多通道相控陣雷達導引頭技術概述

鄭巧珍，黃 飛，王 佳，宋 柯

(上海無線電設備研究所，上海 200090)

多通道相控陣雷達導引頭技術概述

鄭巧珍，黃 飛，王 佳，宋 柯

(上海無線電設備研究所，上海 200090)

多通道相控陣雷達導引頭以其優越的性能成為當前精確制導雷達導引頭研究熱點。本文介紹了多通道相控陣雷達導引頭的系統構成及關鍵技術，重點討論了自適應數字波束形成和角度高分辨等抗干擾技術，總結并展望了多通道相控陣雷達導引頭技術的發展方向。多通道相控陣雷達導引頭運用陣列信號處理技術，拓寬了導引頭抗干擾手段，可有效提升導引頭在復雜電磁環境下的作戰能力。

相控陣雷達導引頭； 多通道； 抗干擾；自適應數字波束形成； 角度高分辨

0 引 言

時頻域抗干擾技術的采用，使導彈具有一定的復雜環境適應能力及抗干擾能力，但隨著電子對抗技術的飛速發展，導彈武器系統面臨的電子干擾環境日趨復雜，要求導引頭具備更強的抗干擾能力。多通道相控陣雷達導引頭[1-3]采用多通道接收及陣列信號處理技術(自適應波束形成、角度高分辨、空時二維自適應處理等)，拓展了雷達導引頭抗干擾的手段，提高了導引頭在復雜電磁干擾環境下的抗雜波、抗干擾及目標探測能力，成為當前精確制導雷達導引頭的熱點研究方向。

1 系統構成及關鍵技術

多通道相控陣雷達導引頭系統組成見圖1，主要包括有源相控陣天線、波束控制機、頻率綜合器、多通道接收機、高性能信號處理機、電源等。工程中考慮實際系統的復雜度和實時性，通常采用子陣結構。頻率綜合器用于產生各子陣雷達發射信號； 多通道接收機用于接收各子陣接收的回波數據，并完成各路回波信號的下變頻處理； 信號處理機完成單脈沖測角，提供制導信息，并運用自適應波束形成、角度高分辨、空時二維自適應處理等陣列信號處理技術，實現對干擾、雜波的有效抑制及多目標跟蹤。其中，陣列信號處理技術是多通道相控陣雷達導引頭的核心技術。

圖1 多通道相控陣雷達導引頭系統框圖

多通道相控陣雷達導引頭關鍵技術主要有：

(1) 相控陣天線陣列配置

陣列配置涉及陣面布局、陣元形式、陣列分析與綜合。從陣面布局考慮，相控陣天線有平面陣和共形陣兩種。小視角(如±60°范圍)導彈的相控陣雷達導引頭通常采用平面陣； 大視角導彈的相控陣雷達導引頭一般采用共形陣。分析共形天線時，平面天線中的方向圖乘積定理不再適用，通常采用經典迭加法、模式分析法、幾何繞射高頻近似法或數值法進行設計[4]。另外，對于采用子陣的多通道相控陣雷達導引頭，陣面布局還需考慮子陣大小、組合方式及抗干擾需求、成本等方面因素。

(2) 通道校正

多通道相控陣雷達通道間的幅相不一致性影響著陣列信號處理的性能。對于窄帶信號，只需在校正通道引入幅相校正因子即可。通過功分網絡饋入校正信號，A/D轉換后對信號做傅里葉變換得到各通道幅相值，以幅相特性較為平坦的一個通道作為參考通道，對比校正通道與參考通道幅度、相位，即可得到校正通道的幅相校正因子。對于寬帶信號，需要在接收通道中加入校正濾波器，以保持各通道的幅相一致性。通過功分網絡向系統注入工作帶寬范圍內的線性調頻信號，然后根據參考通道和待校正通道的輸出，由系統自適應地計算出校正濾波器的系數。采用對角加載及正則化方法可解決校正濾波器求解過程中的“病態”系數矩陣問題。

(3) 數字化

多通道相控陣雷達導引頭可實現數字波束形成，為數字化導引頭的研制奠定了基礎[3]。數字波束形成(DBF)技術具有自適應波束置零、密集多波束、自適應空時處理等優點，是現代陣列天線系統的關鍵技術，可提升抗干擾和空域搜索能力。現場可編程邏輯門陣列(FPGA)、數字信息處理器(DSP)等大規模集成器件，為快速波束控制和數字波束形成算法的實現奠定堅實的基礎。

2 多通道相控陣導引頭抗干擾技術

2.1 自適應數字波束形成技術

對支援式干擾，目前的機械掃描導引頭及傳統三通道相控陣導引頭沒有有效的對抗措施，只能在彈目距離達到導引頭的燒穿距離，才截獲目標。對于大功率支援式干擾，導引頭的作用距離將大大降低。而多通道相控陣導引頭可通過自適應數字波束形成算法在干擾方向形成零陷，從而提高信干比，提升導引頭抗支援式干擾的能力。

自適應數字波束形成技術[3]無須已知干擾方向，利用自適應波束形成算法得到的加權系數，對天線陣元接收數據進行加權處理以控制天線陣的方向函數，使天線陣方向圖在期望信號方向上產生高增益窄波束，在干擾信號方向形成深零陷，達到空域濾波的目的。最小方差無失真響應算法(MVDR)是常用的自適應波束形成算法之一，其加權向量計算公式為

(1)

(2)

(3)

采用全陣列數字波束形成所需要的系統硬件設備量龐大，且全陣列的數字波束形成技術計算量大，達不到實時處理的要求。相控陣導引頭通常采用子陣級數字波束形成技術減小硬件設備量和算法計算量。子陣級接收數據向量z(t)=THx(t)，T為N×r維降秩矩陣，則子陣級協方差矩陣為Rzz=THRxxT，子陣級方向性矢量為Cr=THa0。則子陣級求解最優自適應權重系數問題變為

(4)

求解優化問題式(4)，得到子陣級最優權系數為

(5)

考慮十字面陣，均勻劃分為12個子陣，如圖2所示，陣元間距為半波長。波束指向(0°，0°)，干擾方向(0°，20°)，信噪比為20 dB，干噪比為30 dB。仿真中考慮14位A/D采樣量化誤差及陣面的隨機幅度誤差(1倍σ，1dB)及相位誤差(1倍σ，15°)。圖3所示為采用MVDR算法的自適應波束方向圖與常規波束方向圖在方位角0°處截面圖，從圖中可以看出，采用自適應波束形成算法可在干擾方向形成波束凹口，干擾處副瓣電平由常規的-9.41dB降至-17.54dB。

圖2 陣面子陣劃分示意圖

圖3 干擾抑制前后陣列波束方向圖在方位角0°處截面圖

針對自適應權對單脈沖測角算法和、差波束擾動的問題，可采用自適應方向圖保形技術[5]提高單脈沖測角精度，如自適應差波束單脈沖測角算法和旁瓣對消算法。自適應差波束單脈沖測角算法的基本思想是: 假設和波束的主瓣沒有變化，對差波束的主瓣進行約束，使得鑒角曲線的斜率保持不變。旁瓣對消算法的權矢量加在輔助天線上，主天線的和、差波束導向矢量不受輔助天線權矢量的擾動，主天線的和、差波束不會受到影響，因此不會影響和、差單脈沖測角。

在實際應用中，由于快拍數有限、陣列誤差、接收數據中包含期望信號等因素存在，傳統的自適應波束形成算法性能將會下降。通常采用對角加載技術[6]提高算法穩健性，最常用的加載值取為噪聲功率的10倍。

2.2 角度高分辨技術

角度高分辨技術是在波束形成技術、零點技術和時域譜估計技術的基礎上發展起來的，該方法可突破波束寬度內的空間不同來向目標的分辨能力，提高雷達導引頭多目標分辨和抗干擾能力。針對拖曳式干擾等主瓣干擾問題，采用角度高分辨技術，能夠快速判別是否存在主瓣干擾，并實現主瓣內目標和干擾的角度估計，結合目標、干擾識別技術，在空域實現抗拖曳式等主瓣干擾的同時，保證對目標的有效識別、測角跟蹤。

MUSIC算法[6]是一種常用的角度高分辨算法，在大快拍數下能夠有效突破瑞利限的限制，實現主瓣內多目標角度估計，其基本思想是：將陣列輸出數據的協方差矩陣進行特征分解，得到與信號分量相應的信號子空間以及與信號分量正交的噪聲子空間，利用兩個子空間的正交性構造空間掃描譜，通過譜峰搜索來獲得信號的波達方向(DOA)。MUSIC算法計算步驟如下：

(4) 計算空間譜PMUSIC(θ)，進行譜峰搜索，空間譜極大值所對應的角度即為信號源的方向：

(6)

式中：T為N×r維降秩矩陣。

多通道相控陣導引頭主瓣內多目標空間估計譜圖見圖4。仿真中目標指向(0°，0°)，干擾方向(3°，3°)，其余仿真參數與圖3相同。由圖4可知，采用角度高分辨技術可有效測得目標和主瓣內干擾的角度。

MUSIC算法的應用前提是入射的多個信號間必須相互獨立。當入射信號中有相干信號出現時，MUSIC算法就會失效，針對這一問題，可采用空間平滑方法進行去相干處理。

圖4 主瓣內多目標空間估計譜圖

3 發展趨勢

不同于傳統和差三通道相控陣雷達導引頭，多通道相控陣雷達導引頭將其陣面劃分為子陣，采用多通道接收及多路接收數據融合處理的方式，增大系統空間自由度，利用陣列信號處理技術可提升導引頭抗干擾能力，拓展了導引頭抗干擾手段。隨著陣列信號處理技術在導引頭上的應用和發展，將極大提升導引頭在復雜電磁環境下的作戰能力。

除本文提到的陣列信號處理技術外，相控陣雷達導引頭抗干擾技術的發展方向還包括：

(1) MIMO相控陣雷達導引頭技術

MIMO相控陣雷達導引頭是采用正交發射信號的多通道相控陣雷達導引頭。一方面，由于系統各子陣發射的信號為正交信號，在空間上不會形成相干斑，而是形成低增益寬波束，減小了偵察機和轉發式干擾機接收到的雷達信號功率，提高了導引頭隱身能力及反干擾能力。另一方面，系統運用發射接收波束綜合技術可獲得更大的虛擬孔徑和空域自由度，提升導引頭抗干擾、抗雜波的能力。

(2) 空時二維自適應處理技術

空時二維自適應處理技術(Space-Time Adaptive Processing，STAP) 將陣列信號自適應處理的基本理論由陣元信號的一維數據推廣到脈沖和陣元共同采樣的二維數據域中，通過聯合空域和時域自由度，取得比常規空時級聯處理更優的性能指標，可有效抑制強度大且分布廣的地/海雜波干擾及多種有源干擾，從而提升檢測空中與地/海面目標能力。降低算法的運算量，增強算法的穩健性、實時性，降低實現復雜度是空時二維自適應處理技術工程實現的重要環節。

(3) 數字化相控陣雷達導引頭技術

相比傳統模擬相控陣雷達導引頭，數字化相控陣雷達導引頭有極大的技術飛躍和性能提高。采用高精度數字化處理技術替代傳統T/R組件移相器，可實現近乎連續的波束掃描和超低副瓣電平； 與此同時，數字化相控陣雷達導引頭提高了接收機輸出動態范圍，可改善強干擾導致的接收機飽和問題。

4 結 束 語

多通道相控陣雷達導引頭具有波束控制靈活、自適應抗干擾、抗雜波等特點，可有效提高導彈的威懾力和復雜電磁環境下的生存能力。隨著陣列信號處理技術的發展和實用化，集成電路和信號處理技術飛速發展，多通道相控陣雷達導引頭抗干擾優勢將日益突顯，必將成為未來雷達導引頭發展的重要方向。

[1] 趙鴻燕,王麗霞.相控陣雷達導引頭技術[J]．飛航導彈，2009(10)：41-45.

[2] Klemm R. Principles of Space-Time Adaptive Processing[M].3rd ed.IET，2006.

[3] 王永良,丁前軍, 李榮鋒.自適應陣列處理[M].北京：清華大學出版社，2009.

[4] 趙鴻燕. 相控陣雷達導引頭技術發展現狀[J]．飛航導彈，2011(8)：78-82.

[5] 廖暉,黃忠平. 基于方向圖保形的單脈沖測角算法[J]. 中國電子科學研究院學報，2010，5(3)：301-304.

[6] 王永良,陳輝, 彭應寧,等.空間譜估計理論與算法[M].北京：清華大學出版社，2004.

Overview of Multi-Channel Phased Array Radar Seeker

Zheng Qiaozhen, Huang Fei, Wang Jia, Song Ke

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China)

Multi-channel phased array radar seeker has become a research hotspot with its superior performance. The system composition and key technology of multi-channel phased array radar seeker are introduced. The anti-jamming techniques such as adaptive digital beamforming (DBF) and angle high resolution are discussed. The development direction of the phased array seeker is prospected．Multi-channel phased array radar seeker widens the anti-jamming methods by using the array signal processing technology, and improves the seeker’s operational capability in complex electromagnetic environment effectively.

phased array radar seeker; multi-channel; anti-jamming; adaptive DBF; angle high resolution

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.009

2016-09-30

鄭巧珍(1988-)，女，福建漳平人，碩士，工程師，研究方向為相控陣雷達導引頭信號處理。

TN958.92

A

1673-5048(2016)06-0040-04