張建中，文樹梁，沙明輝，高紅衛(wèi)，廖勝男

(1.北京無線電測量研究所，北京 100854；2.中國航天科工集團有限公司 第二研究院，北京 100854)

0 引言

雷達干擾和抗干擾作為矛盾雙方，其“跟隨式”發(fā)展促使雷達往能量域、時域、頻域、空域、極化域多域一體化發(fā)展。對于有源欺騙干擾，雷達尚可采取射頻掩護[1]、波形捷變[2-4]、頻率捷變等時頻域措施進行對抗；而對于有源壓制干擾，上述措施均會失效，在能量有限的情況下，只能利用空域、極化域信息進行抗干擾。一方面，自適應(yīng)陣列處理能充分利用空域信息提高雷達的抗干擾能力。另一方面，隨著極化抗干擾的應(yīng)用逐漸推廣，國內(nèi)雷達干擾研制單位已經(jīng)逐步開展變極化干擾與抗干擾技術(shù)[5-9]。由于干擾機天線方向圖性能指標相較于雷達低得多，使得變極化干擾易于實現(xiàn)。文獻[10]研究了單元交叉極化對自適應(yīng)陣列性能的影響，在交叉極化引入誤差固定前提下，陣列的自由度要降低一半；文獻[11]針對單脈沖測角雷達體制，研究了交叉極化干擾及其欺騙效果評估問題。文獻[12]從主通道閉鎖，目標隱匿角度研究了主瓣交叉極化對SLB(sidelobe blanking)系統(tǒng)的影響。本文從廣義旁瓣對消模型出發(fā)，研究了變極化干擾在算權(quán)周期和對消周期干擾極化特性變化，引起陣列單元導(dǎo)向矢量失配，導(dǎo)致干擾信號不能完全對消的問題。在求權(quán)的訓練快拍只含干擾和噪聲；求權(quán)的訓練快拍含有期望信號、干擾和噪聲2種情況下分別計算權(quán)值，最終用性能改善因子描述變極化干擾對采用不同權(quán)值對消模型的影響。

1 信號模型

對于陣列信號，期望信號和干擾導(dǎo)向矢量用空域和極化域兩維特征描述。接收信號可表示為

(1)

式中：s0(t)為目標信號；sj(t)為M個干擾信號；n(t)為噪聲信號；ht為雷達相控陣天線極化矢量；S為目標極化散射矩陣；hj為干擾極化矢量；a0和aj分別為信號和干擾的空域?qū)蚴噶浚?/p>

(2)

(3)

式中：1j代表虛數(shù)單位；N為陣元數(shù);θ0為期望信號方向;θj為第j個干擾方向。

(4)

交叉極化干擾接收信號表示為

(5)

理想情況下，單元主極化和交叉極化方向圖如圖1所示，16陣元陣列主極化和交叉極化方向圖如圖2所示?？梢钥闯觯徊鏄O化在主極化方向圖的主瓣區(qū)形成一凹點，其他區(qū)域相對比較平整，交叉極化引起的能量損失約為15～30 dB。實際工程中，正常的極化損失低于理論值，且具有一定的隨機性[13]。

2 GSC模型

自適應(yīng)數(shù)字波束形成(adaptive digital beamforming，ADBF)[14-15]可在未知的干擾方向自適應(yīng)形成零陷，以提高電子對抗能力，自適應(yīng)權(quán)矢量計算是ADBF的核心。為分析變極化干擾對自適應(yīng)波束形成的影響，用經(jīng)典廣義旁瓣對消結(jié)構(gòu)(generalized sidelobe canceller,GSC)模型進行分析，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。GSC模型利用已知的期望信號方向信息把陣列接收信號變換為2個支路，其中上支路變化后得到參考信號d0(k)，d0(k)包含期望信號和干擾；而下支路通過阻塞矩陣B0阻塞期望信號使之不進入輔助支路，變換后信號通過維納濾波，對消相關(guān)的干擾信號，無失真輸出期望信號。

以共極化信號為例分析廣義旁瓣對消模型，對連續(xù)信號進行離散采樣，則有

(6)

X0(k)=B0X(k),

(7)

(8)

式中:u0=2π(d/λ)sinθ0。

由式(6)～(8)可得GSC陣列輸出為

(9)

當干擾機采用變極化干擾時，WGSC改變，因此利用共極化算出的權(quán)值不能完全抵消交叉極化引起的干擾，利用交叉極化算出的權(quán)值也不能完全抵消交叉極化引起的干擾，且干擾都存在很大的剩余。為定量描述變極化干擾對雷達廣義旁瓣對消的影響，用性能改善因子度量。性能改善因子定義為陣列處理輸出SINR(signal to interference plus noise ratio)與單個陣元的輸入SINR的比值，體現(xiàn)了抗干擾陣列SINR的改善程度，性能改善因子的計算公式為

(10)

3 仿真實驗及結(jié)果分析

假設(shè)實驗仿真參數(shù)如表1所示。其中干擾類型分為噪聲壓制干擾和間歇采樣干擾2類。噪聲壓制干擾采用純噪聲調(diào)制，幅度和相位都隨機變化，可造成壓制干擾效果；間歇采樣干擾采用天線收發(fā)分時的工作原理，對采樣信號進行轉(zhuǎn)發(fā)，可以得到發(fā)射信號的相干增益，從而造成欺騙干擾效果。本實驗間歇采樣干擾采用占空比為50%的直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾，采樣周期為2 μs。

表1 實驗仿真參數(shù)Table 1 Experimental simulation parameters

實驗1 在雷達休止期采樣快拍，采樣數(shù)據(jù)中包含噪聲和干擾，干擾采用2個噪聲壓制干擾，在不同極化干擾下求得權(quán)值的方向圖如圖4所示?？梢钥闯霎敼矘O化干擾時，共極化權(quán)值可以在干擾角度形成很深的零陷，從而有效抑制旁瓣干擾；交叉極化權(quán)值在干擾角度不能形成很深的零陷，這是由于交叉極化時干擾能量本身存在衰減，且導(dǎo)向矢量存在幅相擾動造成的，但這并不影響干擾抑制，因為此時交叉極化權(quán)值和交叉極化干擾基本是正交的。

當輸入信號信噪比從-20 dB到20 dB變化時，在雷達休止期計算權(quán)值，分別用常規(guī)波束形成(conventional beamforming，CBF)權(quán)值、共極化權(quán)值、交叉極化權(quán)值對消共極化干擾和交叉極化干擾，改善因子100次試驗求平均，如圖5所示?？梢钥闯觯矘O化和交叉極化權(quán)對消各自干擾有著很大的改善因子，不同信噪比下均值都約為58.8 dB；當對消對方的干擾時改善因子明顯下降，其中共極化權(quán)對消交叉極化干擾改善因子約為39.6 dB，交叉極化權(quán)對消共極化干擾改善因子約為27.2 dB；但相較于CBF，改善因子有一定提升，CBF權(quán)對消共極化干擾改善因子約為19.2dB，對消交叉極化干擾改善因子約為31.5 dB。這是由于共極化和交叉極化權(quán)值保證信號正常接收的前提下在干擾方向均形成了零陷，雖然對消對方干擾時權(quán)值和干擾不能完全正交，但是對干擾仍起到一定的抑制作用。

實驗2 在雷達工作期采樣快拍，采樣數(shù)據(jù)中包含信號、噪聲和干擾，干擾采用2個噪聲壓制干擾，不同極化干擾下求得權(quán)值的方向圖如圖6所示?？梢钥闯?工作期采樣權(quán)值在干擾方向也可以形成較深零陷，較休止期采樣權(quán)值旁瓣升高。

當輸入信號信噪比從-20 dB到20 dB變化時，在雷達工作期計算權(quán)值，分別用常規(guī)波束形成(CBF)權(quán)值、共極化權(quán)值、交叉極化權(quán)值對消共極化干擾和交叉極化干擾，改善因子100次試驗求平均，如圖7所示。

實驗2基本可以得到和實驗1一樣的結(jié)論，當對消各自干擾時，在不同信噪比下改善因子均值都約為56.5 dB；當對消對方的干擾時，共極化權(quán)對消交叉極化干擾改善因子約為36.9 dB，交叉極化權(quán)對消共極化干擾改善因子約為24.9 dB。從圖7可以看出在大信噪比下，改善因子在一定程度上惡化，這是由于大信噪比下在雷達工作期計算的權(quán)值旁瓣變形，主瓣偏移，對信號有抑制作用。

實驗3 雷達工作期采樣快拍，采樣數(shù)據(jù)中包含信號、噪聲和干擾，干擾采用噪聲壓制+間歇采樣，在不同極化干擾下求得權(quán)值的方向圖如圖8所示。在干擾方向也可以形成零陷，但較2個壓制干擾時零陷變淺。

當輸入信號信噪比從-20 dB到20 dB變化時，在雷達工作期計算權(quán)值，分別用常規(guī)波束形成(CBF)權(quán)值、共極化權(quán)值、交叉極化權(quán)值對消共極化干擾和交叉極化干擾，改善因子100次試驗求平均，如圖9所示。當對消各自干擾時，在不同信噪比下改善因子均值都約為46.8 dB；當對消對方的干擾時，共極化權(quán)對消交叉極化干擾改善因子約為37.8 dB，交叉極化權(quán)對消共極化干擾改善因子約為25.1 dB?？梢钥闯龃笮旁氡认?，改善因子較實驗2 2個壓制干擾進一步上惡化，大信噪比下改善因子甚至會低于常規(guī)波束形成，這是由于大信噪比下間歇采樣干擾和信號具有強的相關(guān)性，計算自相關(guān)矩陣時受交叉項影響。

實驗4 在不同交叉極化相對改變量和陣元幅相擾動情況下，2個噪聲壓制干擾，在雷達工作期計算權(quán)值，對消不同干擾，輸入信噪比-20 dB到20 dB。共極化權(quán)對消共極化干擾和交叉極化對消交叉極化干擾的改善因子約為56.6 dB；常規(guī)波束形成對消共極化干擾的改善因子約為19.5 dB；不受干擾極化方式影響；不同權(quán)對消極化干擾平均改善因子如表2所示。從表中可以看出，交叉極化相對改變量相位變化對改善因子基本沒有影響；交叉極化相對改變量幅度損失越大，改善因子越好，這是由極化失配引起接收干擾功率變小造成的；交叉極化引起的陣元之間幅相擾動越大，改善因子的惡化越嚴重。

表2 不同相對改變量和幅相擾動改善因子表Table 2 Performance improvement factor in different relative variation and magnitude-phase disturbance

注：G1代表共極化權(quán)對消交叉極化干擾，G2代表交叉極化權(quán)對消共極化干擾，G3代表常規(guī)波束形成權(quán)對消交叉極化干擾。

4 結(jié)束語

本文主要研究了變極化干擾對采用旁瓣對消模型自適應(yīng)陣列的影響，結(jié)果表明，變極化旁瓣干擾能有效干擾采用廣義旁瓣對消模型的自適應(yīng)波束形成。對于間歇采樣式干擾，在大信噪比下干擾抑制性能嚴重下降。由于變極化干擾在主瓣范圍內(nèi)存在嚴重的能量衰減，因此，變極化干擾多用于旁瓣干擾。