周 陽(yáng), 畢大平, 沈愛(ài)國(guó), 房明星

(電子工程學(xué)院,合肥 230037)

微動(dòng)調(diào)制間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)SAR-GMTI干擾性能分析

周 陽(yáng), 畢大平, 沈愛(ài)國(guó), 房明星

(電子工程學(xué)院,合肥 230037)

針對(duì)合成孔徑雷達(dá)成像-地面動(dòng)目標(biāo)顯示(SAR-GMTI)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的威脅，給出了基于微動(dòng)調(diào)制的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，并分析了該方法對(duì)SAR-GMTI的干擾性能。該方法沿方位向的干擾通過(guò)在慢時(shí)間域進(jìn)行余弦調(diào)相，沿距離向的干擾是通過(guò)對(duì)信號(hào)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)，二者結(jié)合可在SAR成像中形成二維網(wǎng)狀干擾效果。建立了干擾模型，給出了干擾信號(hào)成像表達(dá)式，最后以三通道干涉對(duì)消技術(shù)為例著重分析了其對(duì)多通道GMTI的對(duì)抗性能。仿真實(shí)驗(yàn)表明該干擾僅能被對(duì)消一小部分，對(duì)多通道SAR-GMTI仍然具有二維點(diǎn)狀干擾效果，但二維點(diǎn)狀目標(biāo)將出現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)和削弱區(qū)。

合成孔徑雷達(dá)； 地面動(dòng)目標(biāo)顯示； 余弦調(diào)相； 間歇采樣； 轉(zhuǎn)發(fā)干擾； 性能分析

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)能夠在全天時(shí)、全天候條件下對(duì)地面進(jìn)行大范圍的測(cè)繪，已被廣泛用于軍事偵察、地圖測(cè)繪以及導(dǎo)彈末端圖像

傳統(tǒng)SAR僅能夠?qū)o止目標(biāo)或靜態(tài)場(chǎng)景進(jìn)行高分辨成像[1]，通常不具備對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與成像的功能。SAR-GMTI在保證SAR高分辨成像優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，吸收了GMTI系統(tǒng)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠?qū)Υ髨?chǎng)景內(nèi)靜止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和高分辨成像，已成為SAR遙感探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。SAR-GMTI具有更強(qiáng)的遙感探測(cè)性能，已受到各國(guó)軍方的重視，由此導(dǎo)致SAR-GMTI發(fā)展迅速。SAR-GMTI快速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)軍事運(yùn)動(dòng)目標(biāo)戰(zhàn)時(shí)生存構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，所以對(duì)SAR-GMTI干擾的研究是電子對(duì)抗領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[4-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外提出的一些對(duì)SAR的相干干擾方法[7-9]均沒(méi)有考慮運(yùn)動(dòng)特性，干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)GMTI處理后會(huì)被濾除。針對(duì)干擾被GMTI處理后被濾除的不足，文獻(xiàn)[10-12]提出了將運(yùn)動(dòng)信息調(diào)制到信號(hào)相位中的干擾方法，其干擾通過(guò)GMTI處理后不會(huì)被對(duì)消，能產(chǎn)生一維方位向上的假目標(biāo)干擾效果；為了實(shí)現(xiàn)二維干擾效果，文獻(xiàn)[13]提出了基于微動(dòng)調(diào)制的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾，該方法可對(duì)SAR實(shí)現(xiàn)較好的二維欺騙干擾效果，并且采用收發(fā)分時(shí)技術(shù),很好地解決了干擾機(jī)收發(fā)隔離的難題，是一種值得深入研究的干擾樣式，但該文獻(xiàn)沒(méi)有分析該干擾對(duì)SAR-GMTI的干擾性能。文獻(xiàn)[13]提出的方法在經(jīng)過(guò)SAR-GMTI系統(tǒng)成像處理后，是否仍會(huì)產(chǎn)生較好的二維干擾效果，這非常具有研究意義。本文著重研究了基于微動(dòng)調(diào)制的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)SAR-GMTI的干擾性能分析，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法對(duì)SAR-GMTI干擾的有效性。

1 微動(dòng)調(diào)制的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)模型

(1)

雷達(dá)發(fā)射的線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation,LFM)信號(hào)可寫(xiě)為

(2)

圖1 SAR成像場(chǎng)景圖Fig.1 The imaging scene of SAR

當(dāng)干擾機(jī)接收到SAR信號(hào)后，首先在快時(shí)間域上進(jìn)行間歇采樣，與此同時(shí)，對(duì)SAR信號(hào)進(jìn)行慢時(shí)間域余弦調(diào)相，則可以得到干擾信號(hào)經(jīng)混頻去載頻后的表達(dá)式為[13]

(3)

式中：k=2π/λ為距離波數(shù);TL為合成孔徑時(shí)間；ma，ωa分別為余弦調(diào)相指數(shù)和余弦調(diào)相角速度；最后一乘數(shù)項(xiàng)為間歇采樣矩形包絡(luò)脈沖串信號(hào)的傅里葉展開(kāi)形式；Dr為占空比;an=Drsinc(nπDr)為幅度加權(quán)系數(shù);fs為間歇采樣頻率。

2 干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)SAR系統(tǒng)成像輸出

圖2所示為合成孔徑雷達(dá)的RD成像處理流程圖。

圖2 SAR的RD成像處理流程
Fig.2 RD imaging processing flow of SAR

干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)RD成像處理后，可得最終成像的表達(dá)式為

(4)

由式(4)可知，干擾峰值會(huì)在距離向和方位向周期延拓出現(xiàn)，所以干擾經(jīng)過(guò)SAR系統(tǒng)后會(huì)產(chǎn)生二維點(diǎn)陣干擾效果。干擾峰值出現(xiàn)位置為y=Rj-ncfs/2μr，x=xj-mvωa/2πμa，且幅度受m階Bessel函數(shù)Jm(ma)和幅度加權(quán)系數(shù)an調(diào)制，其距離向峰值間隔為Δy=cfs/2μr，方位向峰值間隔為Δx=-ωav/2πμa。

3 對(duì)三通道SAR-GMTI干擾性能分析

三通道SAR-GMTI基本上可以對(duì)一般地雜波、靜止目標(biāo)以及一般的干擾進(jìn)行很好的對(duì)消，下面主要研究微動(dòng)調(diào)制間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法對(duì)三通道SAR-GMTI是否也能得到對(duì)消。SAR-GMTI采用三孔徑干涉對(duì)消處理時(shí)，陣列天線采用一發(fā)三收工作模式，由沿航跡、以等間隔Da線性排列的3個(gè)接收子孔徑構(gòu)成[9]，由中間孔徑天線發(fā)射信號(hào)，3個(gè)孔徑同時(shí)接收回波信號(hào)。

如圖3所示，SAR平臺(tái)處3個(gè)加粗黑點(diǎn)代表三通道子孔徑天線，其標(biāo)號(hào)分別為1，2，3，它們按等間隔Da水平排布。三通道SAR-GMTI工作時(shí)，2號(hào)子孔徑天線發(fā)射信號(hào)，3個(gè)子孔徑天線同時(shí)接收信號(hào)，那么信號(hào)到3個(gè)子孔徑天線的傳播路程分別為Rj1=(Rja2+Rja1)，Rj2=2Rja2，Rj3=(Rja2+Rja3)。

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

忽略干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延遲，3個(gè)通道接收的信號(hào)分別為

(5)

對(duì)各通道分別進(jìn)行距離壓縮，可得

(6)

。

(7)

經(jīng)多普勒中心偏差補(bǔ)償，再分別進(jìn)行方位向壓縮，可得

(8)

由式(2)知2號(hào)子孔徑天線接收數(shù)據(jù)的二維脈壓處理結(jié)果與式(4)一致，但由于各接收天線存在沿航跡方向的位置偏差，因而在對(duì)消前需補(bǔ)償此位置偏差引起的相位偏差，相應(yīng)的補(bǔ)償函數(shù)為

。

(9)

式(8)信號(hào)經(jīng)相位補(bǔ)償函數(shù)補(bǔ)償后，兩兩相減可得

(10)

對(duì)式(10)取模，可得到干擾通過(guò)SAR-GMTI系統(tǒng)后的輸出幅度為

|A12(tr,ta)|=|A23(tr,ta)|=2|sja2(tr,ta)|·

(11)

(12)

由上式可知，ωa，m和n的取值對(duì)兩兩相減后干擾信號(hào)的保留能量大小。當(dāng)mωaDa/4v=nπ(m,n∈Z)時(shí)，兩兩相減后干擾信號(hào)能量輸出為0，干擾被抵消，此時(shí)稱(chēng)干擾處于對(duì)消凹口；當(dāng)mωaDa/4v=(1/2+n)π(m,n∈Z)時(shí)，兩兩相減后干擾信號(hào)能量輸出最大，干擾能量得到極大增強(qiáng)，是2號(hào)子孔徑單獨(dú)處理輸出能量的4倍，此時(shí)稱(chēng)干擾處于對(duì)消凸口處；其余均在2號(hào)子孔徑單獨(dú)處理輸出能量的0～4倍之間，隨著階數(shù)呈正弦平方規(guī)律變化。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證理論分析的正確性和干擾的有效性，根據(jù)式(3)生成的干擾信號(hào)按照RD成像算法進(jìn)行仿真。表1是主要仿真參數(shù)，干擾機(jī)坐標(biāo)為(0,10 000,0(單位，m)，表2是干擾參數(shù)，設(shè)置干信比為15 dB。

表1 主要仿真參數(shù)

表2 干擾參數(shù)

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行干擾仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由第2章知干擾信號(hào)經(jīng)SAR成像輸出為二維點(diǎn)陣，其峰值距離向間距為Δy=cfs/2μr=20 m，其峰值方位向間距為Δx=-ωav/2πμa=9.5 m。從圖4a和圖4b可看到，干擾效果為以干擾機(jī)坐標(biāo)(0 m,10 000 m,0 m)為中心向四周擴(kuò)散的二維網(wǎng)狀點(diǎn)目標(biāo)，其幅度不相等且間隔有規(guī)律，這與理論分析相一致。由第3章知，在干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)SAR-GMTI三通道對(duì)消后，當(dāng)mωaDa/4v=nπ (m,n∈Z)時(shí)，圖像能量輸出值為0。從圖4c和圖4d可以看到，在m=0時(shí)，mωaDa/4v=0，該處沒(méi)有目標(biāo)圖像輸出，說(shuō)明處于對(duì)消凹口處；其余各處假目標(biāo)有明有暗，說(shuō)明它們與對(duì)消前相比，能量有增強(qiáng)亦有減弱，但幅度差別不大。干擾仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，證明了該方法理論的正確性。圖4c很好地證明此干擾方法在經(jīng)過(guò)SAR-GMTI三通道對(duì)消后不會(huì)被對(duì)消，因而該方法對(duì)SAR-GMTI具有一定的干擾效果。

圖4 干擾成像效果圖Fig.4 The effect of jamming

5 結(jié)束語(yǔ)

本文深入研究了微動(dòng)調(diào)制的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾方法，著重研究了該干擾通過(guò)多通道對(duì)消GMTI系統(tǒng)后的成像輸出，對(duì)三通道SAR-GMTI干擾性能進(jìn)行了分析。仿真實(shí)驗(yàn)證明了該干擾僅能被三通道SAR-GMTI對(duì)消一小部分，能對(duì)SAR-GMTI形成二維周期延拓的密集點(diǎn)狀干擾效果，只是由于多通道GMTI對(duì)干擾的抑制和對(duì)消，經(jīng)過(guò)SAR-GMTI系統(tǒng)后輸出的二維假目標(biāo)將出現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)和削弱區(qū)。由于此干擾方法利用了間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)形式，采用收發(fā)分時(shí)技術(shù)，從而解決了干擾機(jī)收發(fā)隔離的難題，具有較高的研究與運(yùn)用價(jià)值。

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PerformanceAnalysisofMicro-Motion-ModulationBasedIntermissiveSamplingandRetransmittedJammingtoSAR-GMTI

ZHOU Yang, BI Da-ping, SHEN Ai-guo, FANG Ming-xing

(Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China)

Aiming at the threat of Synthetic Aperture Radar and Ground Moving Target Indication (SAR-GMTI) to the moving target,a method of intermissive sampling and retransmitted jamming based on micro-motion modulation is presented,and analysis is made to its jamming performance.With this method,cosine phase modulation is made to the azimuth jamming in slow time domain,and the range jamming is retransmitted through intermittent sampling repeater.The combination of them provides 2D reticular jamming to the SAR image.The model of SAR jamming is constructed and the image output of the jamming is given.The countering performance against GMTI is analyzed by using the tri-channel interference canceling technique.The simulation results show that:The jamming still can produce 2D dots jamming performance for multi-channel SAR-GMTI because only a little part of it is cancelled,but the amplitudes of 2D dots have enhanced and weakened areas.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Ground Moving Target Indication (GMTI); cosine phase-modulation; intermittent sampling; repeater jamming; performance analysis

周陽(yáng),畢大平,沈愛(ài)國(guó),等.微動(dòng)調(diào)制間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對(duì)SAR-GMTI干擾性能分析[J].電光與控制，2017，24(7)：12-16.ZHOU Y,BI D P,SHEN A G,et al.Performance analysis of micro-motion-modulation based intermissive sampling and retransmitted jamming to SAR-GMTI[J].Electronics Optics & Control,2017,24(7):12-16.

TN957

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.07.003

2016-06-30

2017-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(61171170)

周 陽(yáng)(1991 —),男，江西南昌人，碩士生，研究方向?yàn)镾AR信號(hào)處理與對(duì)抗技術(shù)。匹配制導(dǎo)等方面[1]。地面動(dòng)目標(biāo)顯示(Ground Moving Target Indication,GMTI)技術(shù)能夠檢測(cè)和跟蹤地面上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，在軍事領(lǐng)域被運(yùn)用于發(fā)現(xiàn)敵方運(yùn)動(dòng)軍事目標(biāo)。SAR-GMTI結(jié)合了SAR對(duì)地面目標(biāo)高分辨成像和GMTI的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)功能，能夠?qū)Φ孛嫒我饽繕?biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、識(shí)別、定位、跟蹤和成像，已成為SAR重要發(fā)展趨勢(shì)[2-3]和先進(jìn)體制SAR必備的功能。各國(guó)SAR-GMTI的快速發(fā)展，對(duì)我地面重要軍事目標(biāo)(特別是裝甲車(chē)、坦克、導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)等運(yùn)動(dòng)型目標(biāo))的軍事部署、戰(zhàn)時(shí)生存、作戰(zhàn)狀態(tài)等構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。所以，對(duì)SAR-GMTI干擾技術(shù)研究已成為電子對(duì)抗領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[4-6]。