对抗SAR-GMTI的方位向间歇采样延时转发干扰方法

张云鹏，毕大平，周 阳，韩佳辉

(解放军电子工程学院，安徽 合肥 230037)

对抗SAR-GMTI的方位向间歇采样延时转发干扰方法

张云鹏，毕大平，周 阳，韩佳辉

(解放军电子工程学院，安徽合肥230037)

针对常规SAR干扰方法对多通道SAR-GMTI干扰无效的问题，提出对抗SAR-GMTI的方位向间歇采样延时转发干扰方法，并针对中心假目标仍被完全抑制的问题对干扰方法进行多普勒移频改进。该方法利用方位向间歇采样实现多普勒频谱的周期性拓延，从而形成不能被SAR-GMTI对消的多个方位向假目标，并通过快/慢时间延时转发控制假目标的移位。理论分析和仿真实验表明：方位向间歇采样延时转发干扰可在多通道SAR-GMTI成像中形成二维灵活可控的方位向假目标串，同时假目标幅度受正弦调制函数的影响出现增强和削弱现象，多普勒移频改进可充分保留低阶假目标。

合成孔径雷达地面动目标显示；方位向间歇采样；对抗性能；多普勒移频；对消干涉

0 引言

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)具有全天时、全天候和高分辨等特点，在军事侦察、环境监测和地质勘探等多个方面得到了广泛应用[1]。合成孔径雷达地面动目标显示(Synthetic Aperture Radar-Ground Moving Target Indication, SAR-GMTI)将GMTI的动目标检测能力和 SAR高分辨成像功能相结合，能够实现对地面运动目标的检测、识别、定位、跟踪和成像[2]，极大提高了成像雷达的战场感知能力。美国最早在20世纪70年代就已经展开了SAR-GMTI的研究工作，并在海湾战争中将具有GMTI功能的联合监视和目标攻击雷达系统用于战场侦察[3]。目前较为先进的SAR-GMTI系统多采用编队卫星的方式，分布式卫星具有更好的系统自由度，并可提高对慢速目标的检测性能[4]。国外典型的分布式星载多通道SAR-GMTI包括德国的TanDEM-X[5]、法国的Cartwheel系统和美国的TechSat-21[6]等。该技术的快速发展也给各国重要战略部署和军事保密带来了严峻挑战，针对SAR-GMTI的干扰技术已成为当前电子对抗领域的研究热点[7-9]。

多通道SAR-GMTI通过增加空间维数的方法实现干扰杂波的抑制和对消，而常规的SAR干扰样式在一定程度上等效于杂波，从而易被多通道SAR-GMTI抑制，无法达到预期的干扰效果[10-11]。当前出于一些原因，鲜有国外关于多通道SAR-GMTI的干扰相关文献，国内的相关技术研究则主要集中于压制性干扰和虚假动目标干扰[12-14]，但这两种干扰类型分别在相干性和实时性上有待提高。间歇采样转发干扰是在DRFM技术的基础上对信号进行低速率间歇采样处理并实时转发的一种相干干扰样式，响应速度快，并且解决了天线收发隔离的难题。文献[11]研究了距离向间歇采样干扰对SAR成像的干扰效果，分析了采样周期、占空比和转发方式等因素对干扰成像的影响；文献[15]将间歇采样干扰和散射波干扰相结合，使得多个假目标携带真实目标散射信息，并具备对抗波形捷变SAR的优势；文献[16]提出的改进间歇采样干扰样式通过对采样信号进行频域处理，解决了间歇采样假目标滞后的问题； SAR间歇采样干扰技术发展较为成熟，但间歇采样干扰对SAR-GMTI的对抗性能研究却鲜有涉及。针对上述问题，本文提出了对抗多通道SAR-GMTI的方位向间歇采样延时转发干扰方法。

1 方位向间歇采样快/慢时间延时转发干扰原理

方位向间歇采样延时转发干扰是在慢时间域内完成间歇采样转发：干扰机在截获到SAR脉冲信号后，对信号进行周期性地全脉冲采样(如图1)，并对被采样的脉冲延时后转发。设方位向间歇采样信号p(t)为矩形包络脉冲串，其表达式为：

(1)

式中，rect(·)为矩形窗函数，δ(·)为冲击函数，“*”表示卷积运算；t为全时间，Tw为采样脉冲宽度，Ts为采样周期；T为2信号的脉冲周期，Tp为SAR信号脉冲宽度，间歇采样周期满足Ts=KT(K≥2且K∈Z)。设SAR发射的线性调频脉冲到达干扰机并返回至SAR后的基频信号形式为：

(2)

式中，tr为距离向快时间，ta为方位向慢时间，全时间t=ta+tr；fc为载频，c为光速，TL为合成孔径时间，μr为距离向调频斜率，v为SAR平台行进速度，(xj,yj,0)为干扰机坐标，R(ta)为任意时刻ta干扰机到SAR的斜距。则发射信号经干扰机间歇采样后直接转发(忽略干扰机转发延迟)至SAR的信号形式为：

sc(tr,ta)=p(t)·s(tr,ta)

(3)

(4)

(5)

2 干扰效果分析

2.1 对常规SAR的干扰效果分析

在分析该干扰方法对多通道SAR-GMTI的对抗性能之前，首先对SAR的干扰效果进行分析。采用经典R-D算法对干扰信号的成像结果进行分析，式(5)干扰信号经过距离向匹配滤波和距离徙动校正后结果为：

(6)

式中，tr*=tr-2Rj/c-τj为经过距离徙动校正后与慢时间无关的距离向到达时间，Rj为干扰机到SAR平台的最短斜距。

对R(ta-kT)作Fresnel近似处理，并记式(6)中的方位向信息为sa(ta)，即：

(7)

式中，μa=-2v2/λRj为方位向调频率，φ是与慢时间无关的相位。由此可知，方位向信息sa(ta)可视为调频率为μa，延时为xj/v+kT的线性调频信号，并记sa(ta)频谱为Sa(ta)。对式(1)作傅里叶变换可得

(8)

其中，an=Twfssinc(nTwf)=Dsinc(nD)为幅度加权系数，D=Tw/Ts为采样占空比。结合式(6)-式(8)可得sjkr(tr,ta)的距离多普勒域表达式为

(9)

式中，fa表示方位向多普勒频率，fs=1/Ts为间歇采样频率。由上式可知，方位向间歇采样实际上对原信号的多普勒域进行了周期性频谱拓延，拓延周期为fs，幅度受加权系数an控制。则多普勒频谱搬移后的sjkr(tr,fa)经过方位向匹配滤波后结果为：

(10)

其中，χa(·)表示方位向线性调频信号sa(ta)的模糊函数。结合雷达模糊函数理论可得式(10)最终处理结果为：

(11)

式中，ta*=ta-xj/v-kT为方位向到达时间。第n阶假目标的距离向峰值时刻和方位向峰值时刻分别为tr*=0和ta*=-nfs/μa，各阶假目标距离向和方位向位置以及方位向间隔分别为：

(12)

2.2 对多通道SAR-GMTI的干扰性能分析

多通道SAR-GMTI可有效抑制、对消静止杂波与部分干扰，从而完成对地面动目标的检测。上述干扰方法能否对SAR-GMTI形成有效干扰以及对抗效果如何，需要进一步分析。本节采用三通道对消干涉技术研究方位向间歇采样延时转发对SAR-GMTI的干扰效果，阵列天线采用一发三收的工作模式，三个通道的子孔径天线以等间距Da沿航迹分布[3]，其几何模型如图3所示。

(13)

(14)

(15)

通道1和3分别乘以补偿函数后进行方位向匹配滤波得

(16)

由式(16)可知通道2的成像结果与式(11)一致，即sjka2(tr,ta)=sjka(tr,ta)。由于各接收天线存在沿航迹方向的位置偏差，因而在对消前需补偿由此引起的相位偏差，补偿函数为：

(17)

利用上式完成相位误差补偿和杂波对消，可得

(18)

对式(18)取模，可得干扰信号通过SAR-GMTI系统后的输出幅度为：

(19)

结合式(11)和式(19)可知，多通道SAR-GMTI的干扰输出是在sjka(tr,ta)的基础上进一步受正弦函数ρ=|2sin(πDav(ta-xj/v-kT)/λRj)|调制。当静止杂波和直接或延时转发式干扰信号通过SAR-GMTI时，正弦调制函数ρ=0，从而都能被很好地对消。但是对于方位向间歇采样延时转发干扰而言，结合式(12)和式(19)分析可知，由于干扰信号可在方位向形成峰值时刻为tan=-nfs/μa+xj/v+kT的多个假目标，正弦调制函数ρ无法完全对消所有假目标，因此可对SAR-GMTI形成方位向多假目标干扰效果。在第n阶假目标的峰值时刻位置，调制函数ρ=|2sin(πDavnfsa/μaλRj)|。当ρ<1，该假目标位于对消特性的削弱区，假目标幅度减弱，特殊情况下当-nfsDav/μa=kλRj(k∈Z)，此时ρ=0，假目标输出幅度为零，比如0阶中心假目标始终被抑制；当ρ>1，假目标位于对消特性的增强区，其幅度增强，特殊情况下当-2nfsDav/μa=(2k+1)λRj(k∈Z)，此时ρ=2，对消处理后假目标幅度达到了原输出幅度的两倍。

2.3 对干扰信号的多普勒移频改进

对干扰信号进行多普勒移频，结合式(5)可得改进的干扰表达式为：

(20)

其中，Δfa为多普勒固定移频量。在Fresnel近似条件下，SAR回波信号在方位向可视为线性调频信号，根据方位向时延和多普勒的耦合特性，可知移频后假目标串方位向峰值时刻偏移量为：

(21)

由式(21)可知所有假目标将偏离原位置，方位向偏移距离为Δxa=-vΔfa/μa。但对于SAR-GMTI对消过程来说，多普勒移频不会影响式(13)中的传播路程Rj1、Rj2和Rj3，从而不会改变正弦调制函数ρ，削弱区位置将保持不变。因此原来被抑制的假目标在多普勒移频后会偏离原位置并被保留。多普勒移频后，中心假目标的方位向峰值时刻改变为

ta0=xj/v+kT-Δfa/μa

(22)

将上式代入正弦调制函数ρ的ta处，只要保证ΔfaDa/2v≠k,(k∈Z)，即有ρ≠0，中心假目标会被保留。为充分保留方位向低阶假目标，可使峰值时刻偏移量Δta取值为0阶与1阶假目标峰值间隔的一半，此时|Δfa|=fs/2。

3 仿真实验分析

三通道SAR-GMTI工作于正侧视，仿真参数如表1所示，成像场景方位向范围为[-150 m,150 m]，距离向范围为[9 800 m,10 200 m]，场景中心坐标为(10 000,0)。干扰机位于场景中心，坐标为(10 000,0)，干信比JSR=15 dB。设置静止参考点坐标为(9 900,100)，假设在场景中心线上有一运动参考目标(被保护目标)，在实验中该目标运动参数、起始位置保持不变。

表1 仿真实验参数

图4为方位向间歇采样转发干扰时的SAR成像结果，间歇采样周期Ts=10T，采样占空比Tw=0.3，在干扰机同方位向上形成间隔为35.7 m的假目标串。图5为不同采样周期条件下的SAR-GMTI对消成像结果，图5(a)中采样参数同图4，经过SAR-GMTI对消处理后，静止参考点被完全抑制对消，运动参考目标正常成像，说明三通道SAR-GMTI具有良好的杂波抑制性能；同时，方位向假目标串中的0阶中心假目标被完全抑制，1阶假目标能量被削弱，4阶假目标能量被增强，增强区附近可以显示的高阶假目标数有所增加。图5(b)中采样周期Ts=20T，产生的方位向假目标间隔为17.8 m，约为图5(a)中假目标间隔的一半，削弱区与增强区更为明显。仿真结果与理论分析一致，该干扰方法可以在SAR-GMTI对消成像中形成方位向假目标串，各阶假目标幅度受正弦函数ρ调制。

文献[11]中的所涉及的距离向间歇采样干扰所形成的距离向假目标串与干扰机同方位向，因而无法对SAR-GMTI产生有效干扰。相比于现有的多普勒调相欺骗干扰方法[7]和压制性干扰方法[10,14]，本文干扰方法具有较好相干性，干扰功率需求介于两者之间，并且在不需要进行复杂调制的情况下获得了数目更多的位置可控假目标。相较于文献[9]采用旋转天线实现方位向余弦调相的干扰方法，方位向间歇采样转发所依托的工程实践基础较为成熟，可实施性更强。

进一步验证多普勒移频改进的干扰效果，在图5(a)仿真实验的基础上，对干扰信号进行方位向多普勒移频。图8(a)中移频量Δfa=24 Hz≈fs/2，通过和图5(a)比较可知，假目标串在方位向向右平移，移动距离约为假目标间隔的一半，0阶中心假目标的右移使其偏离原来的完全抑制位置，被有效保留，从而验证了干扰改进方法的有效性，最大程度地保留了低阶假目标，提升了欺骗干扰效果。图8为多组不同延时转发下的干扰效果，间歇采样周期Ts=15T，多普勒移频量Δfa=16 Hz≈fs/2，第一组转发延时量为0，之后每组转发快/慢时间延时分别依次增加0.13 μs和10T，对应的距离向和方位向距离分别为20 m和4.2 m，产生了5组斜排列的假目标串，且低阶假目标数量被充分保留，形成了较大区域的二维欺骗干扰效果。

4 结论

本文提出了对抗多通道SAR-GMTI的方位向间歇采样延时转发干扰方法。该方法利用方位向间歇采样可周期性拓展多普勒频谱的特性生成多个不能被SAR-GMTI对消的虚假动目标，并可通过设置采样周期、延时量、转发组数等来控制假目标的位置与数量。理论分析和仿真实验表明：该方法可在SAR-GMTI对消成像中形成二维可控的方位向假目标串，且假目标幅度受到正弦系数的调制出现增强和削弱，多普勒移频改进可有效克服中心假目标被完全抑制的问题。方位向间歇采样转发可克服精确侦察、高速采样等难题，容易实施，在提高SAR-GMTI对抗能力方面具有较强的应用价值。

[2]SJOGREN T K, VIET T V, PETTERSSON M I, et al. Suppression of clutter in multichannel SAR/GMTI [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2014, 52(7): 4005-4013.

[3]ENTZMINGER J N, FOWLER C A, KENNEALLY W J. JointSTARS and GMTI: past, present and future [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1999, 35(2): 748-761.

[4]STEFFEN S, HARTMUT R, HELKO B, et al. Automatic extraction of traffic flows using TerraSAR-X along-track interferometry [J]. Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on , 2010,48(2): 807-819.

[5]MASSONNET D. Capabilities and limitations of the interferometric cartwheel[J]. Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 2001, 39(3): 506-520.

[6]ZETOCHA P. A backroom mission operations center for TechSat21[C]// IEEE Aerospace Conference Proceedings, 2002,7: 3189-3193.

[7]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,2012,33(10): 472-1479.

[8]HUANG L, DONG C X, SHEN Z B, et al. The influence of rebound jamming on SAR-GMTI[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2015,12(2):399-403.

[9]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[J].电子与信息学报,2016, 38(7): 1766-1772.

[10]李兵,洪文.合成孔径雷达噪声干扰研究[J].电子学报,2004,32(12):2035-2037.

[11]吴晓芳,王雪松,卢焕章.对SAR的间歇采样转发干扰研究[J].宇航学报,2009,30(5): 2043-2048, 2072.

[12]徐少坤,李亚楠,付耀文.欺骗式动目标SAR干扰技术研究[J].现代雷达,2008,30(7): 94-98.

[13]林晓烘,薛国义,刘培国. SAR-GMTI匀速运动虚假场景干扰信号快速生成方法[J].国防科技大学学报,2013, 35(6): 82-87.

[14]孙光才,周峰,邢孟道.一种SAR-GMTI的无源压制性干扰方法[J].系统工程与电子技术, 2010,32(1): 39-45.

[15]杨伟宏,刘 进,王 涛. SAR间歇采样散射波干扰[J].宇航学报,2012,33(3):367-373.

[16]李传中,苏卫民,顾 红,等.改进的合成孔径雷达间歇采样转发干扰[J].电波科学学报,2014,29(6):1045-1050.

AzimuthIntermittentSamplingTime-delayRepeaterJammingMethodAgainstSAR-GMTI

ZHANG Yunpeng, BI Daping, ZHOU Yang, HAN Jiahui

(Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China)

Aiming at the problem that traditional SAR jamming method does not work against the multi-channel SAR-GMTI, an azimuth intermittent sampling time-delay repeater jamming method for countering the SAR-GMTI was proposed, which was improved with Doppler shift to overcome the problem that the central false target was restrained totally. This method generated seasonal expansion of the Doppler spectrum to produce more false targets which could not be restrained by SAR-GMTI, and controlled the false targets’ displacement through fast/slow time-delay repeater. Theoretical analysis and simulation showed that azimuth intermittent sampling repeater jamming could produce controllable multi-false targets for multi-channel SAR-GMTI imaging, but the amplitudes of false targets were enhanced and weakened under the influence of sinusoidal modulation function, and Doppler shift could help retain low-order false targets adequately.

synthetic aperture radar-ground moving target indication(SAR-GMTI)；azimuth intermittent sampling；countering performance；Doppler shift；cancelling interference

2017-04-26

国家自然科学基金项目资助(61171170)

张云鹏(1992—)，男，山东枣庄人，硕士研究生，研究方向：SAR信号处理及SAR对抗理论。E-mail：dayunzyp@126.com。

TN974

A

1008-1194(2017)05-0084-07