繆穎杰 劉飛峰,2 田 倫 劉泉華,2

(1. 北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所,北京 100081;2. 衛(wèi)星導(dǎo)航電子信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京理工大學(xué)),北京 100081)

1 引言

現(xiàn)代電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重壓縮了傳統(tǒng)單基地雷達(dá)的生存空間。組網(wǎng)雷達(dá)是一種能夠有效應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境的雷達(dá)體制。相比于單基地雷達(dá),組網(wǎng)雷達(dá)不僅擁有更強(qiáng)的生存能力,同時(shí)借助多節(jié)點(diǎn)觀測充分利用了目標(biāo)的空間頻率等分集特性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)探測性能的提升。電子干擾是復(fù)雜電磁環(huán)境的重要組成部分,組網(wǎng)雷達(dá)能夠有效應(yīng)對(duì)欺騙干擾[1,8],而對(duì)于壓制式干擾,尤其當(dāng)干擾源和目標(biāo)位于同一波瓣時(shí),使用傳統(tǒng)單節(jié)點(diǎn)處理方法的組網(wǎng)雷達(dá)會(huì)同時(shí)抑制干擾信號(hào)和目標(biāo)回波,無法實(shí)現(xiàn)有效探測[9]。

本文針對(duì)工作在單點(diǎn)輻射源環(huán)境中的大基線組網(wǎng)雷達(dá),設(shè)計(jì)了一種相參、非相參處理相結(jié)合的自適應(yīng)對(duì)消方法。并通過信號(hào)級(jí)仿真,初步驗(yàn)證了算法對(duì)單點(diǎn)輻射源的抑制效果。

2 單點(diǎn)輻射源環(huán)境下的組網(wǎng)雷達(dá)信號(hào)模型

假設(shè)雷達(dá)網(wǎng)由M個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)組成,其中包含1個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)以及M-1個(gè)接收節(jié)點(diǎn)(不失一般性,取節(jié)點(diǎn)1為發(fā)射節(jié)點(diǎn)),各個(gè)節(jié)點(diǎn)位于Rk,k=1,...,M。觀測場景中存在一由N個(gè)點(diǎn)散射體組成復(fù)雜目標(biāo)，其位置分別為Xn,n=1,...,N。假設(shè)雷達(dá)網(wǎng)采用同步掃描方式,則各節(jié)點(diǎn)處單個(gè)點(diǎn)散射體回波形如下式:

(1)

(2)

圖1 典型單點(diǎn)輻射源環(huán)境示意圖Fig.1 Typical single point radiation source environment

假設(shè)發(fā)射信號(hào)的帶寬不足以分辨各個(gè)點(diǎn)散射體,且各散射點(diǎn)的RCS質(zhì)心位于坐標(biāo)X0,上式可近似為:

(3)

其中

(4)

類似的,各節(jié)點(diǎn)接收到的干擾信號(hào)有如下形式:

(5)

上式中J為干擾源位置坐標(biāo),可得到各節(jié)點(diǎn)接收信號(hào):

+

(6)

式中wgnk(t)為節(jié)點(diǎn)k內(nèi)的高斯白接收機(jī)噪聲。

當(dāng)組成目標(biāo)的散射體的個(gè)數(shù)N足夠大,且各散射體具有相近的散射特性時(shí)(即目標(biāo)的起伏特性符合Swerling-I模型),可以證明σk服從0均值的循環(huán)對(duì)稱的復(fù)高斯分布[2],即

σk～CN(0,σ)

(7)

其中為σ為目標(biāo)RCS均值。

圖2 干擾前后脈壓信號(hào)對(duì)比Fig.2 Comparison of pulse-compressed signals with or without interference

上圖為干擾源開機(jī)前后脈壓接收信號(hào)對(duì)比,可以看出由于INR遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SNR(超過30 dB),干擾信號(hào)完全壓制目標(biāo)回波。

3 大基線組網(wǎng)雷達(dá)自適應(yīng)處理算法

當(dāng)干擾源位于天線旁瓣區(qū)域時(shí),傳統(tǒng)自適應(yīng)波束形成算法能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效的抑制,極大地提高輸出信號(hào)的信干噪比。但當(dāng)干擾源進(jìn)入天線的主瓣區(qū)域時(shí),傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成算法會(huì)導(dǎo)致旁瓣抬高、波束畸變以及波峰偏移問題[3,5- 6,10]。在干擾源和目標(biāo)位于各個(gè)節(jié)點(diǎn)相同波瓣,且隨目標(biāo)移動(dòng)的情況下,組網(wǎng)雷達(dá)各節(jié)點(diǎn)均無法獨(dú)立完成自適應(yīng)對(duì)消。

針對(duì)這種情況,本文提出一種先進(jìn)行雙節(jié)點(diǎn)對(duì)消然后融合不同對(duì)消輸出的自適應(yīng)處理算法,處理流程圖如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)自適應(yīng)波束形成抗主瓣干擾效果示意圖Fig.3 The output of traditional adaptive beamforming against main lobe interference

圖4 算法處理流程
Fig.4 The flowchart of the algorithm

3.1 包絡(luò)對(duì)齊

為了實(shí)現(xiàn)雙節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)對(duì)消,首先需要對(duì)接收信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行對(duì)齊。通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行上采樣及互相關(guān)處理可對(duì)干擾源和各接收節(jié)點(diǎn)之間的傳播延時(shí)之差進(jìn)行估計(jì),進(jìn)而通過線性相位矯正實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)中干擾分量的包絡(luò)對(duì)齊。

以節(jié)點(diǎn)1的回波作為參考，對(duì)齊后信號(hào)有如下表達(dá)式:

Δτk(X0))exp( -j2πfc[τk(X0)])+

(8)

當(dāng)J與X0之間距離較小時(shí)，Δτk(X0)之間的差異可以忽略，上式可近似為：

(9)

該近似成立需要滿足|Δτk(X0)|≤1/5B。

當(dāng)J與X0之間距離較小時(shí)，Δτk(X0)之間的差異可以忽略，上式可近似為：

(10)

該近似成立需要滿足|Δτk(X0)|≤1/5B。

圖5為基線長度200 km的5節(jié)點(diǎn)均勻直線型雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)(雷達(dá)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(-100,-300) km、(-50,-300) km、(0,-300) km、(50,-300) km、(100,-300) km)觀測不同位置目標(biāo)時(shí)的對(duì)齊差異可忽略區(qū)域，圖中白點(diǎn)為目標(biāo)位置，當(dāng)干擾源位于對(duì)應(yīng)的菱形區(qū)域時(shí)，目標(biāo)包絡(luò)的對(duì)齊誤差可以忽略。

圖5 包絡(luò)對(duì)齊差異可忽略區(qū)域Fig.5 Area with negligible alignment error in target’s envelop

本文假設(shè)干擾位于該包絡(luò)對(duì)齊可忽略區(qū)域內(nèi)。否則，由于目標(biāo)包絡(luò)沒有對(duì)齊，后續(xù)處理中會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)包絡(luò)的分裂甚至產(chǎn)生虛假目標(biāo)。

3.2 雙節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)對(duì)消

式(10)與傳統(tǒng)陣列雷達(dá)信號(hào)模型類似,依據(jù)LCMV準(zhǔn)則可以得到使用全部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)對(duì)消的最優(yōu)波束形成系數(shù),即:

(11)

其中R為理想?yún)f(xié)方差矩陣,在實(shí)際信號(hào)處理中需要替換為采樣協(xié)方差矩陣,對(duì)應(yīng)的波束形成系數(shù)為[4,7,9]:

(12)

處理后的信號(hào)為:

(13)

對(duì)于單個(gè)陣列雷達(dá),σk的幅相變化可以忽略。但在大基線組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)中,σk的相位和幅度均非常數(shù),直接累加會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的能量損失。

為了盡可能避免這種損失,本文將參與對(duì)消的節(jié)點(diǎn)數(shù)目減少,僅在雙節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行自適應(yīng)對(duì)消。由式(13)可以得到各個(gè)雙節(jié)點(diǎn)對(duì)消的輸出信號(hào),其表達(dá)式為:

(14)

式(14)中的σkl=σk+σl,可以視作該節(jié)點(diǎn)對(duì)組成的組網(wǎng)雷達(dá)觀測到的目標(biāo)散射系數(shù),由式(7)以及σk、σl之間的獨(dú)立性可知:

σkl～CN(0,2σ)

(15)

值得注意的是,式(14)中的σkl和wgn′(t)僅在沒有公共節(jié)點(diǎn)的雙節(jié)點(diǎn)組合之間保持獨(dú)立。

3.3 數(shù)據(jù)篩選融合

數(shù)據(jù)融合是組網(wǎng)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)性能提升的關(guān)鍵步驟,本文通過能量累積實(shí)現(xiàn)雙節(jié)點(diǎn)對(duì)消輸出的數(shù)據(jù)融合。

為了保證數(shù)據(jù)融合的效果,將輸出信號(hào)中的噪聲功率統(tǒng)一,將自適應(yīng)波束形成因子修正為:

(16)

由于包絡(luò)對(duì)齊存在誤差,輸出信號(hào)中存在對(duì)消殘余,這會(huì)嚴(yán)重影響融合后的信號(hào)質(zhì)量。為解決該問題,本文借助無回波快拍對(duì)輸出信號(hào)的INR進(jìn)行評(píng)估,僅允許INR較小的雙節(jié)點(diǎn)對(duì)消輸出參與融合。

4 算法仿真及結(jié)果分析

取M=5個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)組成總基線長度為200 km的均勻直線型雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)。場景中心位于距離雷達(dá)基線300 km處,其中目標(biāo)(包含N=6個(gè)各向同性點(diǎn)散射體)位于中央節(jié)點(diǎn)正前方,干擾源和目標(biāo)之間存在200 m 的方位向偏移，由圖5可知，該干擾源位于對(duì)齊差異可忽略區(qū)域。

各雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)以及目標(biāo)點(diǎn)散射體的參數(shù)如表 1、表 2所示。

表1 雷達(dá)參數(shù)

表2 點(diǎn)散射體參數(shù)

4.1 包絡(luò)對(duì)齊仿真結(jié)果

圖6為對(duì)齊效果的示意圖,從圖中可以看出包絡(luò)對(duì)齊的效果非常明顯。由于各節(jié)點(diǎn)接收回波的INR達(dá)到了43 dB,借助上采樣以及各節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)之間的互相關(guān)處理可以得到很高精度的相對(duì)傳播延時(shí)估計(jì)。

圖6 包絡(luò)對(duì)齊示意圖Fig.6 Time delay alignment

4.2 雙節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)對(duì)消仿真結(jié)果

圖7為雙節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)對(duì)消效果示意圖,圖中藍(lán)線表示常規(guī)波束形成的輸出信號(hào),紅線表示自適應(yīng)波束形成的輸出信號(hào),可以看出對(duì)消的效果非常明顯,但是也存在部分雙節(jié)對(duì)的對(duì)消殘余較大(節(jié)點(diǎn)對(duì)(1,4)、(1,5)以及(2,5)),其整體平均功率明顯高于其余雙節(jié)點(diǎn)組合。

圖7 雙節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)對(duì)消效果示意圖Fig.7 The output of dual-node cancellation

從圖7中同樣可以發(fā)現(xiàn)不同雙節(jié)點(diǎn)對(duì)消輸出的目標(biāo)回波能量有非常明顯的差異。除去式(14)中σkl之間的幅度差異,式(16)中歸一化后的自適應(yīng)波束形成系數(shù)導(dǎo)致的目標(biāo)能量損失也是不可忽略的因素。

4.3 篩選融合仿真結(jié)果

圖8為篩選前后數(shù)據(jù)融合效果的對(duì)比圖,可以發(fā)現(xiàn)通過對(duì)輸出信號(hào)的INR進(jìn)行評(píng)估可以有效的避免對(duì)消殘余較高的數(shù)據(jù)對(duì)融合結(jié)果的影響,有效地提高輸出信噪比。

在實(shí)際的信號(hào)處理中需要根據(jù)實(shí)際參與融合的對(duì)消輸出數(shù)目調(diào)整目標(biāo)檢測的門限。

圖8 篩選前后融合結(jié)果對(duì)比圖Fig.8 Comparison of fusion results with or without channel-selection

5 結(jié)論

本文提出了一種先進(jìn)行雙節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)對(duì)消,再對(duì)對(duì)消輸出進(jìn)行能量累積的信號(hào)處理算法。從信號(hào)級(jí)仿真的結(jié)果可以看出,該算法能夠在有效去除回波中的干擾分量的同時(shí),保留組網(wǎng)雷達(dá)利用目標(biāo)RCS空間分集的特性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效觀測。 該算法同樣存在一些問題，主要包括無法應(yīng)對(duì)多個(gè)輻射源、無法應(yīng)對(duì)位于對(duì)齊差異可忽略區(qū)域外的單輻射源以及無法處理寬帶信號(hào)的問題。這些需要在后續(xù)的研究中進(jìn)一步優(yōu)化。