一种对SAR-GMTI的密集假目标干扰技术

降佳伟，吴彦鸿，王宏艳，陈剑彪

(装备学院，北京101416)



一种对SAR-GMTI的密集假目标干扰技术

降佳伟，吴彦鸿，王宏艳，陈剑彪

(装备学院，北京101416)

摘要：针对合成孔径雷达-地面运动目标指示(SAR-GMTI)的快速发展，有效的干扰措施将是对抗SAR-GMTI的关键。虚假运动目标干扰能够产生逼真的虚假目标，但产生的虚假目标数量有限；噪声卷积干扰能够获得雷达匹配的处理增益，并且能够产生压制式的干扰效果。结合2种干扰特性，提出一种对SAR-GMTI的噪声卷积密集假目标干扰技术，该干扰技术能够产生大量的虚假运动目标，并且兼具欺骗式和压制式干扰效果。计算机仿真表明了该技术的有效性。

关键词：合成孔径雷达-地面运动目标指示；虚假运动目标；噪声卷积干扰；密集假目标

0引言

针对合成孔径雷达-地面运动目标指示(SAR-GMTI)技术的快速发展给我方地面运动目标带来了巨大的威胁，需要对其进行有效的干扰，产生虚假目标迷惑敌方，降低对方获取信息的速度，或者降低运动目标指示的精度与准确度，甚至使之无法检测运动目标。

传统的针对SAR的虚假目标干扰由于不具备运动信息，在干扰SAR-GMTI时，会被GMTI技术通过对消等手段加以滤除，难以产生有效的欺骗式干扰效果。鉴于此，研究人员提出了运动调制干扰[1]，该干扰技术通过对接收到的雷达信号调制不同的运动信息使之能够对SAR-GMTI产生欺骗式的干扰效果。但运动调制干扰产生的目标数通常较少，不能对目标点形成压制式的干扰效果。噪声干扰可以对成像雷达产生压制式的干扰效果，但需要相当高的功率才能达到有效的干扰。

鉴于此，本文提出一种基于噪声卷积调制的密集假目标干扰，通过对虚假运动目标进行噪声卷积调制生成大量的虚假运动目标，达到对SAR-GMTI的兼具欺骗式和压制式的干扰效果。

本文首先从回波特性入手，利用运动目标的回波特性对虚假运动目标干扰进行建模，然后介绍了噪声卷积调制方法，随后对密集假目标干扰技术进行分析，最后进行计算机仿真验证。

1虚假运动目标干扰

运动目标在SAR图像中会呈现移位、散焦等现象，这与雷达回波存在失配有关系。通过对雷达信号进行分析，可以获得运动目标在SAR回波中的特性，由运动目标特性可以对接收到的雷达信号进行运动信息的调制，从而获得具有运动信息的干扰信号，并储存为干扰模板。

为了获得运动目标在SAR回波中的特性，首先对运动目标的回波进行分析。

设SAR发射线性调频信号，照射到目标后的回波经过去载频处理，为了计算方便，将反射强度等信息进行归一处理，并且不考虑包络函数，结果如下：

(1)

式中：tf为距离向快时间；ts为方位向慢时间；f0为载频；τ为目标回波的延迟；kr为调频率。

可以看出，目标信息包含在回波延迟τ中，τ进一步可以表示为：

(2)

(3)

式中：R(ts)为雷达与目标的瞬时斜距；Δx(ts)、Δy(ts)、Δz(ts)分别为某一慢时间时刻雷达与目标在立体空间中的3个维度的距离，包含了目标及雷达的运动信息。

这里以最为常见的匀速运动为例，瞬时斜距经过迈克劳林公式展开后为[2]：

(4)

而静止目标的瞬时斜距展开后为：

(5)

可以看出，目标的运动信息包含在瞬时距离信息中，而瞬时距离信息包含在目标回波的相位中，并且经过匹配滤波处理后，主要在方位向影响成像结果[3]。由此可知，对于接收到的雷达信号，只需要在方位向进行调制就可以得到具有运动信息的干扰信号。由式(4)减去式(5)可得匀速运动目标相比于静止目标增加的与目标运动速度有关的信息，进而可以得到需要调制的相位信息，于是，经整理可得匀速运动虚假目标调制模板为：

s匀速(tf,ts)=s静止(tf,ts)·

(6)

匀加速运动[4]、微动运动[5]等其他运动形式可仿照上述过程进行调制，此处不再赘述。

2噪声卷积调制干扰

噪声卷积调制就是将接收到的雷达信号与噪声信号进行卷积调制[6]。噪声卷积调制公式如下：

(7)

式中：f噪声(tf,ts)为与雷达信号进行卷积的噪声信号，本文选择的噪声为高斯白噪声。

由上式可知，卷积干扰包含雷达信息，因此在匹配滤波时能够与雷达信号部分匹配，获得部分雷达匹配处理增益。

(8)

式中：c(t)为目标响应函数。

由上式可知，卷积干扰的干扰效果由噪声卷积调制干扰中的噪声信号决定，因此，噪声卷积调制干扰具有类似于噪声的压制式干扰效果。

文献[8]分析了对一维线性调频(LFM)信号的卷积干扰功率增益：

(9)

式中：Lr为噪声时长；Tp为信号时宽；Br为信号带宽。

由上式可知，卷积干扰在对LFM信号干扰后，可以获得功率增益，且功率增益同干扰信号长度相关。

而SAR信号处理可以近似为2个方向分别对LFM信号进行匹配滤波处理，因为二维噪声卷积调制干扰在2个维度上都可以获得功率增益，根据式(9)可以推导出SAR信号处理中噪声卷积调制干扰的功率增益为：

(10)

式中：La为噪声卷积干扰在方位向的时长；TSAR为合成孔径时间；Ba为等效的多普勒带宽。

可以看出，噪声卷积调制干扰的功率增益K>1，而一般噪声干扰由于不包含雷达信息，所以K=1。因此，噪声卷积调制干扰可以有效降低对干扰功率的需求，并且随着干扰信号时长的减小，增益将会变大。可以这样理解，当干扰信号时长非常长时，相当于传统的噪声干扰，K≈1；而当干扰信号的时长非常短时，近似为一个冲击函数，那么雷达信号与之卷积的结果将相当于雷达信号自身，而雷达信号可以获得的功率增益是非常高的，根据雷达的不同，一般都在104～107量级。

需要注意的是：由于信号处理为无源系统，因此能量守恒；由于存在增益，使得能量聚集性增强，干扰会在某一区域内增强，相应地干扰区域会减少，不过干扰区域减小的代价是可承受的。

3密集假目标干扰

由前文推导可知：虚假运动目标干扰可以产生逼真的具有期望的运动特性的干扰；而噪声卷积调制干扰可以产生良好的压制式效果，并且能够获得雷达的部分匹配处理增益。鉴于此，本文提出一种对SAR-GMTI的密集假目标干扰技术。

根据前文的虚假运动目标干扰的生成过程与噪声卷积干扰生成过程，可以得出密集假目标干扰的生成过程如下：

(1) 首先将接收到的雷达信号进行运动信息调制，生成具有运动特性的虚假运动目标干扰模板。

(2) 对噪声首先做预处理，即设置一个门限，高于此门限值的噪声点保留，而低于此门限值的噪声点置零。此步骤的目的是将幅度较小的噪声点剔除，从而保留幅度较大的点，在与运动调制干扰模板进行卷积的时候，可以将干扰功率有效聚集在幅度较大的点上，使产生的虚假运动目标幅度与真实目标相当，并且进一步降低了对干扰功率的要求。

(3) 将经过处理后的噪声与生成好的虚假运动目标干扰模板进行卷积，再经过功率放大并转发出去。经过上述干扰生成过程可得干扰公式如下：

Jd(tf,ts)=su(tf,ts)⊗

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

(11)

由式(8)可知，该干扰进入雷达系统，经过雷达信号处理后为：

(12)

式中：cu(tf,ts)为匀速运动虚假目标模板的目标特性信息，包含了反射强度、运动参数等信息。

从式(12)可以看出，该密集假目标干扰技术正是将2种干扰技术有机地结合使用，fn(tf,ts)*g(tf,ts)部分利用噪声卷积技术产生大量的虚假目标。由噪声筛选函数可知，门限a的选择会影响噪声点的数量，由式(10)的分析可知，噪声函数时长的选择也会影响增益的大小，cu(tf,ts)部分赋予虚假目标干扰以运动特性，由此可知，该干扰兼具欺骗式的干扰效果和压制式干扰效果，能够获得雷达的匹配处理增益，具有随机的位置与幅度信息，使干扰更具迷惑性，并且通过灵活选择噪声筛选门限a和噪声时长可以获得不同的干扰效果。

下文将对基于噪声卷积调制的密集假目标干扰技术进行计算仿真，验证上文得到的结论。

4仿真验证

在进行仿真验证之前，首先对雷达参数进行设置，雷达参数设置如表1所示。本文采用双通道SAR-GMTI技术[3]进行干扰效果验证。

表1　雷达参数设置

4.1虚假运动目标干扰仿真

首先设置2个真实点目标：一个为静止点目标；另一个为运动点目标。2个目标的参数如表2所示。根据虚假运动目标干扰的生成原理可知，接收到的雷达信号一般不包含运动信息，即可以认为接收到的雷达信号如果不做调制而转发出去，生成的是静止虚假点目标。

表2　运动目标参数设置

图1(a)为虚假运动目标干扰被对消前的干扰效果，即一个通道接收到的信息进行的成像，此图也可以理解为运动调制干扰对SAR的干扰效果图。从图中可以看出虚假运动目标干扰可以对SAR产生欺骗式的干扰效果。图1(b)为图1(a)干扰效果的三维图，此图可以反映干扰幅度的相对关系，可以看出，运动调制干扰在低干信比条件下可以产生与真实点目标功率近似的虚假点目标，增强欺骗式干扰的可信性。图1(c)为虚假运动目标干扰经过SAR-GMTI处理后的干扰效果，从图中可以看出静止点目标被完全消除，真实运动点目标能量对消不多，虚假运动点目标部分对消，但是还保留了一部分能量，还可以对SAR-GMTI产生欺骗式的干扰效果。

图1　匀速运动调制干扰

4.2噪声卷积调制干扰仿真

图2(a)为噪声卷积调制干扰对消前的干扰效果图，从图中可以看出噪声卷积调制干扰可以产生压制式的干扰效果。图2(b)为图2(a)干扰效果的三维图，此图可以反映干扰幅度的相对关系。可以看出，噪声卷积干扰在较高干信比条件下可以类似噪声的干扰效果，能够覆盖需要保护的区域，并且通过提高噪声卷积干扰的功率能够增强噪声卷积干扰的干扰效果。图2(c)为噪声卷积干扰对SAR-GMTI的干扰效果，从图中可以看出静止点目标被完全对消，噪声卷积调制干扰无法对消，可以对SAR-GMTI产生有效的压制式干扰效果。

图2　噪声卷积干扰

4.3密集假目标仿真

图3为本文提出的密集假目标干扰对SAR-GMTI的干扰效果图，从图中可以看出，利用本文提出的方法能够产生大量的虚假运动目标干扰，并对某一区域产生兼具欺骗式和压制式的干扰效果，能够有效干扰SAR-GMTI。

图3　密集假目标干扰

图3(b)为密集假目标干扰的三维图，与图2(c)进行直观对比可看出，在干扰区域相同、干信比相同时，密集假目标干扰的幅度明显高于噪声卷积调制干扰，说明密集假目标干扰相对于噪声卷积调制干扰在干扰功率方面的优势，与前文结论相一致。

(1) 不同噪声时长

表3所示为噪声卷积调制干扰中的噪声信号与雷达信号在距离向以及方位向上时长的比值。为了便于比较，将距离向与方位向倍数设为一致。

图4为噪声信号长度为信号长度的0.2、0.5、0.8和1.2倍时对SAR-GMTI的干扰效果图。

从上述图中可以看出，随着干扰信号长度的减小，干扰区域在减小，但干扰信号幅度却在增长，即干扰获得的增益在增长，这与前文的结论相一致。

(2) 不同噪声筛选门限

本文对高斯白噪声和处理前的雷达回波进行了功率归一化处理，即高斯白噪声平均功率为1，处理前的雷达回波平均功率也为1。表4所示为卷积信号的门限值选择(归一值)。

表4　噪声门限

如图5(a)～(h)所示，选择不同的门限值能够产生不同的干扰效果，并且干扰点位置为随机点。当门限值较低时，保留的噪声点较多，产生的密集假目标点较多，干扰功率分布于这些假目标点，每个目标点的平均功率较低，所以产生的虚假目标点幅度较低。但同时，由于虚假目标点较多，能够造成良好的压制式效果，欺骗式干扰效果不是很明显。反之，当门限值较高时，保留的噪声点较少，产生的密集假目标点较少，每个目标点的平均功率较高，所以产生的虚假目标点幅度较高，能够产生良好的欺骗式干扰效果，但压制效果不明显。

图5　卷积信号不同门限值时的密集假目标干扰对SAR-GMTI的干扰效果

5结束语

SAR-GMTI的快速发展，也要求干扰技术必须发展。单一的欺骗式干扰或者压制式干扰在未来电子对抗中显得比较单薄，难以满足需要，因此兼具欺骗式和压制式干扰效果的干扰技术将是未来SAR-GMTI干扰技术的主流。

本文基于虚假运动目标干扰和噪声卷积调制干扰的特点，提出了一种对SAR-GMTI的密集假目标干扰技术，该密集假目标干扰通过选取不同的噪声时长以及噪声筛选门限值可以产生不同的密集假目标干扰效果，具有一定的灵活性，并且兼具欺骗式与压制式干扰效果，通过理论分析以及计算机仿真，表明本文提出的密集假目标干扰是一种有效的SAR-GMTI干扰技术。

参考文献：

[1]吴晓芳.SAR-GMTI运动调制干扰技术研究[D].长沙：国防科学技术大学,2009.

[2]吴晓芳，王雪松，梁景修.SAR-GMTI高逼真匀速运动假目标调制干扰方法[J].宇航学报,2012(10):1472- 1479.

[3]郑明洁.合成孔径雷达动目标检测和成像研究[D].北京：中国科学院研究生院(电子学研究所),2003.

[4]吴晓芳，梁景修，王雪松，等.SAR-GMTI匀加速运动假目标有源调制干扰方法[J].宇航学报,2012(6):761- 768.

[5]刘业民.对SAR-GMTI有源欺骗干扰方法的研究[D].长沙：国防科学技术大学,2010.

[6]房明星，王杰贵，雷磊.SAR雷达二维噪声卷积调制干扰研究[J].现代防御技术,2014,42(2):139-144.

[7]保铮，邢孟道，王彤.雷达成像技术[M].北京：电子工业出版社,2005.

[8]张煜，杨绍全.对线性调频雷达的卷积干扰技术[J].电子与信息学报,2007,29(6):1408-1411.

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

中图分类号：TN972.3

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)01-0009-06

收稿日期:2015-09-17