變極化干擾對(duì)廣義旁瓣對(duì)消的影響

張建中，文樹(shù)梁，沙明輝，高紅衛(wèi)，廖勝男

(1.北京無(wú)線電測(cè)量研究所，北京 100854；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司 第二研究院，北京 100854)

0 引言

雷達(dá)干擾和抗干擾作為矛盾雙方，其“跟隨式”發(fā)展促使雷達(dá)往能量域、時(shí)域、頻域、空域、極化域多域一體化發(fā)展。對(duì)于有源欺騙干擾，雷達(dá)尚可采取射頻掩護(hù)[1]、波形捷變[2-4]、頻率捷變等時(shí)頻域措施進(jìn)行對(duì)抗；而對(duì)于有源壓制干擾，上述措施均會(huì)失效，在能量有限的情況下，只能利用空域、極化域信息進(jìn)行抗干擾。一方面，自適應(yīng)陣列處理能充分利用空域信息提高雷達(dá)的抗干擾能力。另一方面，隨著極化抗干擾的應(yīng)用逐漸推廣，國(guó)內(nèi)雷達(dá)干擾研制單位已經(jīng)逐步開(kāi)展變極化干擾與抗干擾技術(shù)[5-9]。由于干擾機(jī)天線方向圖性能指標(biāo)相較于雷達(dá)低得多，使得變極化干擾易于實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[10]研究了單元交叉極化對(duì)自適應(yīng)陣列性能的影響，在交叉極化引入誤差固定前提下，陣列的自由度要降低一半；文獻(xiàn)[11]針對(duì)單脈沖測(cè)角雷達(dá)體制，研究了交叉極化干擾及其欺騙效果評(píng)估問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]從主通道閉鎖，目標(biāo)隱匿角度研究了主瓣交叉極化對(duì)SLB(sidelobe blanking)系統(tǒng)的影響。本文從廣義旁瓣對(duì)消模型出發(fā)，研究了變極化干擾在算權(quán)周期和對(duì)消周期干擾極化特性變化，引起陣列單元導(dǎo)向矢量失配，導(dǎo)致干擾信號(hào)不能完全對(duì)消的問(wèn)題。在求權(quán)的訓(xùn)練快拍只含干擾和噪聲；求權(quán)的訓(xùn)練快拍含有期望信號(hào)、干擾和噪聲2種情況下分別計(jì)算權(quán)值，最終用性能改善因子描述變極化干擾對(duì)采用不同權(quán)值對(duì)消模型的影響。

1 信號(hào)模型

對(duì)于陣列信號(hào)，期望信號(hào)和干擾導(dǎo)向矢量用空域和極化域兩維特征描述。接收信號(hào)可表示為

(1)

式中：s0(t)為目標(biāo)信號(hào)；sj(t)為M個(gè)干擾信號(hào)；n(t)為噪聲信號(hào)；ht為雷達(dá)相控陣天線極化矢量；S為目標(biāo)極化散射矩陣；hj為干擾極化矢量；a0和aj分別為信號(hào)和干擾的空域?qū)蚴噶浚?/p>

(2)

(3)

式中：1j代表虛數(shù)單位；N為陣元數(shù);θ0為期望信號(hào)方向;θj為第j個(gè)干擾方向。

(4)

交叉極化干擾接收信號(hào)表示為

(5)

理想情況下，單元主極化和交叉極化方向圖如圖1所示，16陣元陣列主極化和交叉極化方向圖如圖2所示?？梢钥闯觯徊鏄O化在主極化方向圖的主瓣區(qū)形成一凹點(diǎn)，其他區(qū)域相對(duì)比較平整，交叉極化引起的能量損失約為15～30 dB。實(shí)際工程中，正常的極化損失低于理論值，且具有一定的隨機(jī)性[13]。

2 GSC模型

自適應(yīng)數(shù)字波束形成(adaptive digital beamforming，ADBF)[14-15]可在未知的干擾方向自適應(yīng)形成零陷，以提高電子對(duì)抗能力，自適應(yīng)權(quán)矢量計(jì)算是ADBF的核心。為分析變極化干擾對(duì)自適應(yīng)波束形成的影響，用經(jīng)典廣義旁瓣對(duì)消結(jié)構(gòu)(generalized sidelobe canceller,GSC)模型進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。GSC模型利用已知的期望信號(hào)方向信息把陣列接收信號(hào)變換為2個(gè)支路，其中上支路變化后得到參考信號(hào)d0(k)，d0(k)包含期望信號(hào)和干擾；而下支路通過(guò)阻塞矩陣B0阻塞期望信號(hào)使之不進(jìn)入輔助支路，變換后信號(hào)通過(guò)維納濾波，對(duì)消相關(guān)的干擾信號(hào)，無(wú)失真輸出期望信號(hào)。

以共極化信號(hào)為例分析廣義旁瓣對(duì)消模型，對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行離散采樣，則有

(6)

X0(k)=B0X(k),

(7)

(8)

式中:u0=2π(d/λ)sinθ0。

由式(6)～(8)可得GSC陣列輸出為

(9)

當(dāng)干擾機(jī)采用變極化干擾時(shí)，WGSC改變，因此利用共極化算出的權(quán)值不能完全抵消交叉極化引起的干擾，利用交叉極化算出的權(quán)值也不能完全抵消交叉極化引起的干擾，且干擾都存在很大的剩余。為定量描述變極化干擾對(duì)雷達(dá)廣義旁瓣對(duì)消的影響，用性能改善因子度量。性能改善因子定義為陣列處理輸出SINR(signal to interference plus noise ratio)與單個(gè)陣元的輸入SINR的比值，體現(xiàn)了抗干擾陣列SINR的改善程度，性能改善因子的計(jì)算公式為

(10)

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

假設(shè)實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)如表1所示。其中干擾類型分為噪聲壓制干擾和間歇采樣干擾2類。噪聲壓制干擾采用純?cè)肼曊{(diào)制，幅度和相位都隨機(jī)變化，可造成壓制干擾效果；間歇采樣干擾采用天線收發(fā)分時(shí)的工作原理，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，可以得到發(fā)射信號(hào)的相干增益，從而造成欺騙干擾效果。本實(shí)驗(yàn)間歇采樣干擾采用占空比為50%的直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾，采樣周期為2 μs。

表1 實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)Table 1 Experimental simulation parameters

實(shí)驗(yàn)1 在雷達(dá)休止期采樣快拍，采樣數(shù)據(jù)中包含噪聲和干擾，干擾采用2個(gè)噪聲壓制干擾，在不同極化干擾下求得權(quán)值的方向圖如圖4所示?？梢钥闯霎?dāng)共極化干擾時(shí)，共極化權(quán)值可以在干擾角度形成很深的零陷，從而有效抑制旁瓣干擾；交叉極化權(quán)值在干擾角度不能形成很深的零陷，這是由于交叉極化時(shí)干擾能量本身存在衰減，且導(dǎo)向矢量存在幅相擾動(dòng)造成的，但這并不影響干擾抑制，因?yàn)榇藭r(shí)交叉極化權(quán)值和交叉極化干擾基本是正交的。

當(dāng)輸入信號(hào)信噪比從-20 dB到20 dB變化時(shí)，在雷達(dá)休止期計(jì)算權(quán)值，分別用常規(guī)波束形成(conventional beamforming，CBF)權(quán)值、共極化權(quán)值、交叉極化權(quán)值對(duì)消共極化干擾和交叉極化干擾，改善因子100次試驗(yàn)求平均，如圖5所示?？梢钥闯?，共極化和交叉極化權(quán)對(duì)消各自干擾有著很大的改善因子，不同信噪比下均值都約為58.8 dB；當(dāng)對(duì)消對(duì)方的干擾時(shí)改善因子明顯下降，其中共極化權(quán)對(duì)消交叉極化干擾改善因子約為39.6 dB，交叉極化權(quán)對(duì)消共極化干擾改善因子約為27.2 dB；但相較于CBF，改善因子有一定提升，CBF權(quán)對(duì)消共極化干擾改善因子約為19.2dB，對(duì)消交叉極化干擾改善因子約為31.5 dB。這是由于共極化和交叉極化權(quán)值保證信號(hào)正常接收的前提下在干擾方向均形成了零陷，雖然對(duì)消對(duì)方干擾時(shí)權(quán)值和干擾不能完全正交，但是對(duì)干擾仍起到一定的抑制作用。

實(shí)驗(yàn)2 在雷達(dá)工作期采樣快拍，采樣數(shù)據(jù)中包含信號(hào)、噪聲和干擾，干擾采用2個(gè)噪聲壓制干擾，不同極化干擾下求得權(quán)值的方向圖如圖6所示?？梢钥闯?工作期采樣權(quán)值在干擾方向也可以形成較深零陷，較休止期采樣權(quán)值旁瓣升高。

當(dāng)輸入信號(hào)信噪比從-20 dB到20 dB變化時(shí)，在雷達(dá)工作期計(jì)算權(quán)值，分別用常規(guī)波束形成(CBF)權(quán)值、共極化權(quán)值、交叉極化權(quán)值對(duì)消共極化干擾和交叉極化干擾，改善因子100次試驗(yàn)求平均，如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)2基本可以得到和實(shí)驗(yàn)1一樣的結(jié)論，當(dāng)對(duì)消各自干擾時(shí)，在不同信噪比下改善因子均值都約為56.5 dB；當(dāng)對(duì)消對(duì)方的干擾時(shí)，共極化權(quán)對(duì)消交叉極化干擾改善因子約為36.9 dB，交叉極化權(quán)對(duì)消共極化干擾改善因子約為24.9 dB。從圖7可以看出在大信噪比下，改善因子在一定程度上惡化，這是由于大信噪比下在雷達(dá)工作期計(jì)算的權(quán)值旁瓣變形，主瓣偏移，對(duì)信號(hào)有抑制作用。

實(shí)驗(yàn)3 雷達(dá)工作期采樣快拍，采樣數(shù)據(jù)中包含信號(hào)、噪聲和干擾，干擾采用噪聲壓制+間歇采樣，在不同極化干擾下求得權(quán)值的方向圖如圖8所示。在干擾方向也可以形成零陷，但較2個(gè)壓制干擾時(shí)零陷變淺。

當(dāng)輸入信號(hào)信噪比從-20 dB到20 dB變化時(shí)，在雷達(dá)工作期計(jì)算權(quán)值，分別用常規(guī)波束形成(CBF)權(quán)值、共極化權(quán)值、交叉極化權(quán)值對(duì)消共極化干擾和交叉極化干擾，改善因子100次試驗(yàn)求平均，如圖9所示。當(dāng)對(duì)消各自干擾時(shí)，在不同信噪比下改善因子均值都約為46.8 dB；當(dāng)對(duì)消對(duì)方的干擾時(shí)，共極化權(quán)對(duì)消交叉極化干擾改善因子約為37.8 dB，交叉極化權(quán)對(duì)消共極化干擾改善因子約為25.1 dB?？梢钥闯龃笮旁氡认?，改善因子較實(shí)驗(yàn)2 2個(gè)壓制干擾進(jìn)一步上惡化，大信噪比下改善因子甚至?xí)陀诔Ｒ?guī)波束形成，這是由于大信噪比下間歇采樣干擾和信號(hào)具有強(qiáng)的相關(guān)性，計(jì)算自相關(guān)矩陣時(shí)受交叉項(xiàng)影響。

實(shí)驗(yàn)4 在不同交叉極化相對(duì)改變量和陣元幅相擾動(dòng)情況下，2個(gè)噪聲壓制干擾，在雷達(dá)工作期計(jì)算權(quán)值，對(duì)消不同干擾，輸入信噪比-20 dB到20 dB。共極化權(quán)對(duì)消共極化干擾和交叉極化對(duì)消交叉極化干擾的改善因子約為56.6 dB；常規(guī)波束形成對(duì)消共極化干擾的改善因子約為19.5 dB；不受干擾極化方式影響；不同權(quán)對(duì)消極化干擾平均改善因子如表2所示。從表中可以看出，交叉極化相對(duì)改變量相位變化對(duì)改善因子基本沒(méi)有影響；交叉極化相對(duì)改變量幅度損失越大，改善因子越好，這是由極化失配引起接收干擾功率變小造成的；交叉極化引起的陣元之間幅相擾動(dòng)越大，改善因子的惡化越嚴(yán)重。

表2 不同相對(duì)改變量和幅相擾動(dòng)改善因子表Table 2 Performance improvement factor in different relative variation and magnitude-phase disturbance

注：G1代表共極化權(quán)對(duì)消交叉極化干擾，G2代表交叉極化權(quán)對(duì)消共極化干擾，G3代表常規(guī)波束形成權(quán)對(duì)消交叉極化干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了變極化干擾對(duì)采用旁瓣對(duì)消模型自適應(yīng)陣列的影響，結(jié)果表明，變極化旁瓣干擾能有效干擾采用廣義旁瓣對(duì)消模型的自適應(yīng)波束形成。對(duì)于間歇采樣式干擾，在大信噪比下干擾抑制性能嚴(yán)重下降。由于變極化干擾在主瓣范圍內(nèi)存在嚴(yán)重的能量衰減，因此，變極化干擾多用于旁瓣干擾。