任澤宇 白 昊 費 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

基于半主動導引頭的通道間對消算法研究

任澤宇 白 昊 費 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

針對半主動雷達導引頭的工作特點，導引頭接收天線不僅接收到目標回波信號，還會收到地面雷達發(fā)射的探測直達波。直達波功率高于回波功率數(shù)個量級，導致目標回波信號被淹沒，造成目標檢測概率降低、測角誤差增大等不利影響，需對直達波進行抑制?；诎胫鲃訉б^平臺，本文提出一種有效抑制直達波的通道間對消算法，可極大的提高信干噪比，有利于目標檢測及目標特征的進一步提取。本算法簡捷有效易于導引頭平臺實現(xiàn)，具有較高的推廣應用價值。

通道間對消；直達波；半主動雷達導引頭

Abstract: Aiming at characteristics of semi-active radar seeker, the receiving antenna of seeker does not only receive echoes from the target, but also receives strong detecting direct wave transmitted by ground radar. Since power of direct wave is higher than echo power by couple of magnitude, this will result in that echoes signal from target is submerged so as to cause disadvantageous effect like reduction of target detection probability, increment of angle measurement error. Therefore, the direct wave is needed to be suppressed. On basis of semi-active seeker platform, an algorithm of cancellation between channels is proposed to suppress direct wave effectively, by which ratio of signal to interference to noise can be increased greatly, and it is benefit to detect target and extract target characteristics further. The algorithm is forthright and effective and easy to implement on seeker platform. It is valuable for application and popularization.

Keywords：cancellation between channels; direct wave; semi-active radar seeker

0 引言

半主動導引頭依賴于地面雷達，對空中目標進行檢測、截獲工作，導引頭被動接收的信號包括：地面雷達發(fā)射的探測信號，目標的回波信號。通常將探測信號稱為直達波信號，其相對于目標的回波信號具有很強的能量，通常高數(shù)十dB以上，導致回波信號被淹沒，故直達波信號又稱載波泄漏，同頻干擾[1]。

由于直達波信號能量高于回波信號數(shù)個量級，要在如此強大的直達波干擾背景下檢測出目標無疑是極其困難的，會極大的影響目標檢測和測角精度，因此必須對直達波信號進行抑制處理[2]。在相控陣雷達中，可通過波束形成的方法于干擾方向形成零陷[3]，但由于導引頭通道數(shù)較少，不能完全采用該方法。本文借鑒相控陣雷達旁瓣對消原理[3]，提出了一種適用于半主動雷達導引頭平臺的通道間對消方法以抑制直達波信號。

1 通道間對消原理

半主動導引頭主要用于打擊空中來襲目標，主接收通道安裝在彈體頭部稱頭部通道，輔助通道安裝在彈體尾部稱尾部通道，則尾部通道接收到的目標回波信號能量較頭部通道弱，半主動導引頭工作原理如圖1(a)所示。通道間對消處理，選擇尾部與頭部通道接收信號進行對消運算，對消基本原理如圖1(b) 所示。

圖1(a) 半主動導引頭工作示意圖

圖1(b) 通道間對消處理示意圖

圖1(b)是頭部單獨1路接收通道對消處理示意圖，如圖1(a)所示項目應用中需根據(jù)頭部5路接收通道的回波信號進行干涉測角，因不同接收通道間回波存在幅相差異，5路頭部通道需單獨進行對消處理。針對本文所提出的算法，接下來分析的主要指標有：(1)對消比分析；(2)測角精度情況分析。

2 仿真分析

正常工作期間，半主動導引頭的信號處理機通過中頻采樣，經(jīng)正交數(shù)字下變頻后于基帶進行處理。地面雷達發(fā)射的信號形式為點頻信號，目標回波信號形式也為點頻信號，兩者之間存在一定的頻率差。本文直接仿真基帶后的處理流程：基帶采樣率設計為2MHz，發(fā)射脈沖重復周期(PRI)10ms，占空比為10%，取直達波干擾頻率為1KHz的點頻信號，取回波信號頻率為-200KHz～+200Khz以步進值0.1KHz變化，噪聲采用高斯白噪聲形式。

對消比及相關性分析：

(1)取前300個回波采樣點用于權值計算，尾部通道干噪比為60dB，信噪比0dB；頭部通道干噪比為53.9dB，信噪比40dB；對消比仿真分析結果如圖2(a)所示，對消比計算方式為對消后輸出信號的信干噪比減去頭部通道的輸入信干噪比；

(2)分析不同頻率的回波信號與1KHz直達波間的相關性(相關系數(shù)定義為，其中var表示方差計算，cov為互協(xié)方差計算[4])，相關系數(shù)計算結果如圖2(b)所示。

圖2(a)對消比分析處理結果

圖2(b) 相關性分析結果

由圖2(b)可見回波與直達波頻率偏差越大，則相關系數(shù)越小，雖然有頻率偏差但仍然是相關的[4]。而圖2(a)則反映出兩信號頻率偏差越大，則對消比越大，呈現(xiàn)出與相關性成反比關系，在1KHz頻率處由于回波與直達波頻率完全相同造成完全相關，信號也完全被對消了，導致對消比出現(xiàn)極大值即為圖2(a)中曲線在1KHz處出現(xiàn)跳變的原因。實際應用中回波與直達波之間存在頻率差，不會出現(xiàn)兩信號完全相關的情況。

由圖2(a)可見，對消比是與直達波、回波頻率差有關的。由圖2(b)可見，兩點頻信號間即使存在頻率差亦存在一定的相關性，反映在圖2(a)中即為對消比的限制，由仿真可知利用300個采樣點計算權值對消比可達到30dB以上。

半主動導引頭實際工作中，由于目標回波、直達波的多普勒都在變化，權值需要實時更新。對消后信干噪比提高有利于信號的檢測。板級系統(tǒng)實現(xiàn)下的對消比利用實測數(shù)據(jù)于第4小節(jié)分析。

測角精度情況分析：取兩頭部通道回波信號相位差-30°，仿真分析對消后測得的相位差。尾部通道干噪比60dB，信噪比0dB，頭部通道1干噪比53.9dB，信噪比40dB，頭部通道2干噪比49dB，信噪比33.9dB。取直達波干擾頻率為1KHz的點頻信號，取回波信號頻率為從-200KHz～+200KHz以步進值0.1KHz變化，噪聲采用高斯白噪聲形式。

圖3(a) 為數(shù)據(jù)直接FFT后，利用尾部通道可知干擾所在多普勒通道，頭部通道檢測時舍棄該通道，檢測目標所處多普勒位置兩頭部通道測角結果，可見誤差極大。原因分析為直接FFT運算時回波信號功率小，雖處于旁瓣但幅相受直達波強干擾的影響仍較大，導致測角誤差較大，且越靠近干擾頻率則所受影響越大，測角誤差便也呈增大趨勢。

圖3(b)為對消后根據(jù)目標所在多普勒通道兩頭部通道測角結果，可見只在1KHz處測角結果誤差較大，信號頻率在0.9KHz及1.1KHz處測角誤差在正常范圍水平。原因分析為回波頻率為1KHz則與直達波干擾完全相關，導致回波亦被對消，使得測角結果誤差較大。

圖3(a) 對消前FFT測角

圖3(b) 對消后FFT測角

由圖3(a)(b)對比可見本文所提出的對消算法對測角精度的提升有好處，而且優(yōu)勢明顯。

通過相關仿真及分析，通道間對消算法的應用，需要保證干擾信號能量大于真實回波信號能量，否則會將真實回波信號對消掉，造成信干噪比的損失。此即為該算法的應用條件，同時直達波干擾與目標回波信號間相關性越弱則對消效果越好。

3 實測數(shù)據(jù)分析

在實驗室搭建實驗平臺，通過外置天線輻射信號，測試了兩不同頻率點頻信號分別作為回波和直達波情況下，信號處理板在線實現(xiàn)本算法時通道間對消比可達40dB以上(頻率差>50KHz)，與圖2(a)仿真結果相一致，通道間測角誤差在0.3°以下滿足要求。為分析說明方便，將基帶數(shù)據(jù)采集后離線進行分析，基帶采樣率2MHz，直達波信號頻率1KHz，回波信號頻率-0.1MHz，對消前頭部、尾部通道基帶波形如圖4所示。

圖4(a) 尾部[輔助]通道對消前基帶波形部

圖4(b) 頭部[主]通道對消前基帶波形

圖5為對消后獲得的信號的時域輸出波形，由對消后時域波形可見回波信號已經(jīng)恢復出來(因為信號頻率已發(fā)生變化)。圖6為對消前后信號頻譜分析，分別對圖4、圖5中數(shù)據(jù)進行了16384點FFT處理，可進一步直觀的分析對消比及信干噪比改善。

圖5 兩通道對消后輸出波形

圖6 對消前后頻譜對比

圖7為頻譜局部放大圖，圖7所示結果與實驗條件相一致，即對消前輸入信干噪比為-20dB，對消后輸出信干噪比約為37.5dB，對消比達到57dB，對消效果理想。同時對消對回波信號的絕對功率無影響，但極大的抑制了干擾、消除了干擾的影響，信干噪比改善度極高，有利于信號的后續(xù)檢測處理。所獲得的對消比與仿真圖2(a)中頻率-0.1MHz處可獲得50dB以上的對消比結論是相一致的，即理論分析與實驗數(shù)據(jù)相吻合。

圖7 圖6信號頻譜局部放大圖

實驗室測試中，回波天線放置于導引頭法線方向，取對消后兩頭部通道回波檢測后進行測角，測角精度偏差在±0.2°以內。

該算法還適用于其他的信號形式，實驗室板級在線測試時：直達波干擾信號采用調幅信號形式，回波信號采用調頻信號形式，對消比亦可達40dB以上。

通過上述的在線實現(xiàn)、離線分析，本算法通用性較強，對消效果理想可有效檢測并提取目標回波，對于測角精度的提升有極大的益處。

4 結論

通過理論及數(shù)據(jù)分析，我們可得出以下結論：(1)本算法對消比取決于：回波與直達波干擾間相關性越小，對消比越大；(2)本算法可有效提升測角精度；本算法對回波絕對功率無改善，改善的為信干噪比(3)本算法適用條件：直達波干擾能量大于回波能量。

半主動導引頭的工作環(huán)境能夠滿足本算法的適用條件，應用通道間對消算法能有效抑制直達波干擾，有利于目標檢測及目標信息的提取。本算法簡便、運算量小易于導引頭平臺在線實現(xiàn)，同時算法具有一定的擴展性，不僅為彈載平臺提供實現(xiàn)參考，為地面陣列雷達抗干擾亦提供思路借鑒。

[1] 王海濤. 外輻射源雷達信號處理若干問題研究[D]. 西安電子科技大學.2013

[2] 徐偉.自適應波束形成算法工程應用中的關鍵技術研究[J].火控雷達2009.11

[3] 丁鷺飛，耿富錄. 雷達原理. 西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[4] 何子述，夏威等編著.現(xiàn)代數(shù)字信號處理及其應用[M].北京：清華大學出版社，2009.

[5] 黃何平.直達波對消關鍵技術研究與實現(xiàn)[D].湖南：湖南師范大學.2013

StudyonAlgorithmofCancellationbetweenChannelsBasedonSemi-activeRadarSeeker

Ren Zeyu， Bai Hao， Fei Tao

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100)

TN957

A

1008-8652(2017)02-057-05

2017-03-12

任澤宇(1987-)，男，工程師。研究方向為信號處理器FPGA彩序開發(fā)。