近程強(qiáng)雜波限幅處理對旁瓣相消性能的影響?

趙英俊，李榮鋒，王永良，劉維建（.空軍預(yù)警學(xué)院兵器運(yùn)用工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢43009；2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢430033）

近程強(qiáng)雜波限幅處理對旁瓣相消性能的影響?

趙英俊1，2，??，李榮鋒1，王永良1，劉維建1
（1.空軍預(yù)警學(xué)院兵器運(yùn)用工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430019；2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢430033）

分析了雷達(dá)同時(shí)受到有源干擾和無源干擾的情況下其抗干擾性能下降的原因。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及仿真實(shí)驗(yàn)對各種因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明：引起雷達(dá)抗干擾性能變差的原因是由于限幅對旁瓣相消性能的影響。

雷達(dá)接收機(jī)；旁瓣相消；限幅；干擾抑制；自適應(yīng)波束形成

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達(dá)作為主要的預(yù)警監(jiān)視裝備，其所發(fā)揮的作用越來越重要，與此相對應(yīng)，反雷達(dá)技術(shù)也越來越先進(jìn)。由于電磁干擾環(huán)境無時(shí)無刻不在變化，特別是有源干擾，因其種類繁多、使用靈活、對抗性強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛采用［1－3］。同時(shí)，雷達(dá)會(huì)受到無源雜波干擾的影響。因此，為了提高現(xiàn)代雷達(dá)的生存能力，必須同時(shí)具備抗有源干擾和無源干擾的能力。有源干擾的干擾源總是基本固定在空間某一位置，從某個(gè)單一方向向雷達(dá)輻射［4］。無源干擾通常是指雷達(dá)所接收到的由于物體反射引起的無用回波信號(hào)，例如地雜波、海雜波等。

在工程中，當(dāng)雷達(dá)同時(shí)受到有源干擾和無源干擾時(shí)，有些近程強(qiáng)雜波的幅度超出了雷達(dá)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，因此雷達(dá)通常依次采取限幅、脈沖壓縮、自適應(yīng)旁瓣相消以及動(dòng)目標(biāo)顯示技術(shù)進(jìn)行對抗，結(jié)果是導(dǎo)致雷達(dá)抗干擾性能下降。本文主要分析了引起雷達(dá)抗干擾性能下降的主要因素，并用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性。

1 雷達(dá)抗干擾原理

工程中，當(dāng)雷達(dá)同時(shí)受到有源干擾和無源干擾時(shí)，對抗該干擾最常用的方法是自適應(yīng)旁瓣相消器和動(dòng)目標(biāo)顯示技術(shù)（MTI）相級(jí)聯(lián)的技術(shù)，其抗干擾思想是采用分步抑制干擾的方法，第一步抑制有源干擾，第二步抑制無源干擾。但是，當(dāng)干擾強(qiáng)度超出雷達(dá)接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍時(shí)要進(jìn)行限幅處理。雷達(dá)抗干擾原理框圖如圖1所示。

本文以雙增益對數(shù)中頻放大器作為雷達(dá)接收機(jī)抗過載電路［5］對限幅的影響進(jìn)行分析，其中，放大器的傳輸特性曲線如圖2所示。

為簡化分析，假定放大器的傳輸特性是由兩段折線組成的，其中k1和k2代表折線的斜率，ui代表輸入信號(hào)，u0代表輸出信號(hào)，當(dāng)ui＜uf時(shí)，放大器為線性放大狀態(tài)，當(dāng)ui≥uf時(shí)輸出被限幅，限幅電平為uf，輸出信號(hào)的表達(dá)式為

接下來進(jìn)行脈壓、自適應(yīng)旁瓣處理和MTI處理，自適應(yīng)旁瓣相消器原理如下：由于輔助天線在期望信號(hào)方向的響應(yīng)很小，從而使得進(jìn)入輔助通道的目標(biāo)信號(hào)功率低于輔助通道的噪聲電平，否則會(huì)引起期望信號(hào)相消。其工作過程如下［6］：當(dāng)空中存在有源干擾時(shí)（假設(shè)干擾與期望信號(hào)不相關(guān)），由主天線旁瓣接收的干擾信號(hào)和輔助天線接收的干擾信號(hào)同時(shí)送入自適應(yīng)旁瓣相消器，根據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算出最優(yōu)權(quán)值W，最優(yōu)權(quán)值使得各輔助通道加權(quán)后的合成輸出對消掉主通道中的干擾，輸出目標(biāo)信號(hào)。當(dāng)空中沒有干擾時(shí)，輔助通道接收不到目標(biāo)信號(hào)（或者很弱），輸出權(quán)值趨近于零，主通道信號(hào)直接輸出，供后繼MTI處理。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖中，d（t）表示主通道的接收信號(hào)，x1（t），x2（t），…，xN（t）表示輔助通道的接收信號(hào)，下標(biāo)N表示輔助天線數(shù)，w1，w2，…，wN表示由相應(yīng)算法得出的最優(yōu)權(quán)值矢量。我們令X（t）＝［x1（t），x2（t），…，xN（t）］T，W＝［w1，w2，…，wN］T，則對消輸出可表示為

根據(jù)最小均方準(zhǔn)則（LMS）求取權(quán)值，解得

其中，R＝E［X（t）XH（t）］表示輔助通道采樣的干擾形成的協(xié)方差矩陣，rXd＝E［X（t）d*（t）］表示主通道采樣的干擾數(shù)據(jù)和輔助通道的干擾信號(hào)的互相關(guān)矩陣。

目前，相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)旁瓣相消、自適應(yīng)波束形成等空域自適應(yīng)抗干擾技術(shù)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了塊自適應(yīng)算法，即在雷達(dá)休止期采集干擾樣本，利用這些樣本算出自適應(yīng)權(quán)值，再把這個(gè)自適應(yīng)權(quán)值用于對消整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的干擾。這一過程在每個(gè)雷達(dá)脈沖重復(fù)周期內(nèi)或每個(gè)相干處理周期都重復(fù)地進(jìn)行，空域塊自適應(yīng)算法計(jì)算時(shí)序圖如圖4所示。

圖中，T2為自適應(yīng)權(quán)值樣本學(xué)習(xí)時(shí)間，T是雷達(dá)脈沖重復(fù)周期或相干處理周期時(shí)間，為T1、T2之和。如果在T1、T2時(shí)間內(nèi)，雷達(dá)的工作環(huán)境沒有發(fā)生變化，或者說干擾變化很慢，T1、T2時(shí)間內(nèi)的權(quán)值就可以認(rèn)為是近似相同的。實(shí)際上這種干擾信號(hào)滿足時(shí)間平穩(wěn)特性，目前干擾機(jī)施放的噪聲壓制干擾就屬于這種類型，因而容易被空域自適應(yīng)抗干擾措施對抗掉。

2 限幅對雷達(dá)抗干擾性能的影響分析

（1）未限幅時(shí)的輸出信號(hào)

假設(shè)主通道接收機(jī)具有足夠的線性動(dòng)態(tài)范圍，即未對主通道信號(hào)限幅時(shí)，在第1、2、3個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)做自適應(yīng)旁瓣相消后輸出信號(hào)分別為r1（t）＝k1d1（t）?h（t）－WH（k1X1（t）?h（t））（4）r2（t）＝k1d2（t）?h（t）－WH（k1X2（t）?h（t））（5）r3（t）＝k1d3（t）?h（t）－WH（k1X3（t）?h（t））（6）其中，?表示卷積運(yùn)算；h（t）是脈沖壓縮濾波器；di（t）和Xi（t）（i＝1，2，3）分別為第1、2、3個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)主、輔通道的接收信號(hào)，di（t）和Xi（t）包含雜波Cdi、CXi和干擾Jdi、JXi以及噪聲n。由于是在遠(yuǎn)端休止期采集干擾樣本，因此在第1、2、3個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)計(jì)算得到的自適應(yīng)權(quán)值W可認(rèn)為是相同的，進(jìn)行旁瓣相消前輸出信號(hào)為

通過做自適應(yīng)旁瓣，干擾被抑制掉，經(jīng)MTI處理后雜波被濾除。因此未限幅時(shí)，雜波和干擾被抑制掉了，此時(shí)輸出信號(hào)為

（2）限幅時(shí)的輸出信號(hào)

實(shí)際中，接收機(jī)線性動(dòng)態(tài)范圍有限，近程強(qiáng)雜波可能超出其范圍，因此要對主通道信號(hào)限幅，此時(shí)在第1、2、3個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)做旁瓣相消處理后輸出信號(hào)分別為

做MTI處理后，輸出信號(hào)為

考慮到主通道接收信號(hào)d（t）包含干擾和雜波以及噪聲，由式（13）可以看出（d1（t）－2d2（t）＋d3（t））本身就是MTI處理，因此雜波被濾除掉，所以Δ（t）中只剩下干擾和噪聲。因此我們可得出結(jié)論：引起雷達(dá)抗干擾性能下降的因素是限幅對旁瓣相消有影響，造成干擾對消有剩余。

為分析限幅對抗干擾性能影響的程度，我們用電子對抗中常用的改善因子作為衡量指標(biāo)，改善因子（EIF）為［5］

其中，J、C和S分別表示未采用抗干擾措施的系統(tǒng)干擾功率、雜波功率和信號(hào)功率，J1、C1和S1分別表示采用抗干擾措施后的系統(tǒng)干擾功率、雜波功率和信號(hào)功率。EIF表明了系統(tǒng)采用抗干擾措施后信干雜比提高的倍數(shù)。

3 仿真驗(yàn)證

仿真環(huán)境設(shè)置：設(shè)置參數(shù)如雷達(dá)信號(hào)的載頻、脈寬（150μs）、調(diào)制樣式（線性調(diào)頻，帶寬1 MHz）、重復(fù)周期（2.5ms）等均參考實(shí)際環(huán)境。主陣仿真采用了切比雪夫加權(quán)的20單元陣列方向圖進(jìn)行近似，副瓣電平為－35 dB，輔助陣采用3個(gè)陣元。有源干擾為壓制性噪聲干擾，入射角度為－40°，干噪比為45 dB，無源干擾為多普勒頻率位于零頻附近的雜波，入射角度為0°，雜噪比為60 dB，限幅電平為50 dB，目標(biāo)位于60 km處，信噪比為22 dB。

圖5給出了雷達(dá)接收的回波信號(hào)包含干擾和雜波時(shí)信號(hào)的幅值變化情況，從圖中可以看出，目標(biāo)被淹沒在干擾和雜波中，同時(shí)干擾和雜波疊加的部分幅值超過了限幅電平。

圖6 給出了沒有限幅時(shí)經(jīng)抗干擾處理后信號(hào)的幅值變化情況，從圖中可以看出，當(dāng)不對干擾和雜波進(jìn)行限幅時(shí)，旁瓣相消性能良好，雜波也被MTI濾波器抑制掉，干擾對消沒有剩余，目標(biāo)被識(shí)別出來。

圖7 給出了限幅時(shí)經(jīng)抗干擾處理后信號(hào)的幅值變化情況，從圖中可以看出，當(dāng)對干擾和雜波進(jìn)行限幅時(shí)，干擾對消性能很差，干擾對消有剩余，無法識(shí)別目標(biāo)，圖中的突起部分就是做旁瓣相消后剩余的干擾。根據(jù)改善因子計(jì)算公式計(jì)算得到，當(dāng)限幅時(shí)，改善因子為33 dB；未限幅時(shí)，改善因子為45 dB。以上仿真結(jié)果充分說明，理論分析和仿真驗(yàn)證相一致，進(jìn)一步說明引起干擾對消效果變差的主要原因是由于限幅造成旁瓣相消性能下降。

4 結(jié)論

本文分析了雷達(dá)受到干擾并采取限幅措施的情況下引起雷達(dá)抗干擾性能下降的因素。從分析可以得知，造成雷達(dá)抗干擾性能下降的主要原因是由于限幅對旁瓣相消性能的影響導(dǎo)致干擾對消有剩余。因此在雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一定要綜合考慮限幅對旁瓣相消性能所造成的影響，這對雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者具有重要的參考價(jià)值。

①測算方法。以水費(fèi)占畝均產(chǎn)值的比例或占畝均純收益的比例為依據(jù)，測算農(nóng)民水費(fèi)承受能力。根據(jù)水費(fèi)占畝均產(chǎn)值V的比例R，以及水費(fèi)占畝均純收益B的比例r合理范圍，分別確定水費(fèi)承受能力，然后取兩者計(jì)算出的最大值作為水費(fèi)承受力。計(jì)算公式如下：

［1］Guo Jianming，Li Jianxun，Lv Qiang.Survey on Radar ECCMMethodsand Trends in its Developments［C］／／Proceedings of 2006 CIE International Conference on Radar.Shanghai：IEEE，2006：1578－1581.

［2］韋杉，吳路剛.旁瓣對消對單脈沖跟蹤雷達(dá)測角精度影響分析［C］／／第十屆全國雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊）.北京：國防工業(yè)出版社，2008，234－235. WEIShan，WU Lu-gang.AngleMeasurement Precision Analysis of SLC in Mono-pulse Tracking Radar［C］／／Proceedings of the 10th National Radar Conference（Part II）.Beijing：National Defense Industry Press，2008：234－235.（in Chinese）

［3］丘新軍.雷達(dá)對抗技術(shù)與效果評估方法研究［J］.艦船電子工程，2012，32（9）：82－83. QIU Xin-jun.Radar Counter Technical Analysis in Complex Electromagnetic Environment［J］.Ship Electronic Engineering，2012，32（9）：82－83.（in Chinese）

［4］孫曉兵，張守宏.數(shù)字旁瓣相消與動(dòng)目標(biāo)顯示的兼容性分析［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，1992，14（5）：50－56. SUN Xiao-bing，ZHANG Shou-hong.The Analysis of the Compatibility of Digital Sidelobe Canceller（DSLC）and Moving Target Indicator（MTI）［J］.Modern Radar，1992，14（5）：50－56.（in Chinese）

［5］楊俊華，張大彪.雙增益對數(shù)中頻放大器［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，31（6）：566－570. YANG Jun-hua，ZHANG Da-biao.Double Gain Logarithmic Intermediate Frequency Amplifier［J］.Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2002，31（6）：566－570.（in Chinese）

［6］張國熊，周梅軍.旁瓣對消抗干擾改善因子數(shù)學(xué)模型分析［J］.中國雷達(dá)，2011（2）：51－53. ZHANG Guo-xiong，ZHOU Mei-jun.Themathematicalmodel of the improvement factor of the sidelobe canceller［J］.China Radar，2011（2）：51－53.（in Chinese）

ZHAO Ying-jun was born in Hailun，Heilongjian Province，in 1984.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research direction is adaptive array signal processing.

Email：zyj－008＠163.com

李榮鋒（1971—），男，浙江長興人，博士，教授；

LI Rong-feng was born in Changxing，Zhejiang Province，in 1971.He is now a professor with the Ph.D.degree.

王永良（1965—），男，浙江嘉興人，博士，教授；

WANG Yong-liang was born in Jiaxing，Zhejiang Province，in 1965.He is now a professor with the Ph.D.degree.

劉維建（1982—），男，山東萊蕪人，博士研究生。

LIUWei-jian was born in Laiwu，Shandong Province，in 1982. He is currently working toward the Ph.D.degree.

Effect of Short-range Strong Clutter Constraint on Sidelobe Canceller

ZHAO Ying-jun1，2，LIRong-feng1，WANG Yong-liang1，LIUWei-jian1
（1.Key Research Laboratory，Air Force EarlyWarning Institute，Wuhan 430019，China；2.College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

This paper is concerned with the reason why the performance degradation of the jamming suppression，when there simultaneously exist the active and passive jammings.The rigorousmathematicalmodel is established，and the reason is also exploited froMthe theoretical viewpoint，which is verified by the simulated data. The results highlight that the reason of degradation of the jamming suppression in the presence of both active and passive jammings is the degradation of the sidelobe cancelling，which，in turn，is introduced by the operation of the amplitude constraint.

radar receiver；sidelobe canceller；amplitude；interference suppression；adaptive beamforming

date：2012－11－05；Revised date：2013－03－27基金項(xiàng)目：國家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60925005）Foundation：The National Science Fund for Distinguished Young Scholars of China（No.60925005）

??通訊作者：zyj－008＠163.coMCorresponding author：zyj－008＠163.com

TN957

A

1001－893X（2013）06－0721－05

趙英?。?984—），男，黑龍江海倫人，博士研究生，主要研究方向?yàn)樽赃m應(yīng)陣列信號(hào)處理；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.009

2012－11－05；

2013－03－27