成天楨

(北京無(wú)線電測(cè)量研究所，北京 100854)

0 引言

電子干擾對(duì)抗能力是雷達(dá)系統(tǒng)性能考核的重要項(xiàng)目，關(guān)系到雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)和跟蹤能力的正常實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，可查的工程化抗干擾技術(shù)主要在空域、時(shí)域、頻域?qū)崿F(xiàn)，對(duì)于極化域抗干擾技術(shù)的研究有限，且工程化實(shí)例不多[1-2]。本文提出了一種基于雙極化接收雷達(dá)的自適應(yīng)極化對(duì)消抗干擾方法，利用天線對(duì)不同入射波在極化域的選擇性來(lái)改善有用信號(hào)的接收質(zhì)量。本方法利用干擾采樣數(shù)據(jù)段，基于干擾輸出功率最小準(zhǔn)則估計(jì)兩極化通道間對(duì)消權(quán)系數(shù)，應(yīng)用于回波數(shù)據(jù)段，實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)消。仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法能夠較好地抑制干擾信號(hào)。

1 電磁波的極化

電磁波的極化，是指電磁波電場(chǎng)矢量E的振動(dòng)保持在某一固定方向或按某一規(guī)律旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，它表明了電磁波電場(chǎng)強(qiáng)度的取向和幅度隨時(shí)間而變化的性質(zhì)[3]。如果在電磁波傳播路徑的一個(gè)橫截面上，觀察到電場(chǎng)強(qiáng)度矢量始終在一條直線上振動(dòng)，就叫線極化波(直線方向水平，稱為水平極化波；方向垂直，則稱垂直極化波)；如果以電場(chǎng)矢量的振蕩周期做旋轉(zhuǎn)，矢量端點(diǎn)描繪的軌跡是個(gè)圓或橢圓，則叫圓極化或橢圓極化波[4-5]。

任意一種極化波均可分解為一對(duì)正交極化波的合成，因此可以用Jones矢量來(lái)表示完全極化的平面電磁波[6-8]：

(1)

可見(jiàn)，只需要E0，γ，φ3個(gè)參數(shù)就可以完全表示平面電磁波電場(chǎng)矢量的軌跡形狀[7-8]。在很多領(lǐng)域，我們只對(duì)電場(chǎng)向量在H和V分量上的相對(duì)關(guān)系關(guān)心，因此可采用歸一化的Jones矢量：

可得到電磁波的極化比如下：

(4)

式中：參數(shù)(γ,φ)被稱為電磁波的相位描述參數(shù)，φ的取值范圍為[-π,π]。如果參數(shù)(γ,φ)為常數(shù)，即正交分量之間是相干的，則此電磁波稱為完全極化波，否則稱為非完全極化波[4-5,9-14]。

2 自適應(yīng)極化對(duì)消

2.1 算法原理

自適應(yīng)極化對(duì)消分為2步進(jìn)行：首先只接收干擾信號(hào)，基于輸出功率最小原則進(jìn)行最佳權(quán)系數(shù)計(jì)算；然后用最佳權(quán)系數(shù)對(duì)通道加權(quán)以消除干擾[2,12-13]。該自適應(yīng)極化對(duì)消方法流程如圖1所示(本方法針對(duì)直放式極化特性恒定的干擾設(shè)計(jì))[15]。實(shí)際系統(tǒng)中，雷達(dá)利用發(fā)射前干擾采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)消權(quán)值計(jì)算，將計(jì)算得到的權(quán)值用于回波段對(duì)消處理，工作時(shí)序如圖2所示。

設(shè)接收天線為雙正交天線，天線1和天線2極化狀態(tài)用歸一化Jones矢量表示為h1和h2；干擾信號(hào)極化狀態(tài)歸一化Jones矢量表示為hJ，干擾信號(hào)矢量表達(dá)式為hJ×j(n)；目標(biāo)信號(hào)回波極化狀態(tài)歸一化Jones矢量表示為hS，干擾信號(hào)矢量表達(dá)式為hS×s(n)。

兩極化通道干擾接收信號(hào)表示為

x1(n)=h1×(hJ×j(n))+n1(n),
x2(n)=h2×(hJ×j(n))+n2(n),

(5)

式中:n1(n)和n1(n)分別為兩正交極化通道的噪聲信號(hào)，相互獨(dú)立且與干擾信號(hào)獨(dú)立。

以通道1干擾輸出功率最小為準(zhǔn)則計(jì)算對(duì)消權(quán)值，即

(6)

可計(jì)算得到最優(yōu)權(quán)值為

(7)

同理，可計(jì)算得到通道2最優(yōu)權(quán)值為

2.2 算法分析

設(shè)雷達(dá)信號(hào)為S，干擾信號(hào)為J，信號(hào)相位描述參數(shù)為(γs,φs)，干擾信號(hào)相位描述參數(shù)為(γj,φj)，接收信號(hào)可表示為

Y1=Scosγs+Jcosγj+n1;
Y2=Ssinγsejφs+Jsinγjejφj+n2.

(9)

根據(jù)最優(yōu)權(quán)值計(jì)算公式，可計(jì)算得：

考慮通常情況下，干擾能量遠(yuǎn)大于噪聲能力，因此忽略噪聲則，權(quán)值寫(xiě)為

干擾對(duì)消后無(wú)剩余，對(duì)消后信噪比可寫(xiě)為

從式(12)可知，兩通道對(duì)消后信噪比相同。由于噪聲無(wú)法被對(duì)消，可假設(shè)n2cosγj-n1sinγjejφj=n，則式(12)信噪比變?yōu)?/p>

(13)

僅考慮實(shí)部(能量)，則信噪比可寫(xiě)為

因此，從以上分析結(jié)果可知，自適應(yīng)極化對(duì)消后信噪比與目標(biāo)和極化的極化特性相關(guān)，兩者差異越大，對(duì)消后信噪比越大。

3 算法仿真分析與數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.1 仿真分析

(1) 干噪比對(duì)對(duì)消性能的影響

設(shè)目標(biāo)極化特性為(72，72)，干擾極化特性為(22.5，324)，信噪比為-10 dB，干噪比變化范圍為0～80 dB，步進(jìn)0.5 dB。目標(biāo)波形設(shè)置為0.8 MHz帶寬單脈沖線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬400 μs，載頻70 MHz，信號(hào)脈壓增益約25 dB(即無(wú)干擾條件下脈壓后信噪比約為15 dB)。本文仿真中信噪比統(tǒng)計(jì)方法為，信號(hào)脈壓后，信號(hào)所在位置點(diǎn)信號(hào)幅度與該點(diǎn)一段距離之后所有噪聲幅度均值之比。

仿真結(jié)果如圖3,4。圖中橫坐標(biāo)均為干噪比，圖3縱坐標(biāo)為通道1脈壓后信噪比，圖4縱坐標(biāo)為通道2脈壓后信噪比。從2圖中可知，2個(gè)通道信號(hào)，不同干噪比條件下脈壓后信噪比均約為15 dB，與理論推導(dǎo)結(jié)果相符。2圖不同在于，干噪比較小的情況下，通道1脈壓后信噪比明顯低于平均值15 dB，隨著干噪比的增大才逐漸達(dá)到15 dB。其原因在于，由于干擾極化特性通道2中干擾分量比小于通道1，干噪比較小時(shí)，通道1中干噪比較小影響權(quán)值計(jì)算，導(dǎo)致對(duì)消效果較差。

(2) 信噪比對(duì)對(duì)消性能的影響

設(shè)目標(biāo)極化特性為(72，72)，干擾極化特性為(22.5，324)，干噪比為30 dB，信噪比變化范圍為-20～40 dB，步進(jìn)0.5 dB。目標(biāo)波形設(shè)置為0.8 MHz帶寬單脈沖線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬400 μs，信號(hào)脈壓增益約25 dB。

如圖5～8所示，隨著信噪比提高，通道1，2的脈壓后信噪比線性增加。同時(shí)，通道1和通道2對(duì)消效果相近，說(shuō)明在干噪比足夠大的條件下，2對(duì)消通道效果一致。仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)相符。

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

采用試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)為主瓣噪聲調(diào)頻干擾，45°斜極化，干噪比30 dB。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖9所示。圖9為一幀數(shù)據(jù)對(duì)消前后2通道數(shù)據(jù)脈壓結(jié)果對(duì)比圖。可以看出，水平/垂直通道脈壓后不能檢測(cè)到目標(biāo)，但對(duì)消后的信號(hào)經(jīng)過(guò)脈壓可以看到一個(gè)明顯的峰值，即目標(biāo)的距離59.5 km。通過(guò)對(duì)多幀數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)可知，水平通道對(duì)消后平均信噪比為23.13 dB，垂直通道對(duì)消后平均信噪比為22.893 dB，兩者輸出信噪比相當(dāng)，與理論推導(dǎo)相符。

試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明，本文自適應(yīng)極化對(duì)消方法對(duì)連續(xù)噪聲干擾具有較好的抑制效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于雙極化正交接收雷達(dá)提出一種基于雙極化接收雷達(dá)的自適應(yīng)極化對(duì)消抗干擾方法，利用天線對(duì)不同入射波在極化域的選擇性來(lái)改善有用信號(hào)的接收質(zhì)量。方法利用干擾采樣數(shù)據(jù)段，基于干擾輸出功率最小準(zhǔn)則估計(jì)兩極化通道間對(duì)消權(quán)系數(shù)，應(yīng)用于回波數(shù)據(jù)段，實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)消。仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法能夠較好地抑制干擾信號(hào)。目前方法尚存在對(duì)時(shí)變極化干擾信號(hào)對(duì)消效果不佳的問(wèn)題，后續(xù)將對(duì)此進(jìn)一步研究。