降佳偉，吳彥鴻，王宏艷，陳劍彪

(裝備學(xué)院，北京101416)

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一種對(duì)SAR-GMTI的密集假目標(biāo)干擾技術(shù)

降佳偉，吳彥鴻，王宏艷，陳劍彪

(裝備學(xué)院，北京101416)

摘要：針對(duì)合成孔徑雷達(dá)-地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示(SAR-GMTI)的快速發(fā)展，有效的干擾措施將是對(duì)抗SAR-GMTI的關(guān)鍵。虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾能夠產(chǎn)生逼真的虛假目標(biāo)，但產(chǎn)生的虛假目標(biāo)數(shù)量有限；噪聲卷積干擾能夠獲得雷達(dá)匹配的處理增益，并且能夠產(chǎn)生壓制式的干擾效果。結(jié)合2種干擾特性，提出一種對(duì)SAR-GMTI的噪聲卷積密集假目標(biāo)干擾技術(shù)，該干擾技術(shù)能夠產(chǎn)生大量的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并且兼具欺騙式和壓制式干擾效果。計(jì)算機(jī)仿真表明了該技術(shù)的有效性。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá)-地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示；虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；噪聲卷積干擾；密集假目標(biāo)

0引言

針對(duì)合成孔徑雷達(dá)-地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示(SAR-GMTI)技術(shù)的快速發(fā)展給我方地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)帶來了巨大的威脅，需要對(duì)其進(jìn)行有效的干擾，產(chǎn)生虛假目標(biāo)迷惑敵方，降低對(duì)方獲取信息的速度，或者降低運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示的精度與準(zhǔn)確度，甚至使之無法檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

傳統(tǒng)的針對(duì)SAR的虛假目標(biāo)干擾由于不具備運(yùn)動(dòng)信息，在干擾SAR-GMTI時(shí)，會(huì)被GMTI技術(shù)通過對(duì)消等手段加以濾除，難以產(chǎn)生有效的欺騙式干擾效果。鑒于此，研究人員提出了運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾[1]，該干擾技術(shù)通過對(duì)接收到的雷達(dá)信號(hào)調(diào)制不同的運(yùn)動(dòng)信息使之能夠?qū)AR-GMTI產(chǎn)生欺騙式的干擾效果。但運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾產(chǎn)生的目標(biāo)數(shù)通常較少，不能對(duì)目標(biāo)點(diǎn)形成壓制式的干擾效果。噪聲干擾可以對(duì)成像雷達(dá)產(chǎn)生壓制式的干擾效果，但需要相當(dāng)高的功率才能達(dá)到有效的干擾。

鑒于此，本文提出一種基于噪聲卷積調(diào)制的密集假目標(biāo)干擾，通過對(duì)虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行噪聲卷積調(diào)制生成大量的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，達(dá)到對(duì)SAR-GMTI的兼具欺騙式和壓制式的干擾效果。

本文首先從回波特性入手，利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波特性對(duì)虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾進(jìn)行建模，然后介紹了噪聲卷積調(diào)制方法，隨后對(duì)密集假目標(biāo)干擾技術(shù)進(jìn)行分析，最后進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證。

1虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在SAR圖像中會(huì)呈現(xiàn)移位、散焦等現(xiàn)象，這與雷達(dá)回波存在失配有關(guān)系。通過對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分析，可以獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在SAR回波中的特性，由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特性可以對(duì)接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息的調(diào)制，從而獲得具有運(yùn)動(dòng)信息的干擾信號(hào)，并儲(chǔ)存為干擾模板。

為了獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在SAR回波中的特性，首先對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波進(jìn)行分析。

設(shè)SAR發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，照射到目標(biāo)后的回波經(jīng)過去載頻處理，為了計(jì)算方便，將反射強(qiáng)度等信息進(jìn)行歸一處理，并且不考慮包絡(luò)函數(shù)，結(jié)果如下：

(1)

式中：tf為距離向快時(shí)間；ts為方位向慢時(shí)間；f0為載頻；τ為目標(biāo)回波的延遲；kr為調(diào)頻率。

可以看出，目標(biāo)信息包含在回波延遲τ中，τ進(jìn)一步可以表示為：

(2)

(3)

式中：R(ts)為雷達(dá)與目標(biāo)的瞬時(shí)斜距；Δx(ts)、Δy(ts)、Δz(ts)分別為某一慢時(shí)間時(shí)刻雷達(dá)與目標(biāo)在立體空間中的3個(gè)維度的距離，包含了目標(biāo)及雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)信息。

這里以最為常見的勻速運(yùn)動(dòng)為例，瞬時(shí)斜距經(jīng)過邁克勞林公式展開后為[2]：

(4)

而靜止目標(biāo)的瞬時(shí)斜距展開后為：

(5)

可以看出，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息包含在瞬時(shí)距離信息中，而瞬時(shí)距離信息包含在目標(biāo)回波的相位中，并且經(jīng)過匹配濾波處理后，主要在方位向影響成像結(jié)果[3]。由此可知，對(duì)于接收到的雷達(dá)信號(hào)，只需要在方位向進(jìn)行調(diào)制就可以得到具有運(yùn)動(dòng)信息的干擾信號(hào)。由式(4)減去式(5)可得勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相比于靜止目標(biāo)增加的與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的信息，進(jìn)而可以得到需要調(diào)制的相位信息，于是，經(jīng)整理可得勻速運(yùn)動(dòng)虛假目標(biāo)調(diào)制模板為：

s勻速(tf,ts)=s靜止(tf,ts)·

(6)

勻加速運(yùn)動(dòng)[4]、微動(dòng)運(yùn)動(dòng)[5]等其他運(yùn)動(dòng)形式可仿照上述過程進(jìn)行調(diào)制，此處不再贅述。

2噪聲卷積調(diào)制干擾

噪聲卷積調(diào)制就是將接收到的雷達(dá)信號(hào)與噪聲信號(hào)進(jìn)行卷積調(diào)制[6]。噪聲卷積調(diào)制公式如下：

(7)

式中：f噪聲(tf,ts)為與雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行卷積的噪聲信號(hào)，本文選擇的噪聲為高斯白噪聲。

由上式可知，卷積干擾包含雷達(dá)信息，因此在匹配濾波時(shí)能夠與雷達(dá)信號(hào)部分匹配，獲得部分雷達(dá)匹配處理增益。

(8)

式中：c(t)為目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)。

由上式可知，卷積干擾的干擾效果由噪聲卷積調(diào)制干擾中的噪聲信號(hào)決定，因此，噪聲卷積調(diào)制干擾具有類似于噪聲的壓制式干擾效果。

文獻(xiàn)[8]分析了對(duì)一維線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)的卷積干擾功率增益：

(9)

式中：Lr為噪聲時(shí)長(zhǎng)；Tp為信號(hào)時(shí)寬；Br為信號(hào)帶寬。

由上式可知，卷積干擾在對(duì)LFM信號(hào)干擾后，可以獲得功率增益，且功率增益同干擾信號(hào)長(zhǎng)度相關(guān)。

而SAR信號(hào)處理可以近似為2個(gè)方向分別對(duì)LFM信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，因?yàn)槎S噪聲卷積調(diào)制干擾在2個(gè)維度上都可以獲得功率增益，根據(jù)式(9)可以推導(dǎo)出SAR信號(hào)處理中噪聲卷積調(diào)制干擾的功率增益為：

(10)

式中：La為噪聲卷積干擾在方位向的時(shí)長(zhǎng)；TSAR為合成孔徑時(shí)間；Ba為等效的多普勒帶寬。

可以看出，噪聲卷積調(diào)制干擾的功率增益K>1，而一般噪聲干擾由于不包含雷達(dá)信息，所以K=1。因此，噪聲卷積調(diào)制干擾可以有效降低對(duì)干擾功率的需求，并且隨著干擾信號(hào)時(shí)長(zhǎng)的減小，增益將會(huì)變大。可以這樣理解，當(dāng)干擾信號(hào)時(shí)長(zhǎng)非常長(zhǎng)時(shí)，相當(dāng)于傳統(tǒng)的噪聲干擾，K≈1；而當(dāng)干擾信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)非常短時(shí)，近似為一個(gè)沖擊函數(shù)，那么雷達(dá)信號(hào)與之卷積的結(jié)果將相當(dāng)于雷達(dá)信號(hào)自身，而雷達(dá)信號(hào)可以獲得的功率增益是非常高的，根據(jù)雷達(dá)的不同，一般都在104～107量級(jí)。

需要注意的是：由于信號(hào)處理為無源系統(tǒng)，因此能量守恒；由于存在增益，使得能量聚集性增強(qiáng)，干擾會(huì)在某一區(qū)域內(nèi)增強(qiáng)，相應(yīng)地干擾區(qū)域會(huì)減少，不過干擾區(qū)域減小的代價(jià)是可承受的。

3密集假目標(biāo)干擾

由前文推導(dǎo)可知：虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾可以產(chǎn)生逼真的具有期望的運(yùn)動(dòng)特性的干擾；而噪聲卷積調(diào)制干擾可以產(chǎn)生良好的壓制式效果，并且能夠獲得雷達(dá)的部分匹配處理增益。鑒于此，本文提出一種對(duì)SAR-GMTI的密集假目標(biāo)干擾技術(shù)。

根據(jù)前文的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾的生成過程與噪聲卷積干擾生成過程，可以得出密集假目標(biāo)干擾的生成過程如下：

(1) 首先將接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息調(diào)制，生成具有運(yùn)動(dòng)特性的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾模板。

(2) 對(duì)噪聲首先做預(yù)處理，即設(shè)置一個(gè)門限，高于此門限值的噪聲點(diǎn)保留，而低于此門限值的噪聲點(diǎn)置零。此步驟的目的是將幅度較小的噪聲點(diǎn)剔除，從而保留幅度較大的點(diǎn)，在與運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾模板進(jìn)行卷積的時(shí)候，可以將干擾功率有效聚集在幅度較大的點(diǎn)上，使產(chǎn)生的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)幅度與真實(shí)目標(biāo)相當(dāng)，并且進(jìn)一步降低了對(duì)干擾功率的要求。

(3) 將經(jīng)過處理后的噪聲與生成好的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾模板進(jìn)行卷積，再經(jīng)過功率放大并轉(zhuǎn)發(fā)出去。經(jīng)過上述干擾生成過程可得干擾公式如下：

Jd(tf,ts)=su(tf,ts)?

[fn(tf,ts)*g(tf,ts)]

(11)

由式(8)可知，該干擾進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)，經(jīng)過雷達(dá)信號(hào)處理后為：

(12)

式中：cu(tf,ts)為勻速運(yùn)動(dòng)虛假目標(biāo)模板的目標(biāo)特性信息，包含了反射強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息。

從式(12)可以看出，該密集假目標(biāo)干擾技術(shù)正是將2種干擾技術(shù)有機(jī)地結(jié)合使用，fn(tf,ts)*g(tf,ts)部分利用噪聲卷積技術(shù)產(chǎn)生大量的虛假目標(biāo)。由噪聲篩選函數(shù)可知，門限a的選擇會(huì)影響噪聲點(diǎn)的數(shù)量，由式(10)的分析可知，噪聲函數(shù)時(shí)長(zhǎng)的選擇也會(huì)影響增益的大小，cu(tf,ts)部分賦予虛假目標(biāo)干擾以運(yùn)動(dòng)特性，由此可知，該干擾兼具欺騙式的干擾效果和壓制式干擾效果，能夠獲得雷達(dá)的匹配處理增益，具有隨機(jī)的位置與幅度信息，使干擾更具迷惑性，并且通過靈活選擇噪聲篩選門限a和噪聲時(shí)長(zhǎng)可以獲得不同的干擾效果。

下文將對(duì)基于噪聲卷積調(diào)制的密集假目標(biāo)干擾技術(shù)進(jìn)行計(jì)算仿真，驗(yàn)證上文得到的結(jié)論。

4仿真驗(yàn)證

在進(jìn)行仿真驗(yàn)證之前，首先對(duì)雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，雷達(dá)參數(shù)設(shè)置如表1所示。本文采用雙通道SAR-GMTI技術(shù)[3]進(jìn)行干擾效果驗(yàn)證。

表1　雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

4.1虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾仿真

首先設(shè)置2個(gè)真實(shí)點(diǎn)目標(biāo)：一個(gè)為靜止點(diǎn)目標(biāo)；另一個(gè)為運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)。2個(gè)目標(biāo)的參數(shù)如表2所示。根據(jù)虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾的生成原理可知，接收到的雷達(dá)信號(hào)一般不包含運(yùn)動(dòng)信息，即可以認(rèn)為接收到的雷達(dá)信號(hào)如果不做調(diào)制而轉(zhuǎn)發(fā)出去，生成的是靜止虛假點(diǎn)目標(biāo)。

表2　運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)設(shè)置

圖1(a)為虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾被對(duì)消前的干擾效果，即一個(gè)通道接收到的信息進(jìn)行的成像，此圖也可以理解為運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾對(duì)SAR的干擾效果圖。從圖中可以看出虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾可以對(duì)SAR產(chǎn)生欺騙式的干擾效果。圖1(b)為圖1(a)干擾效果的三維圖，此圖可以反映干擾幅度的相對(duì)關(guān)系，可以看出，運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾在低干信比條件下可以產(chǎn)生與真實(shí)點(diǎn)目標(biāo)功率近似的虛假點(diǎn)目標(biāo)，增強(qiáng)欺騙式干擾的可信性。圖1(c)為虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾經(jīng)過SAR-GMTI處理后的干擾效果，從圖中可以看出靜止點(diǎn)目標(biāo)被完全消除，真實(shí)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)能量對(duì)消不多，虛假運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)部分對(duì)消，但是還保留了一部分能量，還可以對(duì)SAR-GMTI產(chǎn)生欺騙式的干擾效果。

圖1　勻速運(yùn)動(dòng)調(diào)制干擾

4.2噪聲卷積調(diào)制干擾仿真

圖2(a)為噪聲卷積調(diào)制干擾對(duì)消前的干擾效果圖，從圖中可以看出噪聲卷積調(diào)制干擾可以產(chǎn)生壓制式的干擾效果。圖2(b)為圖2(a)干擾效果的三維圖，此圖可以反映干擾幅度的相對(duì)關(guān)系?？梢钥闯觯肼暰矸e干擾在較高干信比條件下可以類似噪聲的干擾效果，能夠覆蓋需要保護(hù)的區(qū)域，并且通過提高噪聲卷積干擾的功率能夠增強(qiáng)噪聲卷積干擾的干擾效果。圖2(c)為噪聲卷積干擾對(duì)SAR-GMTI的干擾效果，從圖中可以看出靜止點(diǎn)目標(biāo)被完全對(duì)消，噪聲卷積調(diào)制干擾無法對(duì)消，可以對(duì)SAR-GMTI產(chǎn)生有效的壓制式干擾效果。

圖2　噪聲卷積干擾

4.3密集假目標(biāo)仿真

圖3為本文提出的密集假目標(biāo)干擾對(duì)SAR-GMTI的干擾效果圖，從圖中可以看出，利用本文提出的方法能夠產(chǎn)生大量的虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾，并對(duì)某一區(qū)域產(chǎn)生兼具欺騙式和壓制式的干擾效果，能夠有效干擾SAR-GMTI。

圖3　密集假目標(biāo)干擾

圖3(b)為密集假目標(biāo)干擾的三維圖，與圖2(c)進(jìn)行直觀對(duì)比可看出，在干擾區(qū)域相同、干信比相同時(shí)，密集假目標(biāo)干擾的幅度明顯高于噪聲卷積調(diào)制干擾，說明密集假目標(biāo)干擾相對(duì)于噪聲卷積調(diào)制干擾在干擾功率方面的優(yōu)勢(shì)，與前文結(jié)論相一致。

(1) 不同噪聲時(shí)長(zhǎng)

表3所示為噪聲卷積調(diào)制干擾中的噪聲信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)在距離向以及方位向上時(shí)長(zhǎng)的比值。為了便于比較，將距離向與方位向倍數(shù)設(shè)為一致。

圖4為噪聲信號(hào)長(zhǎng)度為信號(hào)長(zhǎng)度的0.2、0.5、0.8和1.2倍時(shí)對(duì)SAR-GMTI的干擾效果圖。

從上述圖中可以看出，隨著干擾信號(hào)長(zhǎng)度的減小，干擾區(qū)域在減小，但干擾信號(hào)幅度卻在增長(zhǎng)，即干擾獲得的增益在增長(zhǎng)，這與前文的結(jié)論相一致。

(2) 不同噪聲篩選門限

本文對(duì)高斯白噪聲和處理前的雷達(dá)回波進(jìn)行了功率歸一化處理，即高斯白噪聲平均功率為1，處理前的雷達(dá)回波平均功率也為1。表4所示為卷積信號(hào)的門限值選擇(歸一值)。

表4　噪聲門限

如圖5(a)～(h)所示，選擇不同的門限值能夠產(chǎn)生不同的干擾效果，并且干擾點(diǎn)位置為隨機(jī)點(diǎn)。當(dāng)門限值較低時(shí)，保留的噪聲點(diǎn)較多，產(chǎn)生的密集假目標(biāo)點(diǎn)較多，干擾功率分布于這些假目標(biāo)點(diǎn)，每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的平均功率較低，所以產(chǎn)生的虛假目標(biāo)點(diǎn)幅度較低。但同時(shí)，由于虛假目標(biāo)點(diǎn)較多，能夠造成良好的壓制式效果，欺騙式干擾效果不是很明顯。反之，當(dāng)門限值較高時(shí)，保留的噪聲點(diǎn)較少，產(chǎn)生的密集假目標(biāo)點(diǎn)較少，每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的平均功率較高，所以產(chǎn)生的虛假目標(biāo)點(diǎn)幅度較高，能夠產(chǎn)生良好的欺騙式干擾效果，但壓制效果不明顯。

圖5　卷積信號(hào)不同門限值時(shí)的密集假目標(biāo)干擾對(duì)SAR-GMTI的干擾效果

5結(jié)束語

SAR-GMTI的快速發(fā)展，也要求干擾技術(shù)必須發(fā)展。單一的欺騙式干擾或者壓制式干擾在未來電子對(duì)抗中顯得比較單薄，難以滿足需要，因此兼具欺騙式和壓制式干擾效果的干擾技術(shù)將是未來SAR-GMTI干擾技術(shù)的主流。

本文基于虛假運(yùn)動(dòng)目標(biāo)干擾和噪聲卷積調(diào)制干擾的特點(diǎn)，提出了一種對(duì)SAR-GMTI的密集假目標(biāo)干擾技術(shù)，該密集假目標(biāo)干擾通過選取不同的噪聲時(shí)長(zhǎng)以及噪聲篩選門限值可以產(chǎn)生不同的密集假目標(biāo)干擾效果，具有一定的靈活性，并且兼具欺騙式與壓制式干擾效果，通過理論分析以及計(jì)算機(jī)仿真，表明本文提出的密集假目標(biāo)干擾是一種有效的SAR-GMTI干擾技術(shù)。

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A Dense False Target Jamming Technique against SAR-GMTI

JIANG Jia-wei，WU Yan-hong，WANG Hong-yan，CHEN Jian-biao

(Equipment Academy,Beijing 101416,China)

Abstract:Aiming at the rapid development of synthetic aperture radar-ground moving-target indication (SAR-GMTI),effective jamming countermeasure will be the key against SAR-GMTI.False moving target jamming can generate realistic false targets,but the false target number is limited;noise convolution jamming can obtain suited radar processing gain,and can generate the suppression jamming effect.Combining with two kinds of jamming specialities,this paper proposes a kind of noise convolution dense false targets jamming technique against SAR-GMTI.The jamming technique can generate a large number of false moving targets,has deceptive jamming effect and suppression jamming effect.Computer simulation verifies the validity of the technique.

Keywords:synthetic aperture radar-ground moving-target indication；false moving target；noise convolution jamming；dense false targets

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.002

中圖分類號(hào)：TN972.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)01-0009-06

收稿日期:2015-09-17