劉奧 盛衛(wèi)星 韓玉兵 李興熔

摘要：????? 頻控陣?yán)走_(dá)是近年來提出的一種新體制陣列雷達(dá)技術(shù)， 其能夠形成具有距離依賴性的發(fā)射波束， 克服了傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)不能有效控制發(fā)射波束的距離指向問題， 并具有很多獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。 本文對基于均勻線陣和均勻面陣的頻控陣拖曳式干擾抑制進(jìn)行了研究， 討論了如何利用頻控陣的特性來實現(xiàn)拖曳式干擾的抑制。

關(guān)鍵詞：???? 頻控陣; 波束形成; 干擾抑制; 拖曳式干擾

中圖分類號：??? ??TJ765.3+31; TN93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：??? A 文章編號：??? ?1673-5048（2019）03-0040-06[SQ0]

0引言

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中， 雷達(dá)導(dǎo)引頭如何應(yīng)對從主瓣進(jìn)入的拖曳式干擾一直是十分重要的研究課題[1-3]。 傳統(tǒng)的基于陣列信號處理的拖曳式干擾抑制研究， 都是建立在相控陣的體制上進(jìn)行的， 其所有陣元上加載的信號頻率是相同的， 形成的波束方向圖只在角度上具有分辨能力， 在不考慮距離衰減的前提下， 對同一角度不同距離的位置波束能量相同。 相控陣可以在角度上分辨目標(biāo)并抑制干擾， 但是對于和目標(biāo)處于相同角度、 不同距離的干擾無能為力， 也就是對于拖曳式干擾這類主瓣干擾的抑制能力大打折扣。

頻控陣[4-6]能夠形成距離相關(guān)的波束方向圖， 使其在距離維對目標(biāo)進(jìn)行分辨的同時抑制距離依賴性干擾[7-8]。 這種不同于相控陣的全新特性使得頻控陣在未來的雷達(dá)和無線通信領(lǐng)域[9]， 尤其是對拖曳式干擾這類從主瓣進(jìn)入的距離性干擾具有極大的研究價值和應(yīng)用前景。 因此， 本文在之前相控陣干擾抑制研究的基礎(chǔ)上， 利用頻控陣的相關(guān)特性， 以頻控陣的波束形成研究為前提， 對頻控陣的拖曳式干擾抑制進(jìn)行研究。

1頻控陣波束形成

1.1頻控陣均勻線陣天線系統(tǒng)

頻控陣均勻線陣的基本結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1中， fi表示各天線陣元的發(fā)射頻率， 其中， i=0， 1， …， M-1。 M代表陣元數(shù)， 陣列采用半波長間距， 將最左端的陣元當(dāng)作參考點， 假設(shè)期望波束的指向角為θ、 指向距離為r。 頻控陣?yán)走_(dá)在相鄰陣元上對發(fā)射信號附加一個遠(yuǎn)小于雷達(dá)工

引用格式： 劉奧， 盛衛(wèi)星， 韓玉兵， 等. 基于頻控陣的拖曳式干擾抑制研究[ J] . 航空兵器， 2019， 26（ 3）： 40-45.

一般采用頻控陣發(fā)射、 相控陣接收的天線收發(fā)系統(tǒng)， 圖2（b）～（c）分別為該天線系統(tǒng)的收發(fā)整體波束的三維圖和俯視圖， 仿真中目標(biāo)位于（0°， 140 km）， 可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)完成了對目標(biāo)的二維定位， 也為拖曳式干擾抑制提供了新的思路。

1.2頻控陣均勻面陣天線系統(tǒng)

在均勻線陣的基礎(chǔ)上， 對均勻面陣的頻控陣波束形成進(jìn)行討論。? 頻控陣均勻面陣的基本結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3中的陣元參數(shù)如下： X軸和Y軸陣元數(shù)目分別為M和N; 載頻f0為10 GHz; X軸和Y軸的頻率增量分別為Δfx和Δfy，? 則第（m， n）個陣元的頻率fmn=f0+mΔfx+nΔfy（m=0， 1， …， M-1;? n=0， 1， …， N-1）， 陣元間距均為半波長; （r， θ， ）分別為指向的距離、 俯仰角和方位角。 假設(shè)目標(biāo)的位置表示為（r0， θ0， 0）， 相應(yīng)的權(quán)矢量為

下面對發(fā)射波束進(jìn)行仿真， 設(shè)置陣元參數(shù)為M=N=9， 采用半波長間距， 頻率增量Δfx=Δfy=500 kHz， 載波頻率為10 GHz， 波束的指向位置為（0， 0， 100 km）， 得到如圖4所示的波束方向圖。

圖4（a）所示范圍是{0

2頻控陣天線抗拖曳式干擾

在對頻控陣波束形成研究的基礎(chǔ)上對基于頻控陣的拖曳式干擾抑制進(jìn)行研究， 分別采用均勻線陣和均勻面陣兩種不同的陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。

2.1基于均勻線陣的拖曳式干擾抑制

2.1.1干擾位置已知條件下主瓣干擾抑制

常規(guī)加權(quán)的頻控陣發(fā)射波束可以通過調(diào)整陣元參數(shù)使得波束距離維的固有零陷對準(zhǔn)干擾位置， 從而壓制干擾提高信噪比。 當(dāng)拖曳式干擾從主瓣進(jìn)入， 在遠(yuǎn)場條件下， 認(rèn)為目標(biāo)和干擾角度相同， 因此只關(guān)注目標(biāo)期望方向上的距離維波束方向圖。

因為只關(guān)注目標(biāo)角度上波束的能量聚焦， 即sinθ-sinθ0=0， 故式（2）可寫為

其中： r0為目標(biāo)所處的距離， M為陣元數(shù)目， 即r對應(yīng)了M-1個零陷的位置。 因此可以通過改變陣元數(shù)目和頻率增量來控制波束零陷位置使其對準(zhǔn)干擾， 從而抑制干擾。 由于有M-1個零陷可以選擇， 為方便研究， 選擇第一零陷來對干擾進(jìn)行抑制， 即m=1。

同時， 在已知目標(biāo)和干擾位置的前提下， 頻率增量可以自適應(yīng)地進(jìn)行更新并完成干擾的抑制。

仿真中， 采用陣元數(shù)目為15， 載波頻率為10 GHz， 半波長陣元間距。 以拖曳式干擾為例， 拖曳線長度一般為100～200 m， 故選擇目標(biāo)位于（0°，10 km）處， 干擾位于（0°， 10.1 km）或（0°， 9.9 km）處時， 根據(jù)式（8）可以得到， 選擇頻率增量Δf為200 kHz使得第一零陷來對準(zhǔn)干擾， 如圖5所示， 第一零陷對準(zhǔn)了干擾所在的距離。 仿真結(jié)果稍微偏離指向位置， 主要是受采樣點數(shù)多少的影響， 隨著采樣點數(shù)的增加可以逐漸消除。

當(dāng)改變干擾位置， 目標(biāo)位于（0°， 10 km）處， 干擾位于（0°， 10.2 km）或（0°， 9.8 km）處時， 頻率增量Δf可以自適應(yīng)地調(diào)整為10 kHz時， 如圖6所示， 波束主瓣對準(zhǔn)目標(biāo)位置（10 km）， 且第一零陷在距離目標(biāo)200? m處， 可以形成對干擾的有效抑制。

2.1.2干擾未知時頻控陣自適應(yīng)MVDR波束形成及干擾抑制

與相控陣類似， 頻控陣的波束形成也可以采用MVDR波束形成的方法對權(quán)矢量增加約束條件， 使得波束在干擾位置自適應(yīng)形成零陷， 這種波束形成的方法在實際的物理環(huán)境中可以對干擾實現(xiàn)抑制， 更適用于強(qiáng)干擾環(huán)境。 依照相控陣MVDR自適應(yīng)波束形成的方法得到頻控陣的MVDR波束形成方法并進(jìn)行仿真。

假設(shè)目標(biāo)位于（10°， 11 km）， 干擾一位于（10°， 2.5 km）， 干擾二位于（10°， 6.5 km）， 令噪聲σ2n、 干擾σ2i以及信號σ2s的方差均為1， 此時輸出信干噪比為13 dB， 而相同條件下MVDR相控陣輸出信干噪比僅為-3 dB。

相應(yīng)的波束方向圖和目標(biāo)角度距離維波束圖如圖7所示。 可以看出， 在目標(biāo)指向的方位角上， 2.5 km和6.5 km處波束自適應(yīng)地形成了抗干擾零

陷從而抑制干擾， 而波束圖主瓣對準(zhǔn)了目標(biāo)方向，

即在11 km處取得最大增益， 從而驗證了頻控陣的MVDR波束形成以及干擾抑制的作用。

同時， 通過仿真進(jìn)一步驗證采用MVDR波束形成的頻控陣對拖曳式干擾的抑制效果， 如圖8所示。

圖中給出了拖曳式干擾位于（10°， 10.8 km）時相應(yīng)的發(fā)射波束和距離維波束， 可以發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)位置形成了零陷對拖曳式干擾進(jìn)行抑制。

2.2基于均勻面陣的拖曳式干擾抑制

與均勻線陣頻控陣拖曳式干擾抑制相類似， 常規(guī)加權(quán)的頻控陣面陣發(fā)射波束可以通過調(diào)整陣元參數(shù)使得波束距離維的固有零陷對準(zhǔn)干擾位置， 從而壓制干擾以提高信噪比。 當(dāng)拖曳式干擾從主瓣進(jìn)入， 在遠(yuǎn)場條件下， 認(rèn)為目標(biāo)和干擾所處的方位角和俯仰角相同， 因此只關(guān)注目標(biāo)期望方向上的距離維波束方向圖。

仿真中， 設(shè)置陣元參數(shù)為M=N=10， 采用半波長間距， 載波頻率為10 GHz， 干擾位于（0°， 0°， 10.2 km）或（0°， 0°， 9.8 km）

處時， 選擇頻率增量Δfx=Δfy=8.5 MHz， 使得第一零陷來對準(zhǔn)干擾，

如圖9所示， 第一零陷對準(zhǔn)了干擾所在的距離。 即在目標(biāo)位置周圍200 m的距離上， 拖曳式干擾能夠被準(zhǔn)確抑制， 相較于均勻線陣其零陷更深。

同樣地， 若干擾位于距離目標(biāo)100 m處， 頻率增量按規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)變化， 可得Δfx=Δfy=17 MHz， 如圖10所示， 第一零陷對準(zhǔn)干擾位置。

3結(jié)論

本文針對頻控陣特點和應(yīng)用研究， 利用頻控陣的距離相關(guān)波束方向圖對拖曳式干擾進(jìn)行抑制。 首先， 分別給出頻控陣均勻線陣和均勻面陣的天

線模型和相應(yīng)的波束形成仿真， 隨后， 基于不同的陣列結(jié)構(gòu)對拖曳式干擾抑制的效果進(jìn)行研究， 并結(jié)合仿真驗證了相應(yīng)算法的可行性， 較好地實現(xiàn)了對拖曳式干擾的抑制， 為抗拖曳式干擾的研究提供了不同于傳統(tǒng)相控陣的解決途徑。

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