吳億鋒 王 彤 吳建新 文 才
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基于廣義旁瓣相消的機載雷達抗密集轉發(fā)式干擾方法
吳億鋒 王 彤*吳建新 文 才
(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室 西安 710071)
密集轉發(fā)式干擾不僅會引起雷達虛警,而且會抬高其附近單元的恒虛警率檢測門限進而導致目標檢測性能下降。另外,它還會污染空時自適應處理的訓練樣本,導致雜波抑制性能下降。針對這些問題,該文提出一種機載雷達抗密集轉發(fā)式干擾算法。該算法首先估計干擾方向,然后用廣義旁瓣相消技術在空域濾除干擾。廣義旁瓣相消中的輔助通道為指向干擾方向的和波束,而其協(xié)方差矩陣則利用清晰區(qū)中挑選的干擾樣本估計得到。該算法可以有效抑制密集轉發(fā)式干擾,減少由其引起的虛警,改善雷達目標檢測性能,同時該算法還具有結構簡單,易于實現(xiàn)的優(yōu)點。實驗結果驗證了該算法的有效性。
機載雷達;抗轉發(fā)式干擾;廣義旁瓣相消(GSC);輔助通道;訓練樣本
密集轉發(fā)式干擾環(huán)境中的STAP與密集動目標環(huán)境中的STAP面臨的問題有相同之處,也有不同之處。相同之處在于干擾和目標都會使得所估計的協(xié)方差矩陣不僅包含雜波加噪聲,還包含干擾或者目標信號,從而在系統(tǒng)自由度不夠的情況下降低STAP抑制雜波和噪聲的性能。不同之處在于轉發(fā)式干擾需要被抑制,而密集動目標則需要保留,如果訓練樣本中含有目標信號,則在STAP時會造成目標相消,進而引起漏警。通常會采用NHD方法剔除被目標污染的訓練樣本,這樣就可以解決目標相消問題,減少虛警[7]。在密集轉發(fā)式干擾環(huán)境中采用NHD方法剔除被轉發(fā)式干擾污染的訓練樣本會使得STAP完全無法抑制轉發(fā)式干擾,從而引起大量虛警。
脈沖分集技術可以抗轉發(fā)式干擾[8],然而這種方法對發(fā)射波形有很高的要求。通過判斷檢測到的目標是否為真實目標而確定是否啟用波束合并、跟蹤等處理程序的方法可減小轉發(fā)式干擾對跟蹤數(shù)據(jù)處理器的壓力,可在一定程度上提高雷達系統(tǒng)抗轉發(fā)式干擾的能力[9]。一些學者提出根據(jù)真實目標與轉發(fā)式干擾假目標的運動學特性、回波的幅度波動和高階累積量[10]等的差異來區(qū)分真實目標與轉發(fā)式干擾假目標,并以此來抗轉發(fā)式干擾。也有一些學者提出根據(jù)多基地雷達中轉發(fā)式干擾假目標與真實目標的特性差異[11]來抗干擾。這些利用真實目標與轉發(fā)式干擾假目標的差異來區(qū)分兩者的方法并沒有抑制干擾,不能克服轉發(fā)式干擾對CFAR檢測門限和STAP性能的不利影響。旁瓣匿影技術能夠區(qū)分目標來自主瓣還是旁瓣,可以在一定程度上對抗從旁瓣進來的轉發(fā)式干擾,但也不能克服轉發(fā)式干擾對CFAR檢測門限和STAP性能的不利影響。不同于上述方法,本文采用自適應濾除轉發(fā)式干擾的方法來抗轉發(fā)式干擾。
干擾機可以對相控陣雷達產生速度欺騙干擾、距離欺騙干擾和波位欺騙干擾,但由于干擾機相對于雷達的方位是一定的而無法產生波達方向欺騙干擾,可利用這一點在空域濾除轉發(fā)式干擾。本文方法首先進行CFAR檢測處理;然后對檢測到的樣本進行波達方向估計,結合多個波位的檢測結果判定干擾方向并挑選干擾樣本;接著用指向干擾方向的波束作輔助波束,采用廣義旁瓣相消[12](Generalized Sidelobe Canceller, GSC)方法來濾除干擾,其中干擾協(xié)方差矩陣是用清晰區(qū)(不含雜波的區(qū)域)檢測到的轉發(fā)式干擾假目標作訓練樣本估計得到的,這樣可以消除目標和雜波對干擾協(xié)方差矩陣的影響,較精確地估計轉發(fā)式干擾的統(tǒng)計特性,從而使方向圖在干擾方向形成足夠深的凹口。本文方法可以很好地抑制密集轉發(fā)式干擾,減少由其引起的虛警,提高雷達目標檢測性能。仿真實驗驗證了本文算法的有效性。
雷達收到的干擾機調制轉發(fā)的干擾信號[13]可表示為
根據(jù)是否含有目標信號,回波有兩種假設形式:
由第2節(jié)分析可以看出轉發(fā)式欺騙干擾與真實目標的空時導向矢量信號形式是一樣的,很難從時域或距離域將轉發(fā)式欺騙干擾與真實目標區(qū)分開,但當轉發(fā)式欺騙干擾和雷達波束指向不同時(即干擾機處于副瓣中時),可以在空域抑制欺騙干擾。本文方法直接在空域濾除轉發(fā)式欺騙干擾,抑制轉發(fā)式干擾對目標檢測和STAP雜波抑制的不利影響,分為干擾偵察和干擾濾除兩個模塊。
本文算法的原理圖如圖2所示。
圖2 本文算法原理圖
表1仿真實驗雷達系統(tǒng)參數(shù)
平臺高度5000 m 載機速度150 m/s 陣元間距0.1 m 脈沖數(shù)64 波長0.2 m 脈沖重復頻率10 kHz
單個子陣原始的距離-多普勒圖如圖5所示,從圖中可以看到多個欺騙干擾目標。單個子陣經過本文方法濾除干擾后的距離-多普勒圖如圖6所示,從圖中看出本文方法可以濾除欺騙干擾目標并保留真實目標。圖7為歸一化多普勒頻率等于0.06的多普勒通道的功率剩余圖,其中圖7(a)為直接STAP的結果,圖7(b)為本文方法濾除干擾再級聯(lián)STAP的處理結果。從圖7的虛線可以看出兩種處理方式在第85個距離門的功率都等于20 dB,說明兩種處理方式都可以保持真實目標的功率不變;直接STAP方法在第95個距離門的功率很大,說明STAP無法濾除該距離門的轉發(fā)式欺騙干擾,該欺騙干擾有可能引起虛警,本文方法濾除干擾級聯(lián)STAP的處理方式在第95個距離門的輸出功率不大,說明該方法可以濾除欺騙干擾;圖7中的實線為剔除第85個距離門后第50到第120個距離門的平均功率,從兩條實線可以看出直接STAP方法的平均功率要比本文方法級聯(lián)STAP的平均功率高大約10 dB,這是因為直接STAP無法抑制轉發(fā)式干擾,轉發(fā)式干擾會抬高其附近距離單元的CFAR檢測門限,檢測門限的抬高會降低其附近真實目標的檢測概率。
圖3 欺騙干擾目標和真實目標的分布圖
圖4 單個子陣的方向圖
圖5 單個子陣的距離-多普勒圖
圖6 本文方法濾除干擾后單個子陣的距離-多普勒圖
圖7歸一化多普勒頻率等于0.06的多普勒通道的功率圖
以上實驗結果及分析說明本文所提方法可以有效抑制轉發(fā)式干擾,并且在干擾角度估計存在一定誤差的情況下也能保持較好的性能。
本文提出了一種機載雷達抗密集轉發(fā)式干擾的方法。該方法用GSC技術直接在空域濾除轉發(fā)式欺騙干擾,GSC中的協(xié)方差矩陣是用清晰區(qū)的干擾樣本來估計的,這就避免了雜波對干擾統(tǒng)計特性的影響,使方向圖在干擾方向形成凹口的同時在其它方向的電平變化不大;通過雷達系統(tǒng)的數(shù)字波束形成網絡形成輔助波束,每增加一個轉發(fā)式干擾機,只需多形成一個指向該干擾機方向的輔助波束,幾乎不增加系統(tǒng)重量,系統(tǒng)復雜度也不高,易于實現(xiàn)。本文方法可抑制密集轉發(fā)式干擾,減少由其引起的虛警,消除其對CFAR檢測門限和STAP的不利影響,改善雷達目標探測性能,有很高的實用價值。
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吳億鋒: 男,1988年生,博士生,研究方向為空時自適應信號處理和陣列信號處理.
王 彤: 男,1974年生,博士生導師,研究方向為信號與信息處理,特別是陣列信號處理、空時自適應信號處理、雷達成像和動目標檢測等.
吳建新: 男,1982年生,副教授,研究方向為動目標檢測和自適應信號處理.
A Method to Suppress Dense Repeater Jamming for Airborne Radar Based on Generalized Sidelobe Canceller
Wu Yi-feng Wang Tong Wu Jian-xin Wen Cai
(,,710071,)
Dense repeater jamming not only causes false alarms, but also raises the threshold of constant false alarm ratio detector nearby the jamming, which degrades the performance of targets detection. On the other hand, the samples contaminated by jamming degrade the performance of space time adaptive processing. To deal with these issues, a method to suppress dense repeater jamming is proposed. Firstly, the directions of the jammers are estimated. Secondly, Generalized Sidelobe Canceller (GSC) is used to cancel the jamming in the spatial domain. The auxiliary channels of the GSC are the sum beams pointing at the jammers, and the covariance matrix of the GSC is estimated with the jamming samples selected from the clutter free region. The proposed method reduces the false alarms caused by the dense repeater jamming, and improves the performance of targets detection. In addition, the structure of this method is simple and easy to realize. Simulations are presented to verify the effectiveness of the proposed method.
Airborne radar; Repeater jamming suppression; Generalized Sidelobe Canceller (GSC); Auxiliary channels; Training data
TN959. 73
A
1009-5896(2014)05-1049-06
10.3724/SP.J.1146.2013.01040
王彤 twang@mail.xidian.edu.cn
2013-07-16收回,2014-02-17改回
國家自然科學基金(61372133, 61101241)和中央高?;究蒲袠I(yè)務費專項基金(K5051102008)資助課題