大基線組網(wǎng)雷達點源干擾信號自適應對消方法研究

繆穎杰 劉飛峰,2 田 倫 劉泉華,2

(1. 北京理工大學信息與電子學院雷達技術(shù)研究所,北京 100081;2. 衛(wèi)星導航電子信息技術(shù)教育部重點實驗室(北京理工大學),北京 100081)

1 引言

現(xiàn)代電子對抗技術(shù)的發(fā)展嚴重壓縮了傳統(tǒng)單基地雷達的生存空間。組網(wǎng)雷達是一種能夠有效應對各種復雜環(huán)境的雷達體制。相比于單基地雷達,組網(wǎng)雷達不僅擁有更強的生存能力,同時借助多節(jié)點觀測充分利用了目標的空間頻率等分集特性,進而實現(xiàn)系統(tǒng)探測性能的提升。電子干擾是復雜電磁環(huán)境的重要組成部分,組網(wǎng)雷達能夠有效應對欺騙干擾[1,8],而對于壓制式干擾,尤其當干擾源和目標位于同一波瓣時,使用傳統(tǒng)單節(jié)點處理方法的組網(wǎng)雷達會同時抑制干擾信號和目標回波,無法實現(xiàn)有效探測[9]。

本文針對工作在單點輻射源環(huán)境中的大基線組網(wǎng)雷達,設(shè)計了一種相參、非相參處理相結(jié)合的自適應對消方法。并通過信號級仿真,初步驗證了算法對單點輻射源的抑制效果。

2 單點輻射源環(huán)境下的組網(wǎng)雷達信號模型

假設(shè)雷達網(wǎng)由M個雷達節(jié)點組成,其中包含1個收發(fā)節(jié)點以及M-1個接收節(jié)點(不失一般性,取節(jié)點1為發(fā)射節(jié)點),各個節(jié)點位于Rk,k=1,...,M。觀測場景中存在一由N個點散射體組成復雜目標，其位置分別為Xn,n=1,...,N。假設(shè)雷達網(wǎng)采用同步掃描方式,則各節(jié)點處單個點散射體回波形如下式:

(1)

(2)

圖1 典型單點輻射源環(huán)境示意圖Fig.1 Typical single point radiation source environment

假設(shè)發(fā)射信號的帶寬不足以分辨各個點散射體,且各散射點的RCS質(zhì)心位于坐標X0,上式可近似為:

(3)

其中

(4)

類似的,各節(jié)點接收到的干擾信號有如下形式:

(5)

上式中J為干擾源位置坐標,可得到各節(jié)點接收信號:

+

(6)

式中wgnk(t)為節(jié)點k內(nèi)的高斯白接收機噪聲。

當組成目標的散射體的個數(shù)N足夠大,且各散射體具有相近的散射特性時(即目標的起伏特性符合Swerling-I模型),可以證明σk服從0均值的循環(huán)對稱的復高斯分布[2],即

σk～CN(0,σ)

(7)

其中為σ為目標RCS均值。

圖2 干擾前后脈壓信號對比Fig.2 Comparison of pulse-compressed signals with or without interference

上圖為干擾源開機前后脈壓接收信號對比,可以看出由于INR遠遠高于SNR(超過30 dB),干擾信號完全壓制目標回波。

3 大基線組網(wǎng)雷達自適應處理算法

當干擾源位于天線旁瓣區(qū)域時,傳統(tǒng)自適應波束形成算法能夠?qū)ζ溥M行有效的抑制,極大地提高輸出信號的信干噪比。但當干擾源進入天線的主瓣區(qū)域時,傳統(tǒng)的自適應波束形成算法會導致旁瓣抬高、波束畸變以及波峰偏移問題[3,5- 6,10]。在干擾源和目標位于各個節(jié)點相同波瓣,且隨目標移動的情況下,組網(wǎng)雷達各節(jié)點均無法獨立完成自適應對消。

針對這種情況,本文提出一種先進行雙節(jié)點對消然后融合不同對消輸出的自適應處理算法,處理流程圖如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)自適應波束形成抗主瓣干擾效果示意圖Fig.3 The output of traditional adaptive beamforming against main lobe interference

圖4 算法處理流程
Fig.4 The flowchart of the algorithm

3.1 包絡對齊

為了實現(xiàn)雙節(jié)點自適應對消,首先需要對接收信號的包絡進行對齊。通過對接收信號進行上采樣及互相關(guān)處理可對干擾源和各接收節(jié)點之間的傳播延時之差進行估計,進而通過線性相位矯正實現(xiàn)接收信號中干擾分量的包絡對齊。

以節(jié)點1的回波作為參考，對齊后信號有如下表達式:

Δτk(X0))exp( -j2πfc[τk(X0)])+

(8)

當J與X0之間距離較小時，Δτk(X0)之間的差異可以忽略，上式可近似為：

(9)

該近似成立需要滿足|Δτk(X0)|≤1/5B。

當J與X0之間距離較小時，Δτk(X0)之間的差異可以忽略，上式可近似為：

(10)

該近似成立需要滿足|Δτk(X0)|≤1/5B。

圖5為基線長度200 km的5節(jié)點均勻直線型雷達網(wǎng)絡(雷達節(jié)點坐標(-100,-300) km、(-50,-300) km、(0,-300) km、(50,-300) km、(100,-300) km)觀測不同位置目標時的對齊差異可忽略區(qū)域，圖中白點為目標位置，當干擾源位于對應的菱形區(qū)域時，目標包絡的對齊誤差可以忽略。

圖5 包絡對齊差異可忽略區(qū)域Fig.5 Area with negligible alignment error in target’s envelop

本文假設(shè)干擾位于該包絡對齊可忽略區(qū)域內(nèi)。否則，由于目標包絡沒有對齊，后續(xù)處理中會出現(xiàn)目標包絡的分裂甚至產(chǎn)生虛假目標。

3.2 雙節(jié)點自適應對消

式(10)與傳統(tǒng)陣列雷達信號模型類似,依據(jù)LCMV準則可以得到使用全部節(jié)點進行自適應對消的最優(yōu)波束形成系數(shù),即:

(11)

其中R為理想?yún)f(xié)方差矩陣,在實際信號處理中需要替換為采樣協(xié)方差矩陣,對應的波束形成系數(shù)為[4,7,9]:

(12)

處理后的信號為:

(13)

對于單個陣列雷達,σk的幅相變化可以忽略。但在大基線組網(wǎng)雷達系統(tǒng)中,σk的相位和幅度均非常數(shù),直接累加會導致嚴重的能量損失。

為了盡可能避免這種損失,本文將參與對消的節(jié)點數(shù)目減少,僅在雙節(jié)點內(nèi)進行自適應對消。由式(13)可以得到各個雙節(jié)點對消的輸出信號,其表達式為:

(14)

式(14)中的σkl=σk+σl,可以視作該節(jié)點對組成的組網(wǎng)雷達觀測到的目標散射系數(shù),由式(7)以及σk、σl之間的獨立性可知:

σkl～CN(0,2σ)

(15)

值得注意的是,式(14)中的σkl和wgn′(t)僅在沒有公共節(jié)點的雙節(jié)點組合之間保持獨立。

3.3 數(shù)據(jù)篩選融合

數(shù)據(jù)融合是組網(wǎng)雷達實現(xiàn)性能提升的關(guān)鍵步驟,本文通過能量累積實現(xiàn)雙節(jié)點對消輸出的數(shù)據(jù)融合。

為了保證數(shù)據(jù)融合的效果,將輸出信號中的噪聲功率統(tǒng)一,將自適應波束形成因子修正為:

(16)

由于包絡對齊存在誤差,輸出信號中存在對消殘余,這會嚴重影響融合后的信號質(zhì)量。為解決該問題,本文借助無回波快拍對輸出信號的INR進行評估,僅允許INR較小的雙節(jié)點對消輸出參與融合。

4 算法仿真及結(jié)果分析

取M=5個雷達節(jié)點組成總基線長度為200 km的均勻直線型雷達網(wǎng)絡。場景中心位于距離雷達基線300 km處,其中目標(包含N=6個各向同性點散射體)位于中央節(jié)點正前方,干擾源和目標之間存在200 m 的方位向偏移，由圖5可知，該干擾源位于對齊差異可忽略區(qū)域。

各雷達節(jié)點的參數(shù)以及目標點散射體的參數(shù)如表 1、表 2所示。

表1 雷達參數(shù)

表2 點散射體參數(shù)

4.1 包絡對齊仿真結(jié)果

圖6為對齊效果的示意圖,從圖中可以看出包絡對齊的效果非常明顯。由于各節(jié)點接收回波的INR達到了43 dB,借助上采樣以及各節(jié)點接收信號之間的互相關(guān)處理可以得到很高精度的相對傳播延時估計。

圖6 包絡對齊示意圖Fig.6 Time delay alignment

4.2 雙節(jié)點自適應對消仿真結(jié)果

圖7為雙節(jié)點自適應對消效果示意圖,圖中藍線表示常規(guī)波束形成的輸出信號,紅線表示自適應波束形成的輸出信號,可以看出對消的效果非常明顯,但是也存在部分雙節(jié)對的對消殘余較大(節(jié)點對(1,4)、(1,5)以及(2,5)),其整體平均功率明顯高于其余雙節(jié)點組合。

圖7 雙節(jié)點自適應對消效果示意圖Fig.7 The output of dual-node cancellation

從圖7中同樣可以發(fā)現(xiàn)不同雙節(jié)點對消輸出的目標回波能量有非常明顯的差異。除去式(14)中σkl之間的幅度差異,式(16)中歸一化后的自適應波束形成系數(shù)導致的目標能量損失也是不可忽略的因素。

4.3 篩選融合仿真結(jié)果

圖8為篩選前后數(shù)據(jù)融合效果的對比圖,可以發(fā)現(xiàn)通過對輸出信號的INR進行評估可以有效的避免對消殘余較高的數(shù)據(jù)對融合結(jié)果的影響,有效地提高輸出信噪比。

在實際的信號處理中需要根據(jù)實際參與融合的對消輸出數(shù)目調(diào)整目標檢測的門限。

圖8 篩選前后融合結(jié)果對比圖Fig.8 Comparison of fusion results with or without channel-selection

5 結(jié)論

本文提出了一種先進行雙節(jié)點自適應對消,再對對消輸出進行能量累積的信號處理算法。從信號級仿真的結(jié)果可以看出,該算法能夠在有效去除回波中的干擾分量的同時,保留組網(wǎng)雷達利用目標RCS空間分集的特性,進而實現(xiàn)對目標的有效觀測。 該算法同樣存在一些問題，主要包括無法應對多個輻射源、無法應對位于對齊差異可忽略區(qū)域外的單輻射源以及無法處理寬帶信號的問題。這些需要在后續(xù)的研究中進一步優(yōu)化。