Jingke, DAI Dahai, XING Shiqi,. Analysis of jamming effect on intermittent sampling repeater jamming to CRPJ-SAR[J]., 2015, 37(5): 1030-1034. doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2015.05.08.

[11] 徐少坤, 李亞楠, 付耀文. 欺騙式動目標SAR干擾技術研究[J]. 現代雷達, 2008, 30(7): 94-98.

XU Shaokun, LI Yanan, and FU Yaowen. A study on SAR jamming technique based on deceptive moving target[J]., 2008, 30(7): 94-98.

[12] 吳曉芳, 梁景修, 王雪松, 等. SAR-GMTI勻加速運動假目標有源調制干擾方法[J]. 宇航學報, 2012, 33(6): 761-768. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2012.06.011.

WU Xiaofang, LIANG Jingxiu, WANG Xuesong,. Modulation jamming method of active false uniformly- accelerating targets against SAR-GMTI[J]., 2012, 33(6): 761-768. doi: 10.3873/j.issn. 1000-1328.2012.06.011.

[13] 黃龍, 董春曦, 趙國慶. 利用多干擾機對抗SAR 雙通道干擾對消技術的研究[J]. 電子與信息學報, 2014, 34(4): 903-907. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00887.

HUANG Long, DONG Chunxi, and ZHAO Guoqing. Investigation on countermeasure against SAR dual-channel cancellation technique with multi-jammers[J].&, 2014, 34(4): 903-907. doi: 10.3724/SP.J.1146. 2013.00887.

[14] 黃龍, 董春曦, 沈志博, 等. 多天線干擾機對抗InSAR雙通道干擾對消的研究[J]. 電子與信息學報, 2015, 37(4): 914-918. doi: 10.11999/JEIT140769.

HUANG Long, DONG Chunxi, SHEN Zhibo.. Investigation on countermeasure against InSAR dual-channel cancellation technique with multi-antenna jammer[J].&, 2015, 37(4): 914-918. doi: 10.11999/JEIT140769.

[15] 陳思偉, 代大海, 李永禎, 等. SAR二維余弦調相轉發散射波干擾原理[J]. 電子學報, 2009, 37(12): 2620-2625.

CHEN Siwei, DAI Dahai, LI Yongzhen,. The theory of 2-D cosinusoidal phase-modulated repeater scatter- wave jamming to SAR[J]., 2009, 37(12): 2620-2625.

[16] 劉陽, 王雪松, 代大海. 對SAR的余弦調相轉發干擾[J]. 信號處理, 2009, 25(3): 362-367.

LIU Yang, WANG Xuesong, and DAI Dahai. A repeater jamming with cosinusoidal phase modulation to SAR[J]., 2009, 25(3): 362-367.

[17] 張建華, 周曉輝, 蔣鵬. 機載天線極化失配及方向性的分析計算[J]. 電波科學學報, 2007, 22(3): 497-501.

ZHANG Jianhua, ZHOU Xiaohui, and JIANG Peng. Analysis of polarization mismatching and radiation pattern of aircraft antenna[J]., 2007, 22(3): 497-501.

2-D Cosinusoidal Phase-modulated Repeater Jamming Based on Rotating Antenna for SAR-GMTI

FANG Mingxing BI Daping SHEN Aiguo

(,230037,)

A new jamming method for multi-channel SAR-GMTI is proposed: 2-D cosinusoidal phase-modulated repeater jamming based on rotating antenna for SAR-GMTI. The SAR signal received by jammer is modulated by cosinusoidal phase in the range, and is modulated by cosinusoidal phase in the azimuth based on the rotating antenna, so the engineering problem of cosinusoidal phase in the azimuth is solved. The countering performance against GMTI is analyzed by using the tri-channel interference cancelling technique. The method can produce 2-D netted multi-false targets jamming performance, so the ground moving targets and stationary targets can be protected at the same time. Theoretical analysis and computer simulation justify the validity and the efficiency of the proposed method.

SAR-Ground Moving Target Indication (SAR-GMTI); Rotating antenna; 2-D cosinusoidal phase- modulated; Interference cancelling

TN974

A

1009-5896(2016)07-1765-08

10.11999/JEIT151155

2015-10-16; 改回日期：2016-02-18；網絡出版：2016-04-07*

房明星 mingxingfang89@163.com

國家自然科學基金(61171170)

The National Natural Science Foundation of China (61171170)

房明星： 男，1988年生，博士生，研究方向為SAR信號處理及SAR對抗理論.

畢大平： 男，1965年生，教授，博士生導師，主要從事電子對抗偵查和干擾新技術研究.

沈愛國： 男，1975年生，講師，主要從事雷達信號處理、雷達干擾與抗干擾技術研究.