基于數(shù)字陣列雙差通道的主瓣抗干擾技術(shù)

施云飛,趙嬋娟,徐安琪,楊文華

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海,201109)

0 引 言

和差單脈沖測(cè)角技術(shù)[1]是現(xiàn)代雷達(dá)中常用的一種測(cè)角技術(shù)，但是當(dāng)和差通道受主瓣噪聲干擾時(shí)，測(cè)角精度會(huì)顯著下降[2]。在傳統(tǒng)和差差三通道基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的雙差通道測(cè)角技術(shù)[3]可以避免主瓣噪聲干擾的影響，但存在以下兩個(gè)問(wèn)題：

a) 和差器數(shù)量較多，信噪比損失大；

b) 主瓣內(nèi)干擾定位困難。

針對(duì)抗主瓣干擾問(wèn)題，王峰提出基于自適應(yīng)的正交虛擬極化干擾抑制算法，并利用垂直與水平雙極化數(shù)字陣對(duì)該自適應(yīng)抗主瓣干擾算法進(jìn)行驗(yàn)證，但該方法在干擾抑制的同時(shí)存在信號(hào)損失的問(wèn)題[4]。王建明提出用盲源分離算法抑制主瓣干擾，但該方法沒(méi)有討論盲源分離后目標(biāo)角度的測(cè)量問(wèn)題和盲源分離算法對(duì)單脈沖比的影響[5]；蘇保偉提出了基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制及波束保形方法，有較好的穩(wěn)健性，但此方法含有大矩陣求逆等復(fù)雜運(yùn)算，難以工程實(shí)現(xiàn)[6，7]。

本文介紹一種基于數(shù)字陣列的雙差通道測(cè)角技術(shù)，首先利用多個(gè)接收通道數(shù)據(jù)完成主瓣內(nèi)干擾的定位，然后利用數(shù)字波束形成技術(shù)[8]同時(shí)得到俯仰差、方位差、雙差等多個(gè)波束，將波束對(duì)準(zhǔn)干擾方向，消除干擾對(duì)波束的影響，從而得到目標(biāo)精確的位置信息。

1 模擬陣列的雙差波束單脈沖雷達(dá)

1.1 和差雙通道測(cè)角

圖1 基于線陣的和差單脈沖測(cè)角

單脈沖測(cè)角是通過(guò)比較兩個(gè)或多個(gè)波束同時(shí)接收的目標(biāo)回波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)角度進(jìn)行估計(jì)的一種技術(shù)。圖1是基于線陣的和差單脈沖測(cè)角示意圖。

這里天線是一個(gè)N元均勻線陣，陣元間距為d，信號(hào)波長(zhǎng)為λ，陣元均為各向同性，θ處導(dǎo)向矢量為

(1)

天線和差波束方向圖表示為

(2)

為得到低旁瓣，和波束靜態(tài)權(quán)為泰勒(Taylor)權(quán)，差波束靜態(tài)權(quán)為貝里斯(Bayliss)權(quán)。wΣq=Taylor(N)a(θ0)為和波束權(quán)矢量，wΔq=Bayliss(N)a(θ0)為差波束權(quán)矢量，和波束方向圖Σ(θ)在波束指向θ0處有最大值；差波束方向圖Δ(θ)在波束指向θ0處幅度為零。

1.2 雙差通道測(cè)角

考慮接收陣面為矩形陣列，為構(gòu)造四個(gè)通道，將陣面均勻劃分為四個(gè)部分，各通道示意圖如圖2所示。

圖2 雙差通道單脈沖構(gòu)成示意圖

其中，和通道輸出為四個(gè)子陣輸出之和，方位差通道輸出為左邊兩個(gè)子陣與右邊兩個(gè)子陣輸出之差，俯仰差通道為上面兩個(gè)子陣與下面兩個(gè)子陣輸出之差，增加的雙差通道為對(duì)角線兩個(gè)子陣輸出之差。

圖3 模擬陣列雙差通道單脈沖雷達(dá)前端設(shè)計(jì)

由此可以得到模擬陣列雙差通道單脈沖雷達(dá)前端設(shè)計(jì)，如圖3所示。這種前端設(shè)計(jì)需要大量的和差器來(lái)完成，設(shè)備量大且幅相校正復(fù)雜。

2 基于數(shù)字陣列雷達(dá)的雙差通道單脈沖雷達(dá)

圖4給出基于M個(gè)數(shù)字陣列的單脈沖雷達(dá)前端設(shè)計(jì)，陣列首先在俯仰向通過(guò)模擬和差網(wǎng)絡(luò)得到俯仰和差波束，然后將所有和差波束單獨(dú)送給2M路接收機(jī)，下變頻后在DBF設(shè)備內(nèi)合成得到需要的各種接收波束。對(duì)于數(shù)字陣列的俯仰差波束，DBF設(shè)備內(nèi)方位做Taylor加權(quán)，就能得到全陣面的和波束，如圖5(a)所示；對(duì)于數(shù)字陣列的俯仰差波束，DBF設(shè)備內(nèi)方位做Taylor加權(quán)，就能得到全陣面的俯仰差波束，如圖5(b)所示；對(duì)于數(shù)字陣列的俯仰和波束，DBF設(shè)備內(nèi)方位做Bayliss加權(quán)，就能得到全陣面的方位差波束，如圖5(c)所示；對(duì)于數(shù)字陣列的俯仰差波束，DBF設(shè)備內(nèi)方位做Bayliss加權(quán)，就能得到全陣面的雙差波束，如圖5(d)所示。

圖4 數(shù)字陣列單脈沖雷達(dá)前端設(shè)計(jì)

(a) 和波束 (b) 方位差波束

(c) 俯仰差波束 (d) 雙差波束圖5 矩形陣列四個(gè)通道方向圖

3 雙差通道單脈沖測(cè)角原理

3.1 測(cè)角流程

單脈沖測(cè)角是利用和差波束來(lái)提取角度誤差信息，當(dāng)空間中沒(méi)有干擾時(shí)，利用和差差三通道即可完成角度測(cè)量。

當(dāng)主瓣有噪聲干擾存在時(shí)，利用雙差、俯仰差、俯仰和這三個(gè)通道完成角度的測(cè)量，為保證這三個(gè)差波束不受到主瓣干擾的影響，差波束中心必須對(duì)準(zhǔn)干擾方向，因此在測(cè)角之前首先要確定干擾的波達(dá)方向，具體流程如圖6所示。

3.2 基于子陣劃分的DOA

圖6 基于雙差通道的測(cè)角流程

圖7 基于子陣劃分的DOA流程圖

為降低運(yùn)算量，在多通道接收數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用基于子陣劃分的DOA[9]可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收的噪聲干擾信號(hào)的方位角度估計(jì)，圖7為其流程圖。

當(dāng)目標(biāo)空域的信源數(shù)未知時(shí)，假設(shè)存在P個(gè)信源，對(duì)其空間協(xié)方差矩陣特征分解，即

(3)

式中，∑s=diag{λ1,λ2,…,λP}為大特征值構(gòu)成的對(duì)角陣。由上式可得

(4)

(5)

這樣無(wú)需進(jìn)行特征分解也不需要估計(jì)信源個(gè)數(shù)就可以得到噪聲子空間。實(shí)際應(yīng)用中，在一定信噪比條件下，m取有限整數(shù)就能很好地收斂到噪聲子空間，一般高階次冪m取2～5。所以，得到快速DOA算法為

(6)

最后，根據(jù)CAIHOP譜峰的位置來(lái)估計(jì)信號(hào)源的到達(dá)方向。

3.3 雙差測(cè)角

確定干擾方向以后將俯仰差、方位差、雙差三個(gè)波束方向?qū)?zhǔn)干擾來(lái)波方向，利用雙差通道單脈沖測(cè)角方法，可以根據(jù)擬合的單脈沖比曲線，得到目標(biāo)相對(duì)于波束指向的誤差角度，從而完成主瓣干擾下的目標(biāo)角度測(cè)量。圖8為雙差通道與俯仰差通道方向圖，圖9為相應(yīng)的單脈沖測(cè)角曲線。

圖8 雙差通道與俯仰差通道

圖9 單脈沖測(cè)角曲線

4 雙差通道單脈沖測(cè)角抗主瓣干擾性能仿真

為驗(yàn)證主瓣干擾情況下的雙差通道單脈沖測(cè)角性能，仿真中采用32×32的矩形陣面，設(shè)陣面放置于xoy平面，波長(zhǎng)為0.1 m，x和y方向的陣元間距均為半波長(zhǎng)，干噪比為30 dB，信噪比為15 dB，干擾的到達(dá)方向?yàn)?0°，0°)，目標(biāo)的到達(dá)方向?yàn)?0.5,0.5)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為200 m/s，分別用三通道和雙差通道單脈沖測(cè)角方法進(jìn)行目標(biāo)角度測(cè)量，做1000次重復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖10。

(a) 三通道單脈沖測(cè)角 (b) 雙差通道單脈沖測(cè)角圖10 三通道與雙差通道單脈沖測(cè)角結(jié)果

圖11 三通道與雙差通道測(cè)角精度與信噪比關(guān)系

圖10(a)為在主瓣干擾環(huán)境中，三通道單脈沖測(cè)角方法的結(jié)果，可以看到，由于干擾信號(hào)較強(qiáng)，掩蓋了目標(biāo)信號(hào)，所以傳統(tǒng)三通道測(cè)角只能檢測(cè)到干擾的方向(0,0)；圖10(b)為采用了雙差單脈沖抗主瓣干擾測(cè)角方法的結(jié)果，測(cè)得的角度為(0.5,0.5)，正是目標(biāo)方向。圖11給出不同信噪比下三通道與雙差通道測(cè)角精度與信噪比的關(guān)系，說(shuō)明本文介紹的方法在主瓣噪聲干擾情況下仍然具有很高的測(cè)角精度。

當(dāng)DOA對(duì)干擾方向估計(jì)出現(xiàn)偏差，比如將(0.1,0.1)位置的干擾估計(jì)成(0,0)，雙差通道測(cè)角精度也會(huì)受到影響，如圖12所示。

圖12 干擾角度估計(jì)錯(cuò)誤時(shí)三通道與雙差通道測(cè)角精度與信噪比關(guān)系

圖13 不同目標(biāo)位置對(duì)測(cè)角的影響

當(dāng)干擾位置始終保持(0°,0°)不變，目標(biāo)位置從(0.1°,0.1°)變化到(2°，2°)時(shí)，利用雙差通道的測(cè)角精度基本沒(méi)有變化，而利用三通道測(cè)角精度急劇惡化，這是因?yàn)槿ǖ罍y(cè)角始終得到的是干擾的方向，當(dāng)目標(biāo)與干擾間距變大時(shí)，其測(cè)角精度也就變差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于數(shù)字陣列的雙差通道測(cè)角方法，該方法在主瓣存在1個(gè)噪聲干擾的情況下，仍然具有很高的測(cè)角精度。同傳統(tǒng)利用和差器方法得到雙差波束的辦法相比，本方法具有主瓣干擾來(lái)波估計(jì)精度高、前端信噪比損失低、測(cè)角精度高的特點(diǎn)，為地面雷達(dá)對(duì)抗主瓣干擾提供了一個(gè)新的思路。

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