基于半主動(dòng)導(dǎo)引頭的通道間對(duì)消算法研究

任澤宇 白 昊 費(fèi) 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

基于半主動(dòng)導(dǎo)引頭的通道間對(duì)消算法研究

任澤宇 白 昊 費(fèi) 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

針對(duì)半主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的工作特點(diǎn)，導(dǎo)引頭接收天線不僅接收到目標(biāo)回波信號(hào)，還會(huì)收到地面雷達(dá)發(fā)射的探測(cè)直達(dá)波。直達(dá)波功率高于回波功率數(shù)個(gè)量級(jí)，導(dǎo)致目標(biāo)回波信號(hào)被淹沒(méi)，造成目標(biāo)檢測(cè)概率降低、測(cè)角誤差增大等不利影響，需對(duì)直達(dá)波進(jìn)行抑制?；诎胫鲃?dòng)導(dǎo)引頭平臺(tái)，本文提出一種有效抑制直達(dá)波的通道間對(duì)消算法，可極大的提高信干噪比，有利于目標(biāo)檢測(cè)及目標(biāo)特征的進(jìn)一步提取。本算法簡(jiǎn)捷有效易于導(dǎo)引頭平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

通道間對(duì)消；直達(dá)波；半主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭

Abstract: Aiming at characteristics of semi-active radar seeker, the receiving antenna of seeker does not only receive echoes from the target, but also receives strong detecting direct wave transmitted by ground radar. Since power of direct wave is higher than echo power by couple of magnitude, this will result in that echoes signal from target is submerged so as to cause disadvantageous effect like reduction of target detection probability, increment of angle measurement error. Therefore, the direct wave is needed to be suppressed. On basis of semi-active seeker platform, an algorithm of cancellation between channels is proposed to suppress direct wave effectively, by which ratio of signal to interference to noise can be increased greatly, and it is benefit to detect target and extract target characteristics further. The algorithm is forthright and effective and easy to implement on seeker platform. It is valuable for application and popularization.

Keywords：cancellation between channels; direct wave; semi-active radar seeker

0 引言

半主動(dòng)導(dǎo)引頭依賴(lài)于地面雷達(dá)，對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、截獲工作，導(dǎo)引頭被動(dòng)接收的信號(hào)包括：地面雷達(dá)發(fā)射的探測(cè)信號(hào)，目標(biāo)的回波信號(hào)。通常將探測(cè)信號(hào)稱(chēng)為直達(dá)波信號(hào)，其相對(duì)于目標(biāo)的回波信號(hào)具有很強(qiáng)的能量，通常高數(shù)十dB以上，導(dǎo)致回波信號(hào)被淹沒(méi)，故直達(dá)波信號(hào)又稱(chēng)載波泄漏，同頻干擾[1]。

由于直達(dá)波信號(hào)能量高于回波信號(hào)數(shù)個(gè)量級(jí)，要在如此強(qiáng)大的直達(dá)波干擾背景下檢測(cè)出目標(biāo)無(wú)疑是極其困難的，會(huì)極大的影響目標(biāo)檢測(cè)和測(cè)角精度，因此必須對(duì)直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行抑制處理[2]。在相控陣?yán)走_(dá)中，可通過(guò)波束形成的方法于干擾方向形成零陷[3]，但由于導(dǎo)引頭通道數(shù)較少，不能完全采用該方法。本文借鑒相控陣?yán)走_(dá)旁瓣對(duì)消原理[3]，提出了一種適用于半主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭平臺(tái)的通道間對(duì)消方法以抑制直達(dá)波信號(hào)。

1 通道間對(duì)消原理

半主動(dòng)導(dǎo)引頭主要用于打擊空中來(lái)襲目標(biāo)，主接收通道安裝在彈體頭部稱(chēng)頭部通道，輔助通道安裝在彈體尾部稱(chēng)尾部通道，則尾部通道接收到的目標(biāo)回波信號(hào)能量較頭部通道弱，半主動(dòng)導(dǎo)引頭工作原理如圖1(a)所示。通道間對(duì)消處理，選擇尾部與頭部通道接收信號(hào)進(jìn)行對(duì)消運(yùn)算，對(duì)消基本原理如圖1(b) 所示。

圖1(a) 半主動(dòng)導(dǎo)引頭工作示意圖

圖1(b) 通道間對(duì)消處理示意圖

圖1(b)是頭部單獨(dú)1路接收通道對(duì)消處理示意圖，如圖1(a)所示項(xiàng)目應(yīng)用中需根據(jù)頭部5路接收通道的回波信號(hào)進(jìn)行干涉測(cè)角，因不同接收通道間回波存在幅相差異，5路頭部通道需單獨(dú)進(jìn)行對(duì)消處理。針對(duì)本文所提出的算法，接下來(lái)分析的主要指標(biāo)有：(1)對(duì)消比分析；(2)測(cè)角精度情況分析。

2 仿真分析

正常工作期間，半主動(dòng)導(dǎo)引頭的信號(hào)處理機(jī)通過(guò)中頻采樣，經(jīng)正交數(shù)字下變頻后于基帶進(jìn)行處理。地面雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)形式為點(diǎn)頻信號(hào)，目標(biāo)回波信號(hào)形式也為點(diǎn)頻信號(hào)，兩者之間存在一定的頻率差。本文直接仿真基帶后的處理流程：基帶采樣率設(shè)計(jì)為2MHz，發(fā)射脈沖重復(fù)周期(PRI)10ms，占空比為10%，取直達(dá)波干擾頻率為1KHz的點(diǎn)頻信號(hào)，取回波信號(hào)頻率為-200KHz～+200Khz以步進(jìn)值0.1KHz變化，噪聲采用高斯白噪聲形式。

對(duì)消比及相關(guān)性分析：

(1)取前300個(gè)回波采樣點(diǎn)用于權(quán)值計(jì)算，尾部通道干噪比為60dB，信噪比0dB；頭部通道干噪比為53.9dB，信噪比40dB；對(duì)消比仿真分析結(jié)果如圖2(a)所示，對(duì)消比計(jì)算方式為對(duì)消后輸出信號(hào)的信干噪比減去頭部通道的輸入信干噪比；

(2)分析不同頻率的回波信號(hào)與1KHz直達(dá)波間的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)定義為，其中var表示方差計(jì)算，cov為互協(xié)方差計(jì)算[4])，相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2(a)對(duì)消比分析處理結(jié)果

圖2(b) 相關(guān)性分析結(jié)果

由圖2(b)可見(jiàn)回波與直達(dá)波頻率偏差越大，則相關(guān)系數(shù)越小，雖然有頻率偏差但仍然是相關(guān)的[4]。而圖2(a)則反映出兩信號(hào)頻率偏差越大，則對(duì)消比越大，呈現(xiàn)出與相關(guān)性成反比關(guān)系，在1KHz頻率處由于回波與直達(dá)波頻率完全相同造成完全相關(guān)，信號(hào)也完全被對(duì)消了，導(dǎo)致對(duì)消比出現(xiàn)極大值即為圖2(a)中曲線在1KHz處出現(xiàn)跳變的原因。實(shí)際應(yīng)用中回波與直達(dá)波之間存在頻率差，不會(huì)出現(xiàn)兩信號(hào)完全相關(guān)的情況。

由圖2(a)可見(jiàn)，對(duì)消比是與直達(dá)波、回波頻率差有關(guān)的。由圖2(b)可見(jiàn)，兩點(diǎn)頻信號(hào)間即使存在頻率差亦存在一定的相關(guān)性，反映在圖2(a)中即為對(duì)消比的限制，由仿真可知利用300個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算權(quán)值對(duì)消比可達(dá)到30dB以上。

半主動(dòng)導(dǎo)引頭實(shí)際工作中，由于目標(biāo)回波、直達(dá)波的多普勒都在變化，權(quán)值需要實(shí)時(shí)更新。對(duì)消后信干噪比提高有利于信號(hào)的檢測(cè)。板級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下的對(duì)消比利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)于第4小節(jié)分析。

測(cè)角精度情況分析：取兩頭部通道回波信號(hào)相位差-30°，仿真分析對(duì)消后測(cè)得的相位差。尾部通道干噪比60dB，信噪比0dB，頭部通道1干噪比53.9dB，信噪比40dB，頭部通道2干噪比49dB，信噪比33.9dB。取直達(dá)波干擾頻率為1KHz的點(diǎn)頻信號(hào)，取回波信號(hào)頻率為從-200KHz～+200KHz以步進(jìn)值0.1KHz變化，噪聲采用高斯白噪聲形式。

圖3(a) 為數(shù)據(jù)直接FFT后，利用尾部通道可知干擾所在多普勒通道，頭部通道檢測(cè)時(shí)舍棄該通道，檢測(cè)目標(biāo)所處多普勒位置兩頭部通道測(cè)角結(jié)果，可見(jiàn)誤差極大。原因分析為直接FFT運(yùn)算時(shí)回波信號(hào)功率小，雖處于旁瓣但幅相受直達(dá)波強(qiáng)干擾的影響仍較大，導(dǎo)致測(cè)角誤差較大，且越靠近干擾頻率則所受影響越大，測(cè)角誤差便也呈增大趨勢(shì)。

圖3(b)為對(duì)消后根據(jù)目標(biāo)所在多普勒通道兩頭部通道測(cè)角結(jié)果，可見(jiàn)只在1KHz處測(cè)角結(jié)果誤差較大，信號(hào)頻率在0.9KHz及1.1KHz處測(cè)角誤差在正常范圍水平。原因分析為回波頻率為1KHz則與直達(dá)波干擾完全相關(guān)，導(dǎo)致回波亦被對(duì)消，使得測(cè)角結(jié)果誤差較大。

圖3(a) 對(duì)消前FFT測(cè)角

圖3(b) 對(duì)消后FFT測(cè)角

由圖3(a)(b)對(duì)比可見(jiàn)本文所提出的對(duì)消算法對(duì)測(cè)角精度的提升有好處，而且優(yōu)勢(shì)明顯。

通過(guò)相關(guān)仿真及分析，通道間對(duì)消算法的應(yīng)用，需要保證干擾信號(hào)能量大于真實(shí)回波信號(hào)能量，否則會(huì)將真實(shí)回波信號(hào)對(duì)消掉，造成信干噪比的損失。此即為該算法的應(yīng)用條件，同時(shí)直達(dá)波干擾與目標(biāo)回波信號(hào)間相關(guān)性越弱則對(duì)消效果越好。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)外置天線輻射信號(hào)，測(cè)試了兩不同頻率點(diǎn)頻信號(hào)分別作為回波和直達(dá)波情況下，信號(hào)處理板在線實(shí)現(xiàn)本算法時(shí)通道間對(duì)消比可達(dá)40dB以上(頻率差>50KHz)，與圖2(a)仿真結(jié)果相一致，通道間測(cè)角誤差在0.3°以下滿(mǎn)足要求。為分析說(shuō)明方便，將基帶數(shù)據(jù)采集后離線進(jìn)行分析，基帶采樣率2MHz，直達(dá)波信號(hào)頻率1KHz，回波信號(hào)頻率-0.1MHz，對(duì)消前頭部、尾部通道基帶波形如圖4所示。

圖4(a) 尾部[輔助]通道對(duì)消前基帶波形部

圖4(b) 頭部[主]通道對(duì)消前基帶波形

圖5為對(duì)消后獲得的信號(hào)的時(shí)域輸出波形，由對(duì)消后時(shí)域波形可見(jiàn)回波信號(hào)已經(jīng)恢復(fù)出來(lái)(因?yàn)樾盘?hào)頻率已發(fā)生變化)。圖6為對(duì)消前后信號(hào)頻譜分析，分別對(duì)圖4、圖5中數(shù)據(jù)進(jìn)行了16384點(diǎn)FFT處理，可進(jìn)一步直觀的分析對(duì)消比及信干噪比改善。

圖5 兩通道對(duì)消后輸出波形

圖6 對(duì)消前后頻譜對(duì)比

圖7為頻譜局部放大圖，圖7所示結(jié)果與實(shí)驗(yàn)條件相一致，即對(duì)消前輸入信干噪比為-20dB，對(duì)消后輸出信干噪比約為37.5dB，對(duì)消比達(dá)到57dB，對(duì)消效果理想。同時(shí)對(duì)消對(duì)回波信號(hào)的絕對(duì)功率無(wú)影響，但極大的抑制了干擾、消除了干擾的影響，信干噪比改善度極高，有利于信號(hào)的后續(xù)檢測(cè)處理。所獲得的對(duì)消比與仿真圖2(a)中頻率-0.1MHz處可獲得50dB以上的對(duì)消比結(jié)論是相一致的，即理論分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

圖7 圖6信號(hào)頻譜局部放大圖

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，回波天線放置于導(dǎo)引頭法線方向，取對(duì)消后兩頭部通道回波檢測(cè)后進(jìn)行測(cè)角，測(cè)角精度偏差在±0.2°以?xún)?nèi)。

該算法還適用于其他的信號(hào)形式，實(shí)驗(yàn)室板級(jí)在線測(cè)試時(shí)：直達(dá)波干擾信號(hào)采用調(diào)幅信號(hào)形式，回波信號(hào)采用調(diào)頻信號(hào)形式，對(duì)消比亦可達(dá)40dB以上。

通過(guò)上述的在線實(shí)現(xiàn)、離線分析，本算法通用性較強(qiáng)，對(duì)消效果理想可有效檢測(cè)并提取目標(biāo)回波，對(duì)于測(cè)角精度的提升有極大的益處。

4 結(jié)論

通過(guò)理論及數(shù)據(jù)分析，我們可得出以下結(jié)論：(1)本算法對(duì)消比取決于：回波與直達(dá)波干擾間相關(guān)性越小，對(duì)消比越大；(2)本算法可有效提升測(cè)角精度；本算法對(duì)回波絕對(duì)功率無(wú)改善，改善的為信干噪比(3)本算法適用條件：直達(dá)波干擾能量大于回波能量。

半主動(dòng)導(dǎo)引頭的工作環(huán)境能夠滿(mǎn)足本算法的適用條件，應(yīng)用通道間對(duì)消算法能有效抑制直達(dá)波干擾，有利于目標(biāo)檢測(cè)及目標(biāo)信息的提取。本算法簡(jiǎn)便、運(yùn)算量小易于導(dǎo)引頭平臺(tái)在線實(shí)現(xiàn)，同時(shí)算法具有一定的擴(kuò)展性，不僅為彈載平臺(tái)提供實(shí)現(xiàn)參考，為地面陣列雷達(dá)抗干擾亦提供思路借鑒。

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StudyonAlgorithmofCancellationbetweenChannelsBasedonSemi-activeRadarSeeker

Ren Zeyu， Bai Hao， Fei Tao

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100)

TN957

A

1008-8652(2017)02-057-05

2017-03-12

任澤宇(1987-)，男，工程師。研究方向?yàn)樾盘?hào)處理器FPGA彩序開(kāi)發(fā)。