邱　煒，朱德智，范明意

(中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088)

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基于AA的多通道雷達自適應(yīng)抗干擾方法

邱煒，朱德智，范明意

(中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088)

摘要：抗干擾能力是雷達的一項核心戰(zhàn)術(shù)指標，由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭中電磁環(huán)境日益復(fù)雜，雷達抗干擾面臨越來越多的挑戰(zhàn)。提出一種基于數(shù)字陣列雷達體制的自適應(yīng)-自適應(yīng)(AA)的抗干擾方法，該方法可有效抑制副瓣來向干擾，還可顯著改善因干擾樣本中混入目標信號而導(dǎo)致的目標相消問題，具有較高的工程應(yīng)用價值。仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字陣列雷達；自適應(yīng)-自適應(yīng)；抗干擾；目標相消

0引言

當前電子技術(shù)飛速發(fā)展，雷達面臨著越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境，這就對雷達的抗干擾能力提出了更高的要求。隨著數(shù)字陣列技術(shù)在雷達領(lǐng)域的應(yīng)用，數(shù)字波束形成技術(shù)得以在實際工程中用于雷達抗干擾領(lǐng)域。靈活的波形設(shè)計可以極大地發(fā)揮相控陣雷達的抗干擾潛力。在已有的干擾抑制方法中，傳統(tǒng)空域置零法易受天線陣元或通道幅相誤差的影響，算法不夠穩(wěn)??；而基于輔助通道的干擾對消方法在一定程度上可滿足工程需求，但由于全向接收天線偵收干擾，導(dǎo)致干擾抑制并不徹底。因此，當前迫切需要提出一種性能更好的且符合工程實用的雷達抗干擾新方法[1-4]。

本文針對數(shù)字陣列體制雷達中的抗干擾問題，提出一種基于自適應(yīng)干擾波束形成-自適應(yīng)干擾相消的干擾抑制方法。該方法首先利用雷達的發(fā)射靜默狀態(tài)形成多波束來對干擾進行測向，進而通過數(shù)字陣列自適應(yīng)波束在目標方向和干擾方向均形成有效波束，然后利用主波束接收數(shù)據(jù)和干擾通道接收數(shù)據(jù)基于旁瓣相消結(jié)構(gòu)進行自適應(yīng)對消干擾。該方法抗干擾性能穩(wěn)健且實現(xiàn)簡單，因此具有較高的工程實用性[5-7]。

1基于AA法自適應(yīng)干擾對消的基本原理和流程步驟

1.1基本原理

對于大型數(shù)字陣列的自適應(yīng)處理來說，需要采用降維處理的方法來減少運算量和減輕數(shù)據(jù)傳輸壓力，同時需要減少幅相誤差帶來的性能損失。因此，在實際應(yīng)用中往往采用波束形成后再進行數(shù)據(jù)處理的方式來實現(xiàn)降維。

下面重點描述雷達數(shù)據(jù)變換到波束域的抗干擾問題。首先預(yù)先估計出干擾來向及干擾源個數(shù)，然后再通過自適應(yīng)波束形成在各干擾向形成干擾波束，并將其與期望信號方向的主波束進行自適應(yīng)干擾相消處理。這就是自適應(yīng)-自適應(yīng)(AA)處理方法[6]。該方法基于旁瓣相消結(jié)構(gòu)來對消主波束中的干擾，因此具有較為穩(wěn)健的干擾抑制性能。具體的干擾抑制原理在下面詳細闡述。

假定陣元為M元等距線陣，間距為d且各向同性，J個干擾源從遠場以平面波入射到陣面上，干擾方向為θj(j=1,2,…,J)。各接收通道噪聲為高斯白噪聲。圖1為自適應(yīng)干擾對消基本原理圖。

圖1　自適應(yīng)干擾對消的基本原理

陣列接收到的快拍數(shù)據(jù)可以表示為:

(1)

式中:a(θj)，j=1,…,J,為干擾信號的導(dǎo)向矢量，a(θj)=[1,e-j2πdsin(θj)/λ,…,e-j2π(M-1)dsin(θj)/λ]T;N(t)=[n1(t),n2(t),…,nM(t)]T為噪聲矢量;sj(t)為第j個干擾信號復(fù)包絡(luò)。

主波束的輸出為:

(2)

第j個干擾波束的輸出為:

(3)

式中：a(θB)=[1,e-j2πdsin(θB)/λ,…,e-j2π(M-1)dsin(θB)/λ]T；θB為主波束的方向。

自適應(yīng)權(quán)值形成如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

自適應(yīng)波束形成的輸出為：

(9)

在式(7)中，相關(guān)矩陣的維數(shù)為J+1。由于空間干擾數(shù)是有限的，對于大型數(shù)字陣列雷達來說，相關(guān)矩陣的維數(shù)遠小于陣元數(shù)，運算量大幅降低。

1.2基本流程

基于AA法的自適應(yīng)干擾對消技術(shù)的基本流程分為以下3個步驟：

(1) 無源模式下多波束干擾測向；

(2) 自適應(yīng)干擾波束形成；

(3) 自適應(yīng)干擾對消。

干擾信號搜索定位過程是指雷達在某時間段處于發(fā)射靜默，通過接收數(shù)字波束形成(DBF)而形成覆蓋全空域的接收波束，設(shè)置門限，依次判斷各輸出通道，當某方位俯仰方向接收通道幅度大于設(shè)定的門限值時，則認為該方位存在干擾源，用此方法統(tǒng)計出各干擾源的空間位置和干擾源總個數(shù)。自適應(yīng)波束形成是雷達在正常搜索期間，形成目標搜索方向的主波束和指向各干擾源的干擾波束，干擾波束的個數(shù)依賴于干擾源個數(shù)。自適應(yīng)干擾對消是利用主通道和干擾通道數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性進行自適應(yīng)處理。

圖2和圖3分別為干擾源定位示意圖和主波束、干擾波束形成示意圖。

圖2　干擾源定位示意圖

圖3　主波束和干擾波束形成示意圖

2計算機仿真和性能評估

假定天線陣面為矩形陣，大小為20行、64列，各陣元按半波長等間距排列，干擾源個數(shù)為2個，從目標信號的水平副瓣進入，干擾類型為窄帶壓制干擾，各接收通道的噪聲為高斯點頻噪聲。重點對基于AA法的干擾對消方法和基于輔助天線的干擾對消方法進行性能對比。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

實驗1：訓(xùn)練樣本中不含目標信號，目標距離R=50,信噪比σSNR=45dB。

圖4為干擾的距離-多普勒功率譜圖。由圖4可以看出，共2個點頻干擾，分別分布在2個不同頻點和全部距離單元上。

圖5(a)和(b)分別為采用AA法和輔助天線法進行自適應(yīng)干擾對消后的距離-多普勒功率譜圖。由圖5可以看出，在本仿真條件下，2種干擾對消方法性能接近，均可有效抑制干擾，且目標沒有發(fā)生相消現(xiàn)象。

圖4　主波束頻譜干擾從副瓣進入

圖5　自適應(yīng)干擾對消后距離-多普勒功率譜圖

圖6為采用AA法和輔助天線法進行自適應(yīng)干擾對消后的多普勒向切片圖。由圖6可以看出，在本仿真條件下，2種干擾對消方法均可有效抑制干擾，且干擾抑制水平相當，同時目標向無目標損失。圖7為采用AA法和輔助天線法進行自適應(yīng)干擾對消后的空域方向。由圖7可以看出，在本仿真條件下，采用2種干擾對消方法均可在干擾來向形成有效凹口，但輔助天線法副瓣較AA法稍高。

圖6　采用2種對消后的多普勒向切片圖

圖7　采用2種對消方法的空域方向圖

實驗2：訓(xùn)練樣本中含目標信號，目標距離R=30，信噪比σSNR=45dB。

圖8為采用AA法和輔助天線法進行自適應(yīng)干擾對消后的多普勒向切片圖。由圖8可以看出，在本仿真條件下，2種干擾對消方法均可有效抑制干擾，且干擾抑制水平相當，同時目標向無目標損失。圖9為采用AA法和輔助天線法進行自適應(yīng)干擾對消后的空域方向。由圖9可以看出，在本仿真條件下，采用2種干擾對消方法均可在干擾來向形成有效凹口，但輔助天線法副瓣較AA法有顯著抬高。這是因為干擾估計樣本中包含目標時，當輔助天線個數(shù)大于干擾源個數(shù)時，多余的系統(tǒng)自由度會起到副作用，導(dǎo)致副瓣抬高，性能變差。

圖8　采用2種對消后的多普勒向切片圖

圖9　采用2種對消方法的空域方向圖

實驗3：訓(xùn)練樣本中含目標信號，目標距離R=30，信噪比σSNR=70dB。

圖10為采用AA法和輔助天線法進行自適應(yīng)干擾對消后的多普勒向切片圖。由圖10可以看出，在本仿真條件下，采用AA法的干擾對消效果要顯著優(yōu)于輔助天線法，干擾剩余差15dB左右。圖11為采用AA法和輔助天線法進行自適應(yīng)干擾對消后的空域方向。由圖11可以看出，在本仿真條件下，采用2種干擾對消方法均可在干擾來向形成凹口，但輔助天線法副瓣較AA法抬高約40dB左右，且主波束方向發(fā)生波形畸變。這是因為當干擾估計樣本中含強目標時，輔助天線法明顯出現(xiàn)了目標相消現(xiàn)象，而AA法由于目標從干擾波束副瓣進入，干擾通道中目標信號能量被抑制，因此有效預(yù)防了目標信號的相消問題。

圖10　采用兩種對消后的多普勒向切片圖

圖11　采用2種對消方法的空域方向圖

實驗4：干擾源和雷達接收平臺存在相對運動情況下，AA法干擾對消效果評估。

假定干擾源運動速度300m/s，雷達接收平臺運動速度150m/s，2次干擾搜索時間間隔為2s，則在此期間雷達平臺和干擾源間的最大運動角度為1.03°。圖12為雷達平臺和干擾源的相對運動所導(dǎo)致的干擾來向變化示意圖。圖13為角度變化與AA法干擾對消性能損失的關(guān)系圖。由圖13可以看出，AA法能夠保證在2次搜索間隔內(nèi)，在目標和平臺存在相對運動的情況下，干擾性能無損失。

圖12　雷達平臺和干擾源的相對運動角度變化示意圖

圖13　角度變化和性能損失關(guān)系圖

3結(jié)束語

本文提出的基于AA法自適應(yīng)干擾對消方法，利用測得的干擾源來向在干擾向自適應(yīng)形成指向波束，在確保該干擾波束所接收干擾能量最大的同時，也利用空域加權(quán)將進入干擾波束的目標分量削弱。因此，該方法可在保證目標無損失的前提下實現(xiàn)干擾的有效對消。由于具有較低運算復(fù)雜度，該方法特別適用于大型數(shù)字陣列雷達，且已經(jīng)在實際工程中取得應(yīng)用，并取得了良好的干擾抑制性能。

參考文獻

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[3]LIWX,LIYP.AnEffectiveMethodonIncreasingtheNullDepthofBeamformingviaVirtualArrayTransformation[C]//InformationScienceandEngineering.Hangzhou,China,2010:973-976.

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[5]張鵬.自適應(yīng)干擾對消中干擾信號的采樣混有目標信號時的對消效果分析.系統(tǒng)工程與電子技術(shù),1996(8):34-43.

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[7]朱德智.自適應(yīng)-自適應(yīng)波束形成的零陷加深技術(shù)[J].雷達與對抗,2012,32(4):35-38.

Adaptive Anti-jamming Method for Multi-channel Radar Based on AA

QIU Wei,ZHU De-zhi,FAN Ming-yi

(No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

Abstract:The anti-jamming ability is a key tactical index for radar.Because the electromagnetic environment becomes more and more complex in modern war,more and more challenges are confronted with the radar anti-jamming.This paper puts forward an adaptive-adaptive (AA) anti-jamming method based on digital array radar system.The method can effectively suppress the jamming from side lobes,and can evidently improve the target cancellation problem due to the mix of jamming signals and target signals,has higher engineering application value.The simulation result validates the validity of the method.

Key words:digital array radar;adaptive-adaptive;anti-jamming;target cancellation

收稿日期:2016-01-03

中圖分類號：TN974

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0021-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.006