基于自適應(yīng)DPCA的機(jī)載雷達(dá)雜波和干擾抑制的研究

王　斌，張　昀，黃樂天，劉　禹

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

基于自適應(yīng)DPCA的機(jī)載雷達(dá)雜波和干擾抑制的研究

王斌，張昀，黃樂天，劉禹

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

摘要：分析了機(jī)載雷達(dá)相位中心偏置天線(DPCA)和自適應(yīng)相位中心偏置天線(ADPCA)處理算法，對(duì)機(jī)載雷達(dá)DPCA的雜波和干擾抑制等進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明，通過DPCA可以將淹沒在強(qiáng)雜波背景中-47 dB信噪比的目標(biāo)提高到6.3 dB；但當(dāng)存在干擾或者機(jī)載雷達(dá)不滿足DPCA的理想條件時(shí)，信噪比惡化非常嚴(yán)重；當(dāng)干擾有效輻射功率(ERP)增大到1 W時(shí)，信噪比變?yōu)?15 dB；當(dāng)采用ADPCA處理后，即使在干擾ERP為400 W時(shí)，處理后的信噪比仍超過6 dB。

關(guān)鍵詞：相位中心偏置天線；自適應(yīng)相位中心偏置天線；機(jī)載雷達(dá)雜波；干擾抑制

0引言

制空權(quán)的掌握是戰(zhàn)爭(zhēng)制勝的關(guān)鍵，而機(jī)載雷達(dá)在制空權(quán)的爭(zhēng)奪中扮演著重要的角色。機(jī)載雷達(dá)具有突破地基雷達(dá)視距限制的優(yōu)勢(shì)，因而備受世界各國(guó)的關(guān)注。不過，它也存在一些需要攻克的難題。對(duì)于機(jī)載雷達(dá)來說，其雜波分布廣泛，強(qiáng)度大，并且由于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致雜波譜展寬,使得慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)常常被淹沒在強(qiáng)雜波中，這給機(jī)載雷達(dá)的檢測(cè)帶來巨大困難。

此外，戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境中往往充斥著各種形式的干擾，這也給機(jī)載雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)帶來了巨大挑戰(zhàn)。只有有效地抑制雜波和干擾，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)淹沒在雜波和干擾背景下目標(biāo)的檢測(cè)。

最初人們采用相位中心偏置天線(DPCA)技術(shù)來抑制雷達(dá)雜波，該方法非常簡(jiǎn)單，并已被部分現(xiàn)役雷達(dá)所采用。但是它要求相位中心間距、脈沖重復(fù)頻率和載機(jī)速度必須滿足嚴(yán)格的限制條件，并且無法抑制干擾，因而很大程度上限制了它的使用。采用空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)[1-2]盡管可以非常好地濾除干擾和雜波，但STAP數(shù)據(jù)處理量非常大，超出了目前的硬件水平。

本文結(jié)合這2種處理手段的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)自適應(yīng)DPCA的雜波和干擾抑制進(jìn)行了研究，分析了自適應(yīng)DPCA的雜波和干擾抑制性能。

1自適應(yīng)DPCA技術(shù)

假設(shè)雷達(dá)平臺(tái)沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)，以Y軸為零方位角，方位角為φ，俯仰角為θ，平臺(tái)速度為V，雜波單元距雷達(dá)天線斜距為R，如圖1所示。

圖1　機(jī)載雷達(dá)與雜波的幾何示意圖

假設(shè)來自不同雜波散射體的回波互相獨(dú)立，對(duì)于一個(gè)N元的均勻線陣(ULA)，在一個(gè)相干處理時(shí)間間隔(CPI)內(nèi)，對(duì)于給定的距離單元做M次快拍,獲得采樣輸出為x，x=[x(0),x(1),…,x(M-1)]′，其中第i個(gè)單元為：

x(i)=a(θ)ejωi+ec(i)+ej(i)+en(i)

(1)

假設(shè)雜波、干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣分別為：Qc、Qj和Qn，且互不相關(guān)，則總的協(xié)方差矩陣為：

(2)

對(duì)于最優(yōu)濾波器，其最優(yōu)波束形成的輸出為：

(3)

式中：γ為任意系數(shù)。

對(duì)于DPCA，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，其權(quán)矢量可以寫為：

(4)

式中：s1=[0,1,…,1]′;s2=[1,1,…,0]′。

DPCA技術(shù)的使用有很多限制條件，因此其工程化相當(dāng)困難，為了達(dá)到對(duì)消雜波和干擾的目的，可以將DPCA和自適應(yīng)濾波結(jié)合起來，按照一定的準(zhǔn)則，可以自適應(yīng)地校正這些變化帶來的相位差。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，對(duì)于自適應(yīng)DPCA，權(quán)矢量可以寫為：

(5)

式中：R為通過對(duì)ec(i)+ej(i)+en(i)的估計(jì)得出的協(xié)方差矩陣。

因而，自適應(yīng)DPCA不但能抑制雜波還能很好地抑制干擾。

2DPCA對(duì)雜波和干擾的抑制性研究

圖2　DPCA處理前后的接收信號(hào)

圖2為DPCA處理前后接收到的信號(hào)，由圖可以看出，在10km的距離存在很強(qiáng)的回波，這是由于高度雜波帶來的影響，而位于100km處的目標(biāo)完全被雜波掩蓋，此時(shí)的信噪比為-47dB，而采用DPCA處理后，雜波得到了很好的抑制，100km處的目標(biāo)得到凸顯，此時(shí)信噪比為6.3，信噪比改善了53dB。由此可見，DPCA具有非常強(qiáng)的抑制地雜波的能力。圖3(a)為干擾有效輻射功率(ERP)為1W情況下，DPCA處理后的結(jié)果。由圖可以看出，目標(biāo)被淹沒在強(qiáng)噪聲干擾之下，根本無法辨認(rèn)目標(biāo)所在的位置。圖3(b)為干擾ERP從0增大到120W時(shí)目標(biāo)信噪比的變化曲線。由該曲線可以看出當(dāng)注入干擾時(shí)，目標(biāo)信號(hào)的信噪比迅速下降，惡化得非常嚴(yán)重；當(dāng)干擾ERP增大到10W時(shí)，目標(biāo)信號(hào)的信噪比下降超過20dB；當(dāng)干擾ERP達(dá)到120W時(shí)，目標(biāo)信號(hào)的信噪比已經(jīng)下降至-24.5dB。

圖3　存在干擾時(shí)，DPCA處理后的結(jié)果

在進(jìn)行DPCA處理時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，其必須滿足：

d=2vT

(6)

對(duì)上變形，令：

(7)

理想情況下，β=1。然而在實(shí)際情況下，由于天線單元間的幅相不一致、載機(jī)機(jī)身抖動(dòng)、載機(jī)偏航、載機(jī)重頻、載頻變化等導(dǎo)致β≠1。圖4為β的變化對(duì)DPCA處理結(jié)果的影響。

圖4　β的變化對(duì)DPCA性能的影響曲線

由圖4可以看出，β的微小變化都會(huì)帶來信噪比的嚴(yán)重惡化，當(dāng)β僅發(fā)生1%的變化時(shí)，信噪比的惡化已經(jīng)超過30dB。

由此可見，DPCA的使用非常受限，其對(duì)平臺(tái)以及載機(jī)重頻、載頻等的穩(wěn)定性要求非常高，并且對(duì)于存在干擾的電磁環(huán)境，DPCA也無能為力。這也可以通過對(duì)式(1)和式(6)的分析得出，當(dāng)采用DPCA進(jìn)行處理時(shí)，對(duì)于所有的方位角φ，俯仰角θ，只有雜波帶來的影響ec(i)得到了對(duì)消，而ej(i)和en(i)不滿足對(duì)消的條件，因而適應(yīng)存在干擾的電磁環(huán)境。而且當(dāng)β≠1時(shí)，也即載機(jī)速度、雷達(dá)載頻、重頻發(fā)生變化時(shí)，都不滿足DPCA條件。因此，將自適應(yīng)處理與DPCA相結(jié)合是一件非常有意義的事情。

3自適應(yīng)DPCA雜波和干擾抑制性能研究

圖5　存在干擾時(shí)，ADPCA處理后的結(jié)果

在ADPCA的仿真中，選用的訓(xùn)練樣本單元為180個(gè)，保護(hù)單元個(gè)數(shù)為10個(gè)，其它仿真參數(shù)不變。圖5為存在干擾時(shí)，ADPCA處理前后的結(jié)果。在不存在干擾時(shí)，ADPCA的處理結(jié)果與DPCA差不多，處理后的信噪比變?yōu)?.88；而當(dāng)存在干擾時(shí)，干擾對(duì)ADPCA的影響非常小，即使干擾的ERP達(dá)到400W時(shí)，ADPCA處理后的信噪比仍超過6dB。圖6為β的變化對(duì)ADPCA處理結(jié)果的影響。由圖6可以看出，ADPCA處理的結(jié)果受β變化的影響也非常小。在β變化25%時(shí)，ADPCA處理后的信噪比也是仍超過6dB。

圖6　β的變化對(duì)ADPCA處理的影響

因此，得益于自適應(yīng)處理技術(shù)，使得ADPCA對(duì)平臺(tái)以及載機(jī)重頻、載頻等的穩(wěn)定性要求放寬，并且ADPCA還具有很好的抗干擾能力。這也可以通過對(duì)式(1)和式(5)的分析得出，當(dāng)采用ADPCA進(jìn)行處理時(shí)，對(duì)于所有的方位角φ、俯仰角θ，不僅雜波帶來的影響ec(i)得到了對(duì)消，而且ej(i)和en(i)也滿足對(duì)消的條件，因而能夠適應(yīng)存在干擾的電磁環(huán)境。而且當(dāng)β≠1時(shí)，也即載機(jī)速度、雷達(dá)載頻、重頻發(fā)生變化時(shí)，都不影響ADPCA的處理。

4結(jié)束語

本文通過仿真研究了機(jī)載雷達(dá)DPCA的雜波抑制效果，并對(duì)干擾和非理想情況下的DPCA處理結(jié)果進(jìn)行了研究，分析了其局限性的原因。然后對(duì)ADPCA進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明，即使存在干擾或外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，ADPCA處理后的目標(biāo)仍能獲得非常理想的信噪比。

參考文獻(xiàn)

[1]KlemmRK.PrinciplesofSpace-timeAdaptiveProcessing[M].London:TheInstitutionofElectricalEngineers,2002．

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

[3]GuerciJR.Space-TimeAdaptiveProcessingforRadar[M].Norwood,MA:ArtechHoude,2003.

[4]薛冰心,張友益.基于頻移假目標(biāo)對(duì)機(jī)載雷達(dá)SATP技術(shù)干擾效果的研究[J].艦船電子對(duì)抗，2012,35(1):11- 59.

Research into Airborne Radar Clutter and Interference Suppression

Based on Adaptive DPCA

WANG Bin,ZHANG Yun,HUANG Le-tian,LIU Yu

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

Abstract:This paper analyzes the processing algorithms of airborne radar displaced phase centre antenna (DPCA) and adaptive displaced phase centre antenna (ADPCA),simulates the airborne radar DPCA clutter and interference suppression based on numerical value.The simulation results indicate:the signal noise ratio (SNR) of the target submerged in the background of strong clutter is increased from -47 dB to 6.3 dB by means of DPCA,but when the interference exists or the airborne radar can't satisfy the ideal conditions of DPCA,the SNR deteriorates very seriously;when the interference effective radiated power (ERP) reaches to 1 W,the SNR becomes -15 dB;when ADPCA processing is performed,even if the interference ERP is 400 W,the processed SNR still exceeds 6 dB.

Key words:displaced phase centre antenna;adaptive displaced phase centre antenna;airborne radar clutter;interference suppression

收稿日期:2014-11-21

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.006

中圖分類號(hào)：TN957.54

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)03-0019-04