基于運動調制的SAR-GMTI間歇采樣遮蔽干擾方法

周 陽畢大平 沈愛國 房明星

(國防科技大學電子對抗學院 合肥 230037)

基于運動調制的SAR-GMTI間歇采樣遮蔽干擾方法

周 陽*畢大平 沈愛國 房明星

(國防科技大學電子對抗學院 合肥 230037)

該文提出一種對SAR-GMTI的遮蔽干擾方法。該方法將截獲的SAR信號進行間歇采樣并對其運動調制后轉發出去，利用運動調制效應在方位向上產生展寬和間歇采樣轉發在距離向上產生周期延拓的多假目標，二者結合形成靈巧遮蔽干擾效果，且干擾經多通道對消后無法被對消。此干擾獨特之處在于能夠將干擾能量僅出現在需要遮蓋的運動目標上，從而更有效地利用了干擾能量。以三通道干涉對消為例著重分析了該方法對多通道GMTI的干擾原理。仿真實驗證明了此干擾方法的正確性和有效性。

合成孔徑雷達地面動目標顯示；調制干擾；運動調制效應；間歇采樣轉發干擾

1 引言

合成孔徑雷達地面動目標顯示(Synthetic Aperture Radar-Ground Moving Target Indication,SAR-GMTI)結合了SAR能對地面全天時、全天候高分辨成像和GMTI能夠檢測、跟蹤地面運動目標的優點，能對任意地面動目標進行檢測、識別、跟蹤、定位和成像[1]，已成為先進體制SAR必備的功能。隨著SAR-GMTI的快速發展，已對軍事運動目標構成了嚴重威脅，因此，對SAR-GMTI系統干擾技術的研究具有重要意義[2]。

SAR-GMTI通常用多個通道對雜波和靜止目標進行對消[3]，僅留下具有運動信息的目標，從而完成對運動目標的檢測。常規的SAR干擾方法[4,5]經過多通道對消后，會失去干擾效果，這使得對SAR-GMTI干擾必須有別于SAR干擾。文獻[6,7]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[8,9]提出了針對SAR-GMTI的虛假動目標欺騙干擾方法，這一類干擾需偵測SAR信號，并在此基礎上進行復雜調制后轉發出去，產生此類干擾對收發隔離度要求高，工程上較難實現；文獻[10]就相干干擾工程實現難的問題，提出了間歇采樣處理的干擾方法，利用收發分時避開了收發高隔離度的難以實現的難題；文獻[11,12]提出了對SAR-GMTI的無源壓制干擾，其干擾成本低且具有一定壓制干擾效果，但無源干擾設備擺放受地形的限制，無法針對重要目標位置進行靈活壓制，干擾靈活性不足。基于上述背景，本文提出了一種對常規的通道干涉對消SAR-GMTI的遮蔽干擾方法，該方法可以控制遮蔽區域的大小和出現的位置，達到對指定運動目標進行遮蔽的效果，通過遮蔽運動目標，影響運動目標回波的相位和幅度，從而無法檢測運動目標，無法正確估計參數，無法正確定位動目標，最終達到對SAR-GMTI干擾的目的。文章首先給出了干擾模型，然后分析了該方法對SAR-GMTI的干擾原理，并分析了采樣周期、占空比、運動調制參數和干擾能量對干擾效果的影響，最后通過仿真驗證了干擾的正確性和有效性。

2 運動調制間歇采樣遮蔽干擾模型

如圖1，SAR處于正側視工作模式，設SAR平臺以速度v沿x軸方向做勻速直線運動，其高度為H，合成孔徑長度為L，合成孔徑時間為。干擾機J位置為,ta=0時干擾機到SAR的斜距為，任意時刻ta干擾機到SAR的斜距為。

2.1 運動調制干擾模型

對SAR運動調制干擾是指利用干擾機模擬運動目標的反射回波相位特征的干擾方法。運動目標相對于靜止目標的反射回波會存在一個運動附加相位，只要將此附加相位求得，并利用干擾機在截獲SAR信號的基礎上，調制上這個運動附加相位，然后轉發出去，就能模擬產生運動假目標回波信號。下面重點推導勻加速運動目標的運動附加相位。

圖1 SAR成像場景圖Fig.1 The imaging scene of SAR

如圖1，假設一個運動點目標P在ta=0時刻坐標為(即與干擾機同坐標)，在地面上做勻加速運動，它沿方位向和距離向的速度、加速度分別為vx,ax和vy,ay，任意ta時刻，P坐標為,ta=0時P到SAR的斜距為Rj,P與SAR間距離表達式為：

若目標P靜止，任意ta時刻，P坐標為，則P與SAR間距離表達式為：

根據式(1)和式(2)，可以得到運動附加相位的表達式為：

2.2 間歇采樣轉發干擾模型

間歇采樣干擾指干擾機接收SAR信號后，高保真度地采樣其中一小段信號后進行轉發處理，再采樣下一段并進行轉發，如此收發分時、采樣和轉發交替工作直至大時寬信號結束[13]。設間歇采樣脈沖信號為矩形包絡脈沖串(如圖2)，其表達式為：

間歇采樣干擾基于天線收發分時體制，能夠改善干擾機收發隔離問題，可在距離向產生密集的多假目標干擾效果。

圖2 距離向間歇采樣脈沖串Fig.2 Azimuth intermittent sampling pulse series

2.3 運動調制間歇采樣遮蔽干擾模型

運動調制間歇采樣干擾詳細產生步驟是在接收到的SAR信號上調制勻加速運動附加相位，并對其距離向間歇采樣，然后轉發出去，此干擾信號的基帶形式為：

運動調制間歇采樣干擾在方位向上利用運動調制效應實現展寬和偏移，在距離向上利用間歇采樣產生距離向多假目標，二者相結合能實現2維區域遮蔽干擾，因此將這種新的干擾樣式稱為運動調制間歇采樣遮蔽干擾。

3 對SAR-GMTI干擾原理

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[14]。這里采用三通道干涉技術為例分析對SAR-GMTI的干擾原理，其幾何模型如圖3所示。

三通道子孔徑天線沿航跡以等間隔Da排列，天線2發射信號，天線1、天線2、天線3同時接收信號。由圖3可知，干擾信號到3個通道的傳播路程分別為。忽略干擾機延遲，3個通道接收到的干擾信號分別為(略去窗函數)：

圖3 三通道SAR-GMTI干涉處理幾何模型Fig.3 The sketch map of tri-antenna interference cancelling technique

利用RD算法對3個通道成像進行分析，3個通道信號經距離向匹配濾波可得

經距離徙動校正，忽略接收通道的位置差異對距離向成像的影響，在進行方位向匹配濾波前，必須補償通道位置間隔產生的多普勒中心頻率偏差，以通道2為參考，則通道1和通道3的補償函數分別為：

對通道1、通道3進行多普勒中心偏差補償后，可得方位向匹配濾波輸出包絡為：

tam關于的常數項體現了目標方位像的峰值偏移位置，關于的1次、2次和3次項可使方位向目標像展寬和散焦。

由式(12)通道2成像表達式可見，由運動調制效應產生的干擾條帶在距離向以間隔為周期延拓出現，能量較強的干擾條帶數為，因此會產生區域遮蔽干擾效果。根據運動目標SAR成像效應[9]知干擾條帶方位向中心偏移位置和展寬量分別為：

由此可以計算出形成有效干擾的面積為：

由于各接收通道存在沿航跡方向位置偏差，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(15)進行位置偏差相位補償，并進行雜波對消可得

對式(18)取模，則干擾信號通過SAR-GMTI系統后的輸出幅度為：

由式(20)可知，干擾機位置，距離向和方位向速度、加速度取值將直接影響到雜波對消后運動目標的保留能量的大小。當時，干擾能量將被全部對消，干擾位于對消特性的凹口處；當時，干擾位于對消特性的凸口處，干擾幅度得到最大程度地增強，可達到對消前的2倍；其余均介于凸口和凹口之間。這說明運動調制間歇采樣干擾經過GMTI處理后不會被完全對消，能夠對SAR-GMTI達到干擾效果。

4 干擾參數和干擾功率分析

運動調制間歇采樣遮蔽干擾經過SAR-GMTI處理后的輸出與采樣周期、占空比、運動調制參數和干擾能量4個干擾指標有關。因此需要進一步理解這些干擾參數的影響。

(1) 間歇采樣周期Ts

間歇采樣周期影響遮蔽面積，遮蔽疏密程度，是一個關鍵的干擾指標。當間歇采樣周期越大時，假目標條帶越密集，所形成的遮蔽面積越小，干擾能量越集中；當間歇采樣周期越小時，假目標條帶越稀疏，所形成的遮蔽面積越大，干擾能量越分散。

(2) 占空比Dr

占空比影響干擾輸出加權系數an，因而會影響到干擾輸出幅度。設n=0為距離向中心假目標，其余為距離向第n階次假目標。當(k為整數)時，an=0，此時圖像上將看不到該次級假目標。由于an=Dr，所以占空比越大，距離向中心假目標幅度越大，次級假目標幅度相對中心假目標會降低。占空比減小時，中心假目標幅度下降較快，次級假目標幅度下降較慢。

(3) 運動調制參數vx,vy,ax,ay

運動調制參數主要影響方位向假目標峰值中心位置及展寬量。一般地，干擾機位置縱坐標yj遠大于橫坐標xj，由式(14)和式(15)知，vx影響方位向均勻展寬量，vy影響假目標峰值中心位置在方位向上發生偏移的大小，ax對偏移和展寬影響均不大，ay是使方位向發生非均勻展寬的原因。

(4) 干擾能量分析

干擾能量影響干擾信號處理后的幅度，因而決定了對目標遮蔽的好壞。干擾能量過小，則無法有效遮蔽目標；干擾能量過大，則影響干擾效率。由于干擾信號在距離維間歇采樣和方位維運動調制，因而會導致2維部分失配，為了選擇合適的干擾功率，需要根據匹配濾波的信號處理過程，對所需干擾能量進行分析。根據式(12)，單位幅度干擾信號經過距離向匹配濾波后的幅度Ar為，而經過方位向匹配濾波后的幅度Aa為，從而經過2維匹配濾波處理后的幅度為。干擾信號2維處理后的幅度大于被保護目標回波2維處理后幅度的倍時，一般能達到有效遮蔽[15]。根據上述能量分析，可以得到合適的干擾功率。

由于干擾機與待保護目標成像后的相對位置是已知的，結合待保護區域大小，選擇合適的干擾參數和干擾功率，可使得目標恰好被遮蔽。

5 仿真實驗

為了驗證理論分析的正確性和干擾的有效性，根據式(12)生成的干擾信號按照RD成像算法進行干擾仿真。設SAR-GMTI工作于正側視，其主要實驗參數如表1所示，SAR干擾機放置坐標為(0,10000,0)，干擾實驗參數如表2所示，設置干信比為15 dB。

表1 SAR-GMTI實驗參數Tab.1 The simulation experiment parameters

表2 干擾實驗參數Tab.2 The jamming experiment parameters

5.1 對運動裝甲車干擾遮蔽效果

因為干擾機和待保護目標相對位置是已知的，對干擾機設置合理的運動參數，可使干擾能量僅出現在待保護目標上，從而有效利用了干擾能量。

現需保護6輛具有較強反射特性的運動裝甲車，其坐標分別為(–110,9975,0),(–110,10000,0),(–110,10025,0),(–100,9975,0),(–100,10000,0),(–100,10025,0)，均以行進。運動裝甲車SAR成像后會發生偏移或展寬，其方位向偏移量和展寬量由式(14)和式(15)可以計算得出。將裝甲車運動參數代入，可得各裝甲車偏移量、展寬量，因此裝甲車SAR成像后的坐標分別為(40,9975,0),(40,10000,0),(40,10025,0),(50,9975,0),(50,10000,0),(50,10025,0)成像仿真圖如圖4(a)所示，運動裝甲車和靜止參考點均清晰可見；圖4(b)表示經過GMTI對消后的成像圖，靜止參考點被對消，運動裝甲車仍清晰可見。

用運動調制間歇采樣干擾對SAR-GMTI進行轉發，按上述實驗參數進行仿真。根據計算出的待保護目標成像后的位置信息，干擾參數設置為vx=0,ax=0,vy=–0.85 m/s,ay=–0.15 m/s2,Dr=10%,Ts=8 μs；根據第3節干擾能量分析，選擇干信比為15 dB。經SAR-GMTI對消處理后干擾仿真效果如圖4(c)所示，可見在干信比為15 dB時，干擾能量沒有被對消，并且將運動裝甲車完全遮蓋，而對一般的噪聲干擾要達到相同的遮蓋干擾效果，干信比至少要達到50 dB[4]，說明此干擾方法能量利用效率較高。遮蔽面積約為1600 m2，與式(16)計算結果基本一致，說明了理論分析的正確性。

圖4 遮蔽6輛裝甲車干擾效果圖Fig.4 The jamming images effect of shading six armored car

5.2 各參數對干擾效果影響仿真

(1) 間歇采樣周期

取vx=0,ax=0,vy=–0.85 m/s,ay=–0.3 m/s2,Dr=10%，采樣周期依次為Ts=4 μs,Ts=8 μs進行對比仿真，對GMTI干擾成像結果如圖5。可見，隨著采樣周期的變大，干擾條帶在距離向上分布越密集，干擾區域越小，能量越集中。

(2) 占空比

取vx=0,ax=0,vy=–0.85 m/s,ay=–0.3 m/s2,Ts=6 μs，占空比依次為Dr=10%,Dr=15%，進行對比仿真，結果如圖6。可見，隨著占空比的增大，干擾條帶數目減少，遮蔽面積減小，各干擾條帶強度差別變大。

(3) 運動調制參數

取vx=0,ax=0,vy=–0.85 m/s,Ts=8 μs,Dr=10%，當ay=–0.30 m/s2,ay=–0.45 m/s2時，結果如圖7(a)–圖7(b)；再取vx=0,ax=0,ay=–0.15 m/s2,Ts=8 μs,Dr=10%，當距離向速度依次為vy=0.3 m/s,vy=–0.6 m/s時，結果如圖7(c)–圖7(d)。可見，距離向調制加速度對干擾條帶長度影響很大，其絕對值越大，干擾條帶越長；距離向調制速度主要影響遮蔽面中心的方位向出現位置。

6 結束語

本文提出一種基于運動調制的SAR-GMTI間歇采樣遮蔽干擾方法，建立了干擾模型，并進行了理論分析和仿真實驗。理論分析表明，該方法能夠對SAR-GMTI產生遮蔽干擾效果，且其遮蔽面的大小、疏密程度和覆蓋位置可以通過改變采樣周期、占空比和運動調制參數進行靈活地控制；仿真實驗表明，該方法對強反射目標群具有較好的遮蔽效果，且所需干擾能量較小。此干擾方法改善了干擾機收發隔離的問題，能產生靈活可控的遮蔽面，且干擾能量較一般噪聲壓制干擾更低，因此具有較高的研究與運用價值。

圖5 不同采樣周期下的干擾圖像Fig.5 Jamming images with different sampling periods

圖6 不同占空比下的干擾圖像Fig.6 Jamming images with different duty ratio

圖7 不同運動調制參數下的干擾圖像Fig.7 Jamming images with different motion modulation parameters

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周 陽(1991–)，男，江西南昌人，國防科技大學電子對抗學院在讀博士研究生，主要從事SAR信號處理及SAR對抗理論研究。

E-mail: zhouyanglb@163.com

畢大平(1965–)，男，安徽桐城人，國防科技大學電子對抗學院教授，博士生導師，主要從事電子對抗偵察和干擾新技術研究。

E-mail: bdpeei@163.com

沈愛國(1975–)，男，安徽肥東人，博士，國防科技大學電子對抗學院副教授，主要從事雷達信號處理、雷達干擾與抗干擾技術研究。

E-mail: shenaiguo_405@sina.com

房明星(1988–)，男，安徽蚌埠人，國防科技大學電子對抗學院在讀博士生，主要從事SAR信號處理及SAR對抗理論研究。

E-mail: mingxingfang89@163.com

Intermittent Sampling Repeater Shading Jamming Method Based on Motion Modulation for SAR-GMTI

Zhou Yang Bi Daping Shen Aiguo Fang Mingxing
(Laboratory503,National University of Defense Technology,Hefei230037,China)

In this paper,we present a shading jamming method for the Synthetic Aperture Radar and Ground Moving Target Indicator (SAR-GMTI).This method begins with intermittently sampling intercepted SAR signals,performing motion modulation,and then transmitting them.The motion modulation of SAR signals can produce a motion modulation effect and intermittent sampling repeater jamming can produce multi-fronted and lagged false targets along a range.Their combination provides a jamming effect of smart shading areas,which can’t be cancelled after multi-channel cancelling.The uniqueness of this jamming method is that the energy only appears on the moving target to be covered,so less jamming energy is needed.We analyzed the proposed jamming principle against GMTI using the tri-channel interference cancelling technique.Our simulation results verify our analyses and confirm its jamming effectiveness for SAR-GMTI.

Synthetic Aperture Radar Ground Moving Target Indication (SAR-GMTI); Modulation jamming;Effect of motion modulation; Intermittent sampling repeater jamming

s: The National Natural Science Foundation of China (61671453),The Advanced Project of PLA General Equipment Department Foundation of China (5133030103)

TN957

A

2095-283X(2017)04-0359-09

10.12000/JR16075

周陽,畢大平,沈愛國,等.基于運動調制的SAR-GMTI間歇采樣遮蔽干擾方法[J].雷達學報,2017,6(4): 359–367.

10.12000/JR16075.

Reference format:Zhou Yang,Bi Daping,Shen Aiguo,et al..Intermittent sampling repeater shading jamming method based on motion modulation for SAR-GMTI[J].Journal of Radars,2017,6(4): 359–367.DOI:10.12000/JR16075.

2016-05-27；改回日期：2017-07-03；網絡出版：2017-08-09

*通信作者： 周陽 zhouyanglb@163.com

國家自然科學基金(61671453)，總裝預研基金(5133030103)