對抗SAR-GMTI的方位向間歇采樣延時轉發干擾方法

張云鵬，畢大平，周 陽，韓佳輝

(解放軍電子工程學院，安徽 合肥 230037)

對抗SAR-GMTI的方位向間歇采樣延時轉發干擾方法

張云鵬，畢大平，周 陽，韓佳輝

(解放軍電子工程學院，安徽合肥230037)

針對常規SAR干擾方法對多通道SAR-GMTI干擾無效的問題，提出對抗SAR-GMTI的方位向間歇采樣延時轉發干擾方法，并針對中心假目標仍被完全抑制的問題對干擾方法進行多普勒移頻改進。該方法利用方位向間歇采樣實現多普勒頻譜的周期性拓延，從而形成不能被SAR-GMTI對消的多個方位向假目標，并通過快/慢時間延時轉發控制假目標的移位。理論分析和仿真實驗表明：方位向間歇采樣延時轉發干擾可在多通道SAR-GMTI成像中形成二維靈活可控的方位向假目標串，同時假目標幅度受正弦調制函數的影響出現增強和削弱現象，多普勒移頻改進可充分保留低階假目標。

合成孔徑雷達地面動目標顯示；方位向間歇采樣；對抗性能；多普勒移頻；對消干涉

0 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)具有全天時、全天候和高分辨等特點，在軍事偵察、環境監測和地質勘探等多個方面得到了廣泛應用[1]。合成孔徑雷達地面動目標顯示(Synthetic Aperture Radar-Ground Moving Target Indication, SAR-GMTI)將GMTI的動目標檢測能力和 SAR高分辨成像功能相結合，能夠實現對地面運動目標的檢測、識別、定位、跟蹤和成像[2]，極大提高了成像雷達的戰場感知能力。美國最早在20世紀70年代就已經展開了SAR-GMTI的研究工作，并在海灣戰爭中將具有GMTI功能的聯合監視和目標攻擊雷達系統用于戰場偵察[3]。目前較為先進的SAR-GMTI系統多采用編隊衛星的方式，分布式衛星具有更好的系統自由度，并可提高對慢速目標的檢測性能[4]。國外典型的分布式星載多通道SAR-GMTI包括德國的TanDEM-X[5]、法國的Cartwheel系統和美國的TechSat-21[6]等。該技術的快速發展也給各國重要戰略部署和軍事保密帶來了嚴峻挑戰，針對SAR-GMTI的干擾技術已成為當前電子對抗領域的研究熱點[7-9]。

多通道SAR-GMTI通過增加空間維數的方法實現干擾雜波的抑制和對消，而常規的SAR干擾樣式在一定程度上等效于雜波，從而易被多通道SAR-GMTI抑制，無法達到預期的干擾效果[10-11]。當前出于一些原因，鮮有國外關于多通道SAR-GMTI的干擾相關文獻，國內的相關技術研究則主要集中于壓制性干擾和虛假動目標干擾[12-14]，但這兩種干擾類型分別在相干性和實時性上有待提高。間歇采樣轉發干擾是在DRFM技術的基礎上對信號進行低速率間歇采樣處理并實時轉發的一種相干干擾樣式，響應速度快，并且解決了天線收發隔離的難題。文獻[11]研究了距離向間歇采樣干擾對SAR成像的干擾效果，分析了采樣周期、占空比和轉發方式等因素對干擾成像的影響；文獻[15]將間歇采樣干擾和散射波干擾相結合，使得多個假目標攜帶真實目標散射信息，并具備對抗波形捷變SAR的優勢；文獻[16]提出的改進間歇采樣干擾樣式通過對采樣信號進行頻域處理，解決了間歇采樣假目標滯后的問題； SAR間歇采樣干擾技術發展較為成熟，但間歇采樣干擾對SAR-GMTI的對抗性能研究卻鮮有涉及。針對上述問題，本文提出了對抗多通道SAR-GMTI的方位向間歇采樣延時轉發干擾方法。

1 方位向間歇采樣快/慢時間延時轉發干擾原理

方位向間歇采樣延時轉發干擾是在慢時間域內完成間歇采樣轉發：干擾機在截獲到SAR脈沖信號后，對信號進行周期性地全脈沖采樣(如圖1)，并對被采樣的脈沖延時后轉發。設方位向間歇采樣信號p(t)為矩形包絡脈沖串，其表達式為：

(1)

式中，rect(·)為矩形窗函數，δ(·)為沖擊函數，“*”表示卷積運算；t為全時間，Tw為采樣脈沖寬度，Ts為采樣周期；T為2信號的脈沖周期，Tp為SAR信號脈沖寬度，間歇采樣周期滿足Ts=KT(K≥2且K∈Z)。設SAR發射的線性調頻脈沖到達干擾機并返回至SAR后的基頻信號形式為：

(2)

式中，tr為距離向快時間，ta為方位向慢時間，全時間t=ta+tr；fc為載頻，c為光速，TL為合成孔徑時間，μr為距離向調頻斜率，v為SAR平臺行進速度，(xj,yj,0)為干擾機坐標，R(ta)為任意時刻ta干擾機到SAR的斜距。則發射信號經干擾機間歇采樣后直接轉發(忽略干擾機轉發延遲)至SAR的信號形式為：

sc(tr,ta)=p(t)·s(tr,ta)

(3)

(4)

(5)

2 干擾效果分析

2.1 對常規SAR的干擾效果分析

在分析該干擾方法對多通道SAR-GMTI的對抗性能之前，首先對SAR的干擾效果進行分析。采用經典R-D算法對干擾信號的成像結果進行分析，式(5)干擾信號經過距離向匹配濾波和距離徙動校正后結果為：

(6)

式中，tr*=tr-2Rj/c-τj為經過距離徙動校正后與慢時間無關的距離向到達時間，Rj為干擾機到SAR平臺的最短斜距。

對R(ta-kT)作Fresnel近似處理，并記式(6)中的方位向信息為sa(ta)，即：

(7)

式中，μa=-2v2/λRj為方位向調頻率，φ是與慢時間無關的相位。由此可知，方位向信息sa(ta)可視為調頻率為μa，延時為xj/v+kT的線性調頻信號，并記sa(ta)頻譜為Sa(ta)。對式(1)作傅里葉變換可得

(8)

其中，an=Twfssinc(nTwf)=Dsinc(nD)為幅度加權系數，D=Tw/Ts為采樣占空比。結合式(6)-式(8)可得sjkr(tr,ta)的距離多普勒域表達式為

(9)

式中，fa表示方位向多普勒頻率，fs=1/Ts為間歇采樣頻率。由上式可知，方位向間歇采樣實際上對原信號的多普勒域進行了周期性頻譜拓延，拓延周期為fs，幅度受加權系數an控制。則多普勒頻譜搬移后的sjkr(tr,fa)經過方位向匹配濾波后結果為：

(10)

其中，χa(·)表示方位向線性調頻信號sa(ta)的模糊函數。結合雷達模糊函數理論可得式(10)最終處理結果為：

(11)

式中，ta*=ta-xj/v-kT為方位向到達時間。第n階假目標的距離向峰值時刻和方位向峰值時刻分別為tr*=0和ta*=-nfs/μa，各階假目標距離向和方位向位置以及方位向間隔分別為：

(12)

2.2 對多通道SAR-GMTI的干擾性能分析

多通道SAR-GMTI可有效抑制、對消靜止雜波與部分干擾，從而完成對地面動目標的檢測。上述干擾方法能否對SAR-GMTI形成有效干擾以及對抗效果如何，需要進一步分析。本節采用三通道對消干涉技術研究方位向間歇采樣延時轉發對SAR-GMTI的干擾效果，陣列天線采用一發三收的工作模式，三個通道的子孔徑天線以等間距Da沿航跡分布[3]，其幾何模型如圖3所示。

(13)

(14)

(15)

通道1和3分別乘以補償函數后進行方位向匹配濾波得

(16)

由式(16)可知通道2的成像結果與式(11)一致，即sjka2(tr,ta)=sjka(tr,ta)。由于各接收天線存在沿航跡方向的位置偏差，因而在對消前需補償由此引起的相位偏差，補償函數為：

(17)

利用上式完成相位誤差補償和雜波對消，可得

(18)

對式(18)取模，可得干擾信號通過SAR-GMTI系統后的輸出幅度為：

(19)

結合式(11)和式(19)可知，多通道SAR-GMTI的干擾輸出是在sjka(tr,ta)的基礎上進一步受正弦函數ρ=|2sin(πDav(ta-xj/v-kT)/λRj)|調制。當靜止雜波和直接或延時轉發式干擾信號通過SAR-GMTI時，正弦調制函數ρ=0，從而都能被很好地對消。但是對于方位向間歇采樣延時轉發干擾而言，結合式(12)和式(19)分析可知，由于干擾信號可在方位向形成峰值時刻為tan=-nfs/μa+xj/v+kT的多個假目標，正弦調制函數ρ無法完全對消所有假目標，因此可對SAR-GMTI形成方位向多假目標干擾效果。在第n階假目標的峰值時刻位置，調制函數ρ=|2sin(πDavnfsa/μaλRj)|。當ρ<1，該假目標位于對消特性的削弱區，假目標幅度減弱，特殊情況下當-nfsDav/μa=kλRj(k∈Z)，此時ρ=0，假目標輸出幅度為零，比如0階中心假目標始終被抑制；當ρ>1，假目標位于對消特性的增強區，其幅度增強，特殊情況下當-2nfsDav/μa=(2k+1)λRj(k∈Z)，此時ρ=2，對消處理后假目標幅度達到了原輸出幅度的兩倍。

2.3 對干擾信號的多普勒移頻改進

對干擾信號進行多普勒移頻，結合式(5)可得改進的干擾表達式為：

(20)

其中，Δfa為多普勒固定移頻量。在Fresnel近似條件下，SAR回波信號在方位向可視為線性調頻信號，根據方位向時延和多普勒的耦合特性，可知移頻后假目標串方位向峰值時刻偏移量為：

(21)

由式(21)可知所有假目標將偏離原位置，方位向偏移距離為Δxa=-vΔfa/μa。但對于SAR-GMTI對消過程來說，多普勒移頻不會影響式(13)中的傳播路程Rj1、Rj2和Rj3，從而不會改變正弦調制函數ρ，削弱區位置將保持不變。因此原來被抑制的假目標在多普勒移頻后會偏離原位置并被保留。多普勒移頻后，中心假目標的方位向峰值時刻改變為

ta0=xj/v+kT-Δfa/μa

(22)

將上式代入正弦調制函數ρ的ta處，只要保證ΔfaDa/2v≠k,(k∈Z)，即有ρ≠0，中心假目標會被保留。為充分保留方位向低階假目標，可使峰值時刻偏移量Δta取值為0階與1階假目標峰值間隔的一半，此時|Δfa|=fs/2。

3 仿真實驗分析

三通道SAR-GMTI工作于正側視，仿真參數如表1所示，成像場景方位向范圍為[-150 m,150 m]，距離向范圍為[9 800 m,10 200 m]，場景中心坐標為(10 000,0)。干擾機位于場景中心，坐標為(10 000,0)，干信比JSR=15 dB。設置靜止參考點坐標為(9 900,100)，假設在場景中心線上有一運動參考目標(被保護目標)，在實驗中該目標運動參數、起始位置保持不變。

表1 仿真實驗參數

圖4為方位向間歇采樣轉發干擾時的SAR成像結果，間歇采樣周期Ts=10T，采樣占空比Tw=0.3，在干擾機同方位向上形成間隔為35.7 m的假目標串。圖5為不同采樣周期條件下的SAR-GMTI對消成像結果，圖5(a)中采樣參數同圖4，經過SAR-GMTI對消處理后，靜止參考點被完全抑制對消，運動參考目標正常成像，說明三通道SAR-GMTI具有良好的雜波抑制性能；同時，方位向假目標串中的0階中心假目標被完全抑制，1階假目標能量被削弱，4階假目標能量被增強，增強區附近可以顯示的高階假目標數有所增加。圖5(b)中采樣周期Ts=20T，產生的方位向假目標間隔為17.8 m，約為圖5(a)中假目標間隔的一半，削弱區與增強區更為明顯。仿真結果與理論分析一致，該干擾方法可以在SAR-GMTI對消成像中形成方位向假目標串，各階假目標幅度受正弦函數ρ調制。

文獻[11]中的所涉及的距離向間歇采樣干擾所形成的距離向假目標串與干擾機同方位向，因而無法對SAR-GMTI產生有效干擾。相比于現有的多普勒調相欺騙干擾方法[7]和壓制性干擾方法[10,14]，本文干擾方法具有較好相干性，干擾功率需求介于兩者之間，并且在不需要進行復雜調制的情況下獲得了數目更多的位置可控假目標。相較于文獻[9]采用旋轉天線實現方位向余弦調相的干擾方法，方位向間歇采樣轉發所依托的工程實踐基礎較為成熟，可實施性更強。

進一步驗證多普勒移頻改進的干擾效果，在圖5(a)仿真實驗的基礎上，對干擾信號進行方位向多普勒移頻。圖8(a)中移頻量Δfa=24 Hz≈fs/2，通過和圖5(a)比較可知，假目標串在方位向向右平移，移動距離約為假目標間隔的一半，0階中心假目標的右移使其偏離原來的完全抑制位置，被有效保留，從而驗證了干擾改進方法的有效性，最大程度地保留了低階假目標，提升了欺騙干擾效果。圖8為多組不同延時轉發下的干擾效果，間歇采樣周期Ts=15T，多普勒移頻量Δfa=16 Hz≈fs/2，第一組轉發延時量為0，之后每組轉發快/慢時間延時分別依次增加0.13 μs和10T，對應的距離向和方位向距離分別為20 m和4.2 m，產生了5組斜排列的假目標串，且低階假目標數量被充分保留，形成了較大區域的二維欺騙干擾效果。

4 結論

本文提出了對抗多通道SAR-GMTI的方位向間歇采樣延時轉發干擾方法。該方法利用方位向間歇采樣可周期性拓展多普勒頻譜的特性生成多個不能被SAR-GMTI對消的虛假動目標，并可通過設置采樣周期、延時量、轉發組數等來控制假目標的位置與數量。理論分析和仿真實驗表明：該方法可在SAR-GMTI對消成像中形成二維可控的方位向假目標串，且假目標幅度受到正弦系數的調制出現增強和削弱，多普勒移頻改進可有效克服中心假目標被完全抑制的問題。方位向間歇采樣轉發可克服精確偵察、高速采樣等難題，容易實施，在提高SAR-GMTI對抗能力方面具有較強的應用價值。

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AzimuthIntermittentSamplingTime-delayRepeaterJammingMethodAgainstSAR-GMTI

ZHANG Yunpeng, BI Daping, ZHOU Yang, HAN Jiahui

(Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China)

Aiming at the problem that traditional SAR jamming method does not work against the multi-channel SAR-GMTI, an azimuth intermittent sampling time-delay repeater jamming method for countering the SAR-GMTI was proposed, which was improved with Doppler shift to overcome the problem that the central false target was restrained totally. This method generated seasonal expansion of the Doppler spectrum to produce more false targets which could not be restrained by SAR-GMTI, and controlled the false targets’ displacement through fast/slow time-delay repeater. Theoretical analysis and simulation showed that azimuth intermittent sampling repeater jamming could produce controllable multi-false targets for multi-channel SAR-GMTI imaging, but the amplitudes of false targets were enhanced and weakened under the influence of sinusoidal modulation function, and Doppler shift could help retain low-order false targets adequately.

synthetic aperture radar-ground moving target indication(SAR-GMTI)；azimuth intermittent sampling；countering performance；Doppler shift；cancelling interference

2017-04-26

國家自然科學基金項目資助(61171170)

張云鵬(1992—)，男，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向：SAR信號處理及SAR對抗理論。E-mail：dayunzyp@126.com。

TN974

A

1008-1194(2017)05-0084-07