(1.河南理工大學(xué)鶴壁工程技術(shù)學(xué)院， 河南鶴壁 458000;2.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南鶴壁 458000)

0 引言

當(dāng)前，隨著電子戰(zhàn)設(shè)備的迅猛發(fā)展，雷達(dá)作為傳統(tǒng)情報(bào)、偵察和預(yù)警體系當(dāng)中不可或缺的重要感知成員，正面臨著日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境。特別是干擾源數(shù)量的增加給雷達(dá)抗干擾技術(shù)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。來(lái)自多個(gè)方向的有源壓制干擾便是一種典型的干擾場(chǎng)景。傳統(tǒng)的干擾抑制手段往往只能抑制部分來(lái)自天線副瓣方向的干擾，干擾剩余仍會(huì)嚴(yán)重影響雷達(dá)正常探測(cè)和跟蹤目標(biāo)[1-2]。

對(duì)于天線副瓣方向上的干擾源，經(jīng)典旁瓣對(duì)消(SLC)方法的有效性已經(jīng)得到充分的驗(yàn)證，并廣泛地應(yīng)用于各型雷達(dá)系統(tǒng)。然而主瓣方向上的干擾，特別是在寬帶壓制式有源干擾條件下，從時(shí)、空、頻域上均無(wú)法將目標(biāo)回波從中區(qū)分。若仍使用SLC方法，在抑制干擾的同時(shí)也會(huì)造成目標(biāo)回波的損失，信干噪比(SINR)難以得到改善。近年來(lái)，利用極化信息的濾波處理方法，因其對(duì)主瓣干擾的有效抑制能力，受到廣泛關(guān)注[3-6]，文獻(xiàn)[7-8]分析了極化濾波器在不同條件下所能達(dá)到的干擾抑制性能。但與SLC方法相反，極化濾波僅能應(yīng)對(duì)主瓣干擾而對(duì)于副瓣方向上的干擾難以奏效。與此同時(shí)，極化陣列設(shè)計(jì)由于能夠?qū)O化域和空域信息結(jié)合，同時(shí)對(duì)抗來(lái)自多個(gè)方向的干擾信號(hào)，研究人員已經(jīng)相應(yīng)地提出多種基于極化陣列的濾波處理方法[9-12]。然而，完全極化陣列濾波方法往往要建立高維度的信息矩陣，其計(jì)算復(fù)雜度會(huì)隨著陣元數(shù)目的增加而加大，嚴(yán)重影響信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。

針對(duì)上述問(wèn)題，為應(yīng)對(duì)同時(shí)來(lái)自雷達(dá)天線主瓣和副瓣方向的多源干擾，本文提出了一種更適于實(shí)際工程化的極化陣列濾波處理方法。該方法基于一種新的帶有輔助通道的極化陣列天線構(gòu)型，將極化與空域?qū)蚴噶肯嘟Y(jié)合，利用單個(gè)重復(fù)周期內(nèi)干擾樣本快速估計(jì)其極化空域特性，計(jì)算與干擾矢量張成子空間相正交的最佳接收通道加權(quán)矢量，完成對(duì)多點(diǎn)源干擾的有效抑制，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比各類(lèi)濾波方法的干擾性能。

1 極化陣列天線構(gòu)型

由于雷達(dá)可能面臨來(lái)自多個(gè)方向的干擾源，傳統(tǒng)單極化陣列天線用于旁瓣對(duì)消時(shí)的主輔陣選取方式如圖1(a)所示，該種天線設(shè)計(jì)主要用于對(duì)抗來(lái)自副瓣方向的多個(gè)干擾源，而針對(duì)主副瓣可能同時(shí)存在干擾源的情形，本文首先設(shè)計(jì)了一種帶有輔助通道的雙極化陣列天線構(gòu)型， 如圖1(b)所示。

(a) 旁瓣對(duì)消天線輔陣劃分方法

(b) 雙極化陣列天線輔陣劃分方法圖1 極化陣列天線構(gòu)型及通道設(shè)計(jì)示意圖

該設(shè)計(jì)中每個(gè)“十”字形符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)陣元，分別由水平(H)極化和垂直(V)極化偶極子天線構(gòu)成。A為被用作輔助天線的雙極化陣元，輔助陣元中每個(gè)偶極子連接一路相應(yīng)的輔陣極化通道，其余陣元用于構(gòu)成主天線。主天線中水平極化通道經(jīng)移相加權(quán)后合成主陣H極化通道，為保證主波束指向，垂直極化陣元經(jīng)相同加權(quán)處理后合成主陣V極化通道。即水平主極化與垂直主極化所采用的陣列因子相同，根據(jù)陣列天線方向圖等于陣元因子同陣列因子間的乘積，可建立雙極化主陣天線方向圖的數(shù)學(xué)模型：

A0(θ,φ)=Ae(θ,φ)Farray=

(1)

n=1,2,…,N-1

(2)

2 多點(diǎn)源干擾條件下目標(biāo)回波信號(hào)模型

建立雷達(dá)在探測(cè)目標(biāo)時(shí)面臨多方向點(diǎn)源干擾的場(chǎng)景，如圖2所示。

圖2 多點(diǎn)源干擾條件下雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)示意圖

目標(biāo)位于雷達(dá)主波束內(nèi)，K個(gè)方向的干擾源分別位于雷達(dá)天線的主瓣和旁瓣，顯然雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)被來(lái)自多個(gè)方向的干擾信號(hào)“污染”，甚至可能被淹沒(méi)。假設(shè)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的方位俯仰角為(θs,φs)，第k個(gè)干擾源位于雷達(dá)(θk,φk)方向，基于上一節(jié)建立的陣列天線構(gòu)型，可以分別建立各接收通道的測(cè)量信號(hào)模型。

圖3 極化陣列濾波處理流程

首先，主天線通道的雙極化測(cè)量信號(hào)x0=[x0,H,x0,V]T，由目標(biāo)回波xt、干擾源合成信號(hào)xj和接收機(jī)噪聲n0組成，具體可表示為

x0=xt+xj+n0=

A0(θs,φs)Shs(t)+

(3)

式中，A0(θ,φ)表示雷達(dá)天線在(θ,φ)方向上的雙極化接收增益，等號(hào)右邊第一項(xiàng)構(gòu)成目標(biāo)回波極化矢量xt，S表示2×2的目標(biāo)極化散射矩陣，h表示雷達(dá)發(fā)射極化，s(t)表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波形。干擾源合成信號(hào)矢量xj由K個(gè)干擾源輻射信號(hào)合成，其中jk(t)表示第k個(gè)干擾信號(hào)到達(dá)雷達(dá)天線前端時(shí)的時(shí)域波形，而jk表示第k個(gè)干擾源輻射的干擾信號(hào)的極化。

類(lèi)似地可建立M個(gè)輔助雙極化天線通道接收到的測(cè)量信號(hào)：

xm=Am(θs,φs)Shs(t)+

m=1,2,…,M-1

(4)

式中，除與主天線信號(hào)類(lèi)似的變量外，φm代表輔助陣元的相位滯后。

3 陣列極化濾波方法

目前已有的干擾抑制濾波方法均需要對(duì)干擾或目標(biāo)有一定的先驗(yàn)信息，在實(shí)際對(duì)抗條件下往往難以得到先驗(yàn)信息，此時(shí)則需要通過(guò)采集相應(yīng)干擾樣本來(lái)估計(jì)相關(guān)信息，計(jì)算濾波權(quán)值，最后再通過(guò)加權(quán)處理實(shí)現(xiàn)干擾抑制或信干噪比改善。與已有的脈間干擾極化估計(jì)方法不同，本文給出一種逐個(gè)重復(fù)周期內(nèi)對(duì)干擾極化空域特性聯(lián)合估計(jì)的方法，陣列極化濾波處理流程圖如圖3所示。本文假設(shè)雷達(dá)工作于單脈沖模式，重復(fù)周期末尾段對(duì)應(yīng)較遠(yuǎn)距離目標(biāo)回波，相比干擾信號(hào)可以忽略不計(jì)，即認(rèn)為此時(shí)采集到的樣本信號(hào)可以用于干擾信號(hào)極化空域特性的估計(jì)。這里將脈沖重復(fù)周期末尾P個(gè)樣本用作干擾極化空域特性估計(jì)。

首先對(duì)所有通道的干擾信號(hào)經(jīng)采樣后，選取末尾段的信號(hào)作為干擾樣本，可寫(xiě)成矩陣形式：

jkjk(n)+N(n)

(5)

定義第k個(gè)干擾的極化空域?qū)蚴噶繛?/p>

(6)

于是干擾樣本矢量可表示為

LJ(n)+N(n)

(7)

(8)

式中，ls表示目標(biāo)極化空域?qū)蚴噶浚琑為估計(jì)的干擾協(xié)方差矩陣：

R=E{Xj(n)Xj(n)H}

n=N-D+1,N-D+2,…,N

由此得出的最優(yōu)權(quán)矢量正交于干擾子空間，進(jìn)一步對(duì)全部接收信號(hào)作加權(quán)濾波處理后，輸出信號(hào)可表示為

(9)

此時(shí)輸出信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)干擾抑制比最大。

4 干擾抑制仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

4.1 干擾對(duì)消試驗(yàn)

干擾對(duì)消試驗(yàn)仍采用圖2所示的場(chǎng)景，即主瓣內(nèi)同時(shí)存在一個(gè)目標(biāo)和干擾源，同時(shí)假設(shè)副瓣方向有2個(gè)干擾源，分別相對(duì)于雷達(dá)波束中心指向的方位俯仰角為(-15°,10°)和(20°,-10°)方向，且每個(gè)干擾源使用固定極化天線，輻射噪聲壓制干擾。雷達(dá)采用4行8列的雙極化天線陣，并選取雷達(dá)天線中的4個(gè)雙極化陣元構(gòu)成輔助天線，其他雷達(dá)和干擾信號(hào)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 干擾試驗(yàn)仿真參數(shù)設(shè)置

接收通道將按式(3)和式(4)產(chǎn)生主輔通道信號(hào)，經(jīng)采樣和匹配濾波處理后的結(jié)果作為圖3濾波器的輸入，首先給出水平垂直主極化通道測(cè)量的合成信號(hào)極化狀態(tài)分析，利用水平和垂直主通道樣本計(jì)算合成信號(hào)的Stokes矢量，并繪制于Poincare球上,如圖4所示。

圖4 合成信號(hào)極化狀態(tài)分布

由于目標(biāo)回波收到不同極化的多點(diǎn)源干擾，可以看出雷達(dá)主通道接收到的合成信號(hào)極化狀態(tài)分散于Poincare球上，即說(shuō)明極化純度較低，根據(jù)文獻(xiàn)[8]的結(jié)論可知，極化純度直接決定單純極化濾波干擾抑制的效果。下面分別采用極化濾波方法、旁瓣對(duì)消方法和本文提出的主輔陣聯(lián)合濾波方法處理合成信號(hào)，給出濾波后的結(jié)果。采用單純極化濾波時(shí)，不設(shè)輔助通道，將全部水平陣元合成水平通道，所有垂直陣元合成垂直通道，參考文獻(xiàn)[13]的快速極化濾波方法處理；采用旁瓣對(duì)消處理時(shí)，則先將每個(gè)陣元的雙極化陣元接收信號(hào)直接合成，即忽略極化信息，后利用前文所述的輔助陣列劃分方法獲得輔助通道信號(hào)，再依據(jù)常規(guī)旁瓣對(duì)消算法實(shí)現(xiàn)濾波；采用完全極化陣列濾波處理時(shí)，不設(shè)主極化通道，將每個(gè)陣元通道的信號(hào)作為獨(dú)立一維信息，按照文獻(xiàn)[12]給出的方法開(kāi)展全極化陣列濾波處理。

隨機(jī)選取一個(gè)脈沖重復(fù)周期的信號(hào)時(shí)域采樣，分別采用4種濾波方法處理后的結(jié)果如圖5所示，不難看出前兩種濾波處理方法都沒(méi)能獲得明顯的信干噪比改善，主要原因在于圖5(a)所示的單純極化濾波無(wú)法抑制副瓣干擾，而圖5(b)所示的旁瓣對(duì)消方法則無(wú)法抑制主瓣方向干擾，因此剩余干擾仍能覆蓋目標(biāo)回波，導(dǎo)致濾波后依然無(wú)法檢測(cè)到目標(biāo)回波。相比而言圖5(c)和圖5(d)對(duì)應(yīng)的全極化陣列濾波和極化主輔陣濾波方法則干擾抑制效果明顯，而且兩種濾波方法獲得的信干噪比得益從圖上看沒(méi)有明顯差別，但本文所提方法的運(yùn)算復(fù)雜度要遠(yuǎn)低于完全極化陣列處理。

(a) 極化濾波處理

(b) 旁瓣對(duì)消處理

(c) 全極化陣列濾波

(d) 極化主輔陣聯(lián)合濾波處理圖5 4種濾波器干擾抑制處理結(jié)果

4.2 濾波器性能對(duì)比分析

為進(jìn)一步對(duì)比上述4種濾波器的性能，選取3類(lèi)描述干擾抑制性能的指標(biāo)：一是平均干擾抑制比，由輸入輸出干擾信號(hào)樣本的功率比值計(jì)算得到；二是平均輸出信干噪比，通過(guò)計(jì)算濾波輸出信號(hào)中目標(biāo)信號(hào)功率與周?chē)蓴_噪聲剩余功率的比值計(jì)算得到；三是濾波處理矩陣維度，由構(gòu)建矩陣的矢量維度(獨(dú)立處理的通道數(shù))計(jì)算得到。對(duì)4種濾波器分別計(jì)算上述3類(lèi)性能指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 濾波器干擾抑制性能對(duì)比

從表中可以看出，平均干擾抑制比方面，全極化陣列濾波方法干擾抑制性能最優(yōu)達(dá)到32.21 dB，極化主輔陣濾波次之為29.33 dB，旁瓣對(duì)消方法雖然也能得到不錯(cuò)的干擾抑制比，但由于干擾抑制的同時(shí)也抑制了目標(biāo)的回波，因此和單純極化濾波方法一樣都因無(wú)法檢測(cè)到回波信號(hào)而不能給出平均輸出SINR。相比而言全極化陣列濾波和極化主輔陣濾波在平均輸出信干噪比上幾乎相同，但從矩陣運(yùn)算的維度來(lái)看，前者由于所有陣元通道獨(dú)立處理，需要構(gòu)建64維矩陣，在運(yùn)算復(fù)雜度上遠(yuǎn)高于后者的6維矩陣，因此會(huì)造成雷達(dá)信號(hào)處理難以滿足實(shí)時(shí)性要求，相比而言本文提出的極化主輔陣聯(lián)合濾波方法在保證干擾抑制效果的同時(shí)能夠大大降低運(yùn)算復(fù)雜度，更適于工程應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決雷達(dá)天線主副瓣同時(shí)壓制干擾問(wèn)題，本文提出采用極化聯(lián)合主輔陣列濾波抗干擾的方法。設(shè)計(jì)了一種新型極化陣列天線構(gòu)型，建立了主副瓣干擾源同時(shí)存在條件下的目標(biāo)回波合成信號(hào)模型，并以此為基礎(chǔ)提出了極化主輔陣聯(lián)合濾波算法。最后開(kāi)展極化雷達(dá)抗多方向點(diǎn)源干擾的仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的濾波算法對(duì)多方向點(diǎn)源干擾抑制的有效性，并通過(guò)比較說(shuō)明了本文算法相比已有的極化濾波方法和旁瓣對(duì)消方法，能獲得更高的SINR得益，相比于全極化陣列濾波方法，則在保證濾波效果的同時(shí)計(jì)算權(quán)值的復(fù)雜度大大降低。本文主要考慮了天線主瓣只存在單個(gè)干擾源的情形，對(duì)于主瓣多個(gè)不同極化干擾的情況將作為下一步研究的工作。