基于系統(tǒng)辨識(shí)的干擾對(duì)消技術(shù)研究

王 強(qiáng)，郭 波

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210013)

基于系統(tǒng)辨識(shí)的干擾對(duì)消技術(shù)研究

王 強(qiáng)，郭 波

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210013)

收發(fā)隔離度一直是電子戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，若隔離度不夠，發(fā)射的干擾信號(hào)會(huì)耦合到偵察接收機(jī)，使接收機(jī)不能正常工作甚至產(chǎn)生自激。分析了傳統(tǒng)收發(fā)隔離改善技術(shù)和自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于系統(tǒng)辨識(shí)的干擾對(duì)消方法，利用耦合通路的線性非時(shí)變性，擬合出干擾耦合通路的傳遞函數(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效對(duì)消各種干擾信號(hào)，同時(shí)不會(huì)影響接收的雷達(dá)信號(hào)，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)隔離度的要求。

收發(fā)隔離；系統(tǒng)辨識(shí)；干擾對(duì)消

0 引 言

在電子戰(zhàn)領(lǐng)域，使用有源干擾機(jī)對(duì)敵雷達(dá)實(shí)施電子壓制是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的必要手段。電子戰(zhàn)設(shè)備的工作流程包括:電子偵察設(shè)備對(duì)雷達(dá)信號(hào)的截獲、信號(hào)分析和輻射源跟蹤；決策系統(tǒng)對(duì)輻射源威脅等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，推薦合適的干擾樣式；干擾設(shè)備產(chǎn)生指定的干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)高功率放大后對(duì)敵雷達(dá)實(shí)施干擾[1]。為了保證干擾效果，發(fā)射的干擾信號(hào)通常與接收的雷達(dá)信號(hào)相參，即干擾信號(hào)和接收信號(hào)往往處于同一頻帶。由于大功率干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)多種途徑耦合到偵察接收機(jī)中，致使偵察設(shè)備靈敏度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至使偵察接收機(jī)自激。為了使干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號(hào)不影響自身偵察接收機(jī)正常工作，電子戰(zhàn)設(shè)備的接收和發(fā)射必須保持一定的隔離度，稱(chēng)為電子戰(zhàn)設(shè)備的收發(fā)隔離。常用的提高收發(fā)隔離度的方法有增加收發(fā)天線空間距離、采用收發(fā)分時(shí)工作方式等，但是上述方法都存在缺陷。平臺(tái)的限制使得空間隔離度不可能太高，收發(fā)分時(shí)工作必然降低信號(hào)的截獲概率和干擾效果。文獻(xiàn)[2]～[6]分別提出了一種自適應(yīng)濾波器的方法解決壓制干擾的隔離問(wèn)題，然而對(duì)于欺騙性干擾，由于它與雷達(dá)信號(hào)具有強(qiáng)相關(guān)性，使得雷達(dá)信號(hào)也會(huì)被對(duì)消掉，從而使這種方法的應(yīng)用受到一定的限制。文獻(xiàn)[7]、[8]采用建立收發(fā)動(dòng)態(tài)隔離表，根據(jù)被干擾對(duì)象的不同選擇降低接收靈敏度或減少發(fā)射功率來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離，這種方法對(duì)于自衛(wèi)式干擾有一定的效果，但對(duì)于遠(yuǎn)距離支援干擾，干擾效果受到了很大的限制。本文從分析串?dāng)_路徑出發(fā)，研究基于系統(tǒng)辨識(shí)的干擾對(duì)消技術(shù)，并借助硬件平臺(tái)對(duì)數(shù)字對(duì)消算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工作原理

雷達(dá)干擾系統(tǒng)在對(duì)威脅雷達(dá)實(shí)施干擾的過(guò)程中，偵察接收機(jī)一方面需要連續(xù)監(jiān)視輻射源的工作波形變化，便于更新干擾樣本，確保干擾效果；另一方面，需要定期對(duì)輻射源的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，評(píng)估現(xiàn)在使用的干擾手段的效果。為了達(dá)到上述目的，干擾源在發(fā)射干擾信號(hào)時(shí)，不能影響自身偵察接收機(jī)的正常工作，也就是電子戰(zhàn)系統(tǒng)的收發(fā)隔離度必須達(dá)到一定的要求。顯然，足夠的收發(fā)隔離度是保證電子戰(zhàn)系統(tǒng)效能發(fā)揮的前提和保證。

通過(guò)分析電子戰(zhàn)設(shè)備干擾信號(hào)的串?dāng)_路徑和耦合機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理的理論，本文提出了基于系統(tǒng)辨識(shí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)對(duì)消。如果能夠找到一個(gè)等價(jià)的系統(tǒng)模型來(lái)擬合耦合通路，使得在輸入為發(fā)射的干擾信號(hào)時(shí)，輸出為通過(guò)耦合通路耦合到自身偵察接收端口的干擾信號(hào)，然后在偵察接收機(jī)前端減去這個(gè)干擾信號(hào)，同時(shí)保證不影響接收機(jī)對(duì)外部雷達(dá)信號(hào)的正常接收和處理，這樣就實(shí)現(xiàn)了干擾信號(hào)的消除。基于系統(tǒng)辨識(shí)提高干擾機(jī)隔離度的電路原理框圖如圖1所示。

電子戰(zhàn)設(shè)備工作時(shí)，接收通道的輸入信號(hào)d(n)不僅包含雷達(dá)信號(hào)s(n)，還包含通過(guò)空間或通道耦合過(guò)來(lái)的自身發(fā)射的干擾信號(hào)x0(n)，如果x0(n)的強(qiáng)度超過(guò)接收機(jī)的靈敏度，將會(huì)影響設(shè)備的正常工作。為了減小干擾信號(hào)的幅度，在系統(tǒng)中增加了一個(gè)參考通道，通過(guò)定向耦合器接收系統(tǒng)發(fā)射的干擾信號(hào)x(n)。由于傳輸路徑不同，參考通道接收的干擾信號(hào)x(n)與空間耦合的干擾信號(hào)x0(n)是不相同的，但它們均來(lái)自同一干擾源，二者是相關(guān)的。將參考通道接收的干擾信號(hào)x(n)輸入特定的濾波器，如果采用某一最佳準(zhǔn)則對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么輸出信號(hào)y(n)將非常近似空間耦合的干擾信號(hào)x0(n)。經(jīng)過(guò)求和器將2個(gè)通道的信號(hào)相減，就可以將接收通道中的干擾信號(hào)x0(n)對(duì)消掉。

實(shí)踐表明，在相對(duì)穩(wěn)定的干擾環(huán)境中，耦合信號(hào)x0(n)與參考信號(hào)x(n)之間的關(guān)系在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的變化，并且這種關(guān)系不隨干擾信號(hào)樣式的不同而變化。

2 系統(tǒng)辨識(shí)模型

干擾對(duì)消技術(shù)的核心問(wèn)題就是系統(tǒng)辨識(shí)，需要找到一個(gè)擬合干擾耦合通路的模型，使該模型的輸出最佳逼近偵察接收機(jī)收到的自身干擾信號(hào)，從而最大程度地消除干擾發(fā)射對(duì)接收的影響。

通過(guò)物理分析，X0=x0(n)近似于X=x(n)通過(guò)線性系統(tǒng)的輸出，設(shè)傳遞函數(shù)為Θ=θ(n)，那么x0(n)=θ(n)?x(n)，基于此，如果已知x0(n)與x(n)，則可求出θ(n)。在有噪聲W的情況下，寫(xiě)成矩陣形式如下：

(1)

這里假設(shè)噪聲是高斯白噪聲(WGN)，那么根據(jù)統(tǒng)計(jì)信號(hào)知識(shí)可知，若：

(2)

(3)

(4)

比較式(2)與式(4)，得：

(5)

(6)

(7)

推得：

(8)

當(dāng)且僅當(dāng)ξ1=cξ2時(shí)，即Dei=ci(DT)-1ei時(shí)等號(hào)成立，達(dá)到最小方差，其中c是常數(shù)。等效地，使方差最小的條件是:

DTDei=ciei，i=1,2,…,p

(9)

即:

(10)

矩陣形式為:

(11)

3 辨識(shí)模型的修正

此時(shí)問(wèn)題的焦點(diǎn)將是V的求逆計(jì)算。由于w(n)與x(n)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相等，而寬帶線性調(diào)頻信號(hào)x(n)長(zhǎng)度一般為幾十k至上百k，以100k記，那么V將是一個(gè)100k×100k的巨大方陣，元素?cái)?shù)量達(dá)到10G。一般情況下，求解一個(gè)n×n的矩陣的逆，計(jì)算量為Ο(n3)，即求V-1的計(jì)算量為Ο(1015)。

4 仿真分析

假設(shè)干擾機(jī)工作在P波段，發(fā)射的干擾信號(hào)直接耦合到接收機(jī)前端，此時(shí)的傳遞函數(shù)近似為線性。50～450 MHz的寬帶干擾信號(hào)由D/A產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)線饋，輸入到A/D單元，150 MHz的點(diǎn)頻輻射源信號(hào)由信號(hào)源產(chǎn)生，估計(jì)系統(tǒng)函數(shù)后，輸入濾波器系數(shù)，進(jìn)行對(duì)消，效果如圖2所示。圖2(a)為A/D前端采集到的信號(hào)時(shí)域波形，為S、X0與噪聲的疊加；圖2(b)為其頻譜；圖2(c)為運(yùn)用本文算法對(duì)消后的時(shí)域波形，只剩下S與噪聲W；圖2(d)為相應(yīng)的頻譜。從對(duì)消結(jié)果看，基本上可以將寬帶信號(hào)完全消除，而接收到的點(diǎn)頻信號(hào)未受影響。而且可以看出，雖然D/A及A/D對(duì)各個(gè)頻點(diǎn)的幅度響應(yīng)不一致，但這不會(huì)影響對(duì)消效果。

5 射頻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示，干擾信號(hào)經(jīng)P波段天線發(fā)射，在開(kāi)放空間傳輸后經(jīng)過(guò)接收通道處理，送數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)模塊采樣和存儲(chǔ)。由于天線、模擬濾波器和放大器的加入，整個(gè)系統(tǒng)的非線性特性非常強(qiáng)，使得系統(tǒng)函數(shù)的能量并非十分聚集，擴(kuò)展至很遠(yuǎn)。

在射頻實(shí)驗(yàn)中，估計(jì)的系統(tǒng)函數(shù)如圖4所示。

從圖中可以看出，系統(tǒng)函數(shù)遠(yuǎn)端的系數(shù)較大，由于硬件資源有限，取其中能量最大的160點(diǎn)區(qū)間，作為濾波器的系數(shù)。

干擾機(jī)自身產(chǎn)生260～270MHz的寬帶信號(hào)，接收240MHz點(diǎn)頻信號(hào)，其中圖5為對(duì)消前后頻譜，圖6為前后疊加對(duì)比。

可以看出，此硬件驗(yàn)證系統(tǒng)可以將干擾機(jī)自身產(chǎn)生的信號(hào)抑制25～30dB，外界接收到的信號(hào)基本無(wú)變化。

在另一種條件下，干擾機(jī)接收到信號(hào)源輸入的240MHz點(diǎn)頻信號(hào)，干擾機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，疊加雙邊帶400kHz的頻偏，然后發(fā)射。其中圖7為對(duì)消前后頻譜，圖8為對(duì)消前后頻譜的局部放大。

可以看出，接收到的240MHz點(diǎn)頻信號(hào)基本未受影響，而產(chǎn)生的400kHz頻偏的干擾信號(hào)可以抑制掉32dB。

6 結(jié)束語(yǔ)

天線收發(fā)隔離度是制約電子戰(zhàn)設(shè)備干擾效能發(fā)揮的重要因素之一。本文在分析耦合信號(hào)特征的基礎(chǔ)上，提出了一種基于系統(tǒng)辨識(shí)的干擾信號(hào)對(duì)消方法，通過(guò)仿真分析和實(shí)物試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)辨識(shí)方法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)對(duì)消的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電子戰(zhàn)設(shè)備所處環(huán)境發(fā)生變化，耦合通路的傳遞函數(shù)特性也會(huì)發(fā)生緩慢變化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要產(chǎn)生寬帶掃頻信號(hào)，周期性地對(duì)耦合通路進(jìn)行修正，使系統(tǒng)辨識(shí)的傳遞函數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)，從而在大功率發(fā)射的情況下，也能夠保證偵察接收機(jī)的靈敏度，進(jìn)而保證了電子戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

[1] 趙國(guó)慶.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1999.

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[3] 馮存前,張永順.提高收發(fā)隔離度的自適應(yīng)對(duì)消技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2004,26(2)：61-63.

[4] 曾茂生.提高電子戰(zhàn)系統(tǒng)收發(fā)隔離方法的研究[J].艦船電子對(duì)抗,2008,32(1)：54-55,76.

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[7] 劉連柱,金吉學(xué).系統(tǒng)收發(fā)隔離解決方法探討[J].電子對(duì)抗,2006,108(3)：43-45.

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Research into Jamming Cancellation Technique Based on System Identification

WANG Qiang，GUO Bo

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210013,China)

Transmitter-receiver isolation is forever a key technique of electronic warfare (EW) system.The jamming signals radiated by the transmitter are probably coupled into the reconnaissance receiver without enough isolation,which makes the receiver operate abnormally even generate self-excited phenomenon.This paper analyzes the advantages and disadvantage of conventional techniques of transmitter-receiver isolation improvement and adaptive jamming canceling,presents a novel jamming canceling method based on system identification,utilizes the linear time invariance of jamming coupling channel to fit the transmission function of jamming coupling channel.The simulation and experiment results indicate that the proposed method can cancel various jamming signals,at the same time preserve the received radar signals,and can satisfy the isolation requirements of EW system.

isolation between receiver and transmitter；system identification；jamming cancellation

2016-07-04

TN973.3

A

CN32-1413(2017)01-0008-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.002