基于密集干擾的機(jī)載雷達(dá)STAP技術(shù)的干擾研究

張 昀，盛驥松，劉 禹

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚州225001）

0 引 言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，制空權(quán)的掌握是贏取戰(zhàn)爭勝利的重要保障，而集多種高新技術(shù)于一身的新一代機(jī)載預(yù)警機(jī)在其中起著舉足輕重的作用，因而備受世界各國的關(guān)注［1－2］。以美國 E－2D為代表的新一代預(yù)警機(jī)幾乎都裝備了采用先進(jìn)的相控陣技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的雷達(dá)，具有空間功率合成、波束捷變、同時多波束等特點［3］。而且其采用的空時自適應(yīng)處理技術(shù)（STAP），即使在存在強(qiáng)地雜波和干擾的地區(qū)也能獲得很好的探測效能。

STAP的出現(xiàn)使得用傳統(tǒng)干擾手段對預(yù)警雷達(dá)的干擾很難奏效［4］，因而探究對新型預(yù)警雷達(dá)的新干擾方法已勢在必行。有矛必有盾，任何一項先進(jìn)的新技術(shù)盡管具有很多優(yōu)勢，能解決時下很多問題，但總有不足與局限性。STAP處理是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，其需要具備足夠的自由度，而有源干擾的引入將使系統(tǒng)進(jìn)一步復(fù)雜，因此，當(dāng)有多個有源干擾時，系統(tǒng)性能將因缺乏足夠多的自由度而降低。本文針對STAP技術(shù)這一局限性，采用密集干擾，即使干擾均勻、密集、連續(xù)分布于一定的角域內(nèi)。仿真結(jié)果表明，密集干擾能很好地對抗STAP技術(shù)。

1 STAP技術(shù)的原理

STAP是一種聯(lián)合角－多普勒域濾波技術(shù)，雷達(dá)為陣列天線的每個單元提供一個獨立接收信道，接收機(jī)的相關(guān)視頻被數(shù)字化。對于每個距離單元，由在相干處理時間間隔內(nèi)獲取的樣值形成一個相關(guān)矩陣，并根據(jù)接收的噪聲和雷達(dá)回波不斷自適應(yīng)更新，以構(gòu)成能讓潛在的目標(biāo)信號通過且能抑制噪聲干擾的濾波器，然后對樣值加權(quán)并求和。STAP技術(shù)同時利用多個自適應(yīng)相控陣天線單元中的接收信號（空域）和來自多個脈沖重復(fù)周期的信號（時域），以實現(xiàn)空域和時域的自適應(yīng)處理。其實質(zhì)是將一維空域濾波技術(shù)推廣到時間與空間二維域中。圖1為STAP處理的原理示意圖［5］，圖中 ｛wnk｝，n＝ ［1，…，N］，k＝ ［1，…，K］為空時二維權(quán)系數(shù)，其中N表示天線子陣數(shù)或空間通道數(shù)，其大小由雷達(dá)方位分辨率確定。K為時間脈沖數(shù)目，其大小由對雜波抑制性能的要求確定。用NK×1維W表示處理器的權(quán)矢量，則：

圖1 STAP處理原理示意圖

全空時最優(yōu)處理器可以用數(shù)學(xué)優(yōu)化問題描述：

式中：R為接收數(shù)據(jù)形成的協(xié)方差矩陣，為NK×NK維，物理意義為在保證目標(biāo)增益一定的情況下，使得處理器輸出雜波剩余功率最??；S為空時二維導(dǎo)向矢量：

式中：X為NK×l維的雷達(dá)空時采樣數(shù)據(jù)；?代表Kronecker積；Ss為空域?qū)蚴噶?；St為時域?qū)蚴噶浚?/p>

式中：ωs，ωt分別為空間與時間歸一化頻率。

因此可得空時二維最優(yōu)處理器的權(quán)矢量為：

式中：μ＝1／（SHR－1S），為歸一化的常數(shù)。

從式（5）可以看出，表達(dá)式由雜波協(xié)方差逆矩陣和目標(biāo)矢量兩部分組成，第一部分相當(dāng)于對雜波進(jìn)行白化，后一部分則相當(dāng)于對目標(biāo)信號進(jìn)行匹配濾波，因此這實際上是廣義的維納最優(yōu)匹配濾波器。

圖2為目標(biāo)與雜波功率譜的空時三維分布和最優(yōu)STAP的頻響圖。其中，陣元數(shù)N＝12，脈沖數(shù)K＝10，目標(biāo)位于方位向30°，歸一化頻率－0.2。該圖表明：最優(yōu)STAP在信號方向有最強(qiáng)輸出，而在雜波分布方向（雜波沿空時二維對角分布）形成凹口以濾除雜波。

當(dāng)空間存在壓制干擾時，假設(shè)為主瓣干擾，即干擾的方位角也為30°，壓制干擾考慮為多普勒白化，而目標(biāo)方位角為30°，多普勒頻率－0.2，圖3為壓制干擾下功率譜以及最優(yōu)STAP處理頻響圖。

圖2 目標(biāo)與雜波功率譜頻響圖

由圖3（a）可以看出，目標(biāo)幾乎被干擾掩蓋，通過常規(guī)的處理手段很難將目標(biāo)檢測出來；圖3（b）為經(jīng)STAP處理后的結(jié)果，可以看出，經(jīng)STAP處理后，在雜波方向上形成零陷，并且干擾也得到很好的濾除。因此，以傳統(tǒng)的壓制干擾對抗采用STAP技術(shù)的機(jī)載預(yù)警雷達(dá)，根本不能起到任何干擾效果。

圖3 壓制干擾下頻譜圖

2 對STAP技術(shù)的密集干擾

密集干擾［6］不同于點干擾，它通常是來自不同方向的少數(shù)幾組（甚至只有1組）干擾，每組均密集分布（甚至為連續(xù)分布）于一個小的角域內(nèi)。由于每組干擾可視為由很多點干擾源組成，并且它們的空間相關(guān)性很強(qiáng)，這使得系統(tǒng)的自由度急劇減小。而最優(yōu)STAP處理技術(shù)的先決條件是要確保系統(tǒng)有足夠多的自由度，因而會使得經(jīng)最優(yōu)STAP處理后的目標(biāo)信息也丟失。圖4為采用密集干擾下的功率譜以及最優(yōu)STAP處理頻響圖。

由圖4可以看出，當(dāng)采用密集干擾時，經(jīng)過STAP處理后，目標(biāo)被干擾淹沒，無法辨認(rèn)目標(biāo)的位置，獲得了很好的干擾效果。

圖4 采用密集干擾下的功率譜以及最優(yōu)STAP處理頻響圖

3 結(jié)束語

隨著各種先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)，對機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的干擾面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。本文針對相控陣?yán)走_(dá)STAP技術(shù)對系統(tǒng)自由度要求的局限性，提出了密集干擾的方案，并針對此方案進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，在密集干擾下，對STAP技術(shù)可以獲得很好的干擾效果。

［1］酈能敬.預(yù)警機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京：防工業(yè)出版社，1998.

［2］羅守貴，金林.機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的發(fā)展趨勢［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30（12）：1－2.

［3］王永良，李天泉.機(jī)載雷達(dá)空時自適應(yīng)信號處理技術(shù)回顧與展望［J］.中國電子科學(xué)報，2008，3（3）：273－274.

［4］薛冰心，張友益.基于頻移假目標(biāo)對機(jī)載雷達(dá)SATP技術(shù)干擾效果的研究［J］.艦船電子對抗，2012，35（1）：11－13.

［5］Klemm R K.Principles of space－time adaptive processing［M］.London：The Institution of Electrical Engineers，2002.

［6］王永良，彭應(yīng)寧.空時自適應(yīng)信號處理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.