邱　煒，朱德智，范明意

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088)

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基于AA的多通道雷達(dá)自適應(yīng)抗干擾方法

邱煒，朱德智，范明意

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088)

摘要：抗干擾能力是雷達(dá)的一項(xiàng)核心戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中電磁環(huán)境日益復(fù)雜，雷達(dá)抗干擾面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。提出一種基于數(shù)字陣列雷達(dá)體制的自適應(yīng)-自適應(yīng)(AA)的抗干擾方法，該方法可有效抑制副瓣來(lái)向干擾，還可顯著改善因干擾樣本中混入目標(biāo)信號(hào)而導(dǎo)致的目標(biāo)相消問(wèn)題，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字陣列雷達(dá)；自適應(yīng)-自適應(yīng)；抗干擾；目標(biāo)相消

0引言

當(dāng)前電子技術(shù)飛速發(fā)展，雷達(dá)面臨著越來(lái)越復(fù)雜的電磁環(huán)境，這就對(duì)雷達(dá)的抗干擾能力提出了更高的要求。隨著數(shù)字陣列技術(shù)在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用，數(shù)字波束形成技術(shù)得以在實(shí)際工程中用于雷達(dá)抗干擾領(lǐng)域。靈活的波形設(shè)計(jì)可以極大地發(fā)揮相控陣?yán)走_(dá)的抗干擾潛力。在已有的干擾抑制方法中，傳統(tǒng)空域置零法易受天線陣元或通道幅相誤差的影響，算法不夠穩(wěn)??；而基于輔助通道的干擾對(duì)消方法在一定程度上可滿足工程需求，但由于全向接收天線偵收干擾，導(dǎo)致干擾抑制并不徹底。因此，當(dāng)前迫切需要提出一種性能更好的且符合工程實(shí)用的雷達(dá)抗干擾新方法[1-4]。

本文針對(duì)數(shù)字陣列體制雷達(dá)中的抗干擾問(wèn)題，提出一種基于自適應(yīng)干擾波束形成-自適應(yīng)干擾相消的干擾抑制方法。該方法首先利用雷達(dá)的發(fā)射靜默狀態(tài)形成多波束來(lái)對(duì)干擾進(jìn)行測(cè)向，進(jìn)而通過(guò)數(shù)字陣列自適應(yīng)波束在目標(biāo)方向和干擾方向均形成有效波束，然后利用主波束接收數(shù)據(jù)和干擾通道接收數(shù)據(jù)基于旁瓣相消結(jié)構(gòu)進(jìn)行自適應(yīng)對(duì)消干擾。該方法抗干擾性能穩(wěn)健且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，因此具有較高的工程實(shí)用性[5-7]。

1基于AA法自適應(yīng)干擾對(duì)消的基本原理和流程步驟

1.1基本原理

對(duì)于大型數(shù)字陣列的自適應(yīng)處理來(lái)說(shuō)，需要采用降維處理的方法來(lái)減少運(yùn)算量和減輕數(shù)據(jù)傳輸壓力，同時(shí)需要減少幅相誤差帶來(lái)的性能損失。因此，在實(shí)際應(yīng)用中往往采用波束形成后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)降維。

下面重點(diǎn)描述雷達(dá)數(shù)據(jù)變換到波束域的抗干擾問(wèn)題。首先預(yù)先估計(jì)出干擾來(lái)向及干擾源個(gè)數(shù)，然后再通過(guò)自適應(yīng)波束形成在各干擾向形成干擾波束，并將其與期望信號(hào)方向的主波束進(jìn)行自適應(yīng)干擾相消處理。這就是自適應(yīng)-自適應(yīng)(AA)處理方法[6]。該方法基于旁瓣相消結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)消主波束中的干擾，因此具有較為穩(wěn)健的干擾抑制性能。具體的干擾抑制原理在下面詳細(xì)闡述。

假定陣元為M元等距線陣，間距為d且各向同性，J個(gè)干擾源從遠(yuǎn)場(chǎng)以平面波入射到陣面上，干擾方向?yàn)棣萰(j=1,2,…,J)。各接收通道噪聲為高斯白噪聲。圖1為自適應(yīng)干擾對(duì)消基本原理圖。

圖1　自適應(yīng)干擾對(duì)消的基本原理

陣列接收到的快拍數(shù)據(jù)可以表示為:

(1)

式中:a(θj)，j=1,…,J,為干擾信號(hào)的導(dǎo)向矢量，a(θj)=[1,e-j2πdsin(θj)/λ,…,e-j2π(M-1)dsin(θj)/λ]T;N(t)=[n1(t),n2(t),…,nM(t)]T為噪聲矢量;sj(t)為第j個(gè)干擾信號(hào)復(fù)包絡(luò)。

主波束的輸出為:

(2)

第j個(gè)干擾波束的輸出為:

(3)

式中：a(θB)=[1,e-j2πdsin(θB)/λ,…,e-j2π(M-1)dsin(θB)/λ]T；θB為主波束的方向。

自適應(yīng)權(quán)值形成如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

自適應(yīng)波束形成的輸出為：

(9)

在式(7)中，相關(guān)矩陣的維數(shù)為J+1。由于空間干擾數(shù)是有限的，對(duì)于大型數(shù)字陣列雷達(dá)來(lái)說(shuō)，相關(guān)矩陣的維數(shù)遠(yuǎn)小于陣元數(shù)，運(yùn)算量大幅降低。

1.2基本流程

基于AA法的自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)的基本流程分為以下3個(gè)步驟：

(1) 無(wú)源模式下多波束干擾測(cè)向；

(2) 自適應(yīng)干擾波束形成；

(3) 自適應(yīng)干擾對(duì)消。

干擾信號(hào)搜索定位過(guò)程是指雷達(dá)在某時(shí)間段處于發(fā)射靜默，通過(guò)接收數(shù)字波束形成(DBF)而形成覆蓋全空域的接收波束，設(shè)置門限，依次判斷各輸出通道，當(dāng)某方位俯仰方向接收通道幅度大于設(shè)定的門限值時(shí)，則認(rèn)為該方位存在干擾源，用此方法統(tǒng)計(jì)出各干擾源的空間位置和干擾源總個(gè)數(shù)。自適應(yīng)波束形成是雷達(dá)在正常搜索期間，形成目標(biāo)搜索方向的主波束和指向各干擾源的干擾波束，干擾波束的個(gè)數(shù)依賴于干擾源個(gè)數(shù)。自適應(yīng)干擾對(duì)消是利用主通道和干擾通道數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性進(jìn)行自適應(yīng)處理。

圖2和圖3分別為干擾源定位示意圖和主波束、干擾波束形成示意圖。

圖2　干擾源定位示意圖

圖3　主波束和干擾波束形成示意圖

2計(jì)算機(jī)仿真和性能評(píng)估

假定天線陣面為矩形陣，大小為20行、64列，各陣元按半波長(zhǎng)等間距排列，干擾源個(gè)數(shù)為2個(gè)，從目標(biāo)信號(hào)的水平副瓣進(jìn)入，干擾類型為窄帶壓制干擾，各接收通道的噪聲為高斯點(diǎn)頻噪聲。重點(diǎn)對(duì)基于AA法的干擾對(duì)消方法和基于輔助天線的干擾對(duì)消方法進(jìn)行性能對(duì)比。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

實(shí)驗(yàn)1：訓(xùn)練樣本中不含目標(biāo)信號(hào)，目標(biāo)距離R=50,信噪比σSNR=45dB。

圖4為干擾的距離-多普勒功率譜圖。由圖4可以看出，共2個(gè)點(diǎn)頻干擾，分別分布在2個(gè)不同頻點(diǎn)和全部距離單元上。

圖5(a)和(b)分別為采用AA法和輔助天線法進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消后的距離-多普勒功率譜圖。由圖5可以看出，在本仿真條件下，2種干擾對(duì)消方法性能接近，均可有效抑制干擾，且目標(biāo)沒(méi)有發(fā)生相消現(xiàn)象。

圖4　主波束頻譜干擾從副瓣進(jìn)入

圖5　自適應(yīng)干擾對(duì)消后距離-多普勒功率譜圖

圖6為采用AA法和輔助天線法進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消后的多普勒向切片圖。由圖6可以看出，在本仿真條件下，2種干擾對(duì)消方法均可有效抑制干擾，且干擾抑制水平相當(dāng)，同時(shí)目標(biāo)向無(wú)目標(biāo)損失。圖7為采用AA法和輔助天線法進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消后的空域方向。由圖7可以看出，在本仿真條件下，采用2種干擾對(duì)消方法均可在干擾來(lái)向形成有效凹口，但輔助天線法副瓣較AA法稍高。

圖6　采用2種對(duì)消后的多普勒向切片圖

圖7　采用2種對(duì)消方法的空域方向圖

實(shí)驗(yàn)2：訓(xùn)練樣本中含目標(biāo)信號(hào)，目標(biāo)距離R=30，信噪比σSNR=45dB。

圖8為采用AA法和輔助天線法進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消后的多普勒向切片圖。由圖8可以看出，在本仿真條件下，2種干擾對(duì)消方法均可有效抑制干擾，且干擾抑制水平相當(dāng)，同時(shí)目標(biāo)向無(wú)目標(biāo)損失。圖9為采用AA法和輔助天線法進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消后的空域方向。由圖9可以看出，在本仿真條件下，采用2種干擾對(duì)消方法均可在干擾來(lái)向形成有效凹口，但輔助天線法副瓣較AA法有顯著抬高。這是因?yàn)楦蓴_估計(jì)樣本中包含目標(biāo)時(shí)，當(dāng)輔助天線個(gè)數(shù)大于干擾源個(gè)數(shù)時(shí)，多余的系統(tǒng)自由度會(huì)起到副作用，導(dǎo)致副瓣抬高，性能變差。

圖8　采用2種對(duì)消后的多普勒向切片圖

圖9　采用2種對(duì)消方法的空域方向圖

實(shí)驗(yàn)3：訓(xùn)練樣本中含目標(biāo)信號(hào)，目標(biāo)距離R=30，信噪比σSNR=70dB。

圖10為采用AA法和輔助天線法進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消后的多普勒向切片圖。由圖10可以看出，在本仿真條件下，采用AA法的干擾對(duì)消效果要顯著優(yōu)于輔助天線法，干擾剩余差15dB左右。圖11為采用AA法和輔助天線法進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消后的空域方向。由圖11可以看出，在本仿真條件下，采用2種干擾對(duì)消方法均可在干擾來(lái)向形成凹口，但輔助天線法副瓣較AA法抬高約40dB左右，且主波束方向發(fā)生波形畸變。這是因?yàn)楫?dāng)干擾估計(jì)樣本中含強(qiáng)目標(biāo)時(shí)，輔助天線法明顯出現(xiàn)了目標(biāo)相消現(xiàn)象，而AA法由于目標(biāo)從干擾波束副瓣進(jìn)入，干擾通道中目標(biāo)信號(hào)能量被抑制，因此有效預(yù)防了目標(biāo)信號(hào)的相消問(wèn)題。

圖10　采用兩種對(duì)消后的多普勒向切片圖

圖11　采用2種對(duì)消方法的空域方向圖

實(shí)驗(yàn)4：干擾源和雷達(dá)接收平臺(tái)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下，AA法干擾對(duì)消效果評(píng)估。

假定干擾源運(yùn)動(dòng)速度300m/s，雷達(dá)接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度150m/s，2次干擾搜索時(shí)間間隔為2s，則在此期間雷達(dá)平臺(tái)和干擾源間的最大運(yùn)動(dòng)角度為1.03°。圖12為雷達(dá)平臺(tái)和干擾源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的干擾來(lái)向變化示意圖。圖13為角度變化與AA法干擾對(duì)消性能損失的關(guān)系圖。由圖13可以看出，AA法能夠保證在2次搜索間隔內(nèi)，在目標(biāo)和平臺(tái)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，干擾性能無(wú)損失。

圖12　雷達(dá)平臺(tái)和干擾源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度變化示意圖

圖13　角度變化和性能損失關(guān)系圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于AA法自適應(yīng)干擾對(duì)消方法，利用測(cè)得的干擾源來(lái)向在干擾向自適應(yīng)形成指向波束，在確保該干擾波束所接收干擾能量最大的同時(shí)，也利用空域加權(quán)將進(jìn)入干擾波束的目標(biāo)分量削弱。因此，該方法可在保證目標(biāo)無(wú)損失的前提下實(shí)現(xiàn)干擾的有效對(duì)消。由于具有較低運(yùn)算復(fù)雜度，該方法特別適用于大型數(shù)字陣列雷達(dá)，且已經(jīng)在實(shí)際工程中取得應(yīng)用，并取得了良好的干擾抑制性能。

參考文獻(xiàn)

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[5]張鵬.自適應(yīng)干擾對(duì)消中干擾信號(hào)的采樣混有目標(biāo)信號(hào)時(shí)的對(duì)消效果分析.系統(tǒng)工程與電子技術(shù),1996(8):34-43.

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Adaptive Anti-jamming Method for Multi-channel Radar Based on AA

QIU Wei,ZHU De-zhi,FAN Ming-yi

(No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

Abstract:The anti-jamming ability is a key tactical index for radar.Because the electromagnetic environment becomes more and more complex in modern war,more and more challenges are confronted with the radar anti-jamming.This paper puts forward an adaptive-adaptive (AA) anti-jamming method based on digital array radar system.The method can effectively suppress the jamming from side lobes,and can evidently improve the target cancellation problem due to the mix of jamming signals and target signals,has higher engineering application value.The simulation result validates the validity of the method.

Key words:digital array radar;adaptive-adaptive;anti-jamming;target cancellation

收稿日期:2016-01-03

中圖分類號(hào)：TN974

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)02-0021-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.006