脈壓雷達(dá)旁瓣匿影工作模式與抗干擾性能分析

周 暢，朱振波，湯子躍

（1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊，湖北武漢430019；2.空軍預(yù)警學(xué)院空天預(yù)警裝備系，湖北武漢430019）

0 引言

針對對空情報雷達(dá)實施電子干擾是軍用飛機(jī)常用的突防手段。由于雷達(dá)天線波束寬度的典型值約為1～2°，所以雷達(dá)天線旁瓣寬度遠(yuǎn)大于主瓣寬度，且目標(biāo)回波與干擾信號的入射方向不一定相同，故大部分干擾信號從天線旁瓣進(jìn)入雷達(dá)中。脈沖壓縮體制雷達(dá)通常采用自適應(yīng)旁瓣對消（ASLC）和旁瓣匿影（SLB）來對抗旁瓣干擾。ASLC對抗連續(xù)壓制性干擾效果較好，而SLB則主要用于消除脈沖式干擾，包括窄脈沖強(qiáng)噪聲信號、脈沖轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙性干擾信號等。

國內(nèi)外學(xué)者對SLB技術(shù)研究較多，但主要是在理論分析層面［1－8］，而針對脈壓雷達(dá)的SLB具體工作模式的研究卻未見涉及。本文闡述了SLB系統(tǒng)的基本原理，著重針對脈壓前、后匿影兩種工作模式下的雷達(dá)抗干擾性能和探測性能進(jìn)行研究，對不同干擾環(huán)境下的SLB工作模式適用性進(jìn)行對比分析。仿真結(jié)果驗證了理論分析與推導(dǎo)的正確性。

1 旁瓣匿影的基本原理

圖1 脈沖壓縮雷達(dá)的旁瓣匿影結(jié)構(gòu)

基本的脈沖壓縮雷達(dá)的SLB結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由主輔天線、接收機(jī)、檢波器、匿影判決和檢測回路組成。

SLB系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)對應(yīng)的匿影邏輯圖如圖2所示。可以看出，在給定門限的基礎(chǔ)上，目標(biāo)信號被檢測的條件是（sa＜Fsm，sm＞Y），其中sm表示主通道輸出信號幅度，sa表示輔助通道輸出信號幅度，F(xiàn)表示匿影門限，Y表示檢測門限。

圖2 旁瓣匿影結(jié)構(gòu)邏輯圖

根據(jù)雷達(dá)信號處理流程中SLB技術(shù)實現(xiàn)方式的不同，可以將脈沖壓縮雷達(dá)SLB的工作模式分為脈壓后匿影與脈壓前匿影兩種。不同的匿影工作模式具有不同的匿影性能和適用性，下面進(jìn)行具體分析。

2 脈壓后匿影

脈壓后匿影是脈沖壓縮雷達(dá)SLB系統(tǒng)的主要工作模式，由于脈沖壓縮后提高了雷達(dá)的距離分辨力，能夠?qū)r域中混疊的目標(biāo)信號和干擾信號區(qū)分開來，因此，脈壓后匿影需要滿足兩項指標(biāo)要求：1）只存在目標(biāo)信號時，其檢測概率足夠高；2）只存在干擾信號時，其匿影概率足夠高。

為簡化問題，本文目標(biāo)起伏模型定為Sweling－0型，噪聲為零均值高斯白噪聲，則經(jīng)過線性包絡(luò)檢波后，主、輔通道接收信號包絡(luò)的概率密度函數(shù)為［9］：

式中，sm＝s′mδ－1，sa＝s′aδ－1，dm＝d′mδ－1，da＝d′a·δ－1。其中s′m、s′a分別為主、輔通道接收信號包絡(luò)幅度值，sm、sa分別為主、輔通道接收信號包絡(luò)的歸一化幅度值，d′m、d′a分別為主、輔通道中檢測目標(biāo)回波信號的幅度，dm、da分別為主、輔通道中檢測目標(biāo)回波信號的歸一化幅度，δ為主、輔通道噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，即主、輔通道噪聲標(biāo)準(zhǔn)差相同。

2.1 脈壓后匿影理論分析

1）只存在信號條件下的檢測概率

結(jié)合圖2中的邏輯圖可以看出，對目標(biāo)信號來說，在SNR相同的條件下，由于匿影門限的存在，一部分超過檢測門限的信號被匿影，因此采用SLB結(jié)構(gòu)后，檢測概率較未采用SLB結(jié)構(gòu)時減小。若要求在只存在信號條件下的檢測概率足夠高，則檢測概率損失應(yīng)盡量小。

為了衡量檢測概率損失對雷達(dá)性能的影響，本文引入相對檢測概率損失PD＿Loss的概念，具體表示為：

式中，PD、P′D分別表示采用、未采用SLB結(jié)構(gòu)時的檢測概率。

結(jié)合圖2，利用式（1）中的函數(shù)，目標(biāo)信號落入檢測區(qū)的概率PD為：

引入Marcum Q函數(shù)［8］，并代入式（2）中進(jìn)行化簡，可得：

而未采用SLB時的檢測概率為：

因此，將（4）、（5）代入（2）中可以得到相對檢測概率損失PD＿Loss。

2）只存在干擾條件下的匿影概率

同理，結(jié)合圖2和式（1），可以得到匿影概率的表達(dá)式：

2.2 脈壓后匿影性能分析

設(shè)匿影門限F＝1，虛警概率Pf＝10－6，進(jìn)行仿真實驗并分析脈壓后匿影的相關(guān)性能。只存在目標(biāo)信號時，主通道信噪比SNR與相對檢測概率損失PD＿Loss的關(guān)系如圖3（a）所示。只存在干擾信號時，輔助通道干噪比JNR與匿影概率PB的關(guān)系如圖3（b）所示。

結(jié)合圖3可以看出，SNR越高，相對檢測概率損失PD＿Loss越低；JNR越高，匿影概率PB越高。據(jù)此，若干擾方采用欺騙性干擾，則脈壓后時域混疊的目標(biāo)信號與干擾信號分離，且SNR和JNR均增大，SLB系統(tǒng)的工作性能提高；若干擾方采用壓制性干擾，雖然脈壓后SNR提高，但由于噪聲干擾信號未能壓縮，時域中仍然與脈壓后的目標(biāo)信號混疊，因此容易造成匿影，丟失目標(biāo)。綜上所述，脈壓后匿影比較適合對抗欺騙性干擾。

圖3 脈壓后匿影性能影響因素分析

3 脈壓前匿影

脈壓前匿影主要針對寬脈沖進(jìn)行匿影判決。一個雷達(dá)回波需進(jìn)行多次匿影判決（判決次數(shù)取決于脈沖寬度T和采樣頻率fs），若判決匿影的次數(shù)多，則經(jīng)過脈沖壓縮后的回波能量損失大；反之，則損失較小。

當(dāng)敵方施放壓制性干擾時，強(qiáng)干擾存在的距離單元被匿影，弱干擾存在的距離單元被保留，因此被保留距離單元上的目標(biāo)信號經(jīng)脈沖壓縮后仍有增益，在抑制干擾的同時又能夠提高目標(biāo)信號的信噪比，所以脈壓前匿影比較適合對抗壓制性干擾。

3.1 門限設(shè)置

對于噪聲壓制性干擾來說，脈壓前匿影的目的主要是使最大噪聲干擾幅度降低到門限值以下，因此門限設(shè)置比較關(guān)鍵。以射頻噪聲干擾為例，脈壓前匿影的門限設(shè)置可以采用以下兩種方式：

1）若能夠估計脈壓前目標(biāo)回波信號SNR，可推導(dǎo)得到目標(biāo)信號的取值范圍為（－St，St），又輔助通道的干擾信號幅度Sj可通過測量已知，則輔、主通道幅度比值范圍為（Sj／（Sj／K＋St），Sj／（Sj／K－St）），其中K為輔助天線與主天線副瓣的幅度增益差。

在高斯分布射頻噪聲干擾條件下，輔助通道干擾信號幅度Sj與輔、主通道幅度比值sa／sm的關(guān)系如圖4所示。由于脈壓前后噪聲功率不變，若要求脈壓后的干擾信號幅度衰減到檢測門限以下，則脈壓前干擾信號幅度也必須要衰減到門限值以下。

設(shè)檢測門限為Y，將Sj＜Y代入輔、主通道幅度比值范圍中，得到匿影判決條件為sa／sm＞Y／（Y／K＋St），即若檢測輔、主通道信號幅度比滿足此條件，則進(jìn)行匿影。

圖4 Sj與sa／sm的關(guān)系

2）第一種門限設(shè)置方法的實質(zhì)是使得匿影后Sj＜Y，若目標(biāo)信號的SNR未知，可直接檢測輔助通道干擾信號的幅度Sj，若超過檢測門限，該距離單元進(jìn)行匿影，匿影判決條件為sa＞KY。

3.2 脈壓前匿影性能分析

假設(shè)目標(biāo)信號的信噪比為SNR，回波采樣點數(shù)為N，則N＝Tfs，其中T表示脈沖持續(xù)時間，fs表示采樣頻率；干擾信號的干噪比為JNR，采樣點數(shù)為M，則M＝Tjfs，其中Tj表示干擾脈沖持續(xù)時間。脈壓前目標(biāo)信號與干擾信號的位置關(guān)系如圖5所示。

圖5 目標(biāo)、干擾脈寬關(guān)系

由于3.1節(jié)中的門限設(shè)置能使壓制性干擾信號的最大幅度降低到門限以下，因此可將脈壓后目標(biāo)信號的相對功率損失Loss作為脈壓前匿影的性能評價指標(biāo)Loss定義為：

式中，P表示無干擾時脈壓后目標(biāo)信號功率，PLoss表示干擾條件下脈壓后目標(biāo)信號功率。

在噪聲干擾條件下1000次蒙特卡洛仿真得到的結(jié)果如圖6所示。其中，圖6（a）表示重合寬度（脈壓前干擾信號與目標(biāo)信號）占目標(biāo)信號回波脈沖的百分比與相對功率損失P~Loss的關(guān)系；圖6（b）表示主通道JNR與相對功率損失P~Loss的關(guān)系?？梢钥闯?，在目標(biāo)信號參數(shù)相同的條件下，E~Loss主要與兩個因素有關(guān)：1）脈壓前干擾信號與目標(biāo)信號重合的脈沖寬度，記作W，即圖5中陰影部分所示。W越大，在相同的匿影概率下，匿影點數(shù)越多，ELoss越大。2）干擾信號的JNR。根據(jù)匿影判決條件sa／sm＞Y／（Y／K＋St）可知，JNR越大，匿影概率越大，ELoss越大。

圖6 脈壓前匿影性能影響因素分析

4 仿真與抗干擾性能分析

仿真實驗1：發(fā)射脈沖持續(xù)時間T＝10μs，信號帶寬B＝10MHz，采樣頻率fs＝2B；天線主瓣比第一副瓣增益高出α＝30dB，干擾入射方向輔助天線比主天線副瓣增益高出β＝2dB，虛警概率Pf＝10－6；目標(biāo)信號從主瓣進(jìn)入，且4個目標(biāo)回波位置分別為10500m、11000m、12000m、13000m，主通道目標(biāo)信號脈壓前SNR＝－5dB；干擾機(jī)產(chǎn)生2個假目標(biāo)干擾信號，位置分別為11500m和13500m，輔助通道欺騙干擾信號脈壓前JNR＝5dB。

在以上仿真參數(shù)條件下，雷達(dá)采用兩種不同SLB工作模式時的抗干擾性能比較結(jié)果如圖7所示。

圖7 欺騙性干擾條件下的脈壓前后匿影性能比較

可以看出，采用脈壓前匿影的工作模式，由于10500m處目標(biāo)信號脈沖與干擾脈沖重合區(qū)域較小，匿影點數(shù)較少，而其余位置的目標(biāo)回波與干擾脈沖重合區(qū)域較大，匿影點數(shù)較多，因此只有10500m處的目標(biāo)超過檢測門限；而采用脈壓后匿影的工作模式時，由于脈壓后目標(biāo)和欺騙干擾在距離上分開，目標(biāo)能夠被正常檢測，但是對于11500m和13500m處的假目標(biāo)，由于匿影規(guī)則生效而被有效濾除。

仿真實驗2：發(fā)射脈沖持續(xù)時間T＝10μs，信號帶寬B＝10MHz，采樣頻率fs＝2B；天線主瓣比第一副瓣增益高出α＝30dB，干擾入射方向輔助天線比主天線副瓣增益高出β＝2dB，虛警概率Pf＝10－6；目標(biāo)信號從主瓣進(jìn)入，且4個目標(biāo)回波位置分別為10500m、11000m、12000m、13000m，主通道目標(biāo)信號脈壓前SNR＝－5dB；干擾機(jī)從10000m的距離上開始釋放窄脈沖射頻噪聲干擾，輔助通道干噪比JNR＝60dB，干擾脈寬Tj＝5μs。

在以上仿真參數(shù)條件下，雷達(dá)采用兩種不同SLB工作模式時的抗干擾性能比較結(jié)果如圖8所示。

圖8 壓制性干擾條件下的脈壓前后匿影性能比較

可以看出，采用脈壓后匿影的工作模式，在干擾被匿影的同時目標(biāo)信號也被濾除了，達(dá)到了干擾效果；而采用脈壓前匿影的工作模式，雖然信號能量有損失，但是由于信號與干擾脈沖重合區(qū)域較少，目標(biāo)信號仍然能夠超過檢測門限而被檢測到。

5 結(jié)束語

本文基于SLB系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)和基本原理，針對脈沖壓縮雷達(dá)脈壓前、后匿影兩種工作模式，分析了雷達(dá)的抗干擾性能和檢測性能，并結(jié)合不同的干擾環(huán)境進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明脈壓前匿影較適合對抗壓制性干擾，而脈壓后匿影對抗欺騙性干擾效果更佳。但是，兩種模式對抗復(fù)合干擾，即多種干擾樣式并存的干擾，效果均不夠理想。因此，如何將兩種工作模式結(jié)合起來抗干擾是下一步研究的方向?！?/p>

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