自適應(yīng)多門限副瓣匿影電路設(shè)計(jì)與仿真*

朱 平

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225001）

1 引言

隨著電子對(duì)抗技術(shù)的高速發(fā)展，電子戰(zhàn)裝備可以在全頻段、全空域產(chǎn)生大功率、有針對(duì)性的強(qiáng)電磁干擾，使得各型雷達(dá)面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境極其惡劣，導(dǎo)致雷達(dá)探測性能嚴(yán)重下降。因此對(duì)于一部雷達(dá)來說，抗干擾性能的高低已經(jīng)成為一項(xiàng)重要指標(biāo)，決定了雷達(dá)在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的生命力。

按照干擾信號(hào)的生成原理分類，可分為遮蓋性干擾、欺騙性干擾以及兩者的組合干擾。在雷達(dá)抗干擾措施中，副瓣匿影技術(shù)是一種有效的消除從雷達(dá)天線副瓣進(jìn)入的密集假目標(biāo)干擾的有效手段，在現(xiàn)役雷達(dá)中獲得了廣泛應(yīng)用［1～3］。但是目前常用的典型副瓣匿影電路在微弱小目標(biāo)檢測、密集假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)回波時(shí)域重合等情況下，會(huì)出現(xiàn)真實(shí)目標(biāo)被匿影掉的問題［4～5］。據(jù)此，本文在對(duì)典型副瓣匿影電路性能分析的基礎(chǔ)上，提出了一種自適應(yīng)多門限判決副瓣匿影電路設(shè)計(jì)方法，給出了電路結(jié)構(gòu)、判斷邏輯，并進(jìn)行了理論分析和仿真。結(jié)果表明：該方法在有效抑制副瓣假目標(biāo)干擾的同時(shí)，能夠解決真實(shí)目標(biāo)回波被匿影而導(dǎo)致檢測概率下降的問題。

2 典型副瓣匿影電路設(shè)計(jì)及存在的問題

典型副瓣匿影電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型副瓣匿影電路結(jié)構(gòu)圖

如圖所示：采用副瓣匿影電路的雷達(dá)系統(tǒng)包括兩路接收通道，其中一路為雷達(dá)主接收通道，另一路為輔助接收通道，一般輔助通道天線增益比雷達(dá)主天線最大副瓣增益高1dB～3dB；兩路信號(hào)經(jīng)過相同的接收處理模塊，再對(duì)相同距離點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度比較，以此判斷是否進(jìn)行匿影操作。由于在雷達(dá)主天線主瓣進(jìn)入的目標(biāo)信號(hào)幅度大于輔助通道信號(hào)幅度，因此幅度比值大于匿影門限，目標(biāo)信號(hào)可以通過匿影電路；而副瓣假目標(biāo)干擾在主通道產(chǎn)生的信號(hào)幅度小于輔助通道接收到的幅度，因此會(huì)被匿影掉，保證了雷達(dá)的正常探測［6～7］。

在實(shí)際雷達(dá)探測時(shí)，對(duì)于雷達(dá)主通道回波存在以下四種情況：1）主瓣沒有目標(biāo)回波信號(hào)，副瓣也沒有欺騙假目標(biāo)干擾信號(hào)；2）主瓣沒有目標(biāo)回波信號(hào)，副瓣有欺騙假目標(biāo)干擾信號(hào)；3）主瓣有目標(biāo)回波信號(hào)，副瓣沒有欺騙假目標(biāo)干擾信號(hào)；4）主瓣有目標(biāo)回波信號(hào)，副瓣有欺騙假目標(biāo)干擾信號(hào)。

對(duì)于情況1）雷達(dá)接收處理電路應(yīng)無輸出，否則會(huì)形成虛警；對(duì)于情況2）雷達(dá)處理電路應(yīng)使能匿影功能，將副瓣假目標(biāo)干擾抑制掉；對(duì)于情況3）和4）無論副瓣有、無欺騙干擾信號(hào)，雷達(dá)處理電路都應(yīng)輸出真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)，否則就是加入副瓣匿影電路后，雷達(dá)的檢測概率損失了［8～10］。

但是在實(shí)際工作時(shí)，由于副瓣匿影電路的存在，會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：

1）由于主、輔通道的噪聲是隨機(jī)分布的，因此會(huì)以有限的概率出現(xiàn)輔助通道噪聲幅度大于主通道噪聲和微弱小目標(biāo)信號(hào)幅度之和的情況，此時(shí)匿影電路啟動(dòng)，會(huì)將微弱小目標(biāo)信號(hào)匿影掉，目標(biāo)檢測概率下降；雷達(dá)系統(tǒng)在面對(duì)噪聲和假目標(biāo)組合干擾時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)上述情況。

設(shè)置仿真參數(shù)如下：信噪比SNR=-16∶0.5∶0dB，主、輔通道隨機(jī)產(chǎn)生均值為0，方差為1的高斯白噪聲，匿影門限設(shè)置為F=0dB，虛警概率設(shè)置為Pfa=10-6，仿真次數(shù)10000 次，以單脈沖脈壓后的信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)檢測，如圖2所示。

圖2 有、無副瓣匿影措施時(shí)的檢測概率仿真

如圖2所示：當(dāng)信噪比SNR約為-8dB～-2dB區(qū)間時(shí)，未采用副瓣匿影電路的檢測概率，較采用副瓣匿影電路的檢測概率明顯要高。說明在此區(qū)間內(nèi)由于采用副瓣匿影電路，導(dǎo)致了雷達(dá)系統(tǒng)的檢測概率降低。

2）當(dāng)干擾機(jī)釋放密集假目標(biāo)干擾時(shí)，會(huì)以有限的概率出現(xiàn)真實(shí)目標(biāo)和密集假目標(biāo)在時(shí)間上重疊的情況。在這種情況下由于無法判定干擾源的方向，不知道假目標(biāo)干擾進(jìn)入主通道的副瓣天線增益，因此會(huì)導(dǎo)致檢測門限選擇不當(dāng)，從而導(dǎo)致真實(shí)目標(biāo)被匿影掉的情況。

設(shè)置仿真參數(shù)如下：主天線主瓣增益G0=30dB，副瓣增益Gf=0dB，輔助天線增益Ga=3dB；設(shè)置真實(shí)目標(biāo)回波1批，假目標(biāo)干擾6批，真實(shí)目標(biāo)與其中1 批假目標(biāo)距離上完全重合，干信比JSR=30dB，主通道信噪比SNR=15dB，主、輔通道噪聲信號(hào)分布特性一致，均為高斯白噪聲；在該場景下檢測下：匿影門限分別設(shè)置為0dB、3dB 時(shí)的匿影處理結(jié)果見圖3。

圖3 真、假目標(biāo)時(shí)域重合時(shí)不同門限下的匿影效果

如圖3 所示：當(dāng)副瓣密集假目標(biāo)信號(hào)與真實(shí)目標(biāo)時(shí)間上重合，匿影門限設(shè)置為0dB 時(shí)，可以正常檢測出真實(shí)目標(biāo)；但當(dāng)匿影門限為3dB 時(shí)，目標(biāo)會(huì)被匿影掉。因此在該情況下選擇一個(gè)合適的匿影門限成為關(guān)鍵［11］。

3 多門限聯(lián)合判決副瓣匿影電路設(shè)計(jì)及分析

針對(duì)上節(jié)所分析的典型副瓣匿影電路存在的兩個(gè)問題，本文對(duì)經(jīng)典副瓣匿影電路進(jìn)行了改進(jìn)。在原判決電路基礎(chǔ)上：一方面增加了輔助通道恒虛警門限，另一方面對(duì)通過主、輔通道恒虛警門限的信號(hào)做匿影處理時(shí)，采用自適應(yīng)計(jì)算的方法設(shè)定匿影門限。主要分析說明如下所述。

3.1 輔助通道匿影門限設(shè)置

如第2 節(jié)所述，當(dāng)存在輔助通道噪聲幅度大于主通道噪聲加微弱小目標(biāo)信號(hào)幅度的情況，以及面對(duì)副瓣噪聲和假目標(biāo)組合干擾時(shí)，會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)檢測概率損失的情況。因此在輔助通道同樣設(shè)置一個(gè)恒虛警檢測門限，當(dāng)輔助通道信號(hào)大于該檢測門限時(shí)，說明當(dāng)前距離單元不僅存在噪聲，還有干擾信號(hào)，此時(shí)才進(jìn)行后續(xù)匿影判決，否則直接輸出主通道信號(hào)。采用該措施后有助于提高雷達(dá)系統(tǒng)的檢測靈敏度，提高這種場景下微弱小目標(biāo)信號(hào)的檢測概率［12～13］。

以沒有外部干擾，僅存在通道噪聲時(shí)為例，輔助通道檢測門限設(shè)置為其中：σ2為噪聲方差，Pfa為虛警概率。

3.2 自適應(yīng)判決門限設(shè)置

從上一節(jié)分析可知，當(dāng)真實(shí)目標(biāo)距離與假目標(biāo)距離重合，且匿影門限選擇不合適時(shí)，會(huì)導(dǎo)致真實(shí)目標(biāo)被匿影掉的情況，因此本文提出一種自適應(yīng)判決門限設(shè)置方法。

根據(jù)副瓣匿影工作原理可知，一般輔助通道天線增益比主通道第一副瓣天線增益大1dB～3dB。在雷達(dá)正常探測時(shí)，主、輔通道接收到的信號(hào)分別可表示為

式中：XZ表示主通道接收到的信號(hào)；XF表示輔助通道接收到的信號(hào)；G0為主通道主瓣天線增益；G1為主通道副瓣天線增益；G2為輔助通道天線增益；S為真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)；J為密集假目標(biāo)干擾信號(hào)；N1和N2分別為主、輔通道噪聲［14～16］。

根據(jù)上式，在主、輔通道采用相同的接收處理電路時(shí)，主、輔通道接收到的干擾信號(hào)比值為

但是在雷達(dá)探測時(shí)，一般的雷達(dá)無法準(zhǔn)確的估計(jì)干擾源相對(duì)雷達(dá)的具體方位，因此上式中的G1是未知的，且一般雷達(dá)天線的最大副瓣增益與最小副瓣增益相差能夠達(dá)到20dB 以上［17～18］，所以無法根據(jù)主、輔通道的天線增益，來確定匿影門限。

為此我們基于以下兩點(diǎn)合理的假設(shè)，提出一種匿影門限的自適應(yīng)估計(jì)方法：

1）由于目前大部分雷達(dá)均采用低副瓣天線，第一副瓣增益相對(duì)主瓣增益可做到-30dB 以下，而輔助天線增益與主天線第一副瓣增益相當(dāng)，同時(shí)一般干擾機(jī)釋放的假目標(biāo)干擾幅度要遠(yuǎn)大于真實(shí)目標(biāo)回波，因此輔助通道接收到的真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)可以忽略，認(rèn)為輔助通道僅接收到假目標(biāo)干擾信號(hào)；

2）若出現(xiàn)密集假目標(biāo)干擾與真實(shí)目標(biāo)回波干擾時(shí)域上完全重合的情況，一般來說當(dāng)前場景下干擾機(jī)釋放的假目標(biāo)個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真實(shí)目標(biāo)個(gè)數(shù)。

因此基于上述兩點(diǎn)假設(shè)，我們將匿影門限設(shè)置為

式中XF' 表示輔助通道超過檢測門限的信號(hào)，mean(XF')即為輔助通道超過檢測門限的信號(hào)的幅度平均值；mean(XZ')為輔助通道超過檢測門限的信號(hào)對(duì)應(yīng)距離單元點(diǎn)的主通道信號(hào)的幅度平均值。

采用這種自適應(yīng)門限估計(jì)的方法無需知道干擾源的具體方向，僅需對(duì)主、輔通道對(duì)應(yīng)的距離單元中通過恒虛警門限后的信號(hào)，分別求平均值，再做一次匿影判決即可，實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)簡單，可操作性強(qiáng)。

3.3 改進(jìn)后的副瓣匿影電路結(jié)構(gòu)

結(jié)合3.1節(jié)和3.2節(jié)分析，改進(jìn)后的副瓣匿影電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的副瓣匿影電路

如圖4 所示：主、輔通道信號(hào)分別進(jìn)行接收處理，然后進(jìn)行恒虛警檢測；對(duì)輔助通道超過恒虛警檢測門限的信號(hào)，利用對(duì)應(yīng)距離單元點(diǎn)上主、輔通道信號(hào)求平均值，計(jì)算得到匿影門限，然后進(jìn)行匿影操作；而對(duì)于輔助通道未超過恒虛警檢測門限的信號(hào)對(duì)應(yīng)的距離單元，則直接輸出主通道信號(hào)。

圖4 中判定真實(shí)目標(biāo)存在的邏輯表達(dá)式可表示為

式中：“·”表示邏輯與，“+”表示邏輯或；上式包括兩層含義：

“雙11”開啟當(dāng)晚，天貓2分零5秒成交額超過100億元；一小時(shí)達(dá)到672.6億元（接近100億美金）；15小時(shí)49分39秒，破2017年11月11日全天交易額；22小時(shí)28分37秒，成交額突破2000億元。2135億元，是2018年天貓“雙11”的最終成交額，相比去年增漲了26.93%。

1）當(dāng)前距離單元沒有外部假目標(biāo)干擾時(shí)，當(dāng)主通道信號(hào)超過恒虛警門限，而輔助通道信號(hào)沒有超過恒虛警門限時(shí)，此時(shí)不執(zhí)行匿影操作，直接輸出主通道信號(hào)，這樣有助于提高微弱目標(biāo)的檢測概率；

2）當(dāng)前距離單元存在外部假目標(biāo)干擾時(shí)，首先利用主、輔通道信號(hào)計(jì)算匿影門限F0，然后對(duì)主、輔通道超過恒虛警門限的信號(hào)采用F0作為匿影門限，這樣有助于提高真、假目標(biāo)時(shí)域重合時(shí)的目標(biāo)檢測概率。

采用改進(jìn)后的副瓣匿影電路，判斷邏輯見下表1。

表1 改進(jìn)后的副瓣匿影電路判斷邏輯

如表1 所示：Um、Vm和R，這3 個(gè)參數(shù)中“1”表示當(dāng)前距離單元信號(hào)幅度超過恒虛警門限，“0”表示當(dāng)前距離單元信號(hào)幅度未超過恒虛警門限，“*”表示取任意值；輸出信號(hào)中“+”表示輸出主通道信號(hào)；“-”表示主通道信號(hào)被匿影掉。表1可解釋為

1）當(dāng)Um=1，Vm=0 時(shí)，表示主通道信號(hào)超過門限而輔助通道信號(hào)未超過門限，直接輸出主通道信號(hào)；

2）當(dāng)Um=0，Vm=1 時(shí)，表示此時(shí)主通道信號(hào)未超過門限而輔助通道信號(hào)超過門限，說明當(dāng)前副瓣干擾信號(hào)幅度較低，或進(jìn)入主通道的天線增益很低，此時(shí)主通道信號(hào)被匿影掉；

3）當(dāng)Um=1，Vm=1，Um-Vm≥F0時(shí)，表示主、輔通道信號(hào)均超過檢測門限，且兩者之差大于匿影門限，則輸出主通道信號(hào)；

對(duì)于該判斷邏輯，會(huì)在下一節(jié)仿真試驗(yàn)中詳細(xì)說明。

4 仿真試驗(yàn)

針對(duì)前兩節(jié)所述內(nèi)容，本節(jié)通過仿真試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比說明。

仿真試驗(yàn)一：兩種副瓣匿影電路針對(duì)無干擾狀態(tài)下，微弱目標(biāo)的檢測概率仿真。

設(shè)置參數(shù)為主通道信噪比SNR=-16∶0.5∶0dB，主、輔通道隨機(jī)產(chǎn)生均值為0，方差為1的高斯白噪聲；虛警概率設(shè)置為Pfa=10-6；循環(huán)次數(shù)設(shè)置為10000 次；同樣以單脈沖脈壓后的信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)檢測［19～20］，常規(guī)副瓣匿影電路匿影門限仍然設(shè)置為F=0dB，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 僅存在小目標(biāo)時(shí)的檢測概率仿真

如圖5 所示當(dāng)無副瓣假目標(biāo)干擾而僅存在微弱小目標(biāo)時(shí)，采用改進(jìn)后的副瓣匿影電路的檢測概率與無副瓣匿影電路時(shí)的檢測概率相當(dāng)；而當(dāng)信噪比約為-8dB～-2dB時(shí)，則明顯高于常規(guī)副瓣匿影電路的檢測概率。

仿真試驗(yàn)二：信噪比一定情況下，改進(jìn)的副瓣匿影電路在干信比變化時(shí)的檢測情況仿真

主天線主瓣增益G0=30dB ；輔助天線增益Ga=3dB；設(shè)假目標(biāo)從主天線的第一副瓣進(jìn)入，即副瓣增益Gf=0dB；設(shè)置真實(shí)目標(biāo)批數(shù)3 批，距離分別為15.75km、27.96km、45.75km處，發(fā)射脈寬T=10us；設(shè)置假目標(biāo)批數(shù)6 批，距離分別為19.96km、23.96km、27.96km、31.96 km、35.96 km、39.96 km處，產(chǎn)生的信號(hào)波形與目標(biāo)回波一致；主通道信噪比SNR=15dB，主、輔通道噪聲分布特性一致；外部天線端口輸入處干信比JSR分別設(shè)置為10dB、20dB、30dB、40dB；仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 干信比為30dB時(shí)的主、輔通道信號(hào)

圖7 干信比分別為10dB、20dB、30dB、40dB時(shí)的匿影效果

圖6 所示為JSR=30dB 時(shí)主、輔通道接收到的信號(hào)波形，其中一批真實(shí)目標(biāo)與假目標(biāo)干擾距離上重合，輔助通道接收到的真實(shí)目標(biāo)回波很弱，在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)；圖7 所示當(dāng)JSR=10dB 時(shí)，主通道未檢測到干擾信號(hào)，因此在假目標(biāo)對(duì)應(yīng)的距離單元處無輸出；當(dāng)干信比JSR分別為20dB、30dB、40dB 時(shí)，采用改進(jìn)后的副瓣匿影電路，匿影門限隨著輸入干擾信號(hào)幅度的變化而自適應(yīng)調(diào)整，因此可以準(zhǔn)確地檢測出目標(biāo)回波信號(hào)，同時(shí)將假目標(biāo)干擾信號(hào)濾除掉；而此時(shí)如果采用固定門限，當(dāng)干信比變化時(shí)，則不能保證目標(biāo)檢測概率和假目標(biāo)干擾匿影概率兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)滿足要求。

仿真試驗(yàn)三：信噪比和干信比一定情況下，假目標(biāo)干擾入射角度變化時(shí)的檢測情況。

仿真參數(shù)：干信比JSR=30dB；假目標(biāo)干擾入射角度處主天線副瓣增益分別為-20dB、-10dB、-5dB、0dB；其它仿真參數(shù)同仿真試驗(yàn)二；仿真結(jié)果見圖8。

圖8 假目標(biāo)干擾入射角度變化時(shí)的匿影效果

如圖8 所示：隨著假目標(biāo)入射角度變化，主、輔通道接收到的假目標(biāo)干擾信號(hào)幅度也隨之變化，采用自適應(yīng)匿影門限判決后，可以正確地檢測出真實(shí)目標(biāo)回波而將假目標(biāo)干擾剔除掉。

5 結(jié)語

本文在詳細(xì)分析典型副瓣匿影電路的基礎(chǔ)上，針對(duì)其存在的兩個(gè)問題，即微弱小目標(biāo)檢測概率降低問題，真、假目標(biāo)距離重合時(shí)真實(shí)目標(biāo)可能被匿影的問題；提出了一種改進(jìn)的副瓣匿影電路結(jié)構(gòu)，即增加輔助通道恒虛警門限，和采用自適應(yīng)匿影門限判決兩個(gè)措施，并對(duì)此進(jìn)行了理論分析和仿真。仿真結(jié)果表明：采用改進(jìn)后的自適應(yīng)多門限判決副瓣匿影電路，可以有效提高在微弱小目標(biāo)檢測和面對(duì)密集假目標(biāo)干擾時(shí)的檢測概率。