崔向陽 劉 穎 付學斌 田 歡 陳 亮 王愛榮

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.西安現(xiàn)代控制技術研究所 西安 710065)

0 引言

隨著電子戰(zhàn)技術的發(fā)展，雷達工作的電磁環(huán)境日益復雜，在檢測目標的同時，需要高效的對抗空間干擾。對有源干擾的感知和測量是雷達抗干擾的前提，干擾源定向技術通過對空間信號進行采樣處理，估計出輻射源的方位、俯仰信息，為抗干擾提供先驗信息。

對干擾源定向的常用方法主要有：

1)比幅測向法，即通過對偵查空間進行波束的全掃描，當波束掃描到干擾源時，利用比幅方法進行測角，這種方法對波束掃描及占用的系統(tǒng)資源都有要求；

2)相位干涉儀測向，利用鑒相方法來估計干擾源方向，這種方法需要基線長度有一定要求；

3)空間譜估計及超分辨的方法，方法以MUISC，ESPRIT等算法為代表，具有多角度分辨和高精度的特點，但是實現(xiàn)方式較為復雜。

與此同時，大規(guī)模數(shù)字處理器件的快速發(fā)展，更大規(guī)模的數(shù)字陣列雷達，越來越多地進入到了工程研制階段，為干擾測向提供了更多的可能性。干擾入射方向的估計，屬于波達方向估計的范疇。傳統(tǒng)的雷達，由于系統(tǒng)的自由度不夠，能夠采用的波達方向估計技術并不多。在數(shù)字陣列中對于波達方向的估計，如MUISC、ESPRIT等算法，這些算法雖然測角精度高，但是考慮到雷達工作的波束駐留時間很短，工程應用中受限于運算時間的要求難以實現(xiàn)，而對于兩維數(shù)字陣列，其復雜度進一步提高。

1 FFT進行空間DOA估計

對于一均勻線陣，其陣元個數(shù)為，其陣元間距為，為載波信號的波長。對于遠場個窄帶入射信號的時間平穩(wěn)信號，其如入射角為，其第個陣元的輸出為

(1)

其中，=1,2,…,-1；()為入射信號。

對比FFT的表達式為

(2)

其中，F(xiàn)FT后第個譜峰對應的空間采樣點為；_FFT為FFT的點數(shù)，通過對應與FFT的關系，獲得空間采樣頻率，第譜峰對應的入射角度為

(3)

對于FFT估計的角度分辨率，其瑞利限(均勻線陣)由3 dB波束寬度決定為

(4)

2 兩維空間方向估計

兩維數(shù)字陣列其，分別為行、列陣元間距，行列陣元數(shù)分別為，，其全陣面接收的第個采樣快拍的數(shù)據(jù)矩陣為

(5)

本文中所提到的干擾測向方法，首先需要進行接收數(shù)據(jù)的選取。需要對兩維子陣平面中，選取一個“十字架”，見圖1所示，即中間的一行及一列，進行干擾測向。對于單個陣元，陣元的輻射的特性可近似認為為全向天線。這樣選取某一列的所有行，見式(6)所示。

(6)

則在方位維可近似認為全向波束，俯仰維為一維線陣，可以進行俯仰維干擾角度測向。同樣的，選取某一列的所有行，即

()=(0,()1,()…-1,())

(7)

則在俯仰維可近似認為全向波束，方位維為一維線陣，可以進行方位維干擾角度測向。

圖1 陣面陣元選取平臺示意圖

其對應的方位角和俯仰角分別為式(8)和式(9)所述，此角度為陣面坐標系下的錐掃描角，n_FFT為FFT點數(shù)。

其中方位角為

(8)

其中俯仰角為

(9)

3 空間方向匹配

為了提高估計的可信度，干擾估計需要對多次快拍進行處理，假設共采樣個快拍，(),=0,1,…,，為天線陣面“列”采樣點；(),=0,1…,，為天線陣面“行”采樣點。通常情況下，由于快拍采樣過程極短，入射干擾角度幾乎沒有變化，那么多次快拍之間干擾入射角度應該一致，即個干擾的入射角度為式(10)所示。

=[(0)(1) …()]

(10)

此外則測得的FFT后的峰值位置也應一致。個快拍個干擾入射對應的譜峰位置的信號如式(11)所示。

(11)

計算獲得方位維個干擾方向的次采樣快拍的記錄值為式(12)所示。

=[(0)(1) …()]

(12)

對應的譜峰位置的信號為式(13)所示。

(13)

對俯仰維譜峰信號的矩陣×，及方位維譜峰信號的矩陣×，進行自相關運算。獲得相關矩陣為式(14)所示。

(14)

構造與相關矩陣對應的角度匹配矩陣，該矩陣并不計算具體數(shù)值，而是通過對矩陣1×，1×進行與×矩陣相同的矩陣運算過程，生成角度查找表。如式(15)所示。

(15)

即(,)該點的方位角為()，俯仰角為()。

相關矩陣×幅度越大則表明相關性越大，即就是俯仰與方位角度配對程度越高。針對個干擾通過對相關矩陣×幅度排序后，獲得個極值。通過個極值在×矩陣中的獲得該極值數(shù)據(jù)的下標(,)，對比相關矩陣×與查找表×的對應關系，如圖2所示，從矩陣×中，根據(jù)坐標(,)，并找到個配對的干擾角度(，)，完成干擾角度配對。

圖2 角度配對示意圖

4 實現(xiàn)流程

首先，設計雷達系統(tǒng)工作時序，增加靜默偵查區(qū)，如圖3所示。干擾測向是為干擾對消提供角度先驗知識，所以在干擾測量時，如果有己方雷達的輻射信號進入干擾測量的通道，在對消時就會消去己方有用信號。所以需要在雷達發(fā)射周期中增加靜默區(qū)，此時不輻射電磁信號，僅接收信號(干擾)。此時雷達靜默工作，雷達陣面處于不發(fā)射僅接收狀態(tài)。

圖3 雷達工作時序示意圖

其次，在確定周圍環(huán)境無干擾時(如天線暗室環(huán)境)，對行(或列)采樣的快拍進行FFT，記錄雷達正常工作時，統(tǒng)計雷達靜默區(qū)的接收機噪聲電平，并根據(jù)系統(tǒng)需求，當正常工作時靜默區(qū)接收機噪聲電平大于某一值時認為系統(tǒng)受到干擾，其中值可由上位機參數(shù)控制或設置經(jīng)驗值。正常工作時，如雷達靜默區(qū)偵聽到的信號高于門限一定數(shù)量時，判定為系統(tǒng)受到干擾。假設干擾的個數(shù)為個，通常設置為系統(tǒng)能夠處理的最大干擾個數(shù)，這取決于系統(tǒng)能夠對抗干擾的自由度和運算能力。

再次，按照第一，二章所述的方法。利用FFT方法進行干擾測向，充分利用數(shù)字陣列靈活的優(yōu)勢，單獨處理“行”，“列”單次采樣快拍進行FFT運算，可以獲得方位、俯仰維指向干擾角度的FFT峰值點，記錄其幅度是否大于門限值。

最后，采用第三章節(jié)所述方法，對測出的兩維角度進行角度匹配，獲得最終的處理結果。

其處理流程見圖4所示，采用本文所述方法，在某研制雷達中取得了較好的測量結果。

圖4 處理流程示意圖

這里通過仿真設置兩個干擾源，其入射方向分別為：干擾1入射方位俯仰角為[-5,2]，干擾2入射方位俯仰角為[15,-15]。首先通過干擾估計可以獲得方位俯仰的分別指向見圖5所示，之后經(jīng)過角度匹配的處理之后，獲得其真實指向，分別為[-4.99，2.08]，[15.02，-15.06]。

圖5 多次采樣快排進行FFT角度估計

實驗中，設置兩個干擾源，且分別使用點頻連續(xù)波和噪聲干擾兩種形式的干擾。由于實現(xiàn)條件限制，干擾源位置無法靈活變動，這里通過轉動天線伺服，測量獲得與天線法線偏離的角度后，通過讀取伺服轉動角度值并加到天線法線偏移值上，來獲得測量真值。這里俯仰測試0°和5°，方位測試-5°和5°，即天線法線與伺服碼盤0°對齊時，兩個干擾角度為[-5,0]，[5,5]。之后伺服方位每5°轉動測試一次，具體測試結果見表1所示。從表1能夠看到，對噪聲的干擾角度估計誤差大于對點頻的估計。噪聲類型干擾角度的估計誤差大約在0.3°，對點頻類型干擾角度的估計誤差小于0.1°。

表1 實際測試結果

5 結束語

本文通過增加雷達發(fā)射靜默周期，偵聽環(huán)境干擾，同時通過對接收的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)設置的門限閾值，判定是否有干擾進入，同時通過FFT的方法快速形成方向圖，進行空域濾波搜索，獲得方位、俯仰維度的干擾指向角度，之后通過對干擾入射方向的數(shù)據(jù)進行相關估計，完成兩個維度的干擾角度配對處理，獲得配對后的干擾入射角的方位、俯仰兩維角度。具有相應速度快的特點，在對測向精度要求不高的場景，可以快速獲得干擾的兩維指向。