多通道SAR-GMTI虛假運動目標成像特性分析

張靜克，汪 亞，戚宗鋒，曾勇虎，汪連棟

（電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，河南 洛陽410073）

0 引言

合成孔徑雷達地面動目標指示（SAR-GMTI）可實現熱點區域的動目標檢測、定位以及聚焦成像［1－4］，是對SAR獲取信息能力的有力增強，特別是其在最近幾次高技術局部戰爭中發揮了顯著的作用，已成為當前不可或缺的偵察手段之一，受到了各國的強烈關注和大力發展。相應地，對SAR-GMTI干擾也成為雷達對抗領域的研究熱點。

對SAR-GMTI干擾可分為壓制干擾和欺騙干擾。壓制干擾是通過產生壓制斑塊或條帶，使得動目標湮滅在干擾內，降低其檢測概率［5－10］。欺騙干擾是產生與真實運動目標具有類似散射特性和運動特性的虛假運動目標，使得雷達難以辨別檢測到的目標的真偽。由于具備強迷惑性和低識別率，欺騙干擾一直都是SAR-GMTI干擾研究中的熱點，目前多集中在虛假動目標生成方法方面［11－16］，研究如何利用單個干擾機生成能夠模擬真實運動目標回波特性的干擾信號，以期在SAR圖像生成具有特定運動特性的虛假目標，而在評價干擾是否有效時往往只關注雜波抑制后干擾是否能被檢測為動目標，而關于虛假動目標的速度以及定位特性是否與真實目標匹配或吻合的研究鮮見報道。實際上，多通道SAR-GMTI具備測速和定位能力［17－20］，因此有必要研究單干擾機生成的虛假運動目標在多通道SAR-GMTI中的速度和定位特性，論證其對SAR-GMTI干擾的有效性。

針對上述問題，本文以三通道SAR-GMTI系統為例，分析單干擾機生成的虛假運動目標的估計速度信息以及定位特性。首先建立三通道虛假運動目標信號模型，然后利用三通道對消干涉處理分析其速度和定位特性，最后利用仿真實驗進行驗證。

1 單干擾機生成的虛假運動目標三通道信號模型

如圖1所示，正側視三通道SAR-GMTI系統為干擾對象，3個子天線l、m、r以間距d等間隔分布，平臺運動速度為Va。工作時子天線m發射信號，3個子天線同時接收信號。以干擾機所處位置為坐標原點，平行于雷達運動方向為X軸建立如圖1所示的笛卡爾坐標系。子天線m 在慢時間η＝0時刻位于（0，－RJ），即干擾機到雷達的最小斜距為RJ。假定干擾機在（xT，yT）處生成一個虛假運動目標，其徑向和方位向速度分量分別為vr和vx，散射系數為σ（xT，yT），xT實際上為虛假目標與干擾機之間的方位向間隔。為了表述方便，令RT＝RJ＋yT表示虛假目標到雷達的最小斜距。

圖1 三通道SAR-GMTI干擾場景幾何關系圖

由圖1可知干擾機到各子天線的瞬時斜距為：

如果（xT，yT）處有一個真實運動目標，其徑向和方位向速度分量分別為vr和vx，則目標到發射子天線的瞬時斜距為：

進一步可得真實目標到發射子天線與干擾機到發射子天線的斜距差為：

根據SAR欺騙干擾原理，生成一個虛假目標，干擾機需對截獲的雷達信號進行相應的時延和幅度調制來生成干擾信號。由式（5）可知干擾機的延遲量應為2ΔR（η）／c，則各子天線接收到的干擾信號的雙程距離歷程分別為：

假定SAR-GMTI系統的發射信號S（τ），則各子天線接收到的干擾信號可表示為：

式中，i∈l，m，r｛｝，τ為快時間，為卷積運算。

2 單干擾機生成的虛假運動目標的速度和定位特性

三通道對消干涉處理是一種成熟的動目標檢測與定位 方 法［3，18－20］，被 廣 泛 應 用 于 AN／APY－7、AN／APG-76以及RadarSAT-2等多個SAR-GMTI系統，因此本節利用三通道對消干涉處理來分析單干擾機生成的虛假運動目標的速度和定位特性。該方法結合了DPCA和ATI的優點，其處理流程圖如圖2所示。

由于子天線間的固有間隔會在子天線圖像間存在方位向位置偏差，降低雜波對消效果，因此需要在雜波對消前消除該偏差，既可在方位向匹配濾波前通過相位補償消除，也可在圖像域通過配準來消除。本節利用相位補償的方法，子天線l和r的補償因子分別為exp（ － j（2πdVaη）／（λRT）） 和exp（j（2πdVaη）／（λRT））。 經過去載頻、距離向壓縮后、距離遷徙校正、方位向相位補償以及方位向壓縮后，可得各子天線的圖像為：

圖2 三通道干涉對消處理流程圖

式中，A（τ，η）表示假目標方位向速度對成像結果的影響，如散焦與模糊等，但是并不影響假目標的峰值位置，Ba為多普勒帶寬。

根據三通道對消干涉處理原理，雜波對消之前，需補償子天線間隔d引入的相位偏差，其中天線l和r的補償因子分別為exp（j（πd（d＋2Vaη））／（λRT））和exp（j（πd（d－2Vaη））／（λRT）），然后相鄰天線圖像相減實現雜波和靜止目標的對消，即為：

對式（12）和式（13）取幅度可得：

由式（11）可知虛假目標峰值點為η＝（xT／Va）－（vrRT／），對消后幅度與｜sin（（2πd）／（λRT）（xT－（vrRT）／））｜成正比，當其不為零時，則被檢測為動目標。特別地，虛假靜止目標幅度與｜sin（（2πdxT）／（λRT））｜成正比，當xT≠ （kλRT）／（2d）（k∈Ζ）時，虛假靜止目標則會被檢測為動目標。

將式（12）和式（13）共軛相乘可得：

通常以虛假目標峰值處的干涉相位為虛假目標的干涉相位，則虛假目標的干涉相位為：

式中，k為纏繞周期數。

由動目標SAR成像特性可知，真實運動目標的徑向速度vr與干涉相位ΔφT和方位向位置偏移Δx的關 系 分 別 為 ΔφT＝－ （2πdvr）／（λVa）和 Δx ＝－（vrRT）／Va。 對比可、發現，真實運動目標的干涉相位僅與徑向速度有關，而虛假目標的干涉相位由設定徑向速度和方位向位置共同決定。將式（16）帶入ΔφT和Δx可得虛假運動目標的估計徑向速度和方位向位置偏移分別為：

由式（17）可知，虛假運動目標的估計徑向速度與設定速度、方位向位置以及纏繞周期數均有關，當xT不為0時，單干擾機形成的虛假運動目標的估計徑向速度與設定徑向速度不同。由式（18）可知虛假運動目標的估計方位向位置偏移不僅與設定徑向速度有關，而且與虛假運動目標的方位向位置有關，這也與真實運動目標的成像特性不同。

由式（11）可知虛假目標在SAR圖像中的方位向位置x＝（xT－vrRT／Va），將式（18）所示方位向位置偏移代入，則定位后虛假目標的方位向位置為k（λRT）／d （k∈Z），由纏繞周期決定。當k＝0時，即不存在纏繞，虛假目標的方位向定位位置為0，與干擾機位置一致，而與設定位置無關。當存在纏繞時，相同纏繞周期的虛假運動目標，定位后其方位向位置相同，由纏繞周期決定。對于分布在空間不同位置的多個虛假目標，若干涉相位不存在纏繞，定位后會被壓縮為一條沿距離向分布的點或點線，其方位向位置與干擾機一致；若存在纏繞時，會被壓縮為沿距離向分布的多條點線，點線的方位向位置k（λRT）／d，具有相同纏繞周期的虛假運動位于同一條點線上。

綜上所述，單干擾機生成的虛假靜止／運動目標經三通道對消干涉處理后均會被視為運動目標，其估計干涉相位由設定徑向速度和方位向位置共同決定，估計徑向速度與設定徑向速度不一致，定位后的方位向位置由估計干涉相位的纏繞周期決定，而與設定位置無關，即存在方位向位置和徑向速度不可控的缺陷。究其原因，相對于靜止目標信號而言，單干擾機無論是通過時延還是幅相調制然后轉發生成的虛假運動目標，其方位向位置和徑向速度均會引起附加的多普勒相位，而真實運動目標附加的多普勒相位僅僅是由徑向速度引起的，因此SAR-GMTI成像處理認為附加的多普勒相位是由徑向速度引起的，不能區分虛假運動目標附加的多普勒相位中的方位向位置分量和徑向速度分量，進而導致虛假運動目標方位向位置和徑向速度不可控。另外從信號來波方向的角度來看，SAR接收到的單干擾機生成的不同位置的虛假運動目標的信號都是由干擾機發出的，即來波方向是相同的，其定位后方位向位置由干擾機的方位向位置決定，而真實運動目標的回波是從不同位置反射回來的，兩者有本質的區別。

3 仿真分析與驗證

本節通過仿真進一步分析單干擾機生成的虛假目標的運動特性。SAR-GMTI參數如表1所示。仿真場景的方位向和距離向范圍分別為700m和300m。干擾機位于場景中心處。假設成像區域中存在兩個真實運動目標，分別記為真實目標1和2，利用干擾機在SAR場景中生成8個虛假運動目標。真假運動目標的參數設定如表2所示，其中虛假運動目標的干涉相位根據式（16）（不考慮纏繞）計算。圖3給出了真實目標和虛假目標的位置示意圖，三角形的指向表示徑向速度的方向，紅色對應真實運動目標，黑色對應虛假運動目標。三通道對消干涉處理結果如圖4所示，距離向坐標表示真實距離向位置與場景中心斜距之差。

圖3 真假運動目標理論位置示意圖

圖4 （a）和圖4（b）分別為SAR成像結果和動目標檢測結果，白色標號和紅色標號分別對應虛假運動目標和真實運動目標。由圖4（a）和（b）可知，無論真實運動目標還是虛假運動目標，其成像位置均與設定位置之間存在方位向偏移（如表2中成像位置所示），符合動目標SAR成像特性；此外對比圖4（a）和圖4（b）可知，除了真實目標2（徑向速度為零），其它目標均被檢測為動目標，特別的虛假目標1和8的徑向速度為零，但是對消后虛假目標幅度與徑向速度和方位向位置均有關，即sin（2πdxT／（λRT））不為零，從而被檢測為動目標，證明了虛假靜止目標會被檢測為動目標的結論。

圖4 三通道對消干涉結果

圖4 （c）給出了檢測到的動目標的未解纏干涉相位圖，其估計值如表3所示，進而可得相應的方位向偏移以及定位位置。對比表2和表3可知：1）對于真實運動目標1，因其干涉相位無纏繞，所以其估計值與設定值基本一致，相應地，其估計徑向速度以及定位位置也與設定值吻合；2）對于虛假目標1、4、5和8干涉相位不存在纏繞，估計值與理論值的誤差也可以忽略，其定位后位置與干擾機位置基本一致；3）對于虛假目標2、3、6和7，由表2可知其理論干涉相位超出了，其中虛假目標2、3，其纏繞周期為1，理論纏繞值分別為1.462rad和0.8377rad，由于定位后方位向理論位置為－300m，而虛假目標6、7，纏繞周期為－1，理論纏繞值分別為－0.8377rad和－1.462rad，定位后方位向理論位置為300m，由表3可知，估計值與理論值基本一致。上述結果證明虛假運動目標的干涉相位由徑向速度與方位向位置共同決定的結論，其定位后位置由纏繞周期決定。

為了更好的呈現定位后的結果，圖4（d）給出了定位結果示意圖，其中綠色對應虛假目標，黃色對應真實運動目標，三角形的指向表示徑向速度的方向。由圖4（d）可以看出虛假目標1、4、5和8定位后方位向位置與干擾機一致，形成一條沿距離向分布的點線，虛假目標2、3和虛假目標6、7分別被定位至方位向位置距干擾機－300m和300m處，形成兩條沿距離向分布的點線。

表1 三通道SAR-GMTI系統參數

表2 真假運動目標的理論位置、徑向速度、干涉相位、成像位置

表3 真假運動目標的估計干涉相位、徑向速度和定位位置

4 結束語

本文基于三孔徑干涉對消處理，分析了單干擾機生成的虛假運動目標的速度和定位特性。結果表明，經過多通道SAR-GMTI處理后，虛假靜止／運動目標均可能會被檢測為動目標，與真實運動目標干涉相位僅與徑向距離有關不同，虛假目標的估計干涉相位由設定徑向速度和方位向位置共同決定，進而導致其估計徑向速度和方位向位置均與理論設定值不一致。當干涉相位不存在纏繞或經過解纏繞處理后，虛假目標的定位后方位向位置一致；當干涉相位存在纏繞時，虛假目標的定位后方位向為特定值，由纏繞周期決定，具有相同纏繞周期的虛假目標具有相同的方位向定位位置。

本文研究成果證明單干擾機生成的虛假運動目標與真實運動目標的空間分布特征不符合，易被鑒別為虛假目標，進而被多通道對消或其他抗干擾措施剔除，可用于指導設計多通道SAR虛假目標鑒別方法和抗干擾方法，同時也為進一步開展對多通道SAR-GMTI欺騙干擾研究提供理論依據。在后續工作研究中，將開展基于雙／多干擾機的虛假運動目標生成方法研究，力求突破單干擾機欺騙干擾的缺陷，對多通道SARGMTI形成有效欺騙干擾?！?/p>