李東海，李杰然

(中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066001)

0 引言

在電磁環(huán)境監(jiān)測、雷達(dá)偵察、通信偵察和陣列天線等領(lǐng)域中，信號波達(dá)方向估計(DOA)是一項重要任務(wù)。有關(guān)信號波達(dá)方向的研究很多，主要有振幅法測向、相位干涉儀測向以及空間譜估計等方法[1]。針對高分辨波達(dá)方向估計，陣列信號的空間譜估計方法引起了廣泛的重視[2]。最大似然法[3](ML)、多重信號分類法[4](MUSIC)和旋轉(zhuǎn)不變子空間算法[5](ESPRIT)相繼提出，促進(jìn)了陣列信號波達(dá)方向估計的發(fā)展。為適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下可能存在信號源相關(guān)的情況，專家們又提出了矩陣降維[6]和空間平滑[7]等方法，一定程度上解決了相關(guān)信號源的DOA估計，但存在運(yùn)算量較大、工程實現(xiàn)困難的問題[8]。艦載平臺電磁監(jiān)測系統(tǒng)測向存在多徑現(xiàn)象，給實際信號DOA 估計帶來了新的挑戰(zhàn)。面對多徑信號DOA估計，國內(nèi)學(xué)者也做了大量工作。文獻(xiàn)[2]利用頻域譜峰3 dB內(nèi)的數(shù)據(jù)作快拍，提出加權(quán)子空間投影實現(xiàn)對譜峰存多信源時到達(dá)角估計的方法。文獻(xiàn)[3]針對多徑環(huán)境提出了自適應(yīng)波束形成的方法克服非期望方向信號的影響。雖然有了許多研究成果，但真正應(yīng)用到實際工程算例較少。本文針對艦載平臺環(huán)境，提出了可用于工程實際的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的測向方法。艦載平臺下的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)測向面臨如下難點(diǎn)：① 由于艦體上裝備系統(tǒng)繁多，存在同頻段干擾信號和艦體反射信號，若不抑制則嚴(yán)重影響對信號的測向監(jiān)測；② 由于不同海況與海浪運(yùn)動，造成時變的多徑環(huán)境，從時變多徑環(huán)境中提取直達(dá)波的來波方向?qū)O其困難；③ 由于發(fā)射功率差異以及輻射源遠(yuǎn)近效應(yīng)，造成某些頻帶上強(qiáng)弱信號并存，同一子帶的強(qiáng)信號影響弱信號測向，導(dǎo)致測向精度下降甚至失效。為克服以上測向面臨的難點(diǎn)，擬采用數(shù)字自適應(yīng)波束形成的方式，抑制非期望干擾信號，采用頻域快拍技術(shù)，結(jié)合MUSIC算法，提出了加權(quán)頻域多目標(biāo)分辨算法，該算法避免了譜峰搜索，便于工程實現(xiàn)。

1 數(shù)字波束賦形測向

復(fù)雜電磁環(huán)境下的艦載目標(biāo)信號測向面臨以下難題：艦體上裝備系統(tǒng)繁多，同頻段的干擾信號及其艦體反射，若不抑制則嚴(yán)重影響窄帶測向接收機(jī)對雷達(dá)目標(biāo)的監(jiān)測。針對此問題，采用基于人工注入功率方向圖綜合的波束賦形方法[9-10]，即波束形成(Digital Beam Forming，DBF)類測向方法[11-12]。根據(jù)不同艦載平臺以及安裝位置，以及測量獲得的干擾來波方向先驗信息，對干擾方向形成零陷，對測向范圍內(nèi)感興趣的方向形成主瓣[13-14]。該方法能夠根據(jù)干擾功率大小、分布情況設(shè)計方向圖模板，通過人工注入功率的方式優(yōu)化出各指向的波束賦形權(quán)值并存儲，在工作模式下調(diào)用波束賦形權(quán)值。

考慮到艦載環(huán)境的復(fù)雜性，裝備上艦后一段時間內(nèi)錄取艦載己方設(shè)備的電磁環(huán)境，結(jié)合干擾的先驗信息庫，通過自適應(yīng)功率控制獲得抗干擾的波束賦形權(quán)[15-16]。波束賦形權(quán)的優(yōu)化通過如下自適應(yīng)功率控制的方式：

(1)

采用8元圓形陣列，做仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 方向圖對比

圖1中，+代表干擾方向；*表示期望方向。虛線代表常規(guī)波束形成的方向圖，實線代表波束賦形的方向圖。對比可見，自適應(yīng)功率控制的波束賦形方向圖，干擾零陷深且寬，相比常規(guī)波束形成的方向圖，具有更好的干擾抑制性能。

傳統(tǒng)的干涉儀測向與波束形成測向的性能差異如圖2和圖3所示。其中干涉儀測向解模糊采取3種方案：直接干涉空間解模糊；特征矢量空間解模糊；陣元去噪空間解模糊。波束形成采取3種方案：相關(guān)矩陣匹配波束形成；時域去噪匹配波束形成；特征矢量匹配波束形成。

圖2 2種測向方法測向精度隨相位誤差的變化

圖3 2種測向方法測向精度隨位置誤差的變化

從圖2和圖3可見，隨著最大相位誤差的加大，干涉儀測向誤差在相位誤差大于5°或位置誤差大于4 mm后明顯增大，而波束形成測向則對相位誤差與位置誤差具有更好的魯棒性。

由于干涉儀通常為兩單元間的比幅(利用幅度信息)或比相(利用相位信息)，DBF測向方法聯(lián)合利用多天線單元的幅度與相位信息，因此DBF測向方法性能對幅相誤差與位置誤差更魯棒。

2 多目標(biāo)分辨技術(shù)

在多徑或突發(fā)同頻帶干擾情況下，需要采用多目標(biāo)分辨測向方法[17-18]。為此采用譜峰快拍的超分辨測向方法[19-20]，具體步驟如下：對時域有效樣本采用快速傅里葉變換，獲取頻域峰值快拍，利用下式估計多目標(biāo)的波達(dá)方向(Direction of Arrival，DOA)，即

(2)

式中，θi∈Θ，Θ為搜索角度范圍。

搜索導(dǎo)向矢量的投影矩陣表示為：

(3)

投影正交補(bǔ)矩陣表示為：

(4)

式中，IL為L維單位陣。

采用8元圓形陣列，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 小樣本情況下8元陣多目標(biāo)分辨

由于小樣本情況(仿真中只有12次快拍)以及通道間存在隨機(jī)幅相誤差，MUSIC的空間3個譜峰不明顯，而采用譜峰快拍測向方法，3個信源的空間譜峰突出明顯。波達(dá)方向估計結(jié)果如表1所示。

表1 波達(dá)方向估計結(jié)果 (°)

測向結(jié)果表明，MUSIC法的測角誤差偏大，譜峰快拍測向方法的測角誤差小于0.5°。

3 結(jié)束語

在艦載平臺環(huán)境下，采用數(shù)字波束形成測向方法可有效抑制同頻干擾和反射干擾，采用頻域取樣的譜峰快拍測向方法能夠有效地分辨多目標(biāo)，并能有效克服幅相誤差影響。仿真試驗驗證了該方法的有效性，采用8元圓形陣列，在小樣本快拍采樣條件下，測角誤差小于0.5°，優(yōu)于傳統(tǒng)MUSIC方法，便于工程實際應(yīng)用。