劉 鳴,黃 威

(1.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,合肥 230000；2．海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室, 上海 201206)

自適應(yīng)旁瓣相消算法分析與仿真

劉 鳴1,黃 威2

(1.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,合肥 230000；2．海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室, 上海 201206)

雷達(dá)工作時經(jīng)常受到各種有源電子干擾。這些干擾會影響雷達(dá)的探測能力,嚴(yán)重時甚至使其無法探測目標(biāo),因而雷達(dá)進(jìn)行抗干擾處理顯得十分重要。本文主要仿真了輔助天線個數(shù)、輔助天線延時節(jié)的選擇等對旁瓣相消性能的影響,并給出了在復(fù)雜電磁環(huán)境下旁瓣對消的抑制效果。

壓制式干擾；旁瓣相消；輔助天線

0 引 言

作為一種軍用裝備,雷達(dá)用于探測各類目標(biāo),可以全天候工作,在現(xiàn)代戰(zhàn)爭態(tài)勢感知中起著無可替代的作用。但是,隨著新的電子干擾技術(shù)的迅速發(fā)展,干擾機先進(jìn)的電子干擾措施與手段不斷涌現(xiàn),導(dǎo)致現(xiàn)代雷達(dá)面臨的工作電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。各類形式多樣靈活的干擾對雷達(dá)的性能和生存產(chǎn)生了嚴(yán)重影響和威脅。為了抑制各種干擾,各種雷達(dá)抗干擾技術(shù)應(yīng)運而生。自適應(yīng)旁瓣相消處理是一種重要的雷達(dá)抗有源干擾的技術(shù),可有效提升雷達(dá)的處理性能。一般情況下,雷達(dá)接收天線的主瓣很窄,且增益很高,具有極強的方向性,有源干擾信號從接收天線的主瓣進(jìn)入的概率很?。欢炀€的旁瓣很寬,因而很容易接收到干擾信號。為了抑制干擾,通常天線旁瓣增益都很低,但當(dāng)雷達(dá)處于極強的有源干擾環(huán)境時,旁瓣接收的干擾信號可能淹沒主瓣接收的目標(biāo)信號,從而導(dǎo)致雷達(dá)不能正常工作。

本文主要研究雷達(dá)遭受壓制式干擾時進(jìn)行自適應(yīng)旁瓣相消處理,介紹自適應(yīng)旁瓣對消工作原理,分析如何合理選擇輔助天線的個數(shù)、輔助天線延時階選擇等參數(shù),從而提高雷達(dá)自適應(yīng)旁瓣相消的能力。

1 自適應(yīng)旁瓣相消工作原理

有源干擾從雷達(dá)接收天線進(jìn)入。當(dāng)干擾信號很強時,從天線旁瓣進(jìn)入的有源干擾信號足以影響天線主瓣對目標(biāo)的探測,此時應(yīng)降低干擾方向上天線旁瓣的電平。但是,干擾方向不可預(yù)知,同時天線也在掃描,因此天線的旁瓣相消必須自適應(yīng)工作。旁瓣相消的基本思想就是在波束最大值指向目標(biāo)方向的同時盡可能地抑制干擾功率，在保證信號功率為一定值的條件下使輸出的總功率最小化。

假設(shè)主天線的主瓣對準(zhǔn)目標(biāo)并接收目標(biāo)信號,而干擾信號從主天線旁瓣進(jìn)入。由于輔助天線為全向天線,且增益較低,略大于主天線的副瓣增益,所以輔助天線接收到的目標(biāo)信號會很小,可以近似認(rèn)為輔助天線只接收到干擾信號。

利用輔助天線接收的干擾信號,自適應(yīng)天線旁瓣相消技術(shù)通過信號處理方法對消掉主天線接收信號中的干擾信號,以抑制干擾,提高雷達(dá)在干擾條件下檢測目標(biāo)的能力。自適應(yīng)天線旁瓣相消也是一種空域濾波技術(shù)。與時域濾波相比,空域濾波的方向圖相當(dāng)于時域濾波的頻率響應(yīng),空域濾波的方向選擇相當(dāng)于時域濾波的頻率選擇。

自適應(yīng)旁瓣相消算法原理圖和主輔天線方向圖如圖1所示。

(a)自適應(yīng)旁瓣對消的原理框圖

(b)主輔天線方向圖

圖中,N表示具有N個輔助天線；X表示主天線接收的信號；Y1,Y2,…,YN表示輔助天線接收的信號；W1,W2,… ,WN表示加權(quán)系數(shù)；V0表示對消輸出,用數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為

(1)

(2)

(3)

若▽=0,就可得到最佳權(quán)矢量Wopt,即

或

(4)

當(dāng)式(4)中的自相關(guān)矩陣RYY為非奇異陣時,W可表示為

(5)

式中

這樣, 對消剩余功率的最小值為

(6)

進(jìn)行旁瓣相消處理時,一般用對消比(對消增益)CG來衡量旁瓣對消的性能,相當(dāng)于信干比提高的倍數(shù), 其定義為

(7)

式中,n為主天線接收的干擾信號,nr為經(jīng)過相消處理后的干擾輸出,則對消比就是對消前和對消后的干擾功率之比。

2 輔助天線數(shù)量對旁瓣相消的影響

雷達(dá)進(jìn)行旁瓣相消處理時,選擇多少個輔助天線最合適是很重要的。設(shè)n個輔助天線的自適應(yīng)旁瓣對消系統(tǒng)中存在著r個寬帶獨立干擾源,則根據(jù)輔助天線與干擾源的相對數(shù)目,有以下3種情況：

(1) 當(dāng)n=r時,輔助天線數(shù)目等于干擾源數(shù)目,若不考慮噪聲,可以將干擾完全對消。這是因為利用n個輔助天線在接收方向圖的旁瓣上形成了n個獨立的“零點”,可以對消從n個方向上來的干擾信號。考慮噪聲時,對消有剩余。因為噪聲對權(quán)值具有擾動作用,它使主天線的旁瓣形成的“零點”沒有完全對準(zhǔn)干擾機的方向,使對消輸出信號中混有干擾信號。隨著干擾噪聲比的提高,噪聲的擾動作用降低,旁瓣對消性能將會提高。

(2) 當(dāng)n>r時,輔助天線數(shù)目大于干擾源數(shù)目,則可以對消掉干擾信號,若考慮噪聲,則存在對消剩余。

(3) 當(dāng)n

在仿真中假定雷達(dá)工作空域存在2個干擾源的情況,分別采用2、3、4個輔助天線進(jìn)行自適應(yīng)旁瓣對消。圖2(a)為2個輔助天線與1個主天線的位置分布圖,2個輔助天線關(guān)于主天線相位中心對稱；圖2(b)為3個輔助天線與1個主天線的位置分布圖,輔助天線1、2關(guān)于主天線相位中心對稱；圖2(c)為4個輔助天線與1個主天線的位置分布圖,4個輔助天線關(guān)于主天線相位中心對稱。

假設(shè)空間存在2個帶寬為5 MHz的窄帶干擾源,且干擾源1的入射角為30°,干擾源2的入射角在0°～180°范圍內(nèi)變化；主天線主副比35 dB,輔助天線主輔比5 dB,目標(biāo)距離20 km,主天線接收回波信號的干噪比為30 dB。分別采用以上3種天線模型進(jìn)行仿真,比較輔助天線數(shù)目不同時,對于空間存在2個帶寬為5 MHz的寬帶干擾源的旁瓣對消性能仿真結(jié)果如圖3和表1所示。

(a) 2個輔助天線

(b) 3個輔助天線

(c) 4個輔助天線

2個輔助天線3個輔助天線4個輔助天線平均對消比(dB)8．3016．1825．72

由圖3及表1可知,輔助天線個數(shù)越多,對消比越大,剩余干擾信號功率越小,即旁瓣對消性能越好。根據(jù)雷達(dá)遭受干擾源個數(shù)不同,經(jīng)過綜合分析,一般建議同時遭受2個干擾源干擾時選擇3個輔助天線進(jìn)行旁瓣相消處理比較合適。實際工程實現(xiàn)時,對干擾信號的采樣數(shù)量需要特別注意,相消性能與采用的樣本數(shù)有關(guān)。采樣信號的樣本數(shù)越多越好,計算權(quán)值的矩陣會越準(zhǔn)確,權(quán)值的運算精度越高,相消性能就越好。但是,樣本數(shù)越大,運算量越大,計算時間會越長。一般工程實現(xiàn)時采樣樣本數(shù)至少大于等于干擾信號的一個重復(fù)周期,可取128個樣本,或者512個樣本。同時,實際工程實現(xiàn)時,還需要將主通道和輔助通道的幅相進(jìn)行均衡,保證主輔通道的幅相一致性。

圖3 3種輔助天線數(shù)目時2個5MHz

3 輔助天線延時節(jié)選擇

雷達(dá)受到窄帶干擾信號時,窄帶干擾信號在空間傳播到達(dá)各個空間點之間的時間差所引起的信號復(fù)包絡(luò)的變化比較大,導(dǎo)致主輔天線間的波程差大,天線接收到信號相關(guān)性減弱,使得自適應(yīng)旁瓣對消性能下降,所以復(fù)包絡(luò)的延遲不能被忽略。根據(jù)上面的仿真可以看出,同樣干擾情況下,輔助天線的個數(shù)越多旁瓣相消的性能越好。能否將輔助天線接收的信號進(jìn)行延時,等效增加輔助天線的個數(shù)呢？回波信號延時一般有兩種方式,模擬電路延時和數(shù)字電路延時。采用模擬電路延時需要對延時信號進(jìn)行鑒相處理,增加額外的硬件。經(jīng)過綜合考慮,采用數(shù)字延時得到延時節(jié)信號。按照“輔助天線數(shù)量對旁瓣相消的影響”中的干擾源和輔助天線位置條件,對2個輔助天線、3個輔助天線和4個輔助天線的回波信號分別增加1路數(shù)字延時節(jié)、2路數(shù)字延時節(jié)和3路數(shù)字延時節(jié)進(jìn)行仿真。

表2表示為2個固定干擾源采用旁瓣對消前、不加延時節(jié)旁瓣對消后、加1個延時節(jié)旁瓣對消后、加2個延時節(jié)旁瓣對消后、加3個延時節(jié)旁瓣對消后等5種情況下回波信號進(jìn)行旁瓣相消的性能對比。由表2可定性看出,(1)增加輔助天線的延時節(jié),可以提升旁瓣相消的性能；(2)當(dāng)輔助天線數(shù)目較少時,增加輔助天線延時節(jié)的性能提升有限；(3)當(dāng)輔助天線較多時,增加輔助天線延時節(jié)后旁瓣相消的性能提升明顯,且不是線性增加。

表2 輔助天線個數(shù)不同、延時節(jié)個數(shù)不同時的平均對消比

圖4是某警戒雷達(dá)遭受有源干擾后采取旁瓣相消和自適應(yīng)快門限恒虛警措施前后的處理效果圖。圖4(a)是未采取抗干擾措施的處理結(jié)果,圖4(b)是采取抗干擾措施后的處理結(jié)果。從圖4中可看出,旁瓣相消具有較好的性能,能夠提升雷達(dá)的性能。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了旁瓣相消的原理和對消性能分析,然后通過仿真分析了進(jìn)行旁瓣相消處理時輔助天線個數(shù)和輔助天線延時節(jié)對旁瓣相消性能的影響。自適應(yīng)旁瓣相消是一種有效的抗有源連續(xù)波干擾的處理方法,可極大地提升雷達(dá)在遭受有源連續(xù)波干擾下的性能,其能夠應(yīng)用在各種體制的雷達(dá)中。

[1] 陳伯孝.現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2012.

[2] 趙國慶.雷達(dá)對抗系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

[3] 向敬成,張明有.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2001.

Analysis and simulation of adaptive sidelobe cancellation algorithm

LIU Ming1, HUANG Wei2

(1.Military Representatives Office of the PLA Navy in Hefei,Hefei 230000；2.Military RepresentativesOffice of the PLA Navy in Shanghai Hudong Zhonghua Shipbuilding(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 201206)

Radar is often interfered by various active electronic jamming in operation, which can affect the radar detection performance, and even make it unable to detect the targets. Therefore, it is very important for the radar to perform the anti-jamming processing. The effect of the number of the auxiliary antennas and the selection of the delay nodes on the sidelobe cancellation performance is simulated, and the suppression effects of the sidelobe cancellation are given in the complex electromagnetic environment.

barrage jamming; sidelobe cancellation; auxiliary antenna

2017-01-23；

2017-03-01

劉鳴(1983-),男,工程師,碩士,研究方向：雷達(dá)電子；黃威(1982-),男,工程師,碩士,研究方向：雷達(dá)電子。

TN973.3

A

1009-0401(2017)01-0005-04