章力強, 李相平, 陳 信, 韓洪斌

(1.海軍航空工程學院,山東煙臺264001;2.92919部隊,浙江寧波315020)

0 引言

雷達回波信號中,除了幅度、相位和多普勒頻移外,還存在著第四特征——極化特征。由于極化信息處理利用了雷達回波的矢量信息,這樣就考慮了發(fā)射波、后向散射波以及干擾波的極化狀態(tài),使得許多在時域、頻域、空域等常規(guī)手段難以解決的問題有了新的解決辦法。

傳統(tǒng)的變極化技術(shù)幾乎都是在天線或饋線上進行的,其中以在波導管中加裝可控的鐵氧體裝置來改變電磁波極化狀態(tài)的方法最為常見。但是鐵氧體材料的磁化性能限制了其響應速度和變換精度[1],不能在短時間內(nèi)完成極化捷變,精度也受到一定限制。英國學者A.J.Poelman在1981年首次提出了“虛擬極化”的概念[2]。

所謂虛擬極化,就是不實際改變雷達接收天線和饋線的極化狀態(tài),而是通過對正交雙極化接收通道的信號進行適當?shù)姆嗉訖?quán),以達到與改變接收天線極化狀態(tài)相同的效果:匹配接收期望信號或正交抑制干擾信號,無損的產(chǎn)生任何極化。將變極化的工作從天線和饋線上轉(zhuǎn)移到數(shù)字信號處理機中來實現(xiàn),數(shù)字信號處理具有快速、準確、靈活的特性[3]。因此,虛擬極化技術(shù)在變極化雷達接收系統(tǒng)中得到越來越多的應用。

1 虛擬極化原理

1.1 二維虛擬極化濾波

虛擬極化一般有兩個目的:

a)求得極化匹配,以獲得最大輸出,用于目標的檢測和跟蹤;

b)求得極化正交,以獲得最小(零)輸出,用于干擾和雜波的抑制。

經(jīng)過正交雙極化天線接收的某種極化狀態(tài)的電波被分成兩個正交極化分量,分別進入正交接收通道。經(jīng)變頻和放大處理后,經(jīng)正交解調(diào)分為I/Q兩路信號。

這樣,就把電波兩個極化分量的極化狀態(tài)保存起來。隨后兩個通道的四路信號被采樣并量化為數(shù)字信號,送入虛擬極化電路處理。該電路中預先儲存了各種極化變換的參數(shù)組,可以根據(jù)需要對送來的四路信號進行幅相加權(quán),然后求其矢量和,最后得到所需變換的極化狀態(tài),其處理過程如圖1所示。

圖1 虛擬極化信號處理過程

設雷達回波信號的電場矢量為

式中:E H為水平分量;E V為垂直分量;γ∈(0,π/2);φ∈(0,2π)為電磁波的極化相位描述因子。

設虛擬極化電路的加權(quán)極化參數(shù)為(γ0,φ0)。對水平極化支路進行幅度加權(quán)[4],加權(quán)系數(shù)為cos γ0,則有

對垂直極化支路,先進行幅度加權(quán),加權(quán)系數(shù)為sinγ0,然后進行 φ0的相位加權(quán),即有

完成上述加權(quán)后四個分量矢量和的幅度平方(功率)應為

當匹配接收時,即有 γ0=γ,φ0=2π-φ,輸出功率為最大值:

當正交接收時,即有 γ0=π/2-γ,φ0=π-φ,輸出功率為最小值:

假設雷達回波信號為左旋圓極化,即極化參數(shù) γ=π/4,φ=π/2,從圖 2中可以清楚地看出當匹配接收時,即有 γ0=π/4,φ0=3π/2,相對接收功率最大 ;當正交接收時 ,即有 γ0=π/4,φ0=π/2,相對接收功率最小。

圖2 虛擬極化參數(shù)不同時的接收功率

1.2 三維極化濾波

二維虛擬極化濾波存在一些濾波死角,為了達到更好的濾波效果,可以采用三維極化濾波[5]。在空間直角坐標系XYZ中,如圖3所示,Z軸代表垂直極化天線軸向,X、Y軸代表水平極化天線軸向。

圖3 三維坐標中的入射波

對于那些 θ→π/2,φ→π/2的干擾,由X、Z 軸向構(gòu)成的二維極化濾波只能接收到干擾的極小一部分,濾波效果會較差,這是二維極化濾波的缺點所在。若在Y軸向加一個水平極化天線,采用三維正交極化濾波[6],則可以接收任意來向的空間電場矢量,實現(xiàn)極化域和空域的聯(lián)合濾波,達到理想的濾波效果。

2 極化參數(shù)的相關遞推估計

2.1 極化參數(shù)提取

極化信息利用的前提條件是已知目標信號的極化狀態(tài),因此極化參數(shù)提取的精確性關系到虛擬極化濾波的性能。目標回波的極化信息可以由相關矩陣完全表征[7],設接收到的雷達回波的相關矩陣為

上式可以記為

根據(jù)波極化參數(shù)的定義得

由式(9)、(10)可得到回波的極化參數(shù),在實際應用中,由于雷達發(fā)射脈沖的頻率較高,而目標極化狀態(tài)又是不斷變化的,因而對目標的極化狀態(tài)必須進行自適應的估計才能夠有效的提取極化參數(shù)。

2.2 相關矩陣遞推估計

實際工程應用中,極化相關矩陣是不能先驗得到的,在一定假設條件下,其最大似然估計為

由此可以將統(tǒng)計平均轉(zhuǎn)化為集合平均來近似估計[8],式中M為接收到的回波樣本數(shù)。根據(jù)式(9)、(10),要實現(xiàn)極化參數(shù)的自適應估計,只要能實現(xiàn)回波相關矩陣的自適應估計就可以了。

假設已經(jīng)獲得m時刻極化相關矩陣的估計Cm,m+1時刻接收電場為Em+1,根據(jù)電場對極化相關矩陣進行修正得[9]:

式中:0≤λ≤1為新數(shù)據(jù)權(quán)重因子。取λ=1/N,有

初始值C0可以取為一Hermite矩陣。

3 仿真分析

3.1 雜波的極化抑制

假設天線為全向天線,雙正交水平垂直極化天線接收[10],接收機噪聲服從獨立復正態(tài)分布,記為 n=[n H,n V]T,均值為0,協(xié)方差矩陣為K n=σn I2×2,則接收機噪聲可視為完全未極化波。雜波相關矩陣初始值Cn=I2×2,設相關矩陣遞推估計公式中M=20;取采樣點 N=2 000。

仿真中加入瑞利雜波,前1 000個采樣點為右旋圓極化,后1 000個采樣點為左旋圓極化。目標信號為線性調(diào)頻信號,極化方式為右旋圓極化,信噪比為15 dB,干噪比為30 dB,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 線性調(diào)頻信號極化濾波輸出

仿真中加入極化方式不同的兩種瑞利雜波,一種為左旋圓極化,另一種極化參數(shù)為γ=35°,η=-35°。

目標信號為線性調(diào)頻信號,極化方式為右旋圓極化,信噪比為15 dB,干噪比為30 dB,仿真結(jié)果如圖5所示。

對加入兩種干擾的情況用三維極化濾波來進行雜波濾除,其他條件同(2),濾波后輸出效果如圖6所示。

圖5 雙雜波極化濾波輸出

圖6 三維極化濾波輸出

從仿真結(jié)果可以看出,虛擬極化濾波能有效檢測到雜波信號極化狀態(tài)。

在濾波初始階段,虛擬極化濾波器參數(shù)的初值需要調(diào)整,經(jīng)過短暫的學習之后,就能跟蹤到雜波信號極化狀態(tài)的改變。調(diào)整正交雙極化通道的加權(quán)系數(shù),進行正交接收,能有效抑制雜波(8～17)dB。

由圖4可知,當干擾和目標信號的極化方式完全相同時,使用虛擬極化濾波技術(shù)也不能濾出目標信號,所以前1 000個采樣點沒有目標信號濾出。

由圖5可知,當加入兩種不同極化方式的雜波時,理論上濾波器參數(shù)調(diào)整后,雖然對雜波有所抑制,但由于兩雜波的極化狀態(tài)不同,合成波為部分極化波,單個極化濾波器只能完全濾除合成雜波中的完全極化波分量和未極化波分量的一半,信號無法成功濾出。

由圖6可知,當采用三維極化濾波后,即使存在兩個極化方式,不同的雜波也能很好的濾出目標。這說明采用極化域和空域聯(lián)合濾波能顯著地改善雷達的雜波抑制能力,提高雷達目標檢測性能。圖中濾波后出現(xiàn)的弱雜波信號是由于接收機的噪聲信號是一完全非極化波[11],無論采用何種極化濾波方式都只能濾除其功率的一半所造成的。

3.2 目標的極化增強

仿真中加入四個極化形式不同的目標回波,在采樣點[395,405]加入的目標1為左旋圓極化波,采樣點[795,805]加入的目標2為右旋圓極化波,采樣點[1195,1205]加入的目標3為垂直極化波,采樣點[1595,1605]加入的目標4為水平極化波,比較垂直極化接收與虛擬極化濾波輸出結(jié)果如圖7所示。

圖7 多目標極化增強對比

仿真結(jié)果表明,垂直極化方式為主極化接收時,虛擬極化濾波對極化方式不同的目標回波信噪比改善程度不同,經(jīng)過虛擬極化濾波后目標1信噪比提高2.9 dB,目標2信噪比提高3.2 dB,目標3信噪比提高1.8 dB左右,目標4信噪比提高5.9 dB。

目標4的信噪比改善程度最大,目標3的信噪比改善程度最小,虛擬極化濾波是利用交叉極化分量來提高目標回波的,而目標4的交叉極化分量最大,目標3的交叉極化分量最小,因此仿真結(jié)果與理論分析一致。

總的來說,運用虛擬極化濾波能普遍提高目標回波信噪比3 dB左右,顯著地改善雷達的目標檢測性能。

為了研究虛擬極化濾波信噪比得益與同極化和交叉極化信噪比之差的關系,雷達主極化接收通道設為垂直極化,對采集到的100組雷達回波數(shù)據(jù)進行仿真分析,得到如圖8所示的擬合曲線。

圖8 增益改善值與同極化和交叉極化差關系圖

通過擬合曲線可以看出虛擬極化增益改善值與同極化和交叉極化差值成反比關系,當同極化分量比交叉極化分量大10 dB左右時,虛擬極化濾波的增益改善值幾乎為零,當同極化分量與交叉極化分量為零時,虛擬極化濾波的增益改善值為3 dB左右,當交叉極化分量比同極化分量大時,增益改善值可以達到5 dB左右。

4 結(jié)論

本文研究了虛擬極化濾波在雷達接收系統(tǒng)中的應用,利用干擾信號和目標回波極化方式存在差異這一特性,通過對正交雙極化接收通道幅相加權(quán)系數(shù)進行調(diào)整,達到匹配接收目標回波和正交抑制干擾雜波的目標。

通過仿真分析,說明虛擬極化濾波能普遍抑制干擾雜波(8～17)dB,增強目標回波信噪比3 dB左右,對提高雷達抗干擾和目標檢測能力有重要的意義。然而,在實際應用中,接收通道的幅度一致性和相位一致性非常重要,它直接決定著極化參數(shù)提取的精確性,本文沒有對此做進一步的討論,下一步的研究將對此進行探討,為研究高性能的雷達提供理論依據(jù)。

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