雜亂脈沖干擾的穩(wěn)健自適應(yīng)旁瓣相消方法

王輝輝 袁子喬 張統(tǒng)兵

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著電磁環(huán)境日益復(fù)雜，干擾樣式的靈巧變化，雷達(dá)抗干擾技術(shù)已經(jīng)成為研究的重要內(nèi)容。當(dāng)有源干擾從雷達(dá)天線旁瓣進(jìn)入時(shí)，由于旁瓣覆蓋的空間范圍比較大，因此容易造成雷達(dá)出現(xiàn)大量虛警，影響雷達(dá)對目標(biāo)的檢測性能。為消除從旁瓣進(jìn)入的有源干擾，現(xiàn)在雷達(dá)一般采用旁瓣匿影(SLB) 和自適應(yīng)旁瓣相消(ASLC)技術(shù)。SLB主要是抑制來自天線旁瓣的有源脈沖式或掃頻干擾，利用檢測通道與匿影通道天線增益的不同，對檢測與匿影通道數(shù)據(jù)進(jìn)行匿影門限判決，從而抑制假目標(biāo)干擾。自適應(yīng)旁瓣相消對于壓制干擾具有較好的性能，但是對于占空比較低的脈沖式干擾，ASLC的性能惡化，甚至對消性能失效。雜亂脈沖干擾與雷達(dá)是異步的，經(jīng)過脈壓后在一個(gè)相干處理間隔中表現(xiàn)為連續(xù)性，從而抬高了噪聲基底，對雷達(dá)檢測造成嚴(yán)重影響。文獻(xiàn)[4]通過對主通道和匿影通道均進(jìn)行ASLC處理，然后將對消后的數(shù)據(jù)用于SLB處理．確保了后續(xù)的SLB處理不會(huì)產(chǎn)生過度匿影的問題，但是對于脈沖干擾，如果匿影通道的ASLC對消的不好，匿影通道的剩余干擾依然會(huì)遮蔽主通道的目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]針對傳統(tǒng)ASLC方法無法采集到脈沖干擾的有效數(shù)據(jù)問題，提出了基于主通道時(shí)域滑窗取能量最強(qiáng)點(diǎn)的快拍選擇方法，解決了脈沖式干擾的快拍選擇問題，但是滑窗能量計(jì)算量大，且容易取到雜波區(qū)。因此本文根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)需求，提出一種旁瓣抗雜亂脈沖干擾的自適應(yīng)相消方法，該方法結(jié)合主通道和匿影通道，通過自適應(yīng)選擇干擾快拍數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對脈沖干擾的實(shí)時(shí)跟隨。該方法不損失對壓制干擾的對消能力，同時(shí)能有效對抗旁瓣雜亂脈沖式干擾。

1 自適應(yīng)旁瓣相消原理

自適應(yīng)旁瓣相消的基本原理是通過設(shè)置若干個(gè)輔助通道，輔助通道可以為輔助天線或者輔助波束形式，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)來選擇。利用主通道和輔助通道接收干擾的相關(guān)性，計(jì)算出自適應(yīng)權(quán)系數(shù)，然后對輔助通道進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)求和，將主天線信號(hào)與求和輸出對消使得輸出的干擾信號(hào)差值最小，從而實(shí)現(xiàn)抗干擾。自適應(yīng)旁瓣相消原理如圖1所示。

首先求輔助通道的自相關(guān)矩陣為

(1)

圖1 自適應(yīng)旁瓣相消原理框圖

其中*表示共軛運(yùn)算；()表示第輔助通道的第時(shí)刻的采樣點(diǎn)；為采樣點(diǎn)數(shù)。為了防止矩陣奇異，需要對自相關(guān)矩陣進(jìn)行對接加載，加載量為，則加載后的自相關(guān)矩陣為

=+

(2)

其中為單位矩陣。對主天線進(jìn)行采樣，并結(jié)合輔助通道干擾樣本，求出主通道信號(hào)()與輔助通道的互相關(guān)矩陣為

(3)

根據(jù)式(4)計(jì)算自適應(yīng)權(quán)值，為各輔助通道權(quán)系數(shù)矩陣:=[,,…,]，自適應(yīng)權(quán)系數(shù)求取如圖2所示。

=[,,…,]=

(4)

根據(jù)式(5)逐點(diǎn)進(jìn)行對消得到主通道對消輸出信號(hào)()為

(5)

圖2 自適應(yīng)權(quán)系數(shù)計(jì)算

本文以SLC_Fix表示普通自適應(yīng)旁瓣相消方法，以SLC_Adp表示本文方法。SLC_Fix方法在固定波門內(nèi)采集干擾數(shù)據(jù)，利用固定連續(xù)波門內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)權(quán)系數(shù)計(jì)算，為避免近區(qū)雜波對權(quán)系數(shù)計(jì)算的影響，波門位置選擇在雷達(dá)作用威力的遠(yuǎn)區(qū)。對于壓制式干擾，固定波門方法簡單，易實(shí)現(xiàn)。但是對于脈沖干擾，固定波門內(nèi)有可能不存在干擾，這樣計(jì)算的權(quán)系數(shù)，不能將干擾對消掉，造成對消效果惡化。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為避免雷達(dá)雜波對干擾檢測與定向的影響，在每一個(gè)相參處理間隔內(nèi)增加一個(gè)休止區(qū)脈沖，在休止區(qū)內(nèi)雷達(dá)關(guān)閉輻射，只進(jìn)行接收，系統(tǒng)工作時(shí)序圖如圖3所示。為確保采集到的干擾快拍能夠?qū)Ρ綜PI內(nèi)雷達(dá)威力的全覆蓋，休止區(qū)長度需要包含脈沖重復(fù)周期(PRT)，同時(shí)還有有自適應(yīng)權(quán)系數(shù)計(jì)算時(shí)間，因此休止區(qū)長度需要滿足>+。休止區(qū)內(nèi)首先進(jìn)行干擾檢測與定向，同時(shí)形成所需的主波束、輔助波束、匿影波束用于權(quán)系數(shù)計(jì)算，得到的對消權(quán)系數(shù)用于后面正常工作PRT的旁瓣相消處理。

圖3 系統(tǒng)工作時(shí)序圖

2.1 干擾源檢測與定向

本文所提方法的輔助通道選擇為輔助波束，輔助波束指向需要指向干擾位置，因此需要對干擾進(jìn)行定向。根據(jù)空時(shí)等效性，首先對陣列空間采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行空間傅立葉變換(DFT)，即可得到空間譜，空間譜幅值代表了不同方向上信號(hào)幅度的大小，而峰值位置則對應(yīng)不同干擾的角度，因此根據(jù)譜峰位置即可推算出干擾信號(hào)的方向，該方法在小數(shù)據(jù)量時(shí)即可實(shí)現(xiàn)空間譜的快速更新，對于變化快、起伏大、隨機(jī)性強(qiáng)的干擾，能實(shí)時(shí)獲取干擾的方向。

干擾檢測及定向處理如圖4所示。在休止區(qū)內(nèi)，對時(shí)間段內(nèi)的各陣元數(shù)據(jù)全距離段數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT處理，對處理結(jié)果按照距離段進(jìn)行非相參積累，然后對積累后的空間譜進(jìn)行干擾檢測與定向，這樣不僅可以對壓制干擾定向，而且可以對脈沖干擾定向?？紤]到干擾機(jī)在短時(shí)間內(nèi)方向變化不大，即使有小的變化，只要變化小于輔助波束寬度，對于對消效果的影響不大，因此當(dāng)前CPI的定向結(jié)果可以作為下一個(gè)CPI的輔助波束的指向。

圖4 干擾檢測及定向

由于陣元個(gè)數(shù)決定了空間譜的譜線個(gè)數(shù)，單純依靠DFT進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)不足以滿足測角精度要求。因此采用陣元域補(bǔ)零的方式來提高空域的采樣率。實(shí)際工程處理時(shí)，通過對陣列輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)零處理，然后進(jìn)行FFT處理，并對FFT處理后的結(jié)果進(jìn)行求模處理，采用固定門限對干擾源進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到有干擾存在時(shí)，獲取干擾譜峰所在位置，并根據(jù)譜峰位置與波達(dá)方向之間的關(guān)系，計(jì)算干擾方向，實(shí)現(xiàn)干擾方向的快速估計(jì)。

2.2 自適應(yīng)快拍選取旁瓣相消法

由于DBF(數(shù)字波束形成)在自適應(yīng)干擾對消方面具有更大的優(yōu)勢，因此陣列雷達(dá)一般先對接收信號(hào)進(jìn)行DBF，形成不同波束，在對各波束進(jìn)行干擾對消。在休止區(qū)內(nèi)，對時(shí)間段內(nèi)的各陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行DBF，分別得到主波束、輔助波束、匿影波束，輔助波束指向采用上一個(gè)CPI的干擾定向結(jié)果。主波束、輔助波束、匿影波束對應(yīng)旁瓣相消系統(tǒng)中的主通道、輔助通道、匿影通道。雷達(dá)系統(tǒng)的主波束和匿影波束的關(guān)系如圖5所示。

圖5 主波束匿影波束方向圖

由于雜亂脈沖干擾在距離上表現(xiàn)為隨機(jī)性，因此如果按照普通方法取固定距離波門內(nèi)的快拍數(shù)據(jù)，往往無法采集到有效干擾快拍，從而造成對消效果的惡化。因此針對雜亂脈沖式干擾需要對快拍進(jìn)行選擇處理。如圖5所示，在旁瓣區(qū)域，匿影波束比主波束要大，因此從旁瓣進(jìn)入的干擾，可以利用匿影波束和主波束關(guān)系來檢測，同時(shí)判斷干擾所處距離。為采集到雜亂脈沖的有效快拍，需要根據(jù)主波束和匿影波束的關(guān)系，進(jìn)行自適應(yīng)快拍選擇。自適應(yīng)快拍選取如圖6所示。首先將主波束模值和門限系數(shù)相乘得到一個(gè)主波束門限單元，將匿影波束模值分別和主波束門限單元、固定門限進(jìn)行比較，如果匿影波束最大，則表明該距離單元有干擾，鎖存干擾所在的距離單元號(hào)，同時(shí)將該距離單元號(hào)對應(yīng)的主波束、匿影波束、個(gè)輔助波束的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。對每個(gè)波束緩存的干擾快拍進(jìn)行計(jì)數(shù)，干擾快拍總數(shù)為參與自相關(guān)、互相關(guān)計(jì)算的快拍個(gè)數(shù)，一般選擇大于2倍的輔助波束個(gè)數(shù)即可，實(shí)際工程在計(jì)算滿足實(shí)時(shí)要求的條件下，會(huì)適當(dāng)?shù)亩噙x取一些。當(dāng)干擾快拍大于時(shí)，新的干擾快拍將不再被接收，如果在時(shí)間內(nèi)，采集的樣本個(gè)數(shù)小于，則使用實(shí)際的樣本數(shù)。當(dāng)干擾快拍數(shù)達(dá)到要求或者自適應(yīng)權(quán)系數(shù)計(jì)算時(shí)間片到達(dá)時(shí)，如果當(dāng)前有干擾存在，則依次讀出緩存的干擾快拍數(shù)據(jù)，然后送入權(quán)系數(shù)計(jì)算模塊進(jìn)行權(quán)系數(shù)計(jì)算。如果旁瓣沒有干擾存在，則轉(zhuǎn)入后續(xù)處理模塊。

圖6 自適應(yīng)快拍選取旁瓣相消法

自適應(yīng)快拍選取對消法步驟如下：

1)對休止區(qū)內(nèi)雷達(dá)威力覆蓋的所有陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行全距離段的FFT處理，檢測干擾并確定方向；

2)根據(jù)上一個(gè)CPI的干擾定向結(jié)果，在休止區(qū)內(nèi)形成主波束、匿影波束、輔助波束；

3)采用自適應(yīng)快拍選取方法，從主波束、輔助波束選擇對應(yīng)干擾快拍；

4)用自適應(yīng)選取的干擾快拍分別計(jì)算主波束與輔助波束的互相關(guān)矩陣、輔助波束之間的自相關(guān)矩陣，并根據(jù)式(4)計(jì)算對消權(quán)系數(shù)；

5)根據(jù)式(5)，用得到的權(quán)系數(shù)對工作區(qū)內(nèi)的主波束、匿影波束進(jìn)行對消；

6)進(jìn)行后續(xù)處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果

SLC_Adp方法已成功應(yīng)用于某型陣列雷達(dá)，在實(shí)際電子對抗試驗(yàn)中，SLC_Adp方法具有優(yōu)秀的實(shí)戰(zhàn)性能。實(shí)際對抗中，一部地面干擾機(jī)持續(xù)釋放雜亂脈沖干擾，雷達(dá)實(shí)時(shí)采集陣元級的干擾快拍，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖7為雷達(dá)休止區(qū)內(nèi)的各個(gè)陣元接收的回波信號(hào)，陣元間接收信號(hào)的一致性很好，但是雜亂脈沖在當(dāng)前PRT出現(xiàn)的位置和幅度具有隨機(jī)性。

圖7 各陣元接收的干擾信號(hào)

圖8為雜亂脈沖干擾多個(gè)距離段非相參積累的結(jié)果，積累后干噪比達(dá)到42 dB左右，與固定干擾檢測門限進(jìn)行比較，確定干擾存在后，搜索空間譜獲得譜峰位置，再換算到對應(yīng)角度，即為干擾方向，實(shí)測干擾方向?yàn)?2.036°。

圖8 干擾源指向及檢測門限

經(jīng)DBF形成主波束、匿影波束和1個(gè)輔助波束，主波束指向9°，輔助波束干擾方向-2.036°。對消前主波束、匿影波束、輔助波束回波數(shù)據(jù)如圖9所示，局部細(xì)化如圖10所示。選擇一個(gè)雜亂脈沖所存的距離單元進(jìn)行針對性的分析，在距離單元號(hào)183處，輔助波束功率99.94 dB，主波束功率69.83 dB，匿影波束功率79.02 dB。輔助波束和主波束的功率差為30.1 dB, 輔助波束和匿影波束的功率差為20.9 dB。由圖10可知從旁瓣進(jìn)入的雜亂脈沖干擾，在主波束和匿影波束中能量較大，如果對消效果不好，主波束中干擾剩余較大，同時(shí)匿影波束會(huì)對主波束產(chǎn)生過度匿影。

圖9 對消前回波數(shù)據(jù)

圖10 對消前回波數(shù)據(jù)細(xì)化

用于計(jì)算權(quán)系數(shù)的采樣快拍數(shù)選擇：=32，對于SLC_Fix方法，波門選擇遠(yuǎn)區(qū)的快拍，主、輔助波束指向不變，SLC_Fix方法對消后主波束回波的局部細(xì)化如圖11所示，對消后匿影波束回波局部細(xì)化如圖12所示。在距離單元183處，主波束回波對消后功率為66.09 dB，對消比僅為3.74 dB，主波束干擾剩余較大。匿影波束對消后為55.06 dB，對消比達(dá)到13.96 dB。由于匿影波束含有的干擾能量大于主波束，因此匿影波束對消有一定效果，主波束對消幾乎失效，SLC_Fix方法的對消效果不理想。

圖11 SLC_Fix方法主波束對消后回波

圖12 SLC_Fix方法匿影波束對消后回波

采用本文的SLC_Adp進(jìn)行對消處理，其他條件不變。SLC_Adp方法對消后主波束回波的局部細(xì)化如圖13所示，對消后匿影波束回波局部細(xì)化如圖14所示。在距離單元183處，主波束回波對消后功率為42.25 dB，對消比為27.58 dB，主波束回波對消到噪聲水平。匿影波束對消后為47.77 dB，對消比達(dá)到31.25 dB。主波束和匿影波束的干擾均被很好消除，對消達(dá)到了很好的效果。

圖13 SLC_Adp方法主波束對消后回波

圖14 SLC_Adp方法匿影波束對消后回波

4 結(jié)束語

本文提出了一種自適應(yīng)快拍選取的旁瓣相消方法，通過增加休止區(qū)采集干擾快拍，避免了雜波參與對消權(quán)系數(shù)的計(jì)算，同時(shí)結(jié)合主波束和匿影波束，將匿影波束作為自適應(yīng)選取的一個(gè)門限，采集有效脈沖干擾快拍，并據(jù)此計(jì)算對消權(quán)系數(shù)進(jìn)行對消處理。本方法改進(jìn)了普通方法的缺陷，使其更加適應(yīng)實(shí)戰(zhàn)需求，提高了旁瓣相消的穩(wěn)健性。該方法已成功應(yīng)用于某型雷達(dá)中，取得了良好的效果。