王 明，柳桃榮

(華東電子工程研究所，安徽 合肥 230088)

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發(fā)射多波束形成技術(shù)在電子戰(zhàn)中的應(yīng)用

王 明，柳桃榮

(華東電子工程研究所，安徽 合肥 230088)

在電子對(duì)抗領(lǐng)域，發(fā)射多波束技術(shù)是提高電子干擾性能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字發(fā)射多波束技術(shù)應(yīng)用于電子對(duì)抗已成為可能。發(fā)射波束零陷技術(shù)、發(fā)射通道之間的幅度相位誤差分析及校正技術(shù)是發(fā)射多波束系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，論文主要針對(duì)這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

發(fā)射波束形成；電子戰(zhàn)；校正；干擾

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越重視雷達(dá)干擾和雷達(dá)反干擾的研究，使得電子對(duì)抗領(lǐng)域中電子干擾的裝備水平和戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用上都會(huì)面臨新的挑戰(zhàn)。在充分保護(hù)自己安全的前提下又能更加有效地破壞敵方的威脅系統(tǒng)，雷達(dá)干擾和反干擾研究成為電子攻擊戰(zhàn)中電子干擾研究的重要內(nèi)容，而發(fā)射多波束形成技術(shù)就是其中重要一項(xiàng)[1]。

傳統(tǒng)的發(fā)射技術(shù)只有一個(gè)發(fā)射波束，系統(tǒng)通過(guò)天線(xiàn)機(jī)械方式或電子方式改變波束的方向來(lái)增加其覆蓋范圍；在電子戰(zhàn)中，發(fā)射的干擾信號(hào)不僅需要具有大的空間輻射范圍，甚至要求具備大的頻譜覆蓋寬度，這會(huì)導(dǎo)致干擾效率下降。采用發(fā)射多波束技術(shù)可以克服干擾效率下降的問(wèn)題，這種技術(shù)提高了頻率資源的利用率，獲得了較高的增益和較高的空間覆蓋率[2-3]。

發(fā)射多波束技術(shù)就是利用陣列可以通過(guò)空間合成提高輻射功率特性，控制發(fā)射波束指向，實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)干擾的能力。通過(guò)加載不同的干擾產(chǎn)生算法，可產(chǎn)生寬帶噪聲、窄帶噪聲、梳狀噪聲、連續(xù)波(CW)掃頻、密集假目標(biāo)等多種干擾樣式，從而具備不同的干擾能力。本文對(duì)發(fā)射波束形成原理、發(fā)射波束零陷技術(shù)、發(fā)射通道幅相校正以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法仿真等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 發(fā)射數(shù)字波束形成(DBF)原理

考慮某電子干擾系統(tǒng)需要對(duì)不同方位的4批目標(biāo)進(jìn)行干擾，那么就期望在這4個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的方位同時(shí)形成4個(gè)波束，每個(gè)波束的干擾樣本均可控，假設(shè)發(fā)射天線(xiàn)是一個(gè)N陣元的線(xiàn)陣，4個(gè)方位指向分別是θ1、θ2、θ3和θ4，干擾樣本分別是s1(t)、s2(t)、s3(t)和s4(t)，干擾示意圖如圖1所示[4]。

根據(jù)權(quán)系數(shù)計(jì)算公式：

(1)

式中：k為陣元序號(hào)；d為陣元間距；θ為波束指向；λ為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)。

因此第k個(gè)陣元的發(fā)射信號(hào)為：

s(k)=s1(t)w1k+s2(t)w2k+s3(t)w3k+s4(t)w4k

(2)

(3)

式中:i=1～4,共4個(gè)波束數(shù);k=1～N,共N個(gè)陣元數(shù)。

1.2 發(fā)射波束零陷控制

自適應(yīng)發(fā)射波束形成的主要思想是利用自適應(yīng)算法調(diào)整陣列權(quán)向量，使天線(xiàn)主瓣指向期望目標(biāo)方向，而使來(lái)自外部的干擾方向?qū)?zhǔn)零陷，盡可能地提高陣列輸出所需信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)減小外部干擾信號(hào)的強(qiáng)度，從而提高陣列輸出的信噪比[5]。

權(quán)矢量w及方向矢量a(θ)可以看作是M維空間中的矢量，2個(gè)矢量之乘積確定了波束形成響應(yīng)。換句話(huà)說(shuō)，響應(yīng)AF(θ)取決于兩矢量w與a(θ)之間的夾角。當(dāng)w與a(θ)正交夾角為90°時(shí)，響應(yīng)為0；w與a(θ)之間的夾角為0°時(shí)，響應(yīng)幅度為最大。因此，不同位置上的信號(hào)源區(qū)分能力就取決于a(θ1)和a(θ2) 之間的夾角。

發(fā)射DBF加權(quán)的權(quán)值根據(jù)波束指向、置零方向和零陷深度共同決定，第j個(gè)頻點(diǎn)的權(quán)向量計(jì)算公式為：

(4)

式中：anj為第j個(gè)頻點(diǎn)的第n個(gè)干擾導(dǎo)向矢量；a0j為第j個(gè)頻點(diǎn)期望方向的導(dǎo)向矢量；pn為對(duì)第n個(gè)干擾置零的深度；pdl為對(duì)角加載常數(shù)，作用是降低旁瓣電平。

1.3 發(fā)射通道校正技術(shù)

由于系統(tǒng)各通道存在幅相不一致性，會(huì)影響DBF的性能，因此波束形成器需要進(jìn)行校正處理，即對(duì)各路復(fù)信號(hào)進(jìn)行幅相誤差補(bǔ)償后再形成所需要的波束指向。校正有接收通道校正和發(fā)射通道校正2種狀態(tài)，要分別進(jìn)行校正。這里只考慮發(fā)射通道校正。

若測(cè)試采樣信號(hào)為：

xi=aiejθi=Ii+jQi

(5)

式中：i為陣元通道號(hào)，則校正系數(shù)為：

(6)

發(fā)射通道校正時(shí)，每組各通道逐一校正。首先在發(fā)射校正觸發(fā)和發(fā)射通道控制代碼的控制下，校正信號(hào)源用點(diǎn)頻，產(chǎn)生1路發(fā)射波形信號(hào)耦合到參考接收機(jī)作為幅度相位參考，收發(fā)系統(tǒng)依次選擇不同的通道的發(fā)射波形和收發(fā)開(kāi)關(guān)信號(hào)，這樣控制所有通道分時(shí)切換測(cè)試信號(hào)進(jìn)行功率發(fā)射。發(fā)射功率經(jīng)校正網(wǎng)絡(luò)耦合、矩陣開(kāi)關(guān)送到校正接收機(jī)，校正和參考2路接收機(jī)的I/Q數(shù)據(jù)送DBF分系統(tǒng)，得到所有發(fā)射通道在不同頻率時(shí)的幅度、相位相對(duì)值，用此解算出的相位權(quán)系數(shù)修正發(fā)射波束形成。

1.4 發(fā)射多波束非線(xiàn)性影響

當(dāng)前一般的干擾機(jī)都是單波束發(fā)射，通常它只能對(duì)付1個(gè)雷達(dá)目標(biāo)，難以對(duì)寬頻帶范圍內(nèi)的多個(gè)雷達(dá)目標(biāo)實(shí)施有效干擾。為了使干擾波束在頻域和空域中能同時(shí)對(duì)付多個(gè)不同雷達(dá)目標(biāo)，需要研究寬帶陣列的多波束發(fā)射技術(shù)，使得干擾資源能夠?qū)崿F(xiàn)“一對(duì)多目標(biāo)”工作。

對(duì)多目標(biāo)干擾，發(fā)射多波束相對(duì)于單波束來(lái)說(shuō)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其工作原理也存在著一定的局限性，因?yàn)槟壳翱紤]的發(fā)射多波束還是基于功率放大器工作在線(xiàn)性區(qū)，這樣能很好地控制多波束的幅相加權(quán)。如果功率放大器工作在非線(xiàn)性區(qū)，就會(huì)導(dǎo)致失真問(wèn)題，主要表現(xiàn)在干擾信號(hào)線(xiàn)性相加后的幅度失真和嚴(yán)重的互調(diào)失真，因此在實(shí)際工作中功率放大器應(yīng)盡可能地工作在線(xiàn)性區(qū)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí)最多需要同時(shí)干擾4批雷達(dá)，工程實(shí)現(xiàn)時(shí)采用并行處理方式，輸入的4路樣本信號(hào)并行通過(guò)4路波束形成模塊，與通道校正系數(shù)和發(fā)射DBF加權(quán)系數(shù)合成，實(shí)現(xiàn)發(fā)射DBF功能。通過(guò)加權(quán)約束發(fā)射波束指向，通過(guò)通道校正使各個(gè)通道保持幅相一致性，通過(guò)波束置零降低外部對(duì)干擾機(jī)的影響。將每個(gè)波束各個(gè)陣元的干擾復(fù)信號(hào)分別送到收發(fā)分系統(tǒng)，由收發(fā)分系統(tǒng)完成數(shù)字上變頻后進(jìn)行4個(gè)信號(hào)的合成，再進(jìn)行極化處理。

發(fā)射多波束原理框圖如圖2所示。

干擾機(jī)組成部分包含了數(shù)字波束形成(DBF)、數(shù)字上變頻(DUC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)、時(shí)鐘控制、系統(tǒng)監(jiān)控、激勵(lì)放大控制等部分，系統(tǒng)主要完成對(duì)輸入信號(hào)的DBF、DUC和D/A轉(zhuǎn)換等處理，從而在數(shù)字域完成發(fā)射波束形成功能。其數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3 發(fā)射多波束算法仿真

算法仿真條件如下：

發(fā)射載頻：2.0～2.3 GHz；

信號(hào)帶寬：200 MHz；

陣元間距：λ/2；

陣元個(gè)數(shù)：32；

波束指向：-30°，-10°，10°，30°；

零陷位置：40°～42°；

頻率間隔：6.5 MHz；

頻率點(diǎn)數(shù)：32個(gè)。

圖4為發(fā)射波束及置零示意圖，圖5為置零波束局部放大示意圖，其中實(shí)線(xiàn)波束為不同頻點(diǎn)下的發(fā)射波束，虛線(xiàn)波束為多頻點(diǎn)疊加后的波束。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)發(fā)射多波束在電子戰(zhàn)中應(yīng)用的分析研究發(fā)現(xiàn)，可以嘗試使用與以往不同的干擾措施。對(duì)其中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)分析及仿真可以看出，理論分析與設(shè)計(jì)仿真取得了期望的一致性，故認(rèn)為新的干擾方法具有可行性。當(dāng)然其中還有很多課題值得研究，譬如如何保證功放在線(xiàn)性區(qū)工作等問(wèn)題就需要相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員深入研究。

[1] 趙紅梅．星載數(shù)字多波束相控陣天線(xiàn)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2009．

[2] 劉重陽(yáng)．基于陣列天線(xiàn)的多波束形成[J]．艦船電子對(duì)抗,2009，32(4)：109-112．

[3] 李霞.多波束陣列天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)及平面印刷中繼天線(xiàn)研究[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2013．

[4] 吳鴻超，萬(wàn)長(zhǎng)寧，熊慎偉，等.數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射多波束特性研究[J].微波學(xué)報(bào)，2014，30 (1)：6-9．

[5] 陳多芳，陳伯孝，劉春波，等.基于子空間投影的雙基地地波超視距雷達(dá)直達(dá)波抑制方法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2008，30(11)：2702-2705．

Application of Transmitting Multi-beam Forming Technology to EW

WANG Ming，LIU Tao-rong

(East China Research Institute of Electronic Engineering,Hefei 230088,China)

In the field of electronic countermeasure,transmitting multi-beam technology is a key technology to improve the performance of electronic jamming.With the rapid development of digital signal processing technology,transmitting digital multi-beam technology applied to electronic countermeasure has become possible.Transmitting beam nulling technique,analysis of amplitude phase error among transmitting channels and correction techniques are the key technologies for the design and implementation of transmitting multi-beam system.This paper focuses on the several key technologies and studies them.

transmitting beam-forming;electronic warfare；correction；jamming

2016-05-17

TN972

A

CN32-1413(2017)02-0032-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.008