施云飛,趙嬋娟,徐安琪,楊文華

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海,201109)

0 引 言

和差單脈沖測角技術(shù)[1]是現(xiàn)代雷達中常用的一種測角技術(shù)，但是當和差通道受主瓣噪聲干擾時，測角精度會顯著下降[2]。在傳統(tǒng)和差差三通道基礎(chǔ)上發(fā)展出來的雙差通道測角技術(shù)[3]可以避免主瓣噪聲干擾的影響，但存在以下兩個問題：

a) 和差器數(shù)量較多，信噪比損失大；

b) 主瓣內(nèi)干擾定位困難。

針對抗主瓣干擾問題，王峰提出基于自適應(yīng)的正交虛擬極化干擾抑制算法，并利用垂直與水平雙極化數(shù)字陣對該自適應(yīng)抗主瓣干擾算法進行驗證，但該方法在干擾抑制的同時存在信號損失的問題[4]。王建明提出用盲源分離算法抑制主瓣干擾，但該方法沒有討論盲源分離后目標角度的測量問題和盲源分離算法對單脈沖比的影響[5]；蘇保偉提出了基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制及波束保形方法，有較好的穩(wěn)健性，但此方法含有大矩陣求逆等復(fù)雜運算，難以工程實現(xiàn)[6，7]。

本文介紹一種基于數(shù)字陣列的雙差通道測角技術(shù)，首先利用多個接收通道數(shù)據(jù)完成主瓣內(nèi)干擾的定位，然后利用數(shù)字波束形成技術(shù)[8]同時得到俯仰差、方位差、雙差等多個波束，將波束對準干擾方向，消除干擾對波束的影響，從而得到目標精確的位置信息。

1 模擬陣列的雙差波束單脈沖雷達

1.1 和差雙通道測角

圖1 基于線陣的和差單脈沖測角

單脈沖測角是通過比較兩個或多個波束同時接收的目標回波信號來實現(xiàn)對目標角度進行估計的一種技術(shù)。圖1是基于線陣的和差單脈沖測角示意圖。

這里天線是一個N元均勻線陣，陣元間距為d，信號波長為λ，陣元均為各向同性，θ處導(dǎo)向矢量為

(1)

天線和差波束方向圖表示為

(2)

為得到低旁瓣，和波束靜態(tài)權(quán)為泰勒(Taylor)權(quán)，差波束靜態(tài)權(quán)為貝里斯(Bayliss)權(quán)。wΣq=Taylor(N)a(θ0)為和波束權(quán)矢量，wΔq=Bayliss(N)a(θ0)為差波束權(quán)矢量，和波束方向圖Σ(θ)在波束指向θ0處有最大值；差波束方向圖Δ(θ)在波束指向θ0處幅度為零。

1.2 雙差通道測角

考慮接收陣面為矩形陣列，為構(gòu)造四個通道，將陣面均勻劃分為四個部分，各通道示意圖如圖2所示。

圖2 雙差通道單脈沖構(gòu)成示意圖

其中，和通道輸出為四個子陣輸出之和，方位差通道輸出為左邊兩個子陣與右邊兩個子陣輸出之差，俯仰差通道為上面兩個子陣與下面兩個子陣輸出之差，增加的雙差通道為對角線兩個子陣輸出之差。

圖3 模擬陣列雙差通道單脈沖雷達前端設(shè)計

由此可以得到模擬陣列雙差通道單脈沖雷達前端設(shè)計，如圖3所示。這種前端設(shè)計需要大量的和差器來完成，設(shè)備量大且幅相校正復(fù)雜。

2 基于數(shù)字陣列雷達的雙差通道單脈沖雷達

圖4給出基于M個數(shù)字陣列的單脈沖雷達前端設(shè)計，陣列首先在俯仰向通過模擬和差網(wǎng)絡(luò)得到俯仰和差波束，然后將所有和差波束單獨送給2M路接收機，下變頻后在DBF設(shè)備內(nèi)合成得到需要的各種接收波束。對于數(shù)字陣列的俯仰差波束，DBF設(shè)備內(nèi)方位做Taylor加權(quán)，就能得到全陣面的和波束，如圖5(a)所示；對于數(shù)字陣列的俯仰差波束，DBF設(shè)備內(nèi)方位做Taylor加權(quán)，就能得到全陣面的俯仰差波束，如圖5(b)所示；對于數(shù)字陣列的俯仰和波束，DBF設(shè)備內(nèi)方位做Bayliss加權(quán)，就能得到全陣面的方位差波束，如圖5(c)所示；對于數(shù)字陣列的俯仰差波束，DBF設(shè)備內(nèi)方位做Bayliss加權(quán)，就能得到全陣面的雙差波束，如圖5(d)所示。

圖4 數(shù)字陣列單脈沖雷達前端設(shè)計

(a) 和波束 (b) 方位差波束

(c) 俯仰差波束 (d) 雙差波束圖5 矩形陣列四個通道方向圖

3 雙差通道單脈沖測角原理

3.1 測角流程

單脈沖測角是利用和差波束來提取角度誤差信息，當空間中沒有干擾時，利用和差差三通道即可完成角度測量。

當主瓣有噪聲干擾存在時，利用雙差、俯仰差、俯仰和這三個通道完成角度的測量，為保證這三個差波束不受到主瓣干擾的影響，差波束中心必須對準干擾方向，因此在測角之前首先要確定干擾的波達方向，具體流程如圖6所示。

3.2 基于子陣劃分的DOA

圖6 基于雙差通道的測角流程

圖7 基于子陣劃分的DOA流程圖

為降低運算量，在多通道接收數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用基于子陣劃分的DOA[9]可以實現(xiàn)對接收的噪聲干擾信號的方位角度估計，圖7為其流程圖。

當目標空域的信源數(shù)未知時，假設(shè)存在P個信源，對其空間協(xié)方差矩陣特征分解，即

(3)

式中，∑s=diag{λ1,λ2,…,λP}為大特征值構(gòu)成的對角陣。由上式可得

(4)

(5)

這樣無需進行特征分解也不需要估計信源個數(shù)就可以得到噪聲子空間。實際應(yīng)用中，在一定信噪比條件下，m取有限整數(shù)就能很好地收斂到噪聲子空間，一般高階次冪m取2～5。所以，得到快速DOA算法為

(6)

最后，根據(jù)CAIHOP譜峰的位置來估計信號源的到達方向。

3.3 雙差測角

確定干擾方向以后將俯仰差、方位差、雙差三個波束方向?qū)矢蓴_來波方向，利用雙差通道單脈沖測角方法，可以根據(jù)擬合的單脈沖比曲線，得到目標相對于波束指向的誤差角度，從而完成主瓣干擾下的目標角度測量。圖8為雙差通道與俯仰差通道方向圖，圖9為相應(yīng)的單脈沖測角曲線。

圖8 雙差通道與俯仰差通道

圖9 單脈沖測角曲線

4 雙差通道單脈沖測角抗主瓣干擾性能仿真

為驗證主瓣干擾情況下的雙差通道單脈沖測角性能，仿真中采用32×32的矩形陣面，設(shè)陣面放置于xoy平面，波長為0.1 m，x和y方向的陣元間距均為半波長，干噪比為30 dB，信噪比為15 dB，干擾的到達方向為(0°，0°)，目標的到達方向為(0.5,0.5)，目標運動速度為200 m/s，分別用三通道和雙差通道單脈沖測角方法進行目標角度測量，做1000次重復(fù)仿真實驗，結(jié)果如圖10。

(a) 三通道單脈沖測角 (b) 雙差通道單脈沖測角圖10 三通道與雙差通道單脈沖測角結(jié)果

圖11 三通道與雙差通道測角精度與信噪比關(guān)系

圖10(a)為在主瓣干擾環(huán)境中，三通道單脈沖測角方法的結(jié)果，可以看到，由于干擾信號較強，掩蓋了目標信號，所以傳統(tǒng)三通道測角只能檢測到干擾的方向(0,0)；圖10(b)為采用了雙差單脈沖抗主瓣干擾測角方法的結(jié)果，測得的角度為(0.5,0.5)，正是目標方向。圖11給出不同信噪比下三通道與雙差通道測角精度與信噪比的關(guān)系，說明本文介紹的方法在主瓣噪聲干擾情況下仍然具有很高的測角精度。

當DOA對干擾方向估計出現(xiàn)偏差，比如將(0.1,0.1)位置的干擾估計成(0,0)，雙差通道測角精度也會受到影響，如圖12所示。

圖12 干擾角度估計錯誤時三通道與雙差通道測角精度與信噪比關(guān)系

圖13 不同目標位置對測角的影響

當干擾位置始終保持(0°,0°)不變，目標位置從(0.1°,0.1°)變化到(2°，2°)時，利用雙差通道的測角精度基本沒有變化，而利用三通道測角精度急劇惡化，這是因為三通道測角始終得到的是干擾的方向，當目標與干擾間距變大時，其測角精度也就變差。

5 結(jié)束語

本文提出一種基于數(shù)字陣列的雙差通道測角方法，該方法在主瓣存在1個噪聲干擾的情況下，仍然具有很高的測角精度。同傳統(tǒng)利用和差器方法得到雙差波束的辦法相比，本方法具有主瓣干擾來波估計精度高、前端信噪比損失低、測角精度高的特點，為地面雷達對抗主瓣干擾提供了一個新的思路。

[1] 甘明. 基于相控陣天線單脈沖測角算法的測角精度研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2013, 36[7]：89-93.

[2] John B. Hoffman, Brian L.Galebach. Four-Channel Monopulse for Main Beam Nulling and Tracking[C]. Proc. IEEE National Radar Conference, 1997:94-98.

[3] 胡航，張皓，宗成閣等. 子陣級自適應(yīng)單脈沖的四通道主瓣干擾抑制[J].電波科學報, 2009, 24(5): 820-825.

[4] 王峰，雷志勇，李婧等. 一種自適應(yīng)正交虛擬極化抗主瓣干擾方法研究[J].中國電子科學研究院學報, 2013, 8(1): 53-55.

[5] 王建明，伍光新，周偉光等. 盲源分離在雷達抗主瓣干擾中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代雷達, 2010, 32(10): 46-49.

[6] 蘇保偉，王永良, 李榮峰等. 阻塞矩陣方法對消主瓣干擾[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2005, 27(11): 1830-1832.

[7] 李榮峰, 王永良, 萬山虎. 主瓣干擾下自適應(yīng)方向圖保形方法的研究[J]. 現(xiàn)代雷達, 2002, 24(3): 50-53.

[8] 馮林高. 數(shù)字陣列雷達DBF處理器的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 南京理工大學. 碩士學位論文. 2013.

[9] 彭巧樂，司錫才，李利等. 一種無特征分解的快速子空間DOA算法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2010, 32(4): 691-693.