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        FDA數(shù)字陣抗DRFM轉(zhuǎn)發(fā)式主瓣干擾研究

        2021-09-22 05:18:16張青鑫
        航天電子對(duì)抗 2021年4期
        關(guān)鍵詞:空間頻率波束矢量

        張青鑫,陳 東

        (貴州航天電子科技有限公司,貴州貴陽(yáng) 550009)

        0 引言

        數(shù)字陣列雷達(dá)是一種新型相控陣?yán)走_(dá)[1],它的每個(gè)天線陣元相互獨(dú)立可控。數(shù)字陣列雷達(dá)由于具有系統(tǒng)自由度高、抗干擾資源豐富、發(fā)射波形靈活多變等特點(diǎn),在近幾年備受學(xué)者們的青睞,該體制已應(yīng)用于新型雷達(dá)裝備中。隨著現(xiàn)代電磁設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展,種類繁多、體制復(fù)雜的軍事電子裝備集結(jié)在雷達(dá)的探測(cè)區(qū)域內(nèi),各種電磁信號(hào)充斥于空間,呈現(xiàn)出“頻域密集交疊、空域縱橫交錯(cuò)、時(shí)域突發(fā)多變、能量域強(qiáng)弱多樣”的特點(diǎn),形成了復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁干擾環(huán)境[2]。數(shù)字陣列雷達(dá)面臨的電磁干擾主要包括有意無(wú)意的有源無(wú)源干擾、地雜波等,這些電磁干擾可從數(shù)字陣列雷達(dá)的主瓣、副瓣方向進(jìn)入接收機(jī),自適應(yīng)干擾零陷波束形成技術(shù)能有效抑制空域副瓣方向的干擾,但對(duì)于主瓣干擾,雷達(dá)已不能在角度維區(qū)分目標(biāo)與干擾信號(hào)。

        射頻數(shù)字存儲(chǔ)器(DRFM)是一種重要的新型電子戰(zhàn)設(shè)備,它可以快速分析復(fù)雜的接收信號(hào)波形,通過(guò)對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行高速采樣、存儲(chǔ)、干擾調(diào)制處理和復(fù)制,生成干擾信號(hào)波形,形成假目標(biāo)誘騙雷達(dá)丟失真目標(biāo),實(shí)現(xiàn)干擾技術(shù)的多樣性。DRFM技術(shù)的出現(xiàn)提高了新一代電子對(duì)抗設(shè)備的能力,雷聲公司正在研制的下一代干擾機(jī)(NGJ)采用了先進(jìn)有源相控陣天線、DRFM、光學(xué)波束合成等先進(jìn)技術(shù),使其有效輻射功率更高、干擾資源更加充足、干擾樣式更加靈活多變。目前抗干擾技術(shù)的發(fā)展已滯后于干擾機(jī)技術(shù),這些新型干擾機(jī)勢(shì)必對(duì)數(shù)字陣列雷達(dá)構(gòu)成更大威脅,對(duì)數(shù)字陣列雷達(dá)的抗干擾性能提出了更高要求。

        針對(duì)DRFM轉(zhuǎn)發(fā)式主瓣干擾,國(guó)內(nèi)外有學(xué)者提出采用頻率分集技術(shù)在發(fā)射陣元之間引入一個(gè)微小的頻率偏移,使雷達(dá)獲得距離維自由度,在距離維區(qū)分干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的假目標(biāo)信號(hào),這是傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)受其體制約束所不具備的優(yōu)勢(shì)。采用頻率分集技術(shù)的數(shù)字陣列雷達(dá)具有更高的系統(tǒng)自由度,其等效發(fā)射方向圖不僅與角度有關(guān),還與空間距離有關(guān),這表明數(shù)字陣列雷達(dá)具有豐富的抗干擾資源。

        本文在FDA數(shù)字陣列雷達(dá)體制下提出一種抑制DRFM轉(zhuǎn)發(fā)式主瓣欺騙干擾的方法,由于干擾機(jī)是將截獲的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行延遲轉(zhuǎn)發(fā),在主瓣方向、不同距離單元上形成假目標(biāo),因此可利用真、假目標(biāo)的距離差異,對(duì)陣列接收信號(hào)進(jìn)行發(fā)射空間角頻率補(bǔ)償,通過(guò)空間頻率分布識(shí)別真、假目標(biāo),再采用Capon波束形成,實(shí)現(xiàn)對(duì)主瓣欺騙式干擾的有效抑制。

        1 FDA數(shù)字陣主瓣干擾模型

        為不失一般性,考慮由M個(gè)天線陣元組成的均勻線陣,每個(gè)天線陣元相互獨(dú)立,對(duì)應(yīng)發(fā)射頻率存在一個(gè)頻率偏移量Δf,陣元間距d為最小波長(zhǎng)的一半,則第m個(gè)陣元的載頻為:

        式中,f0表示起始發(fā)射頻率,一般來(lái)說(shuō),Δf的取值遠(yuǎn)小于f0。第m個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)為:

        式中,A m(t)表示第m個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)副包絡(luò),且滿足A p(t)A*q(t?τ)dt=0,p≠q。假設(shè)空間遠(yuǎn)場(chǎng)位置(R tgt,θtgt)處存在一點(diǎn)目標(biāo),雷達(dá)發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)處合成信號(hào)強(qiáng)度可表示為:

        式中,λm=c/f m=c/(f0+(m?1)Δf),代入式(3)化簡(jiǎn)得:

        顯然,F(xiàn)DA數(shù)字陣的發(fā)射方向圖具有距離周期性。

        進(jìn)一步,第n個(gè)陣元接收到的目標(biāo)回波信號(hào)為:

        式中,α表示信號(hào)傳播所引起的傳播衰減,信號(hào)的雙程傳播延時(shí)τnm可以表示為:

        式中,τ0=2R tgt/c為公共延遲時(shí)間,則第n個(gè)陣元接收到回波信號(hào)與第m個(gè)陣元發(fā)射的信號(hào)經(jīng)匹配濾波A m(t?τ0)exp(j2πfm t)后輸出可表示為:

        式中,波長(zhǎng)λ0=c/f0。將數(shù)字陣列的M×M個(gè)匹配濾波輸出信號(hào)排列成一個(gè)列向量,記為y s:

        式 中,?表 示Kronecker積,G t(R tgt,θtgt)∈CM×1和G r(θtgt)∈CN×1分別為發(fā)射和接收導(dǎo)向矢量:

        式中,·表示點(diǎn)乘??梢姲l(fā)射導(dǎo)向矢量包含了目標(biāo)距離維信息。

        敵方DRFM將截獲的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行延遲轉(zhuǎn)發(fā)形成假目標(biāo),假設(shè)位置(Rj,θj)處存在一個(gè)假目標(biāo),且θj=θtgt。第n個(gè)陣元接收到第k個(gè)假目標(biāo)反射的回波信號(hào)經(jīng)匹配濾波后輸出可表示為:

        式中,表示傳播過(guò)程中的衰減因子。將所有匹配濾波輸出信號(hào)排列成一個(gè)列向量:

        進(jìn)一步可得數(shù)字陣列的接收信號(hào),可以表示為:

        式中,y s為真目標(biāo)信號(hào)分量,y j為假目標(biāo)信號(hào)分量,n表示噪聲分量。

        2 主瓣距離欺騙干擾的識(shí)別及抑制

        本文假設(shè)真目標(biāo)的距離和角度信息已完成粗估計(jì),根據(jù)發(fā)射導(dǎo)向矢量,定義發(fā)射空間頻率和接收空間頻率為:

        可以看出,由于真、假目標(biāo)所在距離不一樣,其對(duì)應(yīng)的發(fā)射空間頻率也不一樣。因此,可以考慮對(duì)回波信號(hào)的進(jìn)行發(fā)射角頻率補(bǔ)償,定義補(bǔ)償量為f ct=2Δf/cRtgt。如圖1所示,經(jīng)補(bǔ)償后,目標(biāo)的發(fā)射空間頻率與接收空間頻率相同,目標(biāo)位于發(fā)射?接收空間頻率分布的對(duì)角線上,而假目標(biāo)位于對(duì)角線以外的地方,可區(qū)分真目標(biāo)與虛假目標(biāo)。這樣一來(lái),就可通過(guò)距離?角度二維自適應(yīng)波束形成來(lái)抑制干擾。

        圖1 真、假目標(biāo)空間頻率分布

        采用Capon譜進(jìn)行自適應(yīng)波束形成,波束是距離?角度二維相關(guān)的,最優(yōu)權(quán)向量也是距離?角度二維相關(guān)的,則Capon波束形成算法可表示為:

        式中,w∈CNM×1表示聯(lián)合加權(quán)矢量,Ryy=E[yyH]表示陣列接收信號(hào)的自相關(guān)矩陣,G tr(R tgt,θtgt)=G r(θtgt)?G t(Rtgt,θtgt)表示目標(biāo)的距離?角度聯(lián)合導(dǎo)向矢量,通過(guò)拉格朗日乘數(shù)法可求得最優(yōu)權(quán)矢量為:

        通過(guò)Capon波束形成,可在假目標(biāo)所在距離點(diǎn)處形成零陷,達(dá)到抗干擾的目的。

        3 仿真分析

        本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所提方法對(duì)抑制主瓣距離欺騙干擾的有效性。

        3.1 FDA數(shù)字陣的等效發(fā)射方向圖仿真

        通過(guò)仿真驗(yàn)證FDA數(shù)字陣?yán)走_(dá)的發(fā)射導(dǎo)向矢量是距離?角度二維相關(guān)的。

        仿真參數(shù):陣元間距為半波長(zhǎng)的均勻線陣,陣元數(shù)M=10,初始載頻f0=15 GHz,假目標(biāo)位于主瓣方向θtgt=θj=0°,目 標(biāo) 距 離R tgt=5 km,假 目 標(biāo) 距 離R j=9km,頻率偏移量Δf=10 kHz。

        圖2、圖3分別為等效發(fā)射方向圖和聯(lián)合波束形成方向圖??梢钥闯觯^測(cè)距離為50 km時(shí),F(xiàn)DA數(shù)字陣的方向圖表現(xiàn)出距離周期性,距離周期為15 km,當(dāng)欺騙干擾位于目標(biāo)周期距離點(diǎn)時(shí),算法會(huì)在抑制干擾的同時(shí)抑制目標(biāo)信號(hào),這不利于抗主瓣干擾。

        圖2 等效發(fā)射方向圖

        圖3 聯(lián)合波束形成方向圖

        3.2 對(duì)數(shù)頻偏FDA數(shù)字陣抗主瓣干擾仿真

        為了消除FDA數(shù)字陣波束形成方向圖的周期性,比較有代表性的解決方法是由Khan等人提出的通過(guò)對(duì)數(shù)頻率偏移替代線性頻率偏移的方法,本質(zhì)上是通過(guò)非線性的頻率偏移來(lái)破壞FDA數(shù)字陣的方向圖周期性,使得在方向圖中形成單一的極大值點(diǎn)。則采用對(duì)數(shù)形式的頻率偏移量可以表示為:Δf m=δlnm,m=1,…,M,式中δ為頻率偏移量。

        采用對(duì)數(shù)頻偏后,對(duì)陣列接收信號(hào)進(jìn)行Capon波束形成,仿真結(jié)果如圖4所示。

        圖4 對(duì)數(shù)頻偏FDA數(shù)字陣的聯(lián)合方向圖

        從圖4可以看出,采用對(duì)數(shù)頻偏后,聯(lián)合方向圖存在單一極值,消除了線性頻偏FDA數(shù)字陣的距離周期性,保證了期望信號(hào)可以被全部接收;且陣列接收信號(hào)經(jīng)Capon波束形成后能在欺騙干擾所在距離點(diǎn)形成干擾零陷,從而抑制干擾,驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)復(fù)雜電磁干擾環(huán)境中的DRFM轉(zhuǎn)發(fā)式主瓣干擾,本文以數(shù)字陣列為平臺(tái),提出一種基于FDA數(shù)字陣的抗DRFM轉(zhuǎn)發(fā)式主瓣距離欺騙干擾方法,利用發(fā)射導(dǎo)向矢量是距離角度二維相關(guān)的特性,經(jīng)發(fā)射空間角頻率補(bǔ)償后可在距離維區(qū)分出真、假目標(biāo)。采用對(duì)數(shù)頻偏消除了方向圖的距離周期性,并利用Capon譜進(jìn)行波束形成,在距離維形成干擾零陷,可成功抑制主瓣欺騙干擾?!?/p>

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