紀朋徽 邢世其 徐 偉 代大海 馮德軍

(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室 長沙 410073)

1 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種微波成像雷達，能夠全天時、全天候地對地進行觀測成像，并且成像分辨率不隨距離變化發(fā)生改變，因此被廣泛應(yīng)用于地表信息觀測、軍事情報獲取和導(dǎo)彈末端圖像匹配制導(dǎo)領(lǐng)域[1,2]。合成孔徑雷達地面運動目標指示(Synthetic Aperture Radar-Ground Moving Target Indication, SARGMTI)結(jié)合了SAR成像和地面動目標指示的優(yōu)勢，還能夠?qū)\動目標進行檢測、定位和成像，并實時感知戰(zhàn)場態(tài)勢[3]。SAR和SAR-GMTI的廣泛使用對我國高價值軍事運動目標如指揮車、坦克和導(dǎo)彈發(fā)射車等構(gòu)成巨大威脅，研究SAR-GMTI對抗技術(shù)具有重要應(yīng)用價值[4]。

SAR-GMTI通常使用多個接收通道對消靜止雜波來檢測運動目標，多個通道的使用也提高了其抗干擾能力[5]。傳統(tǒng)的SAR干擾技術(shù)，多以靜止目標保護為基礎(chǔ)建立，未考慮目標的運動特性，通過多個通道的對消處理容易被對消掉，干擾效果大打折扣[6,7]。基于運動調(diào)制的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾技術(shù)[8]、微動干擾技術(shù)[9]雖然能對抗SAR-GMTI，但這些方法生成的虛假目標分布較為規(guī)律，易被判別為假目標。散射波干擾雖然能攜帶豐富的地物信息和多普勒頻移，生成的虛假目標較為逼真，不易被鑒別出來，但干擾目標的生成不易控制，且因需要地物進行2次散射，所需功率較高[10]；基于多普勒調(diào)制的虛假目標生成技術(shù)能夠生成位置可控的虛假目標，但速度無法控制[11]，利用回波距離差異的虛假運動目標生成方法，能夠生成位置和速度均可控的虛假運動目標[12]，但這兩種干擾技術(shù)都基于單個干擾機生成，虛假目標經(jīng)重定位處理后方位位置與干擾機一致，易被識別[13]。文獻[14,15]給出了基于多干擾機協(xié)同生成虛假目標的方法，重定位后目標方位位置與設(shè)定一致，較為逼真，但因為需要進行實時延時和多普勒調(diào)制，實現(xiàn)過程較為復(fù)雜。

基于以上背景，本文基于2維移頻調(diào)制和雙干擾機協(xié)同，提出了一種新型的虛假運動目標生成方法。其中2維移頻調(diào)制能夠控制虛假目標的位置并使虛假目標具有運動特性，雙干擾機協(xié)同則使虛假目標相位在各個通道滿足真實目標相位，使用該方法生成的虛假運動目標速度、位置均可控，且經(jīng)重定位后目標被定位到其設(shè)定位置；此外，該方法使用移頻調(diào)制生成虛假運動目標，實現(xiàn)方式簡單，具備一定的工程可實現(xiàn)性。

本文首先分析了移頻調(diào)制干擾生成的虛假目標對抗雙通道SAR-GMTI的局限性，然后介紹了基于雙干擾機協(xié)同的移頻調(diào)制的虛假運動目標生成方法，最后通過實驗仿真驗證了本文提出的虛假運動目標信號生成方法的有效性。

2 單干擾機移頻調(diào)制干擾的局限性

3 基于雙干擾協(xié)同的移頻調(diào)制干擾方法

通過第1節(jié)的分析可以知道，單個干擾機生成的干擾信號對應(yīng)的虛假目標經(jīng)重定位處理后可以被鑒別出來，主要是因為虛假目標成像結(jié)果在兩副天線之間的相位差只與方位向移頻量有關(guān)，而不能進行任意控制。如果設(shè)法在移頻干擾對應(yīng)的虛假目標處有選擇的控制相位，那么生成的虛假目標經(jīng)重定位后方位位置將不再與干擾機一致，虛假目標對應(yīng)的速度也能進行相應(yīng)控制。顯然單臺干擾機難以做到，可以考慮聯(lián)合多臺干擾機進行控制。

假設(shè)在圖1對應(yīng)的欺騙干擾場景中再增加一臺干擾機J0，其坐標為(xJ0,yJ,0)，徑向距離坐標與干擾機J1一致，如果干擾機J0也在(xp,rp)處生成干擾信號，則其對應(yīng)的方位向移頻應(yīng)為fa0=?μa(xp?xJ0)/Va，距離向移頻應(yīng)為fr=?K(rp?RJ)/c。相應(yīng)地，干擾機J0生成的干擾信號在天線An成像結(jié)果為

圖1 雙通道SAR-GMTI欺騙干擾模型

步驟4 把步驟3求出的幅相調(diào)制系數(shù)應(yīng)用到兩干擾機生成干擾信號的過程中。

經(jīng)過以上4個步驟的處理，兩干擾機協(xié)同生成的干擾信號將滿足期望生成的虛假運動目標。

4 算法分析

4.1 雙干擾機位置

根據(jù)第3節(jié)描述的雙干擾機調(diào)制算法可知，雙干擾機需要同時偵測到雷達信號時才生成干擾信號，因此兩干擾機必須能同時處在主波束內(nèi)，此時兩干擾機之間的方位間距應(yīng)當小于一個合成孔徑長度L；并且為了使兩干擾機同時處在主波束的時間更長，兩干擾機之間的方位間距應(yīng)當盡可能小。同時考慮到在單個干擾機生成假目標時采用的是移頻調(diào)制方法，任一干擾機生成虛假目標時，方位向移頻fa必須要小于方位向多普勒帶寬Ba；因此，為了能在兩干擾機之外的范圍內(nèi)生成較多虛假運動目標，兩干擾機之間的方位間距最好小于半個合成孔徑長度。因此，兩干擾機之間的方位位置需滿足

至于兩干擾機的距離向位置，根據(jù)第3節(jié)對算法的推導(dǎo)，兩者之間保持一致即可。

4.2 算法對比

根據(jù)文獻[14]的介紹和對本文方法的闡述，傳統(tǒng)的雙干擾機協(xié)同方法與本文提出的干擾機協(xié)同方法在干擾機協(xié)同上是一致的，均需要首先根據(jù)虛假運動目標的特性，計算所需的幅相調(diào)制系數(shù)，然后每臺干擾機據(jù)此調(diào)制系數(shù)生成虛假運動目標。兩者的差異性主要表現(xiàn)在單個干擾機生成虛假運動目標的方式上，其中傳統(tǒng)方法需要根據(jù)SAR與虛假運動目標和干擾機的實時距離差進行延遲和方位向相位調(diào)制來生成虛假運動目標，在以數(shù)字射頻存儲(Digital Radio Frequency Memory, DRFM)為主要結(jié)構(gòu)的干擾機中，精確延遲通常在頻域?qū)崿F(xiàn)，這需要干擾機首先對接收的雷達信號進行FFT變換，然后通過與延時量有關(guān)的距離頻域相位相乘實現(xiàn)距離延遲，其次再進行IFFT變換并進行方位向相位調(diào)制。而本文提出的方法單個干擾機只需根據(jù)虛假運動目標在SAR圖像中的位置采用移頻調(diào)制即可，總共需要距離向和方位向的兩次相位調(diào)制，省略了FFT和IFFT變換，實現(xiàn)過程相對簡單。

5 仿真實驗

以某機載雙通道SAR-GMTI雷達為干擾對象，其參數(shù)如表1所示。在接下來仿真中，目標和干擾機坐標單位均為米(m)。

表1 兩通道 SAR-GMTI系統(tǒng)參數(shù)

5.1 虛假點目標仿真對比

首先，對比單干擾機和雙干擾機生成虛假運動目標的有效性。為此，設(shè)置4個虛假運動目標p1,p2,p3和p4，其坐標分別為(10,10040) , (?10,10020),(?20,9970), (30,9990)，對應(yīng)的徑向速度為–0.3 m/s,0.5 m/s, –0.6 m/s, 0.8 m/s，映射到SAR圖像中的坐標分別為(25,10040) , (?35,10020), (10,9970),(?10,9990)。另外設(shè)置了兩個真實目標作為參考，一個是真實靜止目標p5，坐標為(50,10010)；一個是真實運動目標p6，坐標為(?20,9960)，徑向速度為0.7 m/s。兩臺干擾機J0和J1沿方位向放置，坐標分別為(0,10000), (?20,10000)，由第3節(jié)介紹的虛假運動目標生成步驟生成相應(yīng)的虛假目標。

圖2上面一行給出了只有干擾機J0生成虛假運動目標的成像處理結(jié)果，下面一行給出了雙干擾機聯(lián)合生成虛假運動目標的成像處理結(jié)果，圓圈代表目標在SAR圖像中的位置。圖2(a)給出了單干擾機生成的4個虛假運動目標和兩個真實目標的SAR成像結(jié)果，圖2(d)為干擾機J0和J1協(xié)同生成的4個虛假運動目標和兩個真實目標的SAR成像結(jié)果，可以看到兩種方法都在相同的位置生成了虛假目標。圖2(b)和圖2(e)給出了DPCA對消處理后的結(jié)果，其中只有真實靜止目標p5被對消掉了，單干擾機和雙干擾機生成的虛假目標以及真實運動目標都未被對消，這說明干擾機通過方位向移頻生成的虛假目標具有運動特性。

表2給出了所有目標的徑向速度估計和方位位置重定位結(jié)果，可以看到真實目標p5和p6檢測出的速度和重定位后的位置與設(shè)定值一致；單干擾機生成的虛假目標p1,p2,p3和p4都被測出了速度，經(jīng)重定位后方位位置與干擾機J0一致，偏離了設(shè)定虛假目標的特性，而雙干擾機生成的虛假目標檢測出的徑向速度和方位位置與設(shè)定特性基本一致，這證明了文中提出的干擾方法生成虛假運動目標的有效性。圖2(c)和圖2(f)為對應(yīng)的目標重定位后的結(jié)果，直觀地顯示出單干擾機生成的虛假目標重定位后的位置在與干擾機方位位置相同的直線上，雙干擾機生成的虛假目標都被定位到了其設(shè)定的位置。

圖2 真實及虛假目標成像處理結(jié)果

表2 不同干擾方法下目標的徑向速度估計和方位位置估計

其次，為了進一步驗證文中提出干擾方法的有效性，又仿真了多組虛假運動目標，對比其設(shè)定速度與估計速度之間的誤差。根據(jù)文中對算法的推導(dǎo)可知，虛假目標的徑向速度與距離向位置無關(guān)，為此假設(shè)此處虛假目標的距離向位置恒定為10030 m，方位位置在兩干擾機附近以間隔2 m變動?？紤]到干擾機的方位位置，把虛假目標的方位位置變動范圍設(shè)定為(–40 m, 10 m)。圖3給出了雙干擾機生成不同的徑向速度的虛假運動目標時，徑向速度估計誤差隨方位位置的變動情況?？梢钥闯鲭p干擾機生成的虛假目標速度誤差主要分布在0.02 m/s附近，誤差很小，此時能達到較好的欺騙干擾效果；個別的在0.1 m/s附近，對比此種情況下目標設(shè)定的速度0.55 m/s和0.75 m/s，雖然誤差相對較大但同樣能達到一定的欺騙干擾效果。因此，本文提出的干擾方法能較好實現(xiàn)對SAR-GMTI系統(tǒng)的欺騙。

圖3 虛假運動目標徑向速度估計誤差

最后，為了驗證本文提出的雙干擾機協(xié)同方法相對文獻[14]介紹的傳統(tǒng)干擾機協(xié)同方法的優(yōu)越性，對比了兩種方法在生成虛假運動目標上的差別，根據(jù)文獻[14]的介紹，傳統(tǒng)雙干擾機之間的間距在1/2合成孔徑附近時，生成的虛假運動目標魯棒性強。此處結(jié)合本文提出的方法和SAR系統(tǒng)參數(shù)，選擇干擾機之間的方位間隔為30 m，為此把上面干擾機J1的坐標調(diào)整為(30,10000)，其他干擾機條件和假目標的參數(shù)均不變。表3給出了兩種方法下生成p1,p2,p3和p44個假目標的速度估計，可以看出兩種方法下生成的虛假運動目標徑向速度均小于0.05 m/s，相比設(shè)定的速度誤差可以忽略不計。兩者在生成虛假運動目標的有效性性上基本一致，但因為本文方法在實現(xiàn)時只需移頻調(diào)制，不需要實時延遲調(diào)制，過程相對簡單，具有一定的優(yōu)越性。

表3 不同雙干擾機干擾方法下目標的徑向速度估計和方位位置估計

5.2 基于實測數(shù)據(jù)的目標仿真

為了進一步驗證文中提出方法的有效性，考慮在真實靜止場景的公路上生成4個運動的虛假目標q1,q2,q3和q4，每個目標由3～4個散射點組成，如圖4(a)所示，其對應(yīng)的中心點坐標為(?40,9930),(?20,9960) , (10,10020), (30,10050)，徑向速度為–0.85 m/s, –0.8 m/s, 0.7 m/s, 0.8 m/s。相應(yīng)地，中心點坐標映射到SAR圖像中的坐標為(2.5,9930),(20,9960) , (?25,10020), (?10,10050)，兩臺干擾機J0和J1沿方位向放置，坐標分別為(0,10000),(?20,10000)，SAR-GMTI系統(tǒng)參數(shù)與5.1節(jié)相同。然后按照文中給出的方法步驟生成虛假目標。

圖4(b)給出了虛假目標的生成結(jié)果，4個虛假運動目標均偏離其真實位置。圖4(c)為DPCA對消處理結(jié)果，靜止場景被消除，所有的虛假運動目標都得以保留。表4給出了虛假運動目標的徑向速度估計和中心點方位重定位結(jié)果，可以看出生成的虛假運動目標與設(shè)定值基本一致，雖然誤差較表2無背景情況下偏大，但仍在可接受的水平；其中q3的誤差較大，這主要因為其受周圍背景噪聲的影響較強，但即使誤差較大，仍能實現(xiàn)欺騙干擾的目的。圖4(d)給出了虛假運動目標的重定位結(jié)果，結(jié)果表明經(jīng)重定位后，虛假目標定位到公路上的位置與真實情況近似一致。以上仿真再次證明文中提出的雙干擾機協(xié)同移頻干擾方法生成虛假運動目標的可行性。

圖4 靜止場景虛假運動目標成像處理結(jié)果

表4 靜止場景下目標的徑向速度估計和方位位置估計

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于雙干擾機協(xié)同的移頻調(diào)制新型虛假運動目標生成方法，解決了單干擾機2維移頻調(diào)制生成的虛假運動目標對抗雙通道SAR-GMTI時方位位置固定和徑向速度無法控制的問題。該方法通過2維移頻調(diào)制控制虛假目標的位置，使用雙干擾機協(xié)同控制虛假運動目標的徑向速度。經(jīng)驗證，此方法可在雙通道SAR-GMTI系統(tǒng)中生成逼真的虛假運動目標。該方法有3個優(yōu)點：(1) 虛假運動目標的徑向速度和方位位置可以靈活控制；(2) 2維移頻調(diào)制干擾方式實現(xiàn)簡單；(3) 雙干擾機調(diào)制的幅相調(diào)制系數(shù)求解簡單，且不隨慢時間變化。