空域自適應處理技術在外輻射源雷達探測中的應用

許德剛 楊雪亞 閆馮軍

(中國電子集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

同傳統的雷達相比，外輻射源雷達本身并不發射信號，主要利用非合作的廣播電臺信號、電視信號、衛星信號及其它輻射源作為目標照射源，因而不容易被敵方所偵察和干擾，提高了雷達的隱蔽性，同時雷達所利用的民用信號大多是低頻段的信號，具有探測隱身飛機的能力。由于外輻射源雷達具有反干擾、抗反輻射導彈、反隱身及成本低等特點，越來越受到重視，國內外高校及研究機構也進行了大量的研究和試驗［1-5］。

外輻射源雷達利用的民用信號是連續波信號，系統根據民用電臺的直達波與目標反射的回波信號進行多普勒相關處理進行目標的檢測。由于系統必須接收來自電臺所發射的信號，系統與電臺之間不能有遮擋，造成接收陣列天線接收目標回波的同時，必然會受到直達波信號、經高山和建筑物等反射的多徑信號所干擾。雖然接收陣列天線的法線沒有指向電臺方向，但是通過反射和繞射所接收到的直達波信號遠遠大于目標反射的回波信號，形成很強的直達波干擾;同時由于雷達站周圍的環境可能比較復雜，來自近距離不同固定物所反射的多徑信號同樣也強于目標回波信號，大大影響了雷達的正常工作。

一般情況下國家對電臺的分布是有一定限制的，不會出現電臺相互干擾的問題，但是外輻射源雷達接收機靈敏度高，經常能收到較遠的城市所發射的同頻和鄰頻電臺信號，形成同頻和鄰頻干擾;另外在海邊和國境附近也會接收到對方電臺的干擾。由于干擾電臺信號也強于目標所反射的目標回波信號，若不采取有效措施，同頻和鄰頻干擾信號同樣也削弱了雷達系統的探測性能。

1 干擾信號分析

外輻射源雷達是一種特殊體制下的雙/多基地非合作雷達系統，其發射站為位置明確的民用廣播、電視信號和自主廣播發射臺，發射塔全向輻射的電磁波信號連續不間斷地照射廣闊的空域，照射到空中目標產生相應的反射回波信號。雷達系統的接收站采用兩個通道來接收信號，其中回波接收通道采用陣列接收天線，用于接收目標所反射的回波信號，參考接收通道采用單個天線單元，指向電臺發射方向，用于接收直達波參考信號，其原理如圖1所示。其中發射站的位置為T，雷達接收站的位置為R，目標的位置為G，收發站之間的距離為L，目標和接收站之間的距離為Rr，目標和發射站之間的距離為Rt，其目標探測原理是通過回波接收通道采集的信號與參考通道采集的信號進行長時相干積累處理得到兩者之間的時間差估計τ，即:

其中S= Rr+Rt即距離和，c 為光速，根據幾何關系可得到Rr為:

其中φr為通過多波束比幅技術測得的方位角。

外輻射源雷達采用的非合作照射源大多為米波頻段的信號，其雜波主要為多普勒為零的地物雜波，而且目標回波信號已附加了多普勒信息，因此可以通過多普勒信息將目標和雜波分開，實現目標的檢測。前面已分析了直達波和多徑信號遠遠大于目標回波信號，當在復雜電磁環境下還存在同頻和鄰頻信號的干擾，這些因素嚴重影響了系統的探測性能。雖然通過后續長時相干積累處理能獲得一定的增益，但相對于干擾信號的強度來說還是不能滿足系統的要求。針對這些問題，采用時域自適應干擾處理的研究較多［6-8］，而且取得了一定的效果，但是運算量大且實時處理難度大，對同頻和鄰頻干擾的抑制有限，因此本文從空域自適應處理來分析對干擾信號的抑制，并進行仿真和實測數據的驗證。

圖1 外輻射源雷達系統相干定位圖

2 算法分析和仿真

2．1 自適應波束置零技術

自適應波束形成技術原理是根據不同的最優化準則，建立相應的數學模型，通過調整每一陣元的加權系數進行雜波干擾自適應處理，通過零點形成來消除雜波干擾，在一些研究方向上得到了應用［9］。針對無源雷達上自適應數字波束形成的算法準則采用最大信干噪比(MSINR)準則，即使陣列輸出信號與干擾加噪聲之比最大的準則。對確知參量信號，高斯噪聲背景中的最優濾波為噪聲預白化后的匹配濾波，這兩個過程可以通過最大信噪比準則統一處理。陣列接收信號表示如下:

式中α(θ0)為信號來波方向導波信號，s0(t)為信號的復包絡，Xi+n(t)為干擾加噪聲向量，與信號不相關。信號協方差矩陣Rs和干擾噪聲協方差矩陣Ri+n分別為:

最大信干噪比(MSINR)是使輸出信干噪比最大，即:

其中W為權值，用拉格朗日乘子法，目標函數為:

對式(7)求導可得到:

其中μ=δs2αH(θ0)Wopt/λ。

則陣列最優權矢量對應的最大輸出信干噪比為:

根據上面的算法進行分析，在外界強雜波干擾的情況下，波束形成時在干擾方向上形成零點，系統陣元數為12 個，采用全自適應零點技術，滿足最大信干噪比準則來設計，使信號輸出功率相對于雜波功率之比最大。當有兩個干擾(-30°、45°)時，且幅相誤差為(0.1dB、1.0°)時的自適應方向圖如圖2所示。

圖2 干擾抑制處理自適應零點方向圖

2．2 自適應副瓣對消技術

數字陣列體制的雷達可以采用極低副瓣技術實現空間濾波，但要受到主波束變寬的限制和增益的損失，自適應副瓣對消技術可以抑制從天線副瓣進入的干擾信號而避免極低副瓣所帶來的問題。根據最優波束形成的MMSE 準則，輔助天線將它所接收的信號與主天線接收的信號加權求和，在干擾作用下利用輸出結果來調整權值，使輸出干擾功率趨于最小，其結果使空間濾波特性在干擾方向上形成零點，從而抑制了副瓣干擾［10］，在實際應用中一般要求輔助天線的增益稍高于主天線的第一副瓣，其原理如圖3所示。

圖3 自適應旁瓣對消處理示意圖

雷達主天線接收到的信號為Y=［y1，y2，…，yN］，輔助天線接收到的信號為X=［x1，x2，…，xM］，加權系數為W=［w1，w2，…，wM］，則自適應相消結果為Z= Y-W·XH。根據最小均方誤差準則(MMSE)計算自適應權值，相消剩余功率為最小的權值解是維納最優解，即最優權值為:

其中Rxy= E(X·Y*)，Rxx= E(X·XH)，Rxy表示主天線和輔助天線所接收信號的互相關矩陣，Rxx表示輔助天線之間的自相關矩陣。

外輻射源雷達采用多通道輸出陣列技術，而且天線尺寸比較大，增加輔助天線勢必會影響系統的規模和成本，因此考慮從N 個主天線中抽出M 路信號作為輔助天線，同時這M 路`信號也參與主天線的波束形成處理。假如從N 個主天線中選取y1，y3，y5作為輔助天線的輸出，N 個主天線的波束合成為y0(t)，根據自適應副瓣對消處理技術得到對消的權值為W:

根據計算得到的自適應權值，可得自適應副瓣的輸出結果為:

根據自適應副瓣對消算法進行仿真分析，假設有四個干擾源從主天線進入雷達系統，干擾源的方向相對于天線法線方向為-50°、-30°、20°和30°，同時所有主天線在天線陣面的法線方向合成波束，其中單個天線的干噪比為25dB，得到自適應副瓣對消結果如圖4所示。其中綠色干擾相消前的波束輸出，輸出均值約為39dB，藍色干擾相消后的波束輸出，輸出均值約為16dB，干擾抑制比大約為23dB，較好的抑制了來自副瓣的干擾信號。

圖4 自適應副瓣對消的干擾抑制仿真結果

3 雷達實際采集數據的處理結果分析

3．1 自適應波束置零技術的實際應用

同時以實際采集的有外界雜波干擾的同組外場數據進行處理結果比較，若不形成零點而只進行常規處理的仿真結果如圖5所示，表明在有外界雜波干擾情況下只進行常規處理，而不進行自適應零點抗干擾處理，檢測到兩個目標，目標1 的信雜比大約為22dB，位于119.3km 處;目標2 的信雜比大約為15dB，位于213.8km。在常規處理的基礎上形成零點處理的仿真結果如圖6所示，表明在有外界雜波干擾情況下進行常規處理的同時，進行零點抗干擾處理，檢測到三個目標信號，其中目標1 的信雜比達到了28.0dB;目標2 的信雜比達到了22.0dB;目標3 的信雜比達到了18.3dB，位于279.8km 處。因此在實際環境有雜干擾的情況下采用自適應零點的方法明顯提高目標的信雜比。

圖5 無自適應零點處理的實驗結果

圖6 有自適應零點處理的實驗結果

3．2 自適應副瓣對消技術的實際應用

利用雷達設備在外場采集存在雜波干擾信號的數據進行仿真分析，通過有無副瓣對消技術進行仿真對比，選取采集的一組數據進行副瓣對消技術的分析;其中主陣面接收目標的回波信號，從主天線中選擇取3 個天線作為輔助天線用于接收雜波干擾信號進行副瓣對消，在天線的法線方向上形成波束，雜波干擾信號從主波束的副瓣進入。對這組數據只進行目標檢測而不進行副瓣對消處理，圖7 是不進行副瓣對消處理，僅進行相關檢測處理的實驗結果，從處理結果來看:檢測到兩個目標，目標1 位于53.3km 處，目標的信雜比為27dB;目標2 位于65.2km處，目標的信雜比為20dB。同樣對這組數據首先進行副瓣對消處理，然后進行相關檢測處理，圖8 是副瓣對消及相關檢測處理的實驗結果，從處理結果來看:同時能檢測到五個目標，其中目標1 位于53.3km 處，目標的信雜比為41dB;目標2 位于65.2km處，目標的信雜比為35dB;目標3 位于157.5km 處，目標的信雜比為28dB;目標4 位于150.5km 處，目標的信雜比為19dB;目標5 位于223.3km 處，目標的信雜比為20dB。因此副瓣對消處理大大抑制了干擾信號，對已發現目標的信雜比有很大改善，同時提高了遠區目標的發現概率。

圖7 無副瓣對消處理的實驗結果

圖8 副瓣對消處理的實驗結果

4 總結

在以廣播電臺等信號為照射源的外輻射源雷達系統中，分析了該系統中干擾信號對目標檢測性能的影響，在數字陣列體制下采取空域自適應處理的方法來對消雜波干擾信號，重點分析最大信干噪比(MSINR)和最小均方誤差(MMSE)為準則的空域自適應處理。從實際采集的數據處理結果來看，這兩種空域自適應處理方法對雜波干擾信號的抑制比得到明顯提高，目標信雜比得到了改善，并在實際雷達系統中取得了很好的效果。

［1］GriffithH D.From a different perspective principles practice and potential of bistatic radar［C］.Proceedings o f the International Radar Conference，2003.9.17.

［2］Olsen K E，Baker C J.FM-Based Passive Bistatic Radar as a Function of Available Bandwidth［C］//IEEE Radar Conference，Rome:［s.n.］，2008:1537-1539.

［3］Zheng Heng，Zhao Hongli，Li fei.Accidental Radio Jamming Suppression in Passive Radar［C］//IEEE Radar Conference，Rome:［s.n.］，2008:1833-1834.

［4］萬顯榮.基于低頻段數字廣播電視信號的外輻射源雷達發展現狀與趨勢［J］.雷達學報，2012，1(2):109-123.

［5］廖桂生，李天星，谷衛東，等.基于CDMA 基站輻射源雷達的動目標檢測方法［J］.現代雷達，2008，30(9);29-32.

［6］李飛，關唐新，趙洪立，等.基于DTV 廣播的外輻射源雷達對消算法研究［J］.雷達科學與技術，2011，9(5):397-400.

［7］Wang Jun，Wang Hai-tao，and Zhao Yong.Direction finding in frequency-modulated-based passive bistatic radar with a four-element Adcock antenna array［J］.IET Radar Sonar ＆Navigation.2011，5(8):807-813.

［8］方亮，萬顯榮，易建新，等.基于梯度自適應格型濾波的外輻射源雷達多徑雜波抑制算法［J］.系統工程與電子技術，2013，35(11):2291-2296.

［9］Zarifi K，Affes S，Ghrayeb A.Collaborative Null Steering Beam forming for Uniformly Distributed Wireless Sensor Networks［J］.IEEE Trans on Signal Processing，2010，58(3):1889-1903.

［10］江建民，孫實澤.米波稀布陣雷達自適應旁瓣對消性能分析［J］.雷達科學與技術，2012，10(5):467-470.