一種兩維數(shù)字陣列干擾測向的快速方法

崔向陽 劉 穎 付學(xué)斌 田 歡 陳 亮 王愛榮

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所 西安 710065)

0 引言

隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)工作的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，在檢測目標(biāo)的同時(shí)，需要高效的對抗空間干擾。對有源干擾的感知和測量是雷達(dá)抗干擾的前提，干擾源定向技術(shù)通過對空間信號進(jìn)行采樣處理，估計(jì)出輻射源的方位、俯仰信息，為抗干擾提供先驗(yàn)信息。

對干擾源定向的常用方法主要有：

1)比幅測向法，即通過對偵查空間進(jìn)行波束的全掃描，當(dāng)波束掃描到干擾源時(shí)，利用比幅方法進(jìn)行測角，這種方法對波束掃描及占用的系統(tǒng)資源都有要求；

2)相位干涉儀測向，利用鑒相方法來估計(jì)干擾源方向，這種方法需要基線長度有一定要求；

3)空間譜估計(jì)及超分辨的方法，方法以MUISC，ESPRIT等算法為代表，具有多角度分辨和高精度的特點(diǎn)，但是實(shí)現(xiàn)方式較為復(fù)雜。

與此同時(shí)，大規(guī)模數(shù)字處理器件的快速發(fā)展，更大規(guī)模的數(shù)字陣列雷達(dá)，越來越多地進(jìn)入到了工程研制階段，為干擾測向提供了更多的可能性。干擾入射方向的估計(jì)，屬于波達(dá)方向估計(jì)的范疇。傳統(tǒng)的雷達(dá)，由于系統(tǒng)的自由度不夠，能夠采用的波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)并不多。在數(shù)字陣列中對于波達(dá)方向的估計(jì)，如MUISC、ESPRIT等算法，這些算法雖然測角精度高，但是考慮到雷達(dá)工作的波束駐留時(shí)間很短，工程應(yīng)用中受限于運(yùn)算時(shí)間的要求難以實(shí)現(xiàn)，而對于兩維數(shù)字陣列，其復(fù)雜度進(jìn)一步提高。

1 FFT進(jìn)行空間DOA估計(jì)

對于一均勻線陣，其陣元個(gè)數(shù)為，其陣元間距為，為載波信號的波長。對于遠(yuǎn)場個(gè)窄帶入射信號的時(shí)間平穩(wěn)信號，其如入射角為，其第個(gè)陣元的輸出為

(1)

其中，=1,2,…,-1；()為入射信號。

對比FFT的表達(dá)式為

(2)

其中，F(xiàn)FT后第個(gè)譜峰對應(yīng)的空間采樣點(diǎn)為；_FFT為FFT的點(diǎn)數(shù)，通過對應(yīng)與FFT的關(guān)系，獲得空間采樣頻率，第譜峰對應(yīng)的入射角度為

(3)

對于FFT估計(jì)的角度分辨率，其瑞利限(均勻線陣)由3 dB波束寬度決定為

(4)

2 兩維空間方向估計(jì)

兩維數(shù)字陣列其，分別為行、列陣元間距，行列陣元數(shù)分別為，，其全陣面接收的第個(gè)采樣快拍的數(shù)據(jù)矩陣為

(5)

本文中所提到的干擾測向方法，首先需要進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的選取。需要對兩維子陣平面中，選取一個(gè)“十字架”，見圖1所示，即中間的一行及一列，進(jìn)行干擾測向。對于單個(gè)陣元，陣元的輻射的特性可近似認(rèn)為為全向天線。這樣選取某一列的所有行，見式(6)所示。

(6)

則在方位維可近似認(rèn)為全向波束，俯仰維為一維線陣，可以進(jìn)行俯仰維干擾角度測向。同樣的，選取某一列的所有行，即

()=(0,()1,()…-1,())

(7)

則在俯仰維可近似認(rèn)為全向波束，方位維為一維線陣，可以進(jìn)行方位維干擾角度測向。

圖1 陣面陣元選取平臺示意圖

其對應(yīng)的方位角和俯仰角分別為式(8)和式(9)所述，此角度為陣面坐標(biāo)系下的錐掃描角，n_FFT為FFT點(diǎn)數(shù)。

其中方位角為

(8)

其中俯仰角為

(9)

3 空間方向匹配

為了提高估計(jì)的可信度，干擾估計(jì)需要對多次快拍進(jìn)行處理，假設(shè)共采樣個(gè)快拍，(),=0,1,…,，為天線陣面“列”采樣點(diǎn)；(),=0,1…,，為天線陣面“行”采樣點(diǎn)。通常情況下，由于快拍采樣過程極短，入射干擾角度幾乎沒有變化，那么多次快拍之間干擾入射角度應(yīng)該一致，即個(gè)干擾的入射角度為式(10)所示。

=[(0)(1) …()]

(10)

此外則測得的FFT后的峰值位置也應(yīng)一致。個(gè)快拍個(gè)干擾入射對應(yīng)的譜峰位置的信號如式(11)所示。

(11)

計(jì)算獲得方位維個(gè)干擾方向的次采樣快拍的記錄值為式(12)所示。

=[(0)(1) …()]

(12)

對應(yīng)的譜峰位置的信號為式(13)所示。

(13)

對俯仰維譜峰信號的矩陣×，及方位維譜峰信號的矩陣×，進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算。獲得相關(guān)矩陣為式(14)所示。

(14)

構(gòu)造與相關(guān)矩陣對應(yīng)的角度匹配矩陣，該矩陣并不計(jì)算具體數(shù)值，而是通過對矩陣1×，1×進(jìn)行與×矩陣相同的矩陣運(yùn)算過程，生成角度查找表。如式(15)所示。

(15)

即(,)該點(diǎn)的方位角為()，俯仰角為()。

相關(guān)矩陣×幅度越大則表明相關(guān)性越大，即就是俯仰與方位角度配對程度越高。針對個(gè)干擾通過對相關(guān)矩陣×幅度排序后，獲得個(gè)極值。通過個(gè)極值在×矩陣中的獲得該極值數(shù)據(jù)的下標(biāo)(,)，對比相關(guān)矩陣×與查找表×的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示，從矩陣×中，根據(jù)坐標(biāo)(,)，并找到個(gè)配對的干擾角度(，)，完成干擾角度配對。

圖2 角度配對示意圖

4 實(shí)現(xiàn)流程

首先，設(shè)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)序，增加靜默偵查區(qū)，如圖3所示。干擾測向是為干擾對消提供角度先驗(yàn)知識，所以在干擾測量時(shí)，如果有己方雷達(dá)的輻射信號進(jìn)入干擾測量的通道，在對消時(shí)就會消去己方有用信號。所以需要在雷達(dá)發(fā)射周期中增加靜默區(qū)，此時(shí)不輻射電磁信號，僅接收信號(干擾)。此時(shí)雷達(dá)靜默工作，雷達(dá)陣面處于不發(fā)射僅接收狀態(tài)。

圖3 雷達(dá)工作時(shí)序示意圖

其次，在確定周圍環(huán)境無干擾時(shí)(如天線暗室環(huán)境)，對行(或列)采樣的快拍進(jìn)行FFT，記錄雷達(dá)正常工作時(shí)，統(tǒng)計(jì)雷達(dá)靜默區(qū)的接收機(jī)噪聲電平，并根據(jù)系統(tǒng)需求，當(dāng)正常工作時(shí)靜默區(qū)接收機(jī)噪聲電平大于某一值時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)受到干擾，其中值可由上位機(jī)參數(shù)控制或設(shè)置經(jīng)驗(yàn)值。正常工作時(shí)，如雷達(dá)靜默區(qū)偵聽到的信號高于門限一定數(shù)量時(shí)，判定為系統(tǒng)受到干擾。假設(shè)干擾的個(gè)數(shù)為個(gè)，通常設(shè)置為系統(tǒng)能夠處理的最大干擾個(gè)數(shù)，這取決于系統(tǒng)能夠?qū)垢蓴_的自由度和運(yùn)算能力。

再次，按照第一，二章所述的方法。利用FFT方法進(jìn)行干擾測向，充分利用數(shù)字陣列靈活的優(yōu)勢，單獨(dú)處理“行”，“列”單次采樣快拍進(jìn)行FFT運(yùn)算，可以獲得方位、俯仰維指向干擾角度的FFT峰值點(diǎn)，記錄其幅度是否大于門限值。

最后，采用第三章節(jié)所述方法，對測出的兩維角度進(jìn)行角度匹配，獲得最終的處理結(jié)果。

其處理流程見圖4所示，采用本文所述方法，在某研制雷達(dá)中取得了較好的測量結(jié)果。

圖4 處理流程示意圖

這里通過仿真設(shè)置兩個(gè)干擾源，其入射方向分別為：干擾1入射方位俯仰角為[-5,2]，干擾2入射方位俯仰角為[15,-15]。首先通過干擾估計(jì)可以獲得方位俯仰的分別指向見圖5所示，之后經(jīng)過角度匹配的處理之后，獲得其真實(shí)指向，分別為[-4.99，2.08]，[15.02，-15.06]。

圖5 多次采樣快排進(jìn)行FFT角度估計(jì)

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置兩個(gè)干擾源，且分別使用點(diǎn)頻連續(xù)波和噪聲干擾兩種形式的干擾。由于實(shí)現(xiàn)條件限制，干擾源位置無法靈活變動，這里通過轉(zhuǎn)動天線伺服，測量獲得與天線法線偏離的角度后，通過讀取伺服轉(zhuǎn)動角度值并加到天線法線偏移值上，來獲得測量真值。這里俯仰測試0°和5°，方位測試-5°和5°，即天線法線與伺服碼盤0°對齊時(shí)，兩個(gè)干擾角度為[-5,0]，[5,5]。之后伺服方位每5°轉(zhuǎn)動測試一次，具體測試結(jié)果見表1所示。從表1能夠看到，對噪聲的干擾角度估計(jì)誤差大于對點(diǎn)頻的估計(jì)。噪聲類型干擾角度的估計(jì)誤差大約在0.3°，對點(diǎn)頻類型干擾角度的估計(jì)誤差小于0.1°。

表1 實(shí)際測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過增加雷達(dá)發(fā)射靜默周期，偵聽環(huán)境干擾，同時(shí)通過對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)置的門限閾值，判定是否有干擾進(jìn)入，同時(shí)通過FFT的方法快速形成方向圖，進(jìn)行空域?yàn)V波搜索，獲得方位、俯仰維度的干擾指向角度，之后通過對干擾入射方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)估計(jì)，完成兩個(gè)維度的干擾角度配對處理，獲得配對后的干擾入射角的方位、俯仰兩維角度。具有相應(yīng)速度快的特點(diǎn)，在對測向精度要求不高的場景，可以快速獲得干擾的兩維指向。