空域自適應(yīng)處理技術(shù)在外輻射源雷達(dá)探測(cè)中的應(yīng)用

許德剛 楊雪亞 閆馮軍

(中國(guó)電子集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

同傳統(tǒng)的雷達(dá)相比，外輻射源雷達(dá)本身并不發(fā)射信號(hào)，主要利用非合作的廣播電臺(tái)信號(hào)、電視信號(hào)、衛(wèi)星信號(hào)及其它輻射源作為目標(biāo)照射源，因而不容易被敵方所偵察和干擾，提高了雷達(dá)的隱蔽性，同時(shí)雷達(dá)所利用的民用信號(hào)大多是低頻段的信號(hào)，具有探測(cè)隱身飛機(jī)的能力。由于外輻射源雷達(dá)具有反干擾、抗反輻射導(dǎo)彈、反隱身及成本低等特點(diǎn)，越來(lái)越受到重視，國(guó)內(nèi)外高校及研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)［1-5］。

外輻射源雷達(dá)利用的民用信號(hào)是連續(xù)波信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)民用電臺(tái)的直達(dá)波與目標(biāo)反射的回波信號(hào)進(jìn)行多普勒相關(guān)處理進(jìn)行目標(biāo)的檢測(cè)。由于系統(tǒng)必須接收來(lái)自電臺(tái)所發(fā)射的信號(hào)，系統(tǒng)與電臺(tái)之間不能有遮擋，造成接收陣列天線接收目標(biāo)回波的同時(shí)，必然會(huì)受到直達(dá)波信號(hào)、經(jīng)高山和建筑物等反射的多徑信號(hào)所干擾。雖然接收陣列天線的法線沒(méi)有指向電臺(tái)方向，但是通過(guò)反射和繞射所接收到的直達(dá)波信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)反射的回波信號(hào)，形成很強(qiáng)的直達(dá)波干擾;同時(shí)由于雷達(dá)站周圍的環(huán)境可能比較復(fù)雜，來(lái)自近距離不同固定物所反射的多徑信號(hào)同樣也強(qiáng)于目標(biāo)回波信號(hào)，大大影響了雷達(dá)的正常工作。

一般情況下國(guó)家對(duì)電臺(tái)的分布是有一定限制的，不會(huì)出現(xiàn)電臺(tái)相互干擾的問(wèn)題，但是外輻射源雷達(dá)接收機(jī)靈敏度高，經(jīng)常能收到較遠(yuǎn)的城市所發(fā)射的同頻和鄰頻電臺(tái)信號(hào)，形成同頻和鄰頻干擾;另外在海邊和國(guó)境附近也會(huì)接收到對(duì)方電臺(tái)的干擾。由于干擾電臺(tái)信號(hào)也強(qiáng)于目標(biāo)所反射的目標(biāo)回波信號(hào)，若不采取有效措施，同頻和鄰頻干擾信號(hào)同樣也削弱了雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)性能。

1 干擾信號(hào)分析

外輻射源雷達(dá)是一種特殊體制下的雙/多基地非合作雷達(dá)系統(tǒng)，其發(fā)射站為位置明確的民用廣播、電視信號(hào)和自主廣播發(fā)射臺(tái)，發(fā)射塔全向輻射的電磁波信號(hào)連續(xù)不間斷地照射廣闊的空域，照射到空中目標(biāo)產(chǎn)生相應(yīng)的反射回波信號(hào)。雷達(dá)系統(tǒng)的接收站采用兩個(gè)通道來(lái)接收信號(hào)，其中回波接收通道采用陣列接收天線，用于接收目標(biāo)所反射的回波信號(hào)，參考接收通道采用單個(gè)天線單元，指向電臺(tái)發(fā)射方向，用于接收直達(dá)波參考信號(hào)，其原理如圖1所示。其中發(fā)射站的位置為T(mén)，雷達(dá)接收站的位置為R，目標(biāo)的位置為G，收發(fā)站之間的距離為L(zhǎng)，目標(biāo)和接收站之間的距離為Rr，目標(biāo)和發(fā)射站之間的距離為Rt，其目標(biāo)探測(cè)原理是通過(guò)回波接收通道采集的信號(hào)與參考通道采集的信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)相干積累處理得到兩者之間的時(shí)間差估計(jì)τ，即:

其中S= Rr+Rt即距離和，c 為光速，根據(jù)幾何關(guān)系可得到Rr為:

其中φr為通過(guò)多波束比幅技術(shù)測(cè)得的方位角。

外輻射源雷達(dá)采用的非合作照射源大多為米波頻段的信號(hào)，其雜波主要為多普勒為零的地物雜波，而且目標(biāo)回波信號(hào)已附加了多普勒信息，因此可以通過(guò)多普勒信息將目標(biāo)和雜波分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測(cè)。前面已分析了直達(dá)波和多徑信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波信號(hào)，當(dāng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下還存在同頻和鄰頻信號(hào)的干擾，這些因素嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的探測(cè)性能。雖然通過(guò)后續(xù)長(zhǎng)時(shí)相干積累處理能獲得一定的增益，但相對(duì)于干擾信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)說(shuō)還是不能滿足系統(tǒng)的要求。針對(duì)這些問(wèn)題，采用時(shí)域自適應(yīng)干擾處理的研究較多［6-8］，而且取得了一定的效果，但是運(yùn)算量大且實(shí)時(shí)處理難度大，對(duì)同頻和鄰頻干擾的抑制有限，因此本文從空域自適應(yīng)處理來(lái)分析對(duì)干擾信號(hào)的抑制，并進(jìn)行仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

圖1 外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)相干定位圖

2 算法分析和仿真

2．1 自適應(yīng)波束置零技術(shù)

自適應(yīng)波束形成技術(shù)原理是根據(jù)不同的最優(yōu)化準(zhǔn)則，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)調(diào)整每一陣元的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行雜波干擾自適應(yīng)處理，通過(guò)零點(diǎn)形成來(lái)消除雜波干擾，在一些研究方向上得到了應(yīng)用［9］。針對(duì)無(wú)源雷達(dá)上自適應(yīng)數(shù)字波束形成的算法準(zhǔn)則采用最大信干噪比(MSINR)準(zhǔn)則，即使陣列輸出信號(hào)與干擾加噪聲之比最大的準(zhǔn)則。對(duì)確知參量信號(hào)，高斯噪聲背景中的最優(yōu)濾波為噪聲預(yù)白化后的匹配濾波，這兩個(gè)過(guò)程可以通過(guò)最大信噪比準(zhǔn)則統(tǒng)一處理。陣列接收信號(hào)表示如下:

式中α(θ0)為信號(hào)來(lái)波方向?qū)Рㄐ盘?hào)，s0(t)為信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，Xi+n(t)為干擾加噪聲向量，與信號(hào)不相關(guān)。信號(hào)協(xié)方差矩陣Rs和干擾噪聲協(xié)方差矩陣Ri+n分別為:

最大信干噪比(MSINR)是使輸出信干噪比最大，即:

其中W為權(quán)值，用拉格朗日乘子法，目標(biāo)函數(shù)為:

對(duì)式(7)求導(dǎo)可得到:

其中μ=δs2αH(θ0)Wopt/λ。

則陣列最優(yōu)權(quán)矢量對(duì)應(yīng)的最大輸出信干噪比為:

根據(jù)上面的算法進(jìn)行分析，在外界強(qiáng)雜波干擾的情況下，波束形成時(shí)在干擾方向上形成零點(diǎn)，系統(tǒng)陣元數(shù)為12 個(gè)，采用全自適應(yīng)零點(diǎn)技術(shù)，滿足最大信干噪比準(zhǔn)則來(lái)設(shè)計(jì)，使信號(hào)輸出功率相對(duì)于雜波功率之比最大。當(dāng)有兩個(gè)干擾(-30°、45°)時(shí)，且幅相誤差為(0.1dB、1.0°)時(shí)的自適應(yīng)方向圖如圖2所示。

圖2 干擾抑制處理自適應(yīng)零點(diǎn)方向圖

2．2 自適應(yīng)副瓣對(duì)消技術(shù)

數(shù)字陣列體制的雷達(dá)可以采用極低副瓣技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間濾波，但要受到主波束變寬的限制和增益的損失，自適應(yīng)副瓣對(duì)消技術(shù)可以抑制從天線副瓣進(jìn)入的干擾信號(hào)而避免極低副瓣所帶來(lái)的問(wèn)題。根據(jù)最優(yōu)波束形成的MMSE 準(zhǔn)則，輔助天線將它所接收的信號(hào)與主天線接收的信號(hào)加權(quán)求和，在干擾作用下利用輸出結(jié)果來(lái)調(diào)整權(quán)值，使輸出干擾功率趨于最小，其結(jié)果使空間濾波特性在干擾方向上形成零點(diǎn)，從而抑制了副瓣干擾［10］，在實(shí)際應(yīng)用中一般要求輔助天線的增益稍高于主天線的第一副瓣，其原理如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)旁瓣對(duì)消處理示意圖

雷達(dá)主天線接收到的信號(hào)為Y=［y1，y2，…，yN］，輔助天線接收到的信號(hào)為X=［x1，x2，…，xM］，加權(quán)系數(shù)為W=［w1，w2，…，wM］，則自適應(yīng)相消結(jié)果為Z= Y-W·XH。根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則(MMSE)計(jì)算自適應(yīng)權(quán)值，相消剩余功率為最小的權(quán)值解是維納最優(yōu)解，即最優(yōu)權(quán)值為:

其中Rxy= E(X·Y*)，Rxx= E(X·XH)，Rxy表示主天線和輔助天線所接收信號(hào)的互相關(guān)矩陣，Rxx表示輔助天線之間的自相關(guān)矩陣。

外輻射源雷達(dá)采用多通道輸出陣列技術(shù)，而且天線尺寸比較大，增加輔助天線勢(shì)必會(huì)影響系統(tǒng)的規(guī)模和成本，因此考慮從N 個(gè)主天線中抽出M 路信號(hào)作為輔助天線，同時(shí)這M 路`信號(hào)也參與主天線的波束形成處理。假如從N 個(gè)主天線中選取y1，y3，y5作為輔助天線的輸出，N 個(gè)主天線的波束合成為y0(t)，根據(jù)自適應(yīng)副瓣對(duì)消處理技術(shù)得到對(duì)消的權(quán)值為W:

根據(jù)計(jì)算得到的自適應(yīng)權(quán)值，可得自適應(yīng)副瓣的輸出結(jié)果為:

根據(jù)自適應(yīng)副瓣對(duì)消算法進(jìn)行仿真分析，假設(shè)有四個(gè)干擾源從主天線進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)，干擾源的方向相對(duì)于天線法線方向?yàn)?50°、-30°、20°和30°，同時(shí)所有主天線在天線陣面的法線方向合成波束，其中單個(gè)天線的干噪比為25dB，得到自適應(yīng)副瓣對(duì)消結(jié)果如圖4所示。其中綠色干擾相消前的波束輸出，輸出均值約為39dB，藍(lán)色干擾相消后的波束輸出，輸出均值約為16dB，干擾抑制比大約為23dB，較好的抑制了來(lái)自副瓣的干擾信號(hào)。

圖4 自適應(yīng)副瓣對(duì)消的干擾抑制仿真結(jié)果

3 雷達(dá)實(shí)際采集數(shù)據(jù)的處理結(jié)果分析

3．1 自適應(yīng)波束置零技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

同時(shí)以實(shí)際采集的有外界雜波干擾的同組外場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理結(jié)果比較，若不形成零點(diǎn)而只進(jìn)行常規(guī)處理的仿真結(jié)果如圖5所示，表明在有外界雜波干擾情況下只進(jìn)行常規(guī)處理，而不進(jìn)行自適應(yīng)零點(diǎn)抗干擾處理，檢測(cè)到兩個(gè)目標(biāo)，目標(biāo)1 的信雜比大約為22dB，位于119.3km 處;目標(biāo)2 的信雜比大約為15dB，位于213.8km。在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上形成零點(diǎn)處理的仿真結(jié)果如圖6所示，表明在有外界雜波干擾情況下進(jìn)行常規(guī)處理的同時(shí)，進(jìn)行零點(diǎn)抗干擾處理，檢測(cè)到三個(gè)目標(biāo)信號(hào)，其中目標(biāo)1 的信雜比達(dá)到了28.0dB;目標(biāo)2 的信雜比達(dá)到了22.0dB;目標(biāo)3 的信雜比達(dá)到了18.3dB，位于279.8km 處。因此在實(shí)際環(huán)境有雜干擾的情況下采用自適應(yīng)零點(diǎn)的方法明顯提高目標(biāo)的信雜比。

圖5 無(wú)自適應(yīng)零點(diǎn)處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 有自適應(yīng)零點(diǎn)處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3．2 自適應(yīng)副瓣對(duì)消技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

利用雷達(dá)設(shè)備在外場(chǎng)采集存在雜波干擾信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)有無(wú)副瓣對(duì)消技術(shù)進(jìn)行仿真對(duì)比，選取采集的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行副瓣對(duì)消技術(shù)的分析;其中主陣面接收目標(biāo)的回波信號(hào)，從主天線中選擇取3 個(gè)天線作為輔助天線用于接收雜波干擾信號(hào)進(jìn)行副瓣對(duì)消，在天線的法線方向上形成波束，雜波干擾信號(hào)從主波束的副瓣進(jìn)入。對(duì)這組數(shù)據(jù)只進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)而不進(jìn)行副瓣對(duì)消處理，圖7 是不進(jìn)行副瓣對(duì)消處理，僅進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從處理結(jié)果來(lái)看:檢測(cè)到兩個(gè)目標(biāo)，目標(biāo)1 位于53.3km 處，目標(biāo)的信雜比為27dB;目標(biāo)2 位于65.2km處，目標(biāo)的信雜比為20dB。同樣對(duì)這組數(shù)據(jù)首先進(jìn)行副瓣對(duì)消處理，然后進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)處理，圖8 是副瓣對(duì)消及相關(guān)檢測(cè)處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從處理結(jié)果來(lái)看:同時(shí)能檢測(cè)到五個(gè)目標(biāo)，其中目標(biāo)1 位于53.3km 處，目標(biāo)的信雜比為41dB;目標(biāo)2 位于65.2km處，目標(biāo)的信雜比為35dB;目標(biāo)3 位于157.5km 處，目標(biāo)的信雜比為28dB;目標(biāo)4 位于150.5km 處，目標(biāo)的信雜比為19dB;目標(biāo)5 位于223.3km 處，目標(biāo)的信雜比為20dB。因此副瓣對(duì)消處理大大抑制了干擾信號(hào)，對(duì)已發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的信雜比有很大改善，同時(shí)提高了遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。

圖7 無(wú)副瓣對(duì)消處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 副瓣對(duì)消處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 總結(jié)

在以廣播電臺(tái)等信號(hào)為照射源的外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)中，分析了該系統(tǒng)中干擾信號(hào)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)性能的影響，在數(shù)字陣列體制下采取空域自適應(yīng)處理的方法來(lái)對(duì)消雜波干擾信號(hào)，重點(diǎn)分析最大信干噪比(MSINR)和最小均方誤差(MMSE)為準(zhǔn)則的空域自適應(yīng)處理。從實(shí)際采集的數(shù)據(jù)處理結(jié)果來(lái)看，這兩種空域自適應(yīng)處理方法對(duì)雜波干擾信號(hào)的抑制比得到明顯提高，目標(biāo)信雜比得到了改善，并在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中取得了很好的效果。

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