曲圣杰， 雷 紅， 常 城， 高 越

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.中國人民解放軍63861部隊， 吉林白城 137001；3.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室， 安徽合肥230088)

0 引 言

自適應旁瓣對消是一種常見的雷達抗有源干擾的技術，其原理是在雷達主天線附近安裝(或全數字合成)若干個弱方向或無方向的輔助天線，當存在副瓣干擾時，主天線與輔助天線接收的干擾信號幅度相當，利用各輔助天線接收的干擾信號，通過一定的自適應算法，得到加權系數，輔助天線信號經加權求和后與主天線接收的信號對消，達到干擾對消的目的。近年來隨著雷達電子對抗問題的凸顯，自適應旁瓣對消技術得到廣泛應用。

文獻[5-7]探討了影響旁瓣對消性能的主要因素。影響自適應旁瓣對消實際應用效果一個重要的因素就是正確采集干擾信息的樣本數據，能否在輔助天線中采集到與主天線高度相關的干擾數據，一定程度上決定著旁瓣對消技術實施的成敗。在常規(guī)的應用中往往通過采集遠距離端不包含雜波信息的回波數據來實現，但是對于工作在復雜雜波環(huán)境的中近程雷達來說，回波信息可能包含大量乃至全距離段的雜波數據，有時雜波能量相當于甚至強于干擾信號能量。如果錯誤地選取了強雜波干擾數據作為干擾樣本進行旁瓣對消處理，不僅達不到對消效果，甚至可能影響任務目標的正常檢測。

對于雜波環(huán)境下干擾樣本的提取問題，一種解決思路是在條件允許的情況下先進行濾波處理，然后采用雜波濾除后的數據提取干擾樣本進行旁瓣對消。這種方法可以有效地在雜波環(huán)境下進行樣本提取，但又引入了新的問題。由于有源噪聲壓制干擾數據在多個脈沖之間不具備相參性，使得經過濾波處理后的干擾能量在多個頻道中分散，從而降低了信號的干噪比，對于包含較少雜波的數據來說，這樣做的后果就是使得對消性能下降。本文嘗試提出一種能兼顧雜波環(huán)境和對消性能的方法，通過采集樣本并統(tǒng)計輔助波束與主波束數據的相關性，確定樣本數據是否包含于主波束強相關的干擾信息，如果相關度高則進行旁瓣對消處理；反之則說明強雜波環(huán)境已經影響到干擾樣本的正確采集，對數據濾波并再次進行相關統(tǒng)計，從而對有效抑制了雜波的數據進行旁瓣對消處理。將雷達放置在同時包含山區(qū)和平坦地形的環(huán)境下進行試驗，對本文提出的方法進行驗證。

1 基于相關性的雜波環(huán)境自適應旁瓣對消方法

1.1 自適應旁瓣對消

自適應旁瓣對消權值計算主要有開環(huán)法和閉環(huán)法兩種。閉環(huán)法對實現元器件要求低，適合模擬實現，但收斂速度受到很大限制；開環(huán)法直接求解干擾協(xié)方差，不存在收斂問題，近年來隨著數字器件性能的不斷提高而廣泛采用。

表示主天線接收的信號；=[,,…，]表示輔助天線接收的信號；=[,,…，]表示加權系數；表示對消輸出，則有

(1)

式(1)表明，對消剩余就是由主天線信號減去權矢量和輔助天線信號的內積，而對消的目的是使對消剩余功率最小，用統(tǒng)計表示為{||}，即

[(-)(-)]=

(2)

式中，[·]表示統(tǒng)計期望，表示輔助通道和主通道的互相關矩陣，表示輔助通道的自相關矩陣。均方誤差的梯度可通過對權矢量進行微分得到，即

-2+2

(3)

對消剩余功率最小時的剩余干擾信號為()=-，由此可求出最優(yōu)權值保證干擾對消的剩余功率最小。

1.2 子區(qū)域最小最大法干擾樣本提取

實際工程應用中，對于脈沖重復周期較短的中近程雷達，當雷達波束指向復雜雜波環(huán)境時，雜波數據在回波數據中的分布往往不具備明顯的規(guī)律性，除了近距離雜波較強外，任意距離段都可能出現強雜波的情況，因此簡單地選取固定距離段數據作為樣本難以規(guī)避雜波影響。這里給出一種子區(qū)域最小最大法提取樣本點，該方法的原理是均勻的噪聲及壓制干擾起伏較小，而疊加了雜波的區(qū)域不僅能量更大且具有較大起伏，通過局部幅值最小可以規(guī)避雜波干擾，而在該子區(qū)域內選擇能量最大的點可以提取到更強的干擾信息；方法簡單易實現，既可以較為有效地規(guī)避雜波干擾，又有助于選擇干擾能量較大的樣本點，具體方法如下所示：

1) 將完整的統(tǒng)計區(qū)域均勻分成若干子區(qū)域，計算每個子區(qū)域的幅度均值avg；

2) 在所有的子區(qū)域中，選取幅度均值最小的子區(qū)域，記錄最小幅度值avg并記錄該區(qū)域內的所有統(tǒng)計點位置；

3) 對上面選取的子區(qū)域的統(tǒng)計點按照能量大小進行排序；

4) 選擇該子區(qū)域中能量最大的個點作為樣本點。

1.3 相關性統(tǒng)計

自適應旁瓣對消實現的原理要求雷達主波束與輔助波束之間存在強相關的干擾信息，而對于雜波信息，由于天線方向圖、波束指向等差異，主波束和輔助波束之間的相關性要低得多。干擾樣本提取后，通過統(tǒng)計二者之間的相關性并設定閾值，可以判斷當前輔助波束數據受雜波影響的程度，決定是否適合進行旁瓣對消處理，相關系數計算公式如下：

(4)

式中，為主波束，為輔助波束，為樣本點數，為輔助波束個數。依次計算主波束與每個輔助波束的相關性，并取最大值作為相關性統(tǒng)計結果。

主波束和輔助波束的相關性統(tǒng)計根據需要分兩次進行，第一次在時域進行，確定當前提取樣本數據是否已經受雜波嚴重影響，導致無法進行有效的對消；如果相關系數達不到閾值要求，則在濾波后針對不同的頻道數據再次進行相關性統(tǒng)計，進一步確定濾波后該頻道數據中殘留雜波對對消樣本提取影響情況。相關系數閾值較低時，可以提高對干擾的靈敏度，但同時帶來計算量的提高，實際應用中需根據抗干擾指標的具體要求以及試驗數據進行分析得到。

1.4 方法實現流程

方法具體實施時，為保證處理效率，可以嵌入常規(guī)的數字信號處理脈沖壓縮、相參濾波中進行，除相關性統(tǒng)計外，不需要額外增加計算負荷；在初步判斷回波數據是否需要進行自適應旁瓣處理后，根據需要依次在時域和多普勒頻域(以下簡稱頻域)進行處理。如果在時域進行相關性統(tǒng)計后滿足對消要求，則在頻域不再進行對消相關處理，以保證弱雜波區(qū)域更好的干噪比及對消效果；反之則標記該方位指向的回波數據不宜在時域進行對消處理，并在相參濾波處理結果后在頻域進行相關性統(tǒng)計，如果滿足相關性要求即在頻域進行對消處理，反之則該回波數據在時域、頻域均不采取對消處理。本文提出的基于相關性的雜波環(huán)境自適應旁瓣對消方法流程如圖1所示。

圖1 方法流程圖

1.5 方法實現步驟

方法具體實現步驟如下：

1) 時域回波中對主波束采用子區(qū)域最小最大法提取干擾樣本，然后計算樣本噪底。

2) 設無干擾情況下噪底幅度為，設置閾值=+，如果>，說明樣本中有干擾或存在雜波，需要進一步判斷；而如果<，則認為樣本中干擾強度沒有達到閾值，不再進行對消處理以提高處理效率。

3) 采用子區(qū)域最小最大法提取輔助波束干擾樣本數據并與主波束樣本數據進行相關性統(tǒng)計，得到相關系數，如果>，其中為時域相關性閾值，說明時域回波數據中，主波束與輔助波束干擾信息強相關，可以進行對消處理；反之<，則說明干擾信息相關度低，樣本提取過程可能受雜波影響，需要進一步分析處理。

4) 對時域回波數據進行相參濾波處理，得到頻域回波數據。

5) 對頻域數據再次提取干擾樣本并進行頻域相關性統(tǒng)計，得到相關系數。對于某個頻道的樣本數據，如果>，其中為頻域相關性閾值，說明頻域回波數據中，主波束與輔助波束干擾信息強相關，可以進行對消處理；反之<，則說明干擾信息相關度仍然較低，不再進行對消處理。

2 試驗及結果分析

采用仿真試驗平臺進行實測試驗驗證本文方法有效性。雷達方位掃描范圍內同時包含有祁連山脈和較平坦的沙漠戈壁環(huán)境。在滿足遠場條件下放置干擾機釋放噪聲有源壓制干擾，共設置8個輔助波束，采集干擾后的回波數據進行分析。根據經驗取=5 dB，時域相關系數閾值=0.9，頻域相關系數閾值=0.8。試驗環(huán)境設置如圖2所示。

圖2 試驗環(huán)境示意圖

試驗采用對消比CG來衡量旁瓣對消的性能，定義為

(5)

式中為主天線接收的干擾信號，為經過對消處理后的干擾輸出，則對消比即對消前和對消后的干擾功率比。

2.1 弱雜波環(huán)境試驗分析

當方位指向某平坦的沙漠戈壁區(qū)域時，計算得到時域相關系數為0.997 8，根據方法流程，系統(tǒng)將自動選擇在時域進行自適應對消處理，對消結果如圖3所示，可知干擾輸出由對消前的117.46 dB降到對消后78.60 dB，對消比為38.86 dB。這里將時域數據不經過對消處理直接進行濾波，然后將頻域對消結果與時域進行對比，如圖4所示，計算得到的頻域相關系數為0.859 5，由于干擾能量在頻道間分散，導致主通道與輔助通道干擾信息相關性下降，干擾輸出由對消前的106.77 dB經過對消下降到73.92 dB，對消比為32.85 dB?？芍疚姆椒ㄅc直接采用濾波后數據對消方法相比，對消效果優(yōu)化了6.01 dB。從濾波后干擾輸出剩余進行橫向對比，將時域對消后的數據進行濾波處理如圖5所示，與圖4中濾波后對消的數據進行對比，前者干擾輸出為67.66 dB，比后者優(yōu)化6.26 dB，與對消比優(yōu)化結果一致，可見在該弱雜波情況下選用時域對消可以取得更好的結果。

圖3 弱雜波環(huán)境時域對消結果

圖4 弱雜波環(huán)境頻域對消結果

圖5 弱雜波環(huán)境時域對消后濾波處理結果

2.2 強雜波環(huán)境試驗分析

當方位指向祁連山脈區(qū)域時，由于工作模式作用距離短，回波數據幾乎完全被雜波覆蓋，很難提取到合適的干擾樣本，如圖6所示；此時計算得到時域相關系數很低，為0.367 0，而此時如果采用時域數據直接進行對消處理，則對消效果很差，對消比僅為5.68 dB。采用本文方法，由于時域相關性沒有達到閾值要求，系統(tǒng)在濾波后再次進行相關性統(tǒng)計，計算得到中心頻道相關系數為0.997 5，滿足閾值要求，所以在頻域進行對消處理，結果如圖7所示；由于區(qū)分雜波頻道和清潔頻道進行處理，清潔頻道得到了較好的對消效果，干擾輸出由91.52 dB下降到了 60.60 dB，對消比為30.92 dB。從濾波后干擾輸出剩余方面進行橫向對比，將時域對消后的數據進行濾波處理如圖8所示，與圖7中濾波后對消的數據進行對比，前者干擾沒有得到有效的對消抑制，輸出約為94.72 dB，比后者惡化34.12 dB，與對消比結果一致，可見在強雜波環(huán)境下選用頻域濾波仍然可以有效地對干擾進行對消。

圖6 強雜波環(huán)境時域對消結果

圖7 強雜波環(huán)境頻域對消結果

圖8 強雜波環(huán)境時域對消后濾波處理結果

2.3 全方位數據對比分析

進行多次較長時間工作，采集多次同時包含強雜波和弱雜波環(huán)境的全方位回波數據進行分析。回波數據中方位角度-45°～-17.3°為強雜波山區(qū)，-17.3°～45°為弱雜波沙漠戈壁。對比本文方法與單獨采用時域對消處理、單獨采用頻域對消處理的結果，如表1所示(頻域對消比僅統(tǒng)計清潔頻道)，本文方法相比單獨采用時域或頻域對消都有更好的表現。

表1 全方位數據對比分析

2.4 目標檢測情況分析

抗干擾方法在對干擾信息進行有效抑制的同時，不能削弱所需檢測的目標能量，對干擾信息的抑制優(yōu)勢應體現在目標信噪比的提高上，通過試驗對本文方法目標檢測性能進行分析。試驗中某方位數據根據本文方法自動選擇為時域對消處理，這里將根據本文方法時域后對消而后進行濾波的結果與先濾波而后在頻域對消的結果進行比較，如圖9、圖10所示。二者都是濾波后結果，噪底分別為67.66 dB和73.97 dB，計算得到目標信噪比分別為37.24 dB和31.33 dB，本文方法相比直接采用濾波后對消改善了5.91 dB。

圖9 本文方法目標檢測結果

圖10 直接濾波后對消目標檢測結果

3 結束語

本文提出了一種適用于作用距離較短、復雜雜波環(huán)境的自適應對消方法。由于這種情況下某些強雜波環(huán)境時域采集干擾樣本困難，本文通過相關性統(tǒng)計自動選擇頻域對消處理，可以有效規(guī)避強雜波干擾；而在弱雜波環(huán)境自動切換到時域對消處理，以避免干擾能量在頻道間分散導致對消比下降情況，通過試驗對方法有效性進行了驗證。本文僅考慮了較為單一的噪聲有源壓制干擾情況，另外僅針對復雜山區(qū)環(huán)境進行了試驗分析，對于壓制、轉發(fā)干擾組合的復雜干擾及海雜波、氣象雜波復雜環(huán)境下應用是進一步的發(fā)展方向。