尤 逸 盛驥松

（1.江蘇科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

（2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225001）

1 引言

相控陣列天線是由一個(gè)個(gè)小型的收發(fā)天線單元組成的一個(gè)整體的天線，每個(gè)小型的天線單元通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)來(lái)形成完整的天線方向圖函數(shù)。陣列天線接收信號(hào)的過(guò)程實(shí)際就是一個(gè)空域?yàn)V波的過(guò)程，每個(gè)天線單元和子陣相當(dāng)于一個(gè)空域?yàn)V波器。通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)來(lái)波方向的估計(jì)，自適應(yīng)的改變子陣的權(quán)值，使空間濾波器在干擾方向上具有更低的響應(yīng)，在信號(hào)來(lái)波方向有良好的響應(yīng)，這一過(guò)程就是所謂的自適應(yīng)調(diào)零的過(guò)程。自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)是相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展過(guò)程中發(fā)展出的一種抗干擾技術(shù)，通過(guò)在干擾信號(hào)方向改變權(quán)值，產(chǎn)生零陷抑制干擾信號(hào)的進(jìn)入來(lái)減少干擾信號(hào)對(duì)實(shí)際信號(hào)所帶信息判斷的影響［13］。

自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)的研究通常是基于實(shí)驗(yàn)室的理想環(huán)境下進(jìn)行的研究，在實(shí)際過(guò)程中未考慮實(shí)際環(huán)境情況影響［1］。經(jīng)典的自適應(yīng)波束形成算法假設(shè)目標(biāo)信號(hào)、干擾信號(hào)、噪聲信號(hào)之間相互獨(dú)立，不相干。由于數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù)的發(fā)展，干擾信號(hào)能夠快速、高保真的復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)信號(hào)，這對(duì)波束自適應(yīng)形成在干擾方向產(chǎn)生零陷的過(guò)程有一定的影響。本文以線性調(diào)頻信號(hào)為期望信號(hào)，對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行間歇性采樣以及前沿復(fù)制兩種干擾信號(hào)樣式從用相干信號(hào)以及不相干信號(hào)兩個(gè)情況出發(fā)，對(duì)自適應(yīng)調(diào)零算法進(jìn)行干擾研究分析［4］。

2 自適應(yīng)波束形成

數(shù)字波束形成是有目的性的在某一方向上形成一定的波束以通過(guò)所需要的信號(hào)，同時(shí)降低旁瓣抑制其他方向的干擾信號(hào)進(jìn)入。通過(guò)采用適當(dāng)?shù)臋?quán)值對(duì)各個(gè)子陣輸出進(jìn)行加權(quán)，來(lái)在期望方向上進(jìn)行疊加進(jìn)而形成一個(gè)性能較為良好的主瓣波束并減少旁瓣響應(yīng)抑制干擾信號(hào)從旁瓣進(jìn)入雷達(dá)進(jìn)行干擾。自適應(yīng)波束形成是采用一定準(zhǔn)則，在此準(zhǔn)則下通過(guò)算法自適應(yīng)的產(chǎn)生最優(yōu)的權(quán)向量來(lái)適應(yīng)變換的環(huán)境情況［11～12］。

自適應(yīng)波束形成的關(guān)鍵之處在于選用不同的準(zhǔn)則來(lái)確定自適應(yīng)的權(quán)值。主要常用的準(zhǔn)則有：線性最小方差（linearly constraint minimum variance criterion，LCMV）準(zhǔn)則、最小均方誤差（mean square error，MSE）準(zhǔn)則、最大信噪比（signal noise ratio，SNR）準(zhǔn)則、最大似然比（likelihood ratio，LH）準(zhǔn)則、最小噪聲方差（noise variance，NV）準(zhǔn)則等。在一定條件下，它們是等價(jià)的［9］。

3 干擾信號(hào)樣式分析

線性調(diào)頻信號(hào)［2～3］是雷達(dá)中較為常見的雷達(dá)信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖1 （a）K＞0，（b）K＜0

3.1 間歇性采樣干擾信號(hào)分析

間歇性采樣信號(hào)即對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行固定時(shí)間間歇采樣而產(chǎn)生的一種新的信號(hào)形式的方法［6～8］。令線性調(diào)頻信號(hào)（LFM），脈沖寬度為T，每隔Ts時(shí)間（Ts＜T）對(duì)LFM信號(hào)進(jìn)行間歇性采樣，采樣時(shí)長(zhǎng)為τ（τ＜Ts），最終得到N個(gè)LFM信號(hào)的窄脈沖。N=［T/Ts］，“［］”為取整符號(hào)，表示N為對(duì)T/Ts進(jìn)行取整。若T/Ts為整數(shù)則N=T/Ts若T/Ts不是整數(shù)則N=T/Ts+1。圖2為一個(gè)T=100μs的LFM信號(hào)在Ts=10μs、τ=2.5μs的間歇采樣后得到的信號(hào)波形，其共有N=10個(gè)脈沖。

圖2 LFM信號(hào)經(jīng)間歇采樣后的信號(hào)

3.2 前沿復(fù)制干擾信號(hào)分析

前沿復(fù)制信號(hào)是將一個(gè)信號(hào)起始部分進(jìn)行復(fù)制并加以組合成為一種新的信號(hào)形式［5，10］。取一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)，脈沖寬度為T，取整個(gè)信號(hào)的前Ts時(shí)間長(zhǎng)度（Ts＜T）進(jìn)行復(fù)制。復(fù)制N次后將N個(gè)信號(hào)組成一個(gè)新的信號(hào)，N=［T/Ts］，“［］”為取整符號(hào)，表示N為對(duì)T/Ts進(jìn)行取整。若T/Ts為整數(shù)則N=T/Ts若T/Ts不是整數(shù)則N=T/Ts+1。圖3為一個(gè)T=100μs的LFM信號(hào)，對(duì)信號(hào)前Ts=10μs部分進(jìn)行復(fù)制N=10次并重新組成的新的信號(hào)波形。

4 兩種干擾信號(hào)干擾效果仿真分析

4.1 間歇采樣干擾

間歇采樣干擾即使用間歇采樣信號(hào)作為干擾信號(hào)，線性調(diào)頻信號(hào)（LFM）作為回波信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)波束形成，波束形成算法采用了線性最小方差（LCMV）算法，在干擾信號(hào)方向產(chǎn)生自適應(yīng)的零陷。為便于分析，我們?nèi)∶}沖寬度T為采樣頻率Ts的整數(shù)倍，因此，N=T/Ts為整數(shù)。仿真參數(shù)設(shè)置如下：目標(biāo)方向?yàn)?0°，干擾方向?yàn)?30°?；夭ㄐ盘?hào)為線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)，脈沖寬度為100μs，帶寬為20MHz，反射面積（RCS）為0.51。干擾信號(hào)為間歇采樣信號(hào)，采樣信號(hào)也為線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)，脈沖寬度為100μs，帶寬為20MHz信號(hào)進(jìn)行仿真分析，反射面積（RCS）為0.8。采樣頻率Ts為10μs，采樣時(shí)長(zhǎng)τ為2.5μs，信號(hào)形式如圖2所示。最終仿真結(jié)果如圖4所示此時(shí)干擾信號(hào)為間歇采樣信號(hào)，其帶寬為20MHz，此時(shí)干擾信號(hào)與回波信號(hào)為相參信號(hào)但干擾信號(hào)RCS較回波信號(hào)大。

圖3 LFM信號(hào)經(jīng)前沿復(fù)制后的信號(hào)

圖4 干擾信號(hào)帶寬為20MHz時(shí)間歇采樣干擾仿真圖

4.2 前沿復(fù)制干擾

前沿復(fù)制干擾即使用前沿復(fù)制信號(hào)作為干擾信號(hào)，線性調(diào)頻信號(hào)（LFM）作為回波信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)波束形成，波束形成算法仍然采用線性最小方差（LCMV）算法，在干擾信號(hào)方向產(chǎn)生自適應(yīng)的零陷。方便分析，我們?nèi)∶}沖寬度T為復(fù)制時(shí)長(zhǎng)Ts的整數(shù)倍。這樣，干擾信號(hào)脈沖寬度就與原信號(hào)相同。具體仿真參數(shù)如下：目標(biāo)方向?yàn)?0°，干擾方向?yàn)?30°?；夭ㄐ盘?hào)與上述信號(hào)相同為線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)，脈沖寬度為100μs，帶寬為20MHz，反射面積（RCS）為0.51。干擾信號(hào)為前沿復(fù)制信號(hào)，其所復(fù)制原信號(hào)也為線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)，其脈沖寬度為100μs，帶寬為20MHz、100MHz兩種信號(hào)分別進(jìn)行仿真分析，反射面積（RCS）為0.8。復(fù)制時(shí)長(zhǎng)Ts為10μs，復(fù)制次數(shù)N=10，信號(hào)形式如圖3所示。最終仿真結(jié)果圖如圖5所示，其中，圖（a）為前沿復(fù)制干擾信號(hào)帶寬為100MHz時(shí)的仿真圖，圖（b）為前沿復(fù)制信號(hào)為20MHz時(shí)的仿真圖。

圖5 干擾信號(hào)帶寬為20MHz時(shí)前沿復(fù)制干擾仿真圖

4.3 仿真結(jié)果分析

圖6為經(jīng)典的最小方差（LCMV）算法自適應(yīng)波束形成仿真圖。其中，回波信號(hào)為線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)，干擾信號(hào)為隨機(jī)噪聲信號(hào)。具體參數(shù)為：目標(biāo)方向?yàn)?0°，干擾方向?yàn)?30°?；夭ㄐ盘?hào)脈沖寬度為 100μs，帶寬為 20MHz，反射面積（RCS）為0.51。

圖6 經(jīng)典LCMV波束形成算法仿真圖

綜合圖4、5、6進(jìn)行分析，經(jīng)典的LCMV波束形成算法在10°方向形成了主瓣波束，并在-30°方向形成了較深的零陷。當(dāng)干擾信號(hào)為間歇采樣信號(hào)時(shí)，在10°方向依然能夠產(chǎn)生主瓣波束，但是在-30°干擾方向并未形成良好的零陷；同理，當(dāng)干擾信號(hào)為前沿復(fù)制信號(hào)時(shí)，在-30°干擾方向也未能夠形成零陷。我們將間歇采樣干擾信號(hào)與前沿復(fù)制干擾信號(hào)所形成的波束仿真圖進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在-30°的干擾信號(hào)方向上，間歇采樣干擾信號(hào)相較于前沿復(fù)制干擾信號(hào)均有更高的波束增益，因此，相比而言前沿復(fù)制信號(hào)作為干擾信號(hào)可能比間歇采樣信號(hào)有更好的干擾效果。定量分析具體數(shù)據(jù)比較如表1所示。

表1 三種干擾信號(hào)類型在干擾方向上的波束增益比較

5 結(jié)語(yǔ)

在電子對(duì)抗中，自適應(yīng)波束形成技術(shù)使得對(duì)雷達(dá)的干擾難度大大增加，且在進(jìn)一步研究抗干擾能力的過(guò)程中不斷發(fā)展。本文首先介紹了間歇采樣和前沿復(fù)制兩種干擾信號(hào)的形式，并進(jìn)一步對(duì)兩種干擾信號(hào)形式進(jìn)行了仿真分析。由仿真圖可以看出，間歇采樣干擾信號(hào)與前沿復(fù)制干擾信號(hào)均對(duì)自適應(yīng)波束形成有一定的干擾效果，且前沿復(fù)制干擾信號(hào)對(duì)自適應(yīng)調(diào)零過(guò)程一職零陷的產(chǎn)生效果更為良好，對(duì)如何抑制自適應(yīng)調(diào)零過(guò)程產(chǎn)生零陷有一定的參考價(jià)值。