DBF技術(shù)在米波雷達(dá)中的應(yīng)用

廉丹

摘要：本文結(jié)合米波雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)DBF技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究。采用一種合成寬零陷天線(xiàn)方向圖抑制干擾的方法，降低了期望方向圖主波束的畸變程度，有利于信號(hào)的后續(xù)處理。權(quán)系數(shù)計(jì)算是DBF體制雷達(dá)的核心。為節(jié)省權(quán)系數(shù)應(yīng)用期間的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，依據(jù)系統(tǒng)及算法自身特點(diǎn)，提出了采用權(quán)值修正的方法更新權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且避免了重復(fù)求解加權(quán)系數(shù)。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明了本文所述方法的可行性，達(dá)到在抗干擾的同時(shí)保持主瓣形狀的目的。

關(guān)鍵詞：方向圖合成；抗干擾；寬零陷；權(quán)系數(shù)

1引言

DBF （Digiatl Beam Forming）技術(shù)是一種以數(shù)字方法進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)波束形成的技術(shù)。權(quán)值根據(jù)陣元采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)用某種自適應(yīng)方法進(jìn)行更新，從而使接收或發(fā)射波束具有特定的形狀和期望的零點(diǎn)。DBF在基帶上保留了天線(xiàn)陣列單元信號(hào)的全部信息，因而可以采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，以獲得優(yōu)良的波束性能[1]。采用DBF體制的米波雷達(dá)， 可實(shí)現(xiàn)同時(shí)多波束，波束控制靈活方便，有很強(qiáng)電子戰(zhàn)能力。此外，該體制雷達(dá)易于實(shí)現(xiàn)低副瓣波束和自適應(yīng)零點(diǎn)，從而改善傳統(tǒng)體制米波雷達(dá)在測(cè)量方位精度、抗干擾能力等方面固有的缺點(diǎn)[2]。所以，DBF技術(shù)在雷達(dá)應(yīng)用中具有重要意義。

2 DBF技術(shù)應(yīng)用

DBF體制的雷達(dá)在抗干擾的同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波束。針對(duì)在方位上有一定范圍的干擾，采用寬零陷合成算法抑制干擾。當(dāng)約束的零陷區(qū)間寬度足夠小時(shí)，該算法也可以用來(lái)合成單純零點(diǎn)。當(dāng)天線(xiàn)存在幅相誤差時(shí)，只需要對(duì)算法中的理想約束矩陣進(jìn)行相應(yīng)的修正， 就可以消除幅相誤差對(duì)零點(diǎn)的不利影響[3]。寬零陷合成算法使得在抑制干擾的同時(shí)達(dá)到主波束保形。

2.1寬零陷的線(xiàn)性約束算法

假設(shè)窄帶系統(tǒng)的接收陣列由N個(gè)無(wú)方向性的陣元組成，其方向函數(shù)就應(yīng)為

（1）

其中，W為波束系數(shù)向量， 是與陣列參數(shù)和信號(hào)波長(zhǎng)有關(guān)的陣列信號(hào)矢量，上標(biāo)H和T分別表示矩陣或向量的共軛轉(zhuǎn)置和轉(zhuǎn)置。那么θ方向來(lái)的單位信號(hào)源在該陣列波束形成后的輸出功率為

（2）

因此，假設(shè)在區(qū)間 上連續(xù)布滿(mǎn)了單位信號(hào)源，波束寬零陷的物理意義就是能將某一區(qū)間的干擾信號(hào)抑制到某一所希望的強(qiáng)度以下， 因此合成具有指定零點(diǎn)的方向圖可以視為下式的最優(yōu)化問(wèn)題[4]稱(chēng)為約束矩陣；W是一常規(guī)的波束系數(shù)，它包含了我們對(duì)主波束指向以及旁瓣電平的期望； 為功率抑制系數(shù)，與期望的干擾抑制后剩余功率的比率相關(guān)。

本文直接基于約束矩陣的特征分解導(dǎo)出其數(shù)值解法。由于 為Hermite矩陣，因此它能夠做如下特征分解為了抑制干擾，我們讓W(xué)與 個(gè)較大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量正交， 對(duì)于歸一化的波束系數(shù)， 為了求解W，構(gòu)造函數(shù)：

（3）

則W滿(mǎn)足式（3）中最小值時(shí)，L對(duì)W 的導(dǎo)數(shù)應(yīng)為零，即

（4）

為單位矩陣，上式即為所要求解的波束系數(shù)。

2.2 DBF權(quán)系數(shù)更新處理

權(quán)系數(shù)計(jì)算是整個(gè)DBF處理的核心部分。它根據(jù)天線(xiàn)陣面上各陣元接收到的回波信號(hào)計(jì)算權(quán)重系數(shù)，利用該權(quán)重系數(shù)對(duì)各陣元接收到的回波信號(hào)進(jìn)行權(quán)重處理，形成多個(gè)獨(dú)立天線(xiàn)波束的輸出。這些天線(xiàn)波束的主瓣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向，零陷對(duì)準(zhǔn)干擾方向。因此，DBF處理器需要完成對(duì)天線(xiàn)各陣元接收到的回波信號(hào)的大量的、實(shí)時(shí)的信號(hào)處理工作。

上述基于特征分解的零陷加寬的波束形成算法，其每次求解權(quán)系數(shù)都需占用很長(zhǎng)時(shí)間。為節(jié)省時(shí)間和系統(tǒng)資源采用下述方法進(jìn)行權(quán)系數(shù)更新。

雷達(dá)工作時(shí)，天線(xiàn)掃描方向改變，而干擾位置一般不變或慢變，因此可以考慮在上次權(quán)系數(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)簡(jiǎn)單修正更新權(quán)系數(shù)。這樣就可以應(yīng)用很少的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)權(quán)系數(shù)的更新，降低運(yùn)算量，節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。分析權(quán)系數(shù)計(jì)算式，該式由兩部分組成其中W0與掃描方向有關(guān)，而D只與干擾方向有關(guān)。故可應(yīng)用下式更新權(quán)系數(shù)：

（5）

其中 和 分別更新前后的掃描方向。

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證本文方法的有效性，作以下計(jì)算機(jī)仿真分析：16陣元的均勻線(xiàn)陣，天線(xiàn)間距與波長(zhǎng)比為0.5，零陷的約束區(qū)間在40度到50度。期望權(quán)值 設(shè)為波束指向-10度，旁瓣電平-30dB的Chebyshev波束系數(shù)。由圖1可以看出約束區(qū)間形成較寬的零陷，且能夠較好的保持期望方向圖的主瓣特性，但在約束區(qū)間兩邊的旁瓣會(huì)抬高。圖2為采用式（5）進(jìn)行權(quán)系數(shù)更新方法合成的寬零陷方向圖，更新前天線(xiàn)指向?yàn)?10度，更新后為天線(xiàn)指向-20度，更新前后零陷區(qū)間未變。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合一種寬零陷方向圖的合成方法，闡述了DBF技術(shù)在米波雷達(dá)中的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明了上述算法的可行性。該方法可以在較寬方向上抑制干擾，很大程度上削弱干擾方向擾動(dòng)對(duì)性能影響，同時(shí)降低了方向圖的畸變程度，成功的保證了主波束形狀，有利于后續(xù)處理，具有實(shí)用意義。工程實(shí)際應(yīng)用中， 采用上述權(quán)系數(shù)更新方法可以減少計(jì)算權(quán)系數(shù)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。

參考文獻(xiàn)：

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