自適應副瓣對消與動目標檢測的聯合使用?

(空軍預警學院重點實驗室,湖北武漢430019)

0 引言

自適應副瓣對消(ASLC)作為空域對抗有源干擾的有效方法,最早是由Howells提出的[1],由一個高增益的主天線和一個輔助天線組成。后來,輔助天線由一個發展為多個,輔助通道加權值的計算也由簡單的閉環算法演變成采樣矩陣求逆算法(SMI)[2]。目前自適應副瓣對消理論上已基本成熟,并廣泛地運用于實際工程中。近年來,對ASLC的研究主要集中于解決工程使用中遇到的問題。文獻[3]分析了幅相誤差和陣元互耦對自適應處理性能的影響及解決方法。文獻[4]分析了頻帶不一致性對自適應處理性能的影響及解決方法。文獻[5]研究了稀布陣雷達長相干積累下ASLC技術的應用。Sedivy對在超高頻波段和X波段的兩部雷達的ASLC系統性能進行了檢測和評估[6]。更進一步,借鑒ASLC干擾對消的思想,文獻[7-8]提出了和差及輔助波束聯合對消來提高雷達抗主瓣干擾能力。

眾所周知,雷達探測過程中,接收到的回波信號不可避免地混雜著來自地面或云、雨等的雜波信號。當雜波達到一定強度時,較弱的目標將無法探測到,雷達工作陷入被動狀態。因此,產生了抑制固定雜波方法,即動目標顯示(MTI)和動目標檢測(MTD)[9]。當目標速度較低或運動方向在雷達探測切線方向時,MTI很難捕捉到目標,MTD彌補了這方面的不足。現代電子作戰環境十分復雜,干擾和雜波總是復合存在。因而,同時使用ASLC和MTD(或MTI)來對抗有源干擾和無源雜波已經成為現代雷達的一個重要手段。目前,在雷達實際應用中,通常先采用ASLC抑制有源干擾,再采用MTD處理無源雜波,然后進行目標檢測并提取目標回波。但這種先ASLC后MTD的處理方式往往導致雜波對消不徹底,甚至出現較大剩余,從而對目標檢測性能產生影響。這實際上是自適應副瓣對消和動目標檢測聯合使用的兼容性問題,文獻[10]研究了這種影響的內在原因,但并未給出有效的解決方法。文獻[5]研究了對角加載對自適應權值進行約束的解決方法,但對加載值的選取沒有深入研究。除此之外,鮮有公開文獻深入研究該問題的有效解決方法。

1 ASLC對MTD性能的影響分析

MTD是靠不同重復周期間的雜波回波進行相消。而對于ASLC,它在每個周期對輔助天線的加權值都是變化的,變化的權值會降低MTD的雜波對消性能。ASLC處理過程中生成的加權值之所以不會保持一定值,主要是因為選用有限的快拍數據進行求權導致的誤差。下面對此進行分析。

經過ASLC處理后的自適應方向圖為

式中,Fm(θ),Fa分別為主天線靜態方向圖、輔助天線方向圖,輔助天線加權值為W=[w2,w2,…,wN]T,N為陣元個數。

由Fa=[Fa1,Fa2,…,FaN]T,有

輔助天線初始增益相等,即Fa1=Fa2=…=FaN=Fa,則

選取一段快拍數據,快拍數為M,計算估計量^Rx和^rxd,即

求得權值估計量為^W=^R-1xx^rxd,理想權值為Wopt,則產生誤差為

即權值噪聲,這種誤差是計算Rx和rxd時由噪聲、估計誤差等產生的。

由于自適應權產生了誤差,回波信號會相繼發生改變,誤差為

則功率誤差為

由權值計算帶來的誤差是由有限快拍數據造成的,因而不同周期間的相關性不大,而MTD是利用相鄰周期間回波相關性來進行對消,所以MTD對權值噪聲無明顯的對消作用。

下面給出一個仿真,為便于定量分析,仿真中用一個強固定回波來模擬地雜波,該雜波位于60 km處,脈沖壓縮后強度為80 d B,并假設在150 km處有一目標,脈沖壓縮后強度為20 dB。仿真環境及具體參數設置如表1所示。

表1 仿真環境及參數

圖1為回波信號經脈壓處理后的輸出,可看出目標信號(約10 dB)完全淹沒于干擾(約36 d B)中,在60 km處有1個強固定回波(約80 dB)。圖2為MTD處理后16個多普勒濾波器的輸出。從圖中可以看出,干擾信號已被抑制,目標信號清晰出現,MTD處理后目標強度約為20 dB(第1,2號濾波器)。但是,強固定回波并沒有被完全抑制,有約30 d B的剩余,這個剩余是ASLC處理所導致的權值噪聲引起的,如果不加以解決,將大大降低系統對無源雜波的抑制能力。

圖1 脈壓后的輸出回波信號

圖2 MTD后輸出(16個多普勒濾波器)

2 ASLC對MTD性能影響的解決方法

針對上述問題,本文提出3種解決思路:在一個相參處理間隔(CPI)內自適應權不變、對角加載、MTD前置處理。

2.1 在一個CPI內自適應權不變

在一個CPI內只進行1個重復周期的ASLC權值計算,再把該自適應權值用于CPI內所有數據進行干擾對消。這樣可使CPI各個重復周期間的自適應干擾對消權值不變,消除了權值噪聲,即消除了雜波譜展寬,從而不影響MTD處理對雜波的抑制性能。但是,這種處理方法會降低ASLC抑制干擾性能,下面就其具體原因展開分析。

當主天線波束不掃描時,上述方法不存在問題。但是,當波束掃描時,干擾與主天線的相對位置將發生變化,當變化較明顯時,干擾位置將移出自適應零點,使得干擾不能被有效抑制。以天線6 r/min(即36°/s)為例進行分析,假設雷達重復周期為2.5 ms,MTD點數為16,ASLC權值在第8個重復周期計算,則第k個重復周期時干擾位置與自適應零點的角度間隔為

顯然,干擾位置與自適應零點越遠,干擾對消能力越差,下面的仿真結果說明了這種影響。

仿真1:仿真環境及參數設置同表1參數一致。

圖3給出了第8,10,14和16個重復周期的干擾對消輸出結果(在MTD處理前),可看出由于ASLC權值是在第8個重復周期計算得出,故該重復周期的干擾對消結果很理想,而其他3個重復周期的干擾對消很不徹底,干擾對消性能嚴重下降。

圖3 多個重復周期的干擾對消輸出

因此,這種方案僅適用于一個CPI內天線波束不掃描的情況(例如方位相掃體制相控陣雷達),對于方位機掃體制,并不適用。

2.2 對角加載

在計算權值時,理想權值Wopt=R-1xxrxd,則計算自相關矩陣量Rxx和相關矩陣量rxd,即

而在實際計算中,采用了采樣矩陣求逆(SMI)算法,用有限次快拍數據計算估計量^Rx和^rxd(見式(4)和式(5)),以代替理想值Rx和rxd。

假設^Rx為N階矩陣,其特征值為λk(k=1,2,…,N),對應的特征向量為μk(k=1,2,…,N)。矩陣^Rx特征分解可表示為

假定有p個干擾,則特征值中相應有p個大特征值,N-p個小特征值。理想條件下,將特征值排序為

而在實際情況中,選取有限的樣本數據進行計算。有限的快拍數使得^Rx的小特征值發生抖動,λp+1,λp+2,…,λN不能完全相等,進而求得的權值也有誤差。因此,提出利用對角加載[11]來減輕權值噪聲的影響,對角加載的實現比較簡單,自適應求權如下式:

式中,I為單位矩陣,L為對角加載量。

對角加載后的^Rx小特征值抖動就會相對變小,其分散程度降低,權值誤差的影響減小,ASLC性能得到優化,從而保證M TD處理對雜波的抑制性能。

對角加載量L的選取非常關鍵,過小則不能保證消除權值噪聲的影響,過大則會降低干擾抑制能力。下面通過詳細的仿真來進行分析。

仿真2:仿真參數同仿真1,考察不同對角加載量L對性能的影響。

圖4是對角加載因子分別為3,10,16和30 dB時MTD處理后16個多普勒濾波器的輸出。從圖中可以看出,當L=3 dB和10 dB時,強固定回波仍有剩余,但明顯小于無對角加載情況(如圖2所示),而當L=16 dB和30 dB時,強固定回波已完全被對消,也即當對角加載因子取16 d B及以上時,基本消除了常規ASLC處理引起的權值噪聲影響,使得后續MTD處理可達到80 d B的地雜波抑制能力。另外,在本仿真條件下,當L=3,10,16 d B時,ASLC處理對干擾的抑制能力基本沒有下降,但是當L=30 d B時,對干擾的抑制能力約下降了4 dB,圖4(d)顯示剩余噪聲電平抬高了4 dB,這說明30 d B的加載量過大。因此,要使得后續MTD處理達到80 dB以上的地雜波抑制能力,對角加載量L取16 dB比較合適。

圖4 不同對角加載因子下MTD后輸出(16個多普勒濾波器)

2.3 MTD前置處理

這種方法是脈壓后先進行MTD處理抑制無源雜波,再對每個多普勒濾波器進行ASLC處理抑制干擾。由于MTD處理在ASLC前進行,因此不存在前面所述的權值噪聲,所以MTD處理對無源雜波的抑制能力不受影響,同時也不會影響后續ASLC的處理性能。

下面也給出性能仿真,仿真中信號處理流程為先脈壓,再MTD處理,最后副瓣對消。其他仿真環境及參數同仿真1。

仿真3:圖5(a)為脈壓后輸出回波信號,目標淹沒于干擾中;圖5(b)為先經MTD再經ASLC處理后的輸出。從圖中可以看出,無源強雜波和有源強干擾均被完全抑制,目標可被成功檢測。

從上述分析和仿真可以看出,在雷達進行方位機掃時,第一種方法不能同時有效抑制無源強雜波和有源干擾,而第二、三種方法則較好地解決了這個問題。

圖5 干擾強度為36 dB(脈壓后)時的輸出結果

3 結束語

自適應副瓣對消處理會產生權值噪聲,從而使得MTD抑制雜波的性能惡化。為此,本文提出3種解決方法:在一個CPI內自適應權不變、對角加載、MTD前置處理。

第一種方法適用于一個CPI內天線波束不掃描的情況,對于方位機掃體制,干擾對消很不徹底;第二種方法實現簡單,增加的額外運算量幾乎可忽略不計,對角加載量的選取是方法的關鍵,合適的加載量可使MTD保持很高雜波抑制性能;第三種方法解決最為徹底,由于不存在權值噪聲,可完全同時抑制無源雜波和有源干擾。但是,該方法增加的運算量最大,所增的運算量主要是輔助通道需要進行MTD處理所致。在實際工程應用中,可根據不同應用需要對這3種方法加以選擇。

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