基于旋转天线的SAR-GMTI二维余弦调相转发干扰

房明星 毕大平 沈爱国



基于旋转天线的SAR-GMTI二维余弦调相转发干扰

房明星*毕大平 沈爱国

(电子工程学院 合肥 230037)

论文针对多通道SAR-GMTI提出一种新的干扰方法：基于旋转天线的SAR-GMTI 2维余弦调相转发干扰。对干扰机截获的SAR信号进行距离向余弦调相的同时，利用干扰机天线旋转来实现方位向余弦调相，解决了工程上无法实现方位向余弦调相的难题，并采用三通道干涉对消方法分析了其对GMTI的对抗性能，该方法对SAR和SAR-GMTI均可产生2维“网状”多假目标干扰效果，可同时保护地面运动目标和静止目标。理论分析和仿真实验验证了该干扰方法的可行性和有效性。

合成孔径雷达-地面动目标显示；旋转天线；2维余弦调相；干涉对消

1 引言

合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，具有全天时、全天候和透视性等特点，已广泛用于军事侦查、地图测绘以及导弹末端图像匹配制导等方面[1]。地面动目标显示(Ground Moving Target Indication, GMTI)技术能够检测和跟踪地面运动目标，将SAR与GMTI相结合即SAR- GMTI，已成为战略情报侦察和战场监视系统的重要发展趋势[2,3]。SAR-GMTI系统的快速发展和应用，使敌方能够快速洞悉地面运动战略目标的军事意图，严重削弱了我方重要地面军事运动目标的作战效能以及战时生存能力，当前，对SAR-GMTI干扰技术研究已成为电子对抗领域的热点问题。

SAR-GMTI通常采用多个通道对杂波和干扰进行抑制和对消，常规的SAR干扰信号很容易被多通道SAR-GMTI所抑制，干扰效果不尽人意。目前，针对SAR-GMTI的干扰技术研究相对较少，主要集中在对SAR的虚假动目标欺骗干扰[11,12]，干扰信号产生通常需要复杂的调制，对侦察依赖度较高，且没有深入讨论对多通道GMTI 的干扰效果和对抗性能；文献[13,14]提出利用多干扰机对抗SAR双通道干扰对消技术，为多通道SAR-GMTI干扰提供了新的思路，但多个干扰机的协同工作难度较大；文献[15,16]提出了SAR 2维余弦调相转发干扰方法，研究表明该方法可对SAR形成2维假目标干扰效果，但因SAR方位向信号是运动合成的，工程上无法实现方位向的余弦调相，同时也没有针对多通道GMTI的对抗性能进行讨论。针对以上问题，本文提出基于旋转天线的SAR-GMTI 2维余弦调相转发干扰原理，首先给出了余弦调相信号模型，探讨了SAR距离向余弦调相转发干扰方法，然后利用干扰机天线的旋转来实现方位向余弦调相，不仅解决了工程上无法实现方位向余弦调相的难题，而且实现了2维余弦调相干扰效果，并在SAR干扰效果分析的基础上，着重分析了其对三通道干涉GMTI的对抗性能，指出由于多通道GMTI对干扰的抑制和对消，所形成的假目标幅度受到正弦系数的调制，假目标幅度会出现增强区和削弱区，本文方法为SAR-GMTI干扰提供了有效途径。

2 干扰原理

2.1 余弦调相信号模型

余弦调相信号的数学模型可表示为

由式(3)可知，余弦调相信号的频谱由无穷多个边频分量组成，各边频分量等间隔分布，且间隔大小等于调制频率，幅度正比于相应阶数的贝塞尔函数。从频谱形状来看，余弦调相信号的频谱是由第一类贝塞尔函数幅度加权的“梳状”谱，通过卡森公式[16]估计其频谱的带宽为

高阶边频分量的幅度较小通常可忽略，因此单边边频分量只取到次。

2.2 SAR距离向余弦调相转发干扰

设SAR发射的线性调频信号表达式为

记距离向余弦调相信号为

结合式(2)和式(3)，对式(8)进行距离向傅里叶变换可得干扰信号频谱为

2.3 基于旋转天线的SAR-GMTI 2维余弦调相转发干扰

SAR距离向余弦调相干扰能够获得距离向的假目标串，干扰效果单一，干扰的覆盖面积小，且所形成的假目标不具有运动目标的特性，SAR通过动目标检测技术(GMTI)可对假目标进行滤除，因而距离向余弦调相干扰对SAR-GMTI的干扰效果不佳。为满足SAR-GMTI的干扰需求，对SAR距离向余弦调相干扰进行方位向扩展，即通过干扰机天线的旋转来获得方位向的运动调制，从而获得方位向的余弦调相干扰效果，扩展后的干扰信号对SAR或SAR-GMTI均具有良好的干扰效果。基于旋转天线的SAR-GMTI 2维余弦调相转发干扰的几何模型如图1所示，SAR平台以速度沿航迹做匀速直线飞行，干扰机位于观测场景中心，坐标为，在时干扰机到SAR的初始斜距为，瞬时斜距为。

旋转天线到SAR的瞬时斜距为

对式(12)进行麦克劳林公式展开可得：

3 干扰效果分析

3.1 对SAR干扰效果分析

由式(15)可以看出，距离向快时间余弦调相分量与旋转天线引起的方位向慢时间余弦调相分量的相位历程互不影响，因此，可将2维余弦调相干扰视为距离向余弦调相和方位向余弦调相的级联，仍可采用R-D 成像算法对干扰信号的成像结果进行分析，则对式(15)干扰信号进行距离向匹配滤波可得：

2维余弦调相干扰分量使得信号频谱在距离向和方位向进行了多次搬移复制，当时，产生与真实目标相同位置的假目标，利用余弦调相信号特性可知，干扰信号在距离向对信号频谱进行了次频谱复制，可形成个假目标，在方位向对信号频谱进行了次频谱复制，可形成个假目标，2维余弦调相干扰相当于距离向和方位向的级联，因此共可形成个假目标。

对干扰信号进行2维匹配滤波时，由于各假目标的部分频谱落在匹配滤波器带宽之外，各假目标的匹配输出的主峰展宽、幅度下降，导致干扰功率的失配，距离向各假目标干扰功率失配后的峰值幅度为

方位向各假目标干扰功率失配后的峰值幅度为

综合以上分析可知，基于旋转天线的SAR距离向余弦调相干扰具有2维余弦调相的干扰特性，对SAR的干扰效果取决于距离向余弦调相参数和旋转天线的运动参数，其中,分别决定干扰信号在距离向和方位向所形成的假目标间距，,分别决定假目标串在距离向和方位向的扩展程度(即假目标个数)，而,,,,,共同决定了各阶假目标的峰值幅度。

3.2 对SAR-GMTI对抗性能分析

由天线旋转产生的2维余弦调相干扰信号，不仅对SAR能够产生2维“网状”假目标干扰，且由于天线的运动特性，对SAR-GMTI工作模式也具有干扰效果。GMTI 按实现方式的不同可分为两类，一是单通道GMTI，该方式对硬件需求较低，运算量相对较小，但是对弱目标或慢速目标的检测性能较差；二是多通道GMTI，该方式通过增加雷达系统空间维信息对杂波实现良好的抑制和对消，能够在低信噪比条件下对慢速运动目标进行有效检测，主要包括DPCA, STAP, ATI等，这里采用三通道干涉技术分析干扰信号对SAR-GMTI的对抗性能[3]，其几何模型如图2所示。

三通道的子孔径天线以等间隔沿航迹排列，相邻孔径等效相位中心间距为，采用1发3收工作模式，即子孔径2发射SAR信号，3个孔径同时接收回波信号，结合上文干扰原理，对斜距进行麦克劳林公式展开，则3个接收天线的等效相位中心到干扰机旋转天线的近似斜距分别为

仍采用R-D 成像算法对干扰信号的成像结果进行分析，则3通道接收到的干扰信号经过距离向匹配滤波可得：

利用式(24)对通道1和通道3进行多普勒中心频率偏差补偿，并进行方位向匹配滤波可得

由式(25)可知，通道2的匹配滤波结果与式(17)一致，但由于各接收通道存在沿航迹方向的位置偏差，在进行杂波对消之前，必须补偿由位置偏差引起的相位偏差，相应的补偿函数为

利用式(26)进行相位误差补偿，并进行杂波对消可得：

对式(27)取模可得：

通过以上分析可知，基于旋转天线的2维余弦调相干扰方法对SAR和SAR-GMTI均能够形成2维“网状”假目标干扰，假目标位置、间隔等干扰指标基本相同，两者的干扰效果主要区别在于假目标能量的对消情况，由于SAR-GMTI对干扰信号的对消处理，所形成的假目标幅度受到正弦系数的调制，假目标幅度会出现增强和削弱。

4 仿真实验和应用分析

采用表1的仿真实验参数验证本文方法对SAR-GMTI的干扰效果， SAR成像场景距离向范围为，方位向范围为，场景中心坐标为[10000 m, 0 m] (斜距-方位坐标)，干扰机位于场景中心，设SAR接收端的干信比。

表1 SAR-GMTI仿真实验参数

图3为通道2不同调制参数情况下SAR距离向余弦调相转发干扰成像结果，图3(a)距离向调制参数,，干扰信号在SAR距离向共形成5个假目标，各假目标距离向间隔为，且由于受距离向贝塞尔函数和频谱失配影响，高阶假目标幅度较小；图3(b)距离向调制参数，，干扰信号在SAR距离向共形成9个假目标，各假目标距离向间隔为，两种情况下所形成的假目标个数、间隔、幅度均与理论分析一致。

5 结论

常规的SAR干扰手段难以对多通道SAR- GMTI实施有效干扰，本文针对SAR-GMTI干扰中存在的难点问题，提出基于旋转天线的SAR-GMTI 2维余弦调相转发干扰方法。研究结果表明，该方法对SAR和SAR-GMTI均可产生2维“网状”多假目标干扰效果，但由于多通道GMTI对干扰的抑制和对消，假目标幅度会出现增强区和削弱区。本文方法解决了工程上无法实现方位向余弦调相的难题，实现简单、灵活可控、欺骗性强，干扰信号能够获得2维相干的匹配处理增益，对干扰功率的要求较低，可同时保护地面运动目标和静止目标，具有重要的军事应用价值。

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2-D Cosinusoidal Phase-modulated Repeater Jamming Based on Rotating Antenna for SAR-GMTI

FANG Mingxing BI Daping SHEN Aiguo

(,230037,)

A new jamming method for multi-channel SAR-GMTI is proposed: 2-D cosinusoidal phase-modulated repeater jamming based on rotating antenna for SAR-GMTI. The SAR signal received by jammer is modulated by cosinusoidal phase in the range, and is modulated by cosinusoidal phase in the azimuth based on the rotating antenna, so the engineering problem of cosinusoidal phase in the azimuth is solved. The countering performance against GMTI is analyzed by using the tri-channel interference cancelling technique. The method can produce 2-D netted multi-false targets jamming performance, so the ground moving targets and stationary targets can be protected at the same time. Theoretical analysis and computer simulation justify the validity and the efficiency of the proposed method.

SAR-Ground Moving Target Indication (SAR-GMTI); Rotating antenna; 2-D cosinusoidal phase- modulated; Interference cancelling

TN974

A

1009-5896(2016)07-1765-08

10.11999/JEIT151155

2015-10-16; 改回日期：2016-02-18；网络出版：2016-04-07*

房明星 mingxingfang89@163.com

国家自然科学基金(61171170)

The National Natural Science Foundation of China (61171170)

房明星： 男，1988年生，博士生，研究方向为SAR信号处理及SAR对抗理论.

毕大平： 男，1965年生，教授，博士生导师，主要从事电子对抗侦查和干扰新技术研究.

沈爱国： 男，1975年生，讲师，主要从事雷达信号处理、雷达干扰与抗干扰技术研究.