王建路，戴幻堯，周 波，許 雄

(1.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；2.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

目前，單脈沖雷達(dá)對(duì)常規(guī)的主瓣干擾有幾種對(duì)抗方法，但是對(duì)主瓣內(nèi)復(fù)合干擾沒(méi)有很好的抗干擾方法?，F(xiàn)有的雷達(dá)對(duì)抗一般的主瓣干擾的措施有：1) 提高雷達(dá)發(fā)射功率[1]，采取“燒穿模式”，使電子干擾在一定距離上失效。燒穿距離與目標(biāo)的RCS的四次方根成比例，一般出現(xiàn)在離雷達(dá)很近的地方，這使得雷達(dá)長(zhǎng)期工作于被干擾的狀態(tài)。2) 提高雷達(dá)的距離分辨力，采用100M以上的雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)帶寬，使雷達(dá)的距離高分辨力達(dá)到米級(jí)[2]，試圖從距離上對(duì)目標(biāo)和干擾源進(jìn)行分辨。這種方法對(duì)主瓣內(nèi)干擾源是一個(gè)單點(diǎn)源干擾效果比較好，但是對(duì)主瓣復(fù)合干擾是沒(méi)有用的。因?yàn)橹靼陱?fù)合干擾在整個(gè)距離量程內(nèi)都覆蓋了目標(biāo)回波，而不是僅僅在目標(biāo)所在距離單元覆蓋目標(biāo)回波，所以即使提高了分辨力，其它分辨單元的干擾信號(hào)依然存在，從而無(wú)法在距離上分辨目標(biāo)和干擾；3) 提高雷達(dá)角度分辨力[3-5]，采用空間譜估計(jì)技術(shù)，使雷達(dá)角度分辨力達(dá)到波束寬度的1/N，在角度上對(duì)目標(biāo)和干擾源進(jìn)行分辨。然而實(shí)際上空間譜估計(jì)算法對(duì)信噪比要求很高，運(yùn)算量非常大，工程上很難實(shí)現(xiàn)，復(fù)合干擾中的噪聲干擾成分后會(huì)抬高雷達(dá)接收機(jī)噪聲水平，降低信噪比，使得空間譜估計(jì)技術(shù)的性能大幅度降低。4) 直接運(yùn)用極化濾波手段，分別對(duì)和通道、差通道進(jìn)行極化濾波抑制干擾信號(hào)， 再將濾波后的信號(hào)進(jìn)行單脈沖測(cè)角處理[6-7]。但是由于濾波后剩余干擾信號(hào)的存在，使得角度量測(cè)值總是存在一定的偏差，另外，濾波有可能會(huì)降低信噪比，對(duì)后續(xù)的檢測(cè)帶來(lái)消極影響。

本文提出的雙極化單脈沖雷達(dá)的目標(biāo)角度估計(jì)方法，是對(duì)抗主瓣干擾的一種簡(jiǎn)單而有效、且非常易于工程實(shí)現(xiàn)的方法。

1 主瓣復(fù)合干擾特性

單脈沖雷達(dá)測(cè)角已是一種相對(duì)成熟的技術(shù)并廣泛應(yīng)用于高精度的跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)中。然而，當(dāng)雷達(dá)主波束內(nèi)同時(shí)存在角度相近且不同的目標(biāo)和噪聲壓制干擾源時(shí)，目標(biāo)回波在時(shí)域和頻域被具有一定帶寬的干擾所淹沒(méi)，常規(guī)的信號(hào)處理后，單脈沖雷達(dá)無(wú)法有效檢測(cè)目標(biāo)，或錯(cuò)誤地檢測(cè)、跟蹤干擾源，單脈沖測(cè)角的輸出為物理空間目標(biāo)和干擾的加權(quán)平均，無(wú)法給出正確的角度指示，進(jìn)而破壞雷達(dá)角度跟蹤系統(tǒng)。這種主瓣干擾不僅具有時(shí)頻域壓制的干擾效果，也具有角度欺騙的干擾效果，稱(chēng)為主瓣復(fù)合干擾。例如，有源雷達(dá)誘餌干擾(TRAD)通常比真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)的幅度要大很多，在空間上和目標(biāo)保持一定的距離關(guān)系，在雷達(dá)主波束范圍內(nèi)目標(biāo)和誘餌干擾不可分辨，誘餌轉(zhuǎn)發(fā)噪聲壓制干擾或密集假目標(biāo)干擾，極大地破壞了單脈沖雷達(dá)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的測(cè)角及跟蹤的精準(zhǔn)度。

圖1為主瓣復(fù)合干擾下單脈沖雷達(dá)和通道接收信號(hào)的時(shí)域分布、頻域分布，此時(shí)干擾和目標(biāo)信號(hào)功率比為15dB，由于干擾信號(hào)比目標(biāo)信號(hào)大15dB，此時(shí)目標(biāo)信號(hào)完全被壓制了，目標(biāo)信號(hào)在時(shí)域無(wú)法檢測(cè)，干擾信號(hào)的頻譜完全覆蓋目標(biāo)所在頻率，此時(shí)目標(biāo)信號(hào)完全被壓制，目標(biāo)信號(hào)在頻域無(wú)法檢測(cè)。

圖2為主瓣復(fù)合干擾條件下常規(guī)單脈沖雷達(dá)目標(biāo)角度估計(jì)結(jié)果。圖(a)給出了目標(biāo)和干擾所在的真實(shí)位置，目標(biāo)的方位和俯仰角都是-1°，干擾的方位和俯仰角是1.5°，波束寬度是6°。圖(b)給出了常規(guī)單脈沖處理在主瓣復(fù)合干擾下，干擾信號(hào)使得雷達(dá)測(cè)角產(chǎn)生很大誤差，由于干擾信號(hào)功率比目標(biāo)信號(hào)功率強(qiáng)20dB，此時(shí)常規(guī)單脈沖處理的測(cè)角輸出大部分為干擾信號(hào)角度和目標(biāo)信號(hào)的質(zhì)心區(qū)域 ，所以測(cè)角輸出的方位和俯仰角大約在0.5°～2°范圍。

圖2 為主瓣復(fù)合干擾條件下常規(guī)單脈沖雷達(dá)目標(biāo)角度估計(jì)結(jié)果

2 雙極化結(jié)構(gòu)改進(jìn)

將單脈沖雷達(dá)改為單極化發(fā)射，雙極化接收工作方式。常規(guī)單脈沖雷達(dá)天線(xiàn)一般為垂直極化或者水平極化，發(fā)射和接收的信號(hào)均為單一的極化信號(hào)。實(shí)際中，目標(biāo)回波和主瓣復(fù)合干擾信號(hào)既有垂直極化分量，又有水平極化分量。將雷達(dá)改為單極化發(fā)射、雙極化接收工作方式，能夠同時(shí)接收回波信號(hào)的水平極化分量和垂直極化分量。

單脈沖雷達(dá)的天線(xiàn)一般具有A、B、C、D四個(gè)象限構(gòu)成，四個(gè)象限的接收信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性組合，構(gòu)成了和信號(hào)、方位差信號(hào)、俯仰差信號(hào)，利用這些信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)角度測(cè)量。常規(guī)單脈沖雷達(dá)天線(xiàn)是單一極化的，只能獲得單一極化分量的信號(hào)。本文提出將單脈沖雷達(dá)天線(xiàn)由單極化改造為雙極化，如圖3所示。因此，極化改造后天線(xiàn)四個(gè)象限的每一路輸出都是雙極化的，包括水平極化和垂直極化2路。每個(gè)象限有2路輸出，四個(gè)象限就有8路輸出信號(hào)，如圖4所示。

圖3 改進(jìn)后的雙極化單脈沖雷達(dá)天線(xiàn)四象限構(gòu)成示意圖

圖4 改進(jìn)后的雙極化單脈沖雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

A路的垂直極化輸出Av，水平極化輸出Ah；

B路的垂直極化輸出Bv，水平極化輸出Bh；

C路的垂直極化輸出Cv，水平極化輸出Ch；

D路的垂直極化輸出Dv，水平極化輸出Dh。

將四個(gè)象限的8路輸出信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性組合，可以構(gòu)成6路信號(hào)，包括：水平極化的和信號(hào)∑h、水平極化的方位差信號(hào)Δh,A、水平極化的俯仰差信號(hào)Δh,E，垂直極化的和信號(hào)∑v、垂直極化的方位差信號(hào)Δv,A、垂直極化的俯仰差信號(hào)Δv,E。下角標(biāo)v表示垂直極化，h表示水平極化，A表示方位角，E表示俯仰角。

這6路和、差信號(hào)和A、B、C、D四象限的8路輸出信號(hào)的關(guān)系，可以表示為：

∑v=Av+Bv+Cv+Dv

∑h=Ah+Bh+Ch+Dh

Δv,A=(Av+Cv)-(Bv+Dv)

Δv,E=(Av+Bv)-(Cv+Dv)

Σh,A=(Ah+Ch)-(Bh+Dh)

Δh,E=(Ah+Bh)-(Ch+Dh)

3 極化解耦步驟和實(shí)驗(yàn)

圖5給出了主瓣復(fù)合干擾下雙極化單脈沖雷達(dá)目標(biāo)角度測(cè)量流程圖。根據(jù)2個(gè)和差網(wǎng)絡(luò)輸出的水平極化和通道信號(hào)與垂直極化和信號(hào)，計(jì)算出復(fù)合干擾信號(hào)的極化比與極化濾波矢量，對(duì)2路和通道進(jìn)行極化濾波預(yù)處理，濾波后干擾信號(hào)會(huì)受到顯著抑制，大幅度改善信干比，如圖6所示。根據(jù)輸出數(shù)據(jù)找到目標(biāo)和干擾混疊的所在的距離/速度分辨單元，確定該單元后，對(duì)6路信號(hào)的距離/速度分辨單元采用雙極化解耦角估計(jì)方法，估計(jì)出目標(biāo)的方位和俯仰角。

圖5 主瓣復(fù)合干擾下雙極化單脈沖雷達(dá)目標(biāo)角度測(cè)量流程圖

圖6 和通道極化濾波預(yù)處理后，目標(biāo)/干擾混疊單元的檢測(cè)結(jié)果

算法步驟如下：

步驟一：將單脈沖雷達(dá)改為單極化發(fā)射，雙極化接收工作方式;

步驟二：根據(jù)和通道的輸出信號(hào)，計(jì)算出復(fù)合干擾信號(hào)的極化比;

步驟三：和通道極化濾波預(yù)處理，提高信號(hào)干擾功率比，搜索目標(biāo)和干擾混疊的距離/速度分辨單元;

步驟四：采用雙極化解耦角估計(jì)方法。

圖7為主瓣復(fù)合干擾條件下雙極化單脈沖雷達(dá)目標(biāo)角度估計(jì)結(jié)果。此時(shí)干擾信號(hào)功率比ISR為20dB，射頻通道自身信噪比SNR為20dB，利用本文提出的新方法，可以在干擾條件下比較準(zhǔn)確地估計(jì)出目標(biāo)所在的角度。

圖7 干擾條件下雙極化單脈沖雷達(dá)目標(biāo)角度估計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種雙極化單脈沖雷達(dá)的目標(biāo)角度估計(jì)方法，將雷達(dá)接收天線(xiàn)改為雙極化接收，并增加相應(yīng)的和差網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)字域形成6路處理通道，通過(guò)估計(jì)干擾的極化特性，消除干擾信號(hào)對(duì)目標(biāo)角度的耦合誤差，估計(jì)出目標(biāo)的真實(shí)角度，維持單脈沖雷達(dá)正常的測(cè)角和跟蹤，為對(duì)抗主瓣復(fù)合干擾提供了一種簡(jiǎn)單而有效，且非常易于工程實(shí)現(xiàn)的方法?！?/p>

[1] 王滿(mǎn)玉，程柏林.雷達(dá)抗干擾技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2016.

[2] 陳行勇，劉永詳，黎湘.步進(jìn)頻率信號(hào)相位對(duì)消合成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離像[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2017，29(4)：815-818.

[3] 劉義, 趙志超, 王雪松,等. 反輻射導(dǎo)彈復(fù)合測(cè)角抗誘偏干擾方法[J]. 宇航學(xué)報(bào),2009, 30(5): 2122-2127.

[4] 王永良, 陳暉, 彭應(yīng)寧,等. 空間譜估計(jì)理論與算法[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005.

[5] Cadzow JA. A high resolution direction-of-arrival algorithm for narrow-band coherent and incoherent sources[J]. IEEE Trans. on ASSP, 1988,36(7): 965-979.

[6] 李永禎，胡萬(wàn)秋，孫豆,等.一種基于極化信息的機(jī)載拖曳式誘餌存在性檢測(cè)與抑制方法研究[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào)，2016，5(6)：666-672.

[7] 馬佳智，施龍飛，李永禎,等.主瓣干擾條件下混合極化系統(tǒng)單脈沖角度估計(jì)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2016，38(12)：2692-2699.