一種穩(wěn)健的自適應(yīng)旁瓣相消技術(shù)

官林海

摘要

自適應(yīng)旁瓣相消技術(shù)是一種有效的抗干擾手段，在理想情況下，自適應(yīng)旁瓣相消技術(shù)能有效抑制干擾而保留期望信號(hào)，從而使相消后的信干噪比達(dá)到最大。但是在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)楦蓴_相對(duì)天線位置的抖動(dòng)、接收單元幅相特性差異等必然存在，導(dǎo)致常規(guī)旁瓣相消措施在工程應(yīng)用中效果欠佳，針對(duì)這些不足之處，本文提出了一種穩(wěn)健的干擾抑制技術(shù)，通過零陷展寬，有效增強(qiáng)雷達(dá)的抗干擾性能。并利用該方法對(duì)外場(chǎng)實(shí)錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理仿真，結(jié)果表明該抗干擾策略可以達(dá)到良好的抗干擾效果，與常規(guī)旁瓣相消方法相比，可顯著提高雷達(dá)抑制干擾的性能。

【關(guān)鍵詞】旁瓣相消 抗干擾 零陷展寬 自適應(yīng)

1 引言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子戰(zhàn)將貫穿現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的始終，成為現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭(zhēng)的核心作戰(zhàn)模式。而地面情報(bào)雷達(dá)作為一種提供戰(zhàn)場(chǎng)信息的主要工具，其電子對(duì)抗能力，即在現(xiàn)代復(fù)雜電磁環(huán)境下，對(duì)抗電子干擾，持續(xù)有效獲得空中情報(bào)的能力至關(guān)重要。

為有效對(duì)抗外部干擾，雷達(dá)研究人員己經(jīng)提出了多種抗干擾措施，自適應(yīng)旁瓣相消技術(shù)是其中一種有效的抗干擾手段，它利用一個(gè)或多個(gè)輔助天線與主天線同時(shí)接收干擾信號(hào)，通過對(duì)輔助天線的接收信號(hào)做加權(quán)求和處理，得到與主天線接收到的干擾信號(hào)特性相一致的干擾信號(hào)副本，并將其與主天線接收到的干擾信號(hào)對(duì)消，從而抑制從接收天線旁瓣進(jìn)入雷達(dá)的干擾信號(hào)。

自適應(yīng)旁瓣相消技術(shù)的基本原理，研究已經(jīng)比較成熟。在常規(guī)的干擾樣本選擇方案中，選擇回波信號(hào)遠(yuǎn)區(qū)的一段信號(hào)作為干擾樣本，用來(lái)計(jì)算旁瓣相消的權(quán)值，然后用該權(quán)值完成當(dāng)前脈沖周期內(nèi)的旁瓣相消工作。但在實(shí)際應(yīng)用中，想得到穩(wěn)健的抗干擾性能，還有許多問題需要解決，主要有以下幾個(gè)：

（1）隨著雷達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)，干擾的角度隨著時(shí)間連續(xù)變化，遠(yuǎn)區(qū)樣本點(diǎn)計(jì)算得到的權(quán)值對(duì)于近區(qū)的干擾是失配的。

（2）在常規(guī)的樣本選擇方案中存在著一種假設(shè)，在整個(gè)接收回波中都存在干擾，即在遠(yuǎn)區(qū)選擇的樣本一定為干擾樣本。在實(shí)際情況中，可能存在著遠(yuǎn)區(qū)沒有干擾，或者，選取的樣本點(diǎn)中只含有少量的干擾樣本，其余的樣本為無(wú)意義的通道噪聲樣本。在這種情況下選取的樣本是不能很好地完成對(duì)消的。

（3）常規(guī)的旁瓣相消方案只用來(lái)抑制壓制式噪聲干擾，對(duì)于密集假目標(biāo)干擾沒有很好的抑制效果;而穩(wěn)健的旁瓣相消技術(shù)可以很好地對(duì)密集假目標(biāo)進(jìn)行抑制。

本文提出了一種穩(wěn)健的自適應(yīng)旁瓣相消抗干擾方法，可以通過零陷展寬方法，有效增強(qiáng)抗干擾性能。

2 基于零陷展寬的自適應(yīng)旁瓣相消方法

自適應(yīng)旁瓣相消算法能在很大程度上提高系統(tǒng)的輸出信噪比，然而在一般的窄帶情況下，旁瓣相消算法所形成的干擾零陷非常窄，并且十分陡峭。由于處理速度及實(shí)時(shí)性要求等條件的限制，自適應(yīng)權(quán)值的更新速度可能滯后于干擾相對(duì)于雷達(dá)接收平臺(tái)移動(dòng)的速度，即干擾源位置可能移出天線方向圖的零陷位置，導(dǎo)致雷達(dá)抗干擾性能下降。此時(shí)如果可以適當(dāng)加寬零陷，就可以有效提高雷達(dá)抗干擾性能。

設(shè)陣列接收數(shù)據(jù)向量為：

則自適應(yīng)旁瓣相消器輸出如公式為：

其中自適應(yīng)權(quán)值計(jì)算公式為：

其中，為主天線合成信號(hào)，為輔助天線接收數(shù)據(jù)向量。

現(xiàn)有文獻(xiàn)已經(jīng)指出，零陷的展寬可以通過對(duì)接收數(shù)據(jù)的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)，但這也將導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的大特征值的個(gè)數(shù)增加。因此，為有效抑制干擾，還需要提供足夠的自適應(yīng)自由度。

經(jīng)過理論分析，若要將一個(gè)零陷展寬w寬度，則對(duì)于均勻線陣，其所需要的自適應(yīng)自由度D為：

其中，W是在以角度的sin值為橫坐標(biāo)的天線方向圖中、以零陷位置為中心左右等寬的展寬寬度，N為天線單元數(shù)，d為單元間距，λ為接收信號(hào)波長(zhǎng)?；诹阆菁訉挼淖赃m應(yīng)旁瓣相消技術(shù)處理框圖如圖1所示。

3 基于零陷展寬的自適應(yīng)旁瓣相消方法的工程應(yīng)用

雷達(dá)工程應(yīng)用中，由于天線陣面一直在轉(zhuǎn)動(dòng)，干擾相對(duì)于雷達(dá)接收天線的相對(duì)位置是有所變化的，即每一個(gè)脈沖之間，干擾的位置不同。如果在一個(gè)相參處理間隔里，使用相同的權(quán)值對(duì)消每一個(gè)接收脈沖數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)，則計(jì)算權(quán)值的樣本自身就帶有擾動(dòng)，自適應(yīng)旁瓣相消器方向圖會(huì)自動(dòng)形成寬零陷，無(wú)需人為展寬。此時(shí)只要提供所需的自由度，即可有效提高雷達(dá)的抗干擾性能。實(shí)際工作中，為保證對(duì)消性能，往往預(yù)先估計(jì)出干擾角度，使輔助天線陣形成的輔助波束指向干擾信號(hào)，再與主天線陣指向期望信號(hào)的主波束進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消。

具體步驟如下：

（1）根據(jù)天線轉(zhuǎn)速、相參處理間隔以及預(yù)估干擾角度，計(jì)算出零陷需要展寬的寬度W。

（2）根據(jù)展寬寬度W，計(jì)算雷達(dá)所需自由度

（3）根據(jù)輔助陣單元個(gè)數(shù)M及雷達(dá)所需自由度個(gè)數(shù)D，將輔助陣劃分為若干個(gè)子陣，并各自合成指向干擾方向的子波束。

（4）根據(jù)旁瓣相消公式，利用陣列接收數(shù)據(jù)，計(jì)算自適應(yīng)權(quán)值W_ASLC。

某雷達(dá)接收天線為均勻線陣，共有N=128個(gè)單元。其中，中間L=64個(gè)單元作為主天線陣，兩側(cè)各有M/2=32個(gè)單元，作為輔助天線陣。單元間距為d=λ/2。雷達(dá)轉(zhuǎn)速為v-0.27crad/s。雷達(dá)發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間T=2ms，脈沖重復(fù)周期PRT=20ms，帶寬為B=2MHz，則在基帶以奈奎斯特采樣率采樣，采樣頻率f=B。一個(gè)相參處理間隔包含個(gè)脈沖。用所有脈沖重復(fù)間隔內(nèi)的接收數(shù)據(jù)計(jì)算出的自適應(yīng)權(quán)對(duì)消相參處理間隔內(nèi)所有接收數(shù)據(jù)，則α=1。入射角度θ₁=35°方向有一個(gè)干擾，干噪比JNR=30dB。

計(jì)算可得零陷需要展寬寬度W=0.0601，所需自由度為D=5。輔助陣劃分方案為{16，16，10，11，11}，則仿真得到自適應(yīng)旁瓣相消器的方向圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，在提供所需的自由度條件下，接收數(shù)據(jù)計(jì)算出的權(quán)矢量，本身就可以產(chǎn)生一個(gè)寬零陷，能夠有效抑制干擾，提高雷達(dá)相消性能。

同樣為驗(yàn)證自適應(yīng)自由度計(jì)算公式在當(dāng)前背景下的適用性，分別計(jì)算出自由度為1到64時(shí)，雷達(dá)的輸出信干噪比，并重復(fù)100次取平均值，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，輸出信干噪比隨自由度的增加先增大，后基本不變。根據(jù)自由度公式計(jì)算出的零陷展寬所需要的自由度的最小值，即D=5，接近輸出信干噪比的最大值，可以滿足實(shí)驗(yàn)所需。

進(jìn)一步，畫出不同自由度下的權(quán)矢量方向圖，如圖4所示。

從圖4中可以看出，方向圖展寬零陷的深度隨自適應(yīng)自由度增加而增加，而后基本不變，但自由度過高時(shí)，旁瓣電平有所抬高。

4 旁瓣相消抗干擾試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出的穩(wěn)健旁瓣相消技術(shù)的可行性，我們?cè)谀忱走_(dá)設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于噪聲干擾和密集假目標(biāo)干擾，分別采用常規(guī)旁瓣相消技術(shù)和穩(wěn)健旁瓣相消技術(shù)進(jìn)行干擾抑制，比較兩種方法對(duì)應(yīng)的抑制效果。

試驗(yàn)后對(duì)錄取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行脈壓后處理，得到主通道對(duì)消前，主通道常規(guī)旁瓣相消后以及穩(wěn)健旁瓣相消后的剩余功率對(duì)比結(jié)果如圖5。

從圖5中可見，穩(wěn)健旁瓣相消處理可以改善常規(guī)旁瓣相消的性能，然而，主通道剩余功率對(duì)比圖中沒有涉及分段相關(guān)的方法，這是由于分段的方法需要進(jìn)行歸一化，對(duì)剩余的平均功率有影響，故以平均剩余功率為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則較為不合理，故人為加入模擬目標(biāo)，以輸出信干噪比為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)脈壓后原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且對(duì)主通道對(duì)消前、常規(guī)旁瓣相消技術(shù)以及穩(wěn)健旁瓣相消處理后輸出信干噪比的對(duì)比如圖6.

從圖6中可以看出，圖中相消前部分點(diǎn)輸出信干噪比較大，例如290度方位附近，從剩余功率方向圖中可以看出，這是原方向圖中該點(diǎn)附近接收干擾較小所導(dǎo)致的。從對(duì)比圖6中可以看出：采用穩(wěn)健相消方法可以提高輸出信干噪比約20dB。

5 結(jié)論

通過以上對(duì)常規(guī)旁瓣相消和穩(wěn)健旁瓣相消抗干擾方法的討論可以得出結(jié)論，通過已知的雷達(dá)參數(shù)計(jì)算出雷達(dá)所需自由度，再選擇適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢⒚}沖重復(fù)周期進(jìn)行分段，在各段中分別選擇檢測(cè)到的干擾樣本，形成自適應(yīng)對(duì)消權(quán)值，對(duì)主通道本段進(jìn)行對(duì)消，能夠保證干擾對(duì)消性能更加穩(wěn)定。與常規(guī)旁瓣相消方法相比，該抗干擾方法可以有效提高雷達(dá)抑制干擾的性能。

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