劉 鳴,黃 威

(1.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,合肥 230000；2．海軍駐上海滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室, 上海 201206)

自適應(yīng)旁瓣相消算法分析與仿真

劉 鳴1,黃 威2

(1.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,合肥 230000；2．海軍駐上海滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室, 上海 201206)

雷達(dá)工作時(shí)經(jīng)常受到各種有源電子干擾。這些干擾會(huì)影響雷達(dá)的探測(cè)能力,嚴(yán)重時(shí)甚至使其無(wú)法探測(cè)目標(biāo),因而雷達(dá)進(jìn)行抗干擾處理顯得十分重要。本文主要仿真了輔助天線個(gè)數(shù)、輔助天線延時(shí)節(jié)的選擇等對(duì)旁瓣相消性能的影響,并給出了在復(fù)雜電磁環(huán)境下旁瓣對(duì)消的抑制效果。

壓制式干擾；旁瓣相消；輔助天線

0 引 言

作為一種軍用裝備,雷達(dá)用于探測(cè)各類目標(biāo),可以全天候工作,在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)感知中起著無(wú)可替代的作用。但是,隨著新的電子干擾技術(shù)的迅速發(fā)展,干擾機(jī)先進(jìn)的電子干擾措施與手段不斷涌現(xiàn),導(dǎo)致現(xiàn)代雷達(dá)面臨的工作電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。各類形式多樣靈活的干擾對(duì)雷達(dá)的性能和生存產(chǎn)生了嚴(yán)重影響和威脅。為了抑制各種干擾,各種雷達(dá)抗干擾技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。自適應(yīng)旁瓣相消處理是一種重要的雷達(dá)抗有源干擾的技術(shù),可有效提升雷達(dá)的處理性能。一般情況下,雷達(dá)接收天線的主瓣很窄,且增益很高,具有極強(qiáng)的方向性,有源干擾信號(hào)從接收天線的主瓣進(jìn)入的概率很??；而天線的旁瓣很寬,因而很容易接收到干擾信號(hào)。為了抑制干擾,通常天線旁瓣增益都很低,但當(dāng)雷達(dá)處于極強(qiáng)的有源干擾環(huán)境時(shí),旁瓣接收的干擾信號(hào)可能淹沒(méi)主瓣接收的目標(biāo)信號(hào),從而導(dǎo)致雷達(dá)不能正常工作。

本文主要研究雷達(dá)遭受壓制式干擾時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)旁瓣相消處理,介紹自適應(yīng)旁瓣對(duì)消工作原理,分析如何合理選擇輔助天線的個(gè)數(shù)、輔助天線延時(shí)階選擇等參數(shù),從而提高雷達(dá)自適應(yīng)旁瓣相消的能力。

1 自適應(yīng)旁瓣相消工作原理

有源干擾從雷達(dá)接收天線進(jìn)入。當(dāng)干擾信號(hào)很強(qiáng)時(shí),從天線旁瓣進(jìn)入的有源干擾信號(hào)足以影響天線主瓣對(duì)目標(biāo)的探測(cè),此時(shí)應(yīng)降低干擾方向上天線旁瓣的電平。但是,干擾方向不可預(yù)知,同時(shí)天線也在掃描,因此天線的旁瓣相消必須自適應(yīng)工作。旁瓣相消的基本思想就是在波束最大值指向目標(biāo)方向的同時(shí)盡可能地抑制干擾功率，在保證信號(hào)功率為一定值的條件下使輸出的總功率最小化。

假設(shè)主天線的主瓣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)并接收目標(biāo)信號(hào),而干擾信號(hào)從主天線旁瓣進(jìn)入。由于輔助天線為全向天線,且增益較低,略大于主天線的副瓣增益,所以輔助天線接收到的目標(biāo)信號(hào)會(huì)很小,可以近似認(rèn)為輔助天線只接收到干擾信號(hào)。

利用輔助天線接收的干擾信號(hào),自適應(yīng)天線旁瓣相消技術(shù)通過(guò)信號(hào)處理方法對(duì)消掉主天線接收信號(hào)中的干擾信號(hào),以抑制干擾,提高雷達(dá)在干擾條件下檢測(cè)目標(biāo)的能力。自適應(yīng)天線旁瓣相消也是一種空域?yàn)V波技術(shù)。與時(shí)域?yàn)V波相比,空域?yàn)V波的方向圖相當(dāng)于時(shí)域?yàn)V波的頻率響應(yīng),空域?yàn)V波的方向選擇相當(dāng)于時(shí)域?yàn)V波的頻率選擇。

自適應(yīng)旁瓣相消算法原理圖和主輔天線方向圖如圖1所示。

(a)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消的原理框圖

(b)主輔天線方向圖

圖中,N表示具有N個(gè)輔助天線；X表示主天線接收的信號(hào)；Y1,Y2,…,YN表示輔助天線接收的信號(hào)；W1,W2,… ,WN表示加權(quán)系數(shù)；V0表示對(duì)消輸出,用數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為

(1)

(2)

(3)

若▽=0,就可得到最佳權(quán)矢量Wopt,即

或

(4)

當(dāng)式(4)中的自相關(guān)矩陣RYY為非奇異陣時(shí),W可表示為

(5)

式中

這樣, 對(duì)消剩余功率的最小值為

(6)

進(jìn)行旁瓣相消處理時(shí),一般用對(duì)消比(對(duì)消增益)CG來(lái)衡量旁瓣對(duì)消的性能,相當(dāng)于信干比提高的倍數(shù), 其定義為

(7)

式中,n為主天線接收的干擾信號(hào),nr為經(jīng)過(guò)相消處理后的干擾輸出,則對(duì)消比就是對(duì)消前和對(duì)消后的干擾功率之比。

2 輔助天線數(shù)量對(duì)旁瓣相消的影響

雷達(dá)進(jìn)行旁瓣相消處理時(shí),選擇多少個(gè)輔助天線最合適是很重要的。設(shè)n個(gè)輔助天線的自適應(yīng)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)中存在著r個(gè)寬帶獨(dú)立干擾源,則根據(jù)輔助天線與干擾源的相對(duì)數(shù)目,有以下3種情況：

(1) 當(dāng)n=r時(shí),輔助天線數(shù)目等于干擾源數(shù)目,若不考慮噪聲,可以將干擾完全對(duì)消。這是因?yàn)槔胣個(gè)輔助天線在接收方向圖的旁瓣上形成了n個(gè)獨(dú)立的“零點(diǎn)”,可以對(duì)消從n個(gè)方向上來(lái)的干擾信號(hào)。考慮噪聲時(shí),對(duì)消有剩余。因?yàn)樵肼晫?duì)權(quán)值具有擾動(dòng)作用,它使主天線的旁瓣形成的“零點(diǎn)”沒(méi)有完全對(duì)準(zhǔn)干擾機(jī)的方向,使對(duì)消輸出信號(hào)中混有干擾信號(hào)。隨著干擾噪聲比的提高,噪聲的擾動(dòng)作用降低,旁瓣對(duì)消性能將會(huì)提高。

(2) 當(dāng)n>r時(shí),輔助天線數(shù)目大于干擾源數(shù)目,則可以對(duì)消掉干擾信號(hào),若考慮噪聲,則存在對(duì)消剩余。

(3) 當(dāng)n

在仿真中假定雷達(dá)工作空域存在2個(gè)干擾源的情況,分別采用2、3、4個(gè)輔助天線進(jìn)行自適應(yīng)旁瓣對(duì)消。圖2(a)為2個(gè)輔助天線與1個(gè)主天線的位置分布圖,2個(gè)輔助天線關(guān)于主天線相位中心對(duì)稱；圖2(b)為3個(gè)輔助天線與1個(gè)主天線的位置分布圖,輔助天線1、2關(guān)于主天線相位中心對(duì)稱；圖2(c)為4個(gè)輔助天線與1個(gè)主天線的位置分布圖,4個(gè)輔助天線關(guān)于主天線相位中心對(duì)稱。

假設(shè)空間存在2個(gè)帶寬為5 MHz的窄帶干擾源,且干擾源1的入射角為30°,干擾源2的入射角在0°～180°范圍內(nèi)變化；主天線主副比35 dB,輔助天線主輔比5 dB,目標(biāo)距離20 km,主天線接收回波信號(hào)的干噪比為30 dB。分別采用以上3種天線模型進(jìn)行仿真,比較輔助天線數(shù)目不同時(shí),對(duì)于空間存在2個(gè)帶寬為5 MHz的寬帶干擾源的旁瓣對(duì)消性能仿真結(jié)果如圖3和表1所示。

(a) 2個(gè)輔助天線

(b) 3個(gè)輔助天線

(c) 4個(gè)輔助天線

2個(gè)輔助天線3個(gè)輔助天線4個(gè)輔助天線平均對(duì)消比(dB)8．3016．1825．72

由圖3及表1可知,輔助天線個(gè)數(shù)越多,對(duì)消比越大,剩余干擾信號(hào)功率越小,即旁瓣對(duì)消性能越好。根據(jù)雷達(dá)遭受干擾源個(gè)數(shù)不同,經(jīng)過(guò)綜合分析,一般建議同時(shí)遭受2個(gè)干擾源干擾時(shí)選擇3個(gè)輔助天線進(jìn)行旁瓣相消處理比較合適。實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)時(shí),對(duì)干擾信號(hào)的采樣數(shù)量需要特別注意,相消性能與采用的樣本數(shù)有關(guān)。采樣信號(hào)的樣本數(shù)越多越好,計(jì)算權(quán)值的矩陣會(huì)越準(zhǔn)確,權(quán)值的運(yùn)算精度越高,相消性能就越好。但是,樣本數(shù)越大,運(yùn)算量越大,計(jì)算時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)。一般工程實(shí)現(xiàn)時(shí)采樣樣本數(shù)至少大于等于干擾信號(hào)的一個(gè)重復(fù)周期,可取128個(gè)樣本,或者512個(gè)樣本。同時(shí),實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)時(shí),還需要將主通道和輔助通道的幅相進(jìn)行均衡,保證主輔通道的幅相一致性。

圖3 3種輔助天線數(shù)目時(shí)2個(gè)5MHz

3 輔助天線延時(shí)節(jié)選擇

雷達(dá)受到窄帶干擾信號(hào)時(shí),窄帶干擾信號(hào)在空間傳播到達(dá)各個(gè)空間點(diǎn)之間的時(shí)間差所引起的信號(hào)復(fù)包絡(luò)的變化比較大,導(dǎo)致主輔天線間的波程差大,天線接收到信號(hào)相關(guān)性減弱,使得自適應(yīng)旁瓣對(duì)消性能下降,所以復(fù)包絡(luò)的延遲不能被忽略。根據(jù)上面的仿真可以看出,同樣干擾情況下,輔助天線的個(gè)數(shù)越多旁瓣相消的性能越好。能否將輔助天線接收的信號(hào)進(jìn)行延時(shí),等效增加輔助天線的個(gè)數(shù)呢？回波信號(hào)延時(shí)一般有兩種方式,模擬電路延時(shí)和數(shù)字電路延時(shí)。采用模擬電路延時(shí)需要對(duì)延時(shí)信號(hào)進(jìn)行鑒相處理,增加額外的硬件。經(jīng)過(guò)綜合考慮,采用數(shù)字延時(shí)得到延時(shí)節(jié)信號(hào)。按照“輔助天線數(shù)量對(duì)旁瓣相消的影響”中的干擾源和輔助天線位置條件,對(duì)2個(gè)輔助天線、3個(gè)輔助天線和4個(gè)輔助天線的回波信號(hào)分別增加1路數(shù)字延時(shí)節(jié)、2路數(shù)字延時(shí)節(jié)和3路數(shù)字延時(shí)節(jié)進(jìn)行仿真。

表2表示為2個(gè)固定干擾源采用旁瓣對(duì)消前、不加延時(shí)節(jié)旁瓣對(duì)消后、加1個(gè)延時(shí)節(jié)旁瓣對(duì)消后、加2個(gè)延時(shí)節(jié)旁瓣對(duì)消后、加3個(gè)延時(shí)節(jié)旁瓣對(duì)消后等5種情況下回波信號(hào)進(jìn)行旁瓣相消的性能對(duì)比。由表2可定性看出,(1)增加輔助天線的延時(shí)節(jié),可以提升旁瓣相消的性能；(2)當(dāng)輔助天線數(shù)目較少時(shí),增加輔助天線延時(shí)節(jié)的性能提升有限；(3)當(dāng)輔助天線較多時(shí),增加輔助天線延時(shí)節(jié)后旁瓣相消的性能提升明顯,且不是線性增加。

表2 輔助天線個(gè)數(shù)不同、延時(shí)節(jié)個(gè)數(shù)不同時(shí)的平均對(duì)消比

圖4是某警戒雷達(dá)遭受有源干擾后采取旁瓣相消和自適應(yīng)快門限恒虛警措施前后的處理效果圖。圖4(a)是未采取抗干擾措施的處理結(jié)果,圖4(b)是采取抗干擾措施后的處理結(jié)果。從圖4中可看出,旁瓣相消具有較好的性能,能夠提升雷達(dá)的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了旁瓣相消的原理和對(duì)消性能分析,然后通過(guò)仿真分析了進(jìn)行旁瓣相消處理時(shí)輔助天線個(gè)數(shù)和輔助天線延時(shí)節(jié)對(duì)旁瓣相消性能的影響。自適應(yīng)旁瓣相消是一種有效的抗有源連續(xù)波干擾的處理方法,可極大地提升雷達(dá)在遭受有源連續(xù)波干擾下的性能,其能夠應(yīng)用在各種體制的雷達(dá)中。

[1] 陳伯孝.現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2012.

[2] 趙國(guó)慶.雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

[3] 向敬成,張明有.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2001.

Analysis and simulation of adaptive sidelobe cancellation algorithm

LIU Ming1, HUANG Wei2

(1.Military Representatives Office of the PLA Navy in Hefei,Hefei 230000；2.Military RepresentativesOffice of the PLA Navy in Shanghai Hudong Zhonghua Shipbuilding(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 201206)

Radar is often interfered by various active electronic jamming in operation, which can affect the radar detection performance, and even make it unable to detect the targets. Therefore, it is very important for the radar to perform the anti-jamming processing. The effect of the number of the auxiliary antennas and the selection of the delay nodes on the sidelobe cancellation performance is simulated, and the suppression effects of the sidelobe cancellation are given in the complex electromagnetic environment.

barrage jamming; sidelobe cancellation; auxiliary antenna

2017-01-23；

2017-03-01

劉鳴(1983-),男,工程師,碩士,研究方向：雷達(dá)電子；黃威(1982-),男,工程師,碩士,研究方向：雷達(dá)電子。

TN973.3

A

1009-0401(2017)01-0005-04