收發分置相控陣雷達直達波抑制技術

曹金坤,孫 濤,李 琨

(1.盲信號處理重點實驗室,成都 610041;2.西南電子電信技術研究所,成都 610041)

1 引 言

隨著世界各國空間活動的不斷增加,空間碎片日益增多,對航天器的威脅日益嚴重,空間碎片的監測和編目引起各國的高度重視。由于空間碎片數量多、分布廣、速度快,探測系統必須具備靈活的多波束、高效的多功能、良好的抗干擾以及多種自適應能力。根據數字陣列相控陣雷達的優越特點[1-2],將其應用到空間碎片探測中勢在必行。另外,為了探測遠距離目標,在雷達發射峰值功率難以提升的情況下,采用大時寬信號進行探測是可行辦法,但對于收發一體雷達勢必帶來巨大的雷達盲區,同時為了提高雷達探測效率,充分利用雷達資源,采用收發分置的體制是一種必然選擇。

采用收發分置的數字陣列相控陣雷達進行探測時,雷達功率較高,且收發間距較近時,直達波干擾問題是影響雷達正常工作的重要因素。目前,國內外很多學者開展了直達波抑制技術研究并取得了一定成果,他們的研究對象主要是基于機會輻射源的無源雷達中的直達波抑制方法[3-12],其中有兩種比較有代表性的方法:一是空域抑制技術[3,10-11],主要是基于波束形成零點技術;二是時域抑制技術[4-5,8,12],利用雙通道信號基于延遲估計的直達波對消技術。上述兩種抑制技術在基于機會輻射源的無源雷達應用中性能基本滿足系統要求,但對于抑制收發分置的數字陣列相控陣雷達探測空間碎片時的直達波干擾,還遠遠不能滿足系統使用要求。雖然數字雷達獲得的是數字信號,波束形成零點技術的直達波抑制性能會優于無源雷達中的應用,但是僅僅靠波束形成零點技術還無法解決接收陣列接收回波信號時直達波干擾的影響;而基于延遲估計的直達波抑制技術,在多徑嚴重以及低信噪比情況下其性能將下降。本文將針對收發分置的數字陣列相控陣雷達空間碎片探測的實際應用,從系統設計的角度,在其工作流程的各個環節采用多種方法來對直達波進行抑制,降低直達波干擾對雷達探測目標回波檢測的影響。

文章后續內容安排如下:第二部分對收發分置數字陣列相控陣雷達中的直達波干擾進行分析;第三部分針對雷達的工作模式、信號處理流程以及實際應用中多個環節給出不同直達波抑制方法并分析其直達波抑制能力;第四部分主要研究基于自適應濾波的直達波抑制方法,分析比較了兩種自適應濾波方法的性能;最后給出本文的總結。

2 收發分置數字陣列相控陣雷達中直達波干擾分析

數字陣列相控陣雷達為了能夠解決雷達盲區問題并提高探測效率,雷達采用收發分置體制。但為了保證收發系統探測目標的空間同步,收發系統不能距離太遠,對于每個發射脈沖其收發波束空間關系基本與單基地雷達相同。雷達系統探測示意圖如圖1所示。

圖1 收發分置的數字陣列相控陣雷達的直達波干擾示意圖Fig.1 Direct interference of bistatic digital array radar sketchmap

2.1 直達波干擾分析

直達波干擾是否會影響回波檢測,取決于直達波抑制后直達波和回波功率比。下面首先計算直達波功率。直達波功率計算公式如下:

式中,λ為信號波長,Pt是雷達發射功率,和分別是雷達天線發射副瓣增益和接收陣元副瓣增益,L是收發間距,Ls是雷達系統損耗,La是收發隔離損耗。

目標回波功率計算公式如下:

式中,λ、Pt同上,和分別是雷達天線發射主瓣增益和接收陣元主瓣增益,σ是目標RCS,Rm是目標距離,Ls是雷達系統損耗。

根據公式(1)和(2)計算得到直達波回波功率比表達式:

其中,K表達式如下:

根據雷達距離方程:

式中,τ是雷達發射脈寬,Dm是雷達最小可檢測因子。

根據公式(5)可以計算得到

可以發現,K是一個僅和雷達設計指標有關的常數。根據空間碎片監視能力對雷達各種參數的要求,K值約為200～300 dB。

對于收發分置數字陣列相控陣雷達來說,在如此強的直達波干擾環境下,僅借助天線的波束形成零點技術抑制直達波干擾是不可能的。針對以上問題,本文根據雷達的工作模式、信號處理流程以及具體應用分析各種直達波抑制方法及其能力。

2.2 直達波干擾形成

直達波對回波信號的接收處理產生的干擾可以分成同波位干擾和異波位干擾兩類。

(1)同波位干擾

如圖2所示,當脈寬較寬時,同一波位的發射信號所產生的直達波信號與目標回波信號在時間上交疊,對回波信號產生干擾。

圖2 直達波同波位干擾示意圖Fig.2 Direct interference of same beam position

由于同一發射脈沖所產生的直達波時延遠小于回波,因此該情況下回波脈壓主瓣將會落在直達波脈壓旁瓣上。由于直達波旁瓣的干擾,回波檢測受到影響。

(2)異波位干擾

如圖3所示,發射脈沖2所產生的直達波信號與發射脈沖1所產生的回波信號在時間上交疊,對回波信號1產生干擾。

圖3 直達波異波位干擾示意圖Fig.3 Direct Interference of different beam position

由于回波時延的隨機性,回波脈壓主瓣可能落在直達波脈壓結果的任意位置,因此直達波脈壓的主瓣和旁瓣均會影響回波的檢測。

3 直達波抑制方法及其性能

根據收發分置數字陣列相控陣雷達的工作方式、信號處理流程等特點以及雷達的實際應用,可采用收發隔離、數字波束形成零點抑制、異頻濾波、自適應對消及脈沖壓縮增益6個環節進行直達波抑制,如圖4所示。

圖4 直達波和回波傳播及處理流程Fig.4 Processing flow of direct interference and echo

3.1 收發隔離方法及能力

為抑制直達波干擾,在發射陣面和接收陣面中間引入隔離體,隔斷直達波的直射路徑。此時,直達波通過繞射路徑到達接收陣面,如圖5所示。

圖5 發射和接收遮蔽角定義Fig.5 Cloak of the transmit antenna and receiving antenna

為分析直達波的隔離效果,計算直達波繞射路徑與直射路徑間的功率衰減,可采用典型的單刃峰、多刃峰和圓頂峰三類隔離體的繞射模型,其中單刃峰可與多刃峰等效。圖6給出了單刃峰和多刃峰等效示意圖,其中中間大隔離體與采用同時兩個小隔離體具有同樣的隔離效果。圖7給出了圓頂峰幾何模型示意圖。

圖6 單刃峰等效模型Fig.6 Equivalent model of single edge peak

圖7 圓頂峰幾何模型Fig.7 Equivalent model of dome peak

單刃峰的隔離效果可采用如下計算公式[13]:

對于圓頂障礙物可以當作圓柱體來處理。用以下公式進行計算[13]:

式中,J(v)是單刃峰的繞射損耗,單刃峰高度和位置與圓頂峰值相同,T(ρ)是頂部曲率引起的附加損耗,Q(χ)是前兩項的耦合項。計算公式如下:

其中:

當隔離距離達到幾公里、雷達遮蔽角滿足一定條件時,采用單刃峰或等效的多刃峰,對直達波的抑制可達50 dB以上;在同樣的參數下,采用圓頂障礙物對直達波抑制可達70 dB以上。

3.2 數字波束形成零點技術

對于收發分置的數字陣列相控陣雷達來說,發射天線數字波束形成較低副瓣。圖8給出了某參數條件下發射天線方向圖,由圖可見,副瓣比主瓣低50 dB以上。

圖8 天線方向圖Fig.8 Antenna pattern

數字陣列相控陣雷達天線副瓣零點位置可自適應調整,將副瓣零點對直達波方向,會大幅提高雷達的直達波抑制能力。

設陣元數為 N,陣元間距為d,波長為 λ,波束指向為θ0,直達波方向為 θ1,陣列接收數據矢量為X(k)可表示為

陣列干擾噪聲協方差矩陣為

式中,p為直達波功率,σ2為噪聲功率,I為單位矩陣。自適應處理權為

式中,V=(v1,v2,…,vN)T為窗函數矢量,用以降低天線方向圖旁瓣,例如Chebyshev窗、Talor窗等,符號“·”表示Hadmad積。

圖9給出了對80°方向進行零點抑制的接收方向圖。

圖9 數字波束零點抑制圖Fig.9 Digital beam adaptive null forming

由圖可以發現,經過零點抑制,直達波方向接收增益相比主瓣增益低于70 dB。

3.3 自適應對消技術

由于直達波信號形式已知,可采用自適應濾波技術手段進行對消抑制。自適應對消原理框圖見圖10。

圖10 自適應對消原理框圖Fig.10 Adaptive cancellation principle diagram

如圖10所示,參考信號經過可變系數濾波器對接收信號中直達波進行估計,濾波器輸出與接收信號相減得到殘差,根據殘差和更新權值,進而對濾波器進行修正,濾波器估計殘差為自適應對消結果。基本原理是:

濾波輸出

估計誤差或誤差信號

采用一定的權值更新方法,使得誤差(各種定義)最小,即提取了接收信號中直達波信號,從而得到含有噪聲(包括系統噪聲和對消誤差噪聲)的回波信號。圖11給出了采用RLS算法進行直達波對消的結果,從圖中可以看出,直達波抑制能力達到60 dB左右。

圖11 自適應對消性能Fig.11 Adaptive cancellation algorithm performance

3.4 異頻濾波與脈壓增益直達波抑制

為了有效抑制異波位直達波干擾,雷達在不同波位采用不同的發射頻率。因此,不同波位直達波將經過異頻濾波抑制,減小對附近波位回波的干擾。一般工程實踐上,異頻濾波對異波位直達波的抑制能力可達30 dB。需要說明的是,異頻濾波無法抑制同波位直達波干擾。

對于同波位直達波來說,其信號與回波信號形式相同,無法通過脈壓失配對直達波進行抑制。由上文分析可知,干擾來自直達波旁瓣,因此同波位干擾的脈壓增益為旁瓣脈壓增益。由上文天線方向圖可知,對于給定雷達參數同波位直達波脈壓增益抑制可達到50 dB。

異波位干擾可能來自直達波脈壓的主瓣,因此必須采取有效措施對其進行抑制。由于直達波來自不同的發射信號,因此可以采用脈壓失配的方法對直達波進行抑制。由于異波位直達波與所干擾波位的參考信號失配,所以該種情況下干擾信號的脈壓增益為0 dB。

3.5 直達波抑制綜合能力分析

在雷達工作過程中,綜合利用收發隔離、數字波束形成零點抑制、異頻濾波、自適應對消及脈沖壓縮增益6個手段進行直達波抑制,能大大降低直達波對目標檢測的干擾,有效解決收發分置數字陣列相控陣雷達中的直達波問題。

4 結 論

本文主要針對收發分置數字陣列相控陣雷達在空間碎片監視的應用,分析了收發分置的數字陣列相控陣雷達中直達波干擾問題,然后根據雷達的特點及信號處理流程,從系統設計角度分析了雷達工作中各種環節可采用的直達波抑制方法并給出了直達波抑制能力,根據仿真分析結果可知,直達波抑制能力達到200 dB以上,解決了收發分置的相控陣雷達陣列雷達用于空間目標探測應用中直達波干擾問題。

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