子陣級數(shù)字波束形成抗多主副瓣干擾及測角技術

舒 汀，陳新竹，余啟波，郁文賢

(上海交通大學 上海市智能探測與識別重點實驗室， 上海 200240)

·DBF在現(xiàn)代雷達中的應用·

子陣級數(shù)字波束形成抗多主副瓣干擾及測角技術

舒 汀，陳新竹，余啟波，郁文賢

(上海交通大學 上海市智能探測與識別重點實驗室， 上海 200240)

對于大型的二維相掃雷達天線陣列，數(shù)字波束形成通常在子陣上完成，以減少數(shù)字接收機的數(shù)量并降低成本。基于子陣級數(shù)字波束形成，文中提出了一種改進的自適應信號處理架構(gòu)，在低成本的情況下，同時抑制多個主副瓣干擾，并保持對目標的單脈沖測角精度。首先，每個子陣內(nèi)部形成非自適應的波束并轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出；再利用行和列波束的分維特性，在子陣級形成自適應波束，進行干擾抑制處理；最后，分別將各個行或列波束合成為全陣列的俯仰或方位和差波束，用于目標的單脈沖測角。與傳統(tǒng)的四通道抗主瓣干擾相比，該方法在合成和差波束前，基于子陣級數(shù)字波束完成自適應干擾的抑制。因此，充分利用了有限的自由度，挖掘了子陣級數(shù)字陣列抗同時多個主副瓣干擾的能力。還結(jié)合相控陣雷達實例，給出了仿真結(jié)果，驗證了該方法的有效性。總的來說，所提出的陣列信號處理架構(gòu)，在降低系統(tǒng)復雜度和成本的同時，大大提高了雷達系統(tǒng)的抗干擾能力。

子陣級數(shù)字波束形成；多干擾抑制；單脈沖測角

0 引 言

現(xiàn)代雷達采用相控陣技術，通過電子掃描可靈活精確地控制波束指向，具有搜索和跟蹤多個目標的能力，進而推動了多功能雷達的產(chǎn)生與發(fā)展。數(shù)字波束形成技術則基于數(shù)字接收機使用數(shù)字信號處理算法代替了傳統(tǒng)的模擬器件來合成波束，是新一代陣列雷達的重要突破之一。該技術可用于實現(xiàn)同時多波束、自適應信號處理、精確的角度估計以及陣列自我修復等[1]。但是，二維相位掃描的平面相控陣接收天線由成千上萬個陣元構(gòu)成，采用全數(shù)字陣在陣元級實現(xiàn)數(shù)字波束形成會造成設備量急劇增大和成本劇增，且數(shù)據(jù)量巨大，對軟硬件數(shù)據(jù)處理能力的要求極高[2]。在實際的相控陣雷達系統(tǒng)中，比較合理的解決方法是將整個平面相控陣分成若干個子陣，合成子陣波束后轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出，以減少數(shù)字接收機的數(shù)量，降低成本。該結(jié)構(gòu)是模擬和數(shù)字波束形成的混合模式[3]：非自適應的模擬波束形成在子陣內(nèi)部由每個陣元的T/R組件移相器完成；每個子陣輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，合成所需的數(shù)字波束。

相控陣雷達工作在復雜的電磁環(huán)境中，面臨各類干擾信號，會使得雷達性能下降，無法對目標進行探測、定位和跟蹤[4]。采用自適應數(shù)字波束形成技術后，雷達抗干擾的能力大大提高。實際上，相控陣雷達的抗干擾能力可以用空域自由度來衡量，空域自由度由通道數(shù)字接收機的個數(shù)決定。理論上，自由度的大小決定了雷達可以消除的最大干擾數(shù)目。目前為止，抗副瓣干擾技術的研究和應用均已成熟，抗主瓣干擾問題則面臨更大的挑戰(zhàn)。Applebaum[5-6]提出基于四通道波束的自適應數(shù)字波束形成架構(gòu)，可以在消除主瓣干擾的同時保持對目標測角的精度。在該結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)在方位或俯仰維只有兩個自由度，因此，只能消除一個主瓣干擾。基于這四個波束，另一種方法是最大似然估計法搜索目標角度[7]，但主要缺陷在于完成搜索的計算量巨大，故很難在實際應用中實現(xiàn)。同時，存在主副瓣干擾時，文獻[8]提出了一個兩級的信號處理架構(gòu)，分別抑制副瓣和主瓣干擾，但需已知主瓣干擾的部分信息。文獻[9]則提出一個基于全數(shù)字陣的同時抗主副瓣干擾的架構(gòu)，但需先在子陣內(nèi)部完成自適應數(shù)字波束形成，再形成全陣列的和差波束。上文已提到，這樣的全數(shù)字陣造價昂貴系統(tǒng)復雜，尤其對于大陣列而言難以實現(xiàn)。

本文針對基于數(shù)字子陣架構(gòu)的大型二維相掃陣列天線，提出了一個同時抑制主副瓣干擾的處理架構(gòu)。在子陣內(nèi)部，由T/R組件將陣元接收到的信號合成非自適應的模擬波束輸出，將子陣輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，在子陣級合成每一行和每一列的自適應波束輸出，在此過程中已消除了多個主副瓣干擾。然后，沿垂直或水平方向，將各行或各列波束合成為全陣列的俯仰或方位和差波束輸出，用于目標的單脈沖測角。該方法能夠在數(shù)字子陣架構(gòu)下，利用有限的自由度，同時抑制多個主副瓣干擾。

本文第二節(jié)介紹了子陣級數(shù)字波束形成的基本原理，第三節(jié)詳細說明了該改進型自適應數(shù)字波束形成抗多個主副瓣干擾的信號處理架構(gòu)，第四節(jié)給出仿真結(jié)果，其抗多主副瓣干擾的性能優(yōu)異。

1 子陣數(shù)字波束形成原理

模數(shù)混合的陣列天線結(jié)構(gòu)中，在每個子陣內(nèi)，由T/R組件實現(xiàn)模擬移向，因此，形成的子陣波束都是非自適應的。模擬子陣波束的輸出在數(shù)字接收機中轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，與全數(shù)字陣相比，大大減少了數(shù)字接收機的數(shù)量。第m個子陣的波束方向圖為

(1)

式中：N為第m個子陣中陣元的個數(shù)，此時無幅度加權(quán)；(u0,v0)為波束指向的方位余弦。(xn,yn)為每個陣元相對于整個陣列中心的坐標，也可以寫作

(2)

全陣列波束方向圖為

(3)

式中：wm為乘以每個子陣輸出的加權(quán)系數(shù)。將子陣輸出乘以多組權(quán)向量即可同時形成多波束，因此，數(shù)字波束形成相比于模擬方式更為靈活。

如式(2)所示，將M個子陣輸出加權(quán)后相加即可形成全陣列波束，自由度也由M降為1。為了充分利用此混合子陣系統(tǒng)中的自由度，本文考慮在形成全陣列和差波束前，做子陣級的自適應數(shù)字信號處理，以消除更多的主副瓣干擾。

2 改進的子陣級數(shù)字波束形成處理結(jié)構(gòu)

以一個矩形陣為例，如圖1所示，該陣列天線被劃分成16個相同的子陣。對于改進后用于抑制多主副瓣干擾的信號處理流程如圖2所示：第一步，在陣元級采用非自適應的模擬波束形成，并將子陣輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；第二步，將子陣的波束輸出作為輸入，合成自適應行和列波束，由于每行或每列有四個子陣波束，因此最多可以消除三個干擾；第三步，沿著垂直或水平方向，分別將各個行或列波束形成為全陣列的俯仰或方位和差波束；最后，完成對目標的二維單脈沖測角。

圖1 改進的子陣級自適應波束形成算法

2.1 子陣級自適應行列波束形成抗多個干擾

在每一行或列中，有四個相同的子陣，可視為一個均勻線陣。在第i行(i=1,2,3,4)，設子陣波束輸出的數(shù)字信號為

(4)

選取其中一個子陣的波束作為主波束，其他三個作為輔助波束，最多可以消除三個干擾。則第i行波束的自適應輸出為

(5)

式中：自適應輸出用符號“^”表示，自適應權(quán)值W(R)為

(6)

可由LCMV算法[10]得到。所得到的第i行的自適應行波束方向圖沿uJ形成三條凹陷，對應干擾源的俯仰角φJ，即三個干擾在自適應行波束中沿俯仰維被抑制。對于不同行的自適應波束形成，權(quán)矢量近似相等，因為不同行之間，位置對應相同的子陣波束方向圖間，有確定的相位差關系，該相位差由子陣中心坐標決定。

同理，第i列(i=1,2,3,4)的自適應列波束形成的方法相似，其自適應列波束的輸出為

(7)

該列的子陣輸出的數(shù)字波束向量為

(8)

第i列的自適應列波束方向圖沿vJ形成三條凹陷，對應干擾源的俯仰角θJ，即三個干擾在自適應列波束中沿方位維被抑制。對于不同列的自適應波束形成，權(quán)矢量也近似相等。

2.2 全陣列和差波束形成單脈沖測角

將四行或四列的波束輸出，作為全陣列波束的輸入，沿著垂直方向或水平方向相加減，即可得到全陣列的俯仰或方位和差波束。用差波束比和波束，除干擾源方向外，即可得到無失真的單脈沖曲線，并精確測量目標角度。

對于俯仰維測角，將各行波束輸出沿垂直方向相加得到垂直和波束ΣVER，相減得到垂直差波束ΔVER，表達式分別為

(9)

可視為垂直方向上均勻直線陣的和差波束形成。

對于方位維測角，將各列波束輸出沿水平方向相加得到水平和波束，相減得到水平差波束，表達式分別為

(10)

可視為水平方向上均勻直線陣的和差波束形成。

俯仰和方位維的自適應單脈沖比分別為

(11)

而傳統(tǒng)的單脈沖比由全陣列的和差波束比得到，如下

(12)

注意，同一行或列中，任意兩個子陣的波束方向圖可表示為

(13)

式中：Δx和Δy分別為兩個相鄰子陣中心沿水平和垂直方向的間距，如圖2所示。將式(13)代入式(12)，傳統(tǒng)的單脈沖曲線可化簡為

(14)

由式(14)可得，全陣列的單脈沖比與任意行或列陣的單脈沖比等價。

將式(5)和式(7)代入式(11)，自適應單脈沖比也可化簡為

(15)

顯然，除了沿著干擾源的方向余弦uJ和vJ處，俯仰維和方位維的自適應單脈沖比與原單脈沖比相同。說明該算法在消除多干擾后，對目標仍能夠保持精確的測角精度。

3 仿真與分析

下面給出本文提出的基于子陣級自適應波束形成算法抗多個主副瓣干擾及目標測角應用于具體雷達天線陣列的仿真結(jié)果。設一個平面相控陣由4×4個相同的子陣組成，每個子陣含有8×8個陣元，按三角形柵格陣排列，間距均為半波長，如圖2所示。雷達陣列天線的波束指向為(0°,0°)。沒有幅度加權(quán)。

設目標的方位角及俯仰角為(-0.2°，-0.3°),其方向余弦為(-0.003 5,-0.005 2)。三個干擾的角度分別為(1.2°,0.8°), (-1°,-1°)和(-3°, 4°)，其方向余弦分別為(0.020 9,0.014 0), (0.017 4,0.017 5)和(-0.052 2, 0.069 8)。在子陣輸出端，SINR為-25 dB。顯然，前兩個干擾都在主瓣內(nèi)，與目標間的角度差很小。

3.1 自適應行列波束方向圖及多干擾對消

利用每行或每列的四個子陣輸出的波束，形成自適應的行或列波束，如圖3所示。顯然，自適應列波束中沿三個干擾的方向余弦uJ形成了三條零陷，自適應行波束中沿三個干擾的方向余弦vJ形成了三條零陷。也就是說，三個干擾在兩維分別被消除了。

3.2 自適應全陣列和差波束方向圖及單脈沖曲線圖

沿著水平或垂直方向?qū)⒆赃m應列波束或行波束相加減，得到了全陣列的自適應和差波束，如圖4所示。由于全陣列的和波束具有更高的增益，因此，水平和波束或垂直和波束的輸出可用于檢測目標和測距。

圖4 和差波束方向圖

自適應單脈沖比的保形特性可從圖5中觀察到。與圖5a)相比，除了沿著主瓣干擾的兩處uJ零陷外，圖5c)中的自適應俯仰單脈沖比與原單脈沖比相同；與圖5b)相比，除了沿著主瓣干擾的兩處vJ零陷外，圖5d)中的自適應方位單脈沖比與原單脈沖比也相同。

圖5 單脈沖二維曲線圖

3.3 單脈沖測角性能評估

最終，作出干擾消除后，對目標進行角度估計的散點圖，如圖6a)所示。該圖是相同干擾場景SIR=-34 dB下的100次仿真結(jié)果。目標的真實位置用淺色圓點標出，干擾的位置用深色圓點標出，對目標的測角結(jié)果用十字叉標出。顯然，測角結(jié)果十分接近真實目標位置，說明本文提出的算法，在存在多主副瓣干擾的場景下，仍獲得了精確的測角結(jié)果。如圖6b)所示，如果SIR增大到-30 dB，測角精度更高。

圖6 單脈沖測角結(jié)果

另外，測角的精確度也取決于目標所在主瓣區(qū)域的具體位置。很顯然，目標與干擾之間在角度上越靠近，目標回波的信號損失越大，測角精度越差。圖7給出了相同SIR下，目標在主瓣的各個不同位置處時，本文提出的算法得到的測角性能。在圖7a)中，目標處于其他大部分位置時，方位測角的RMSE都很低，除非目標方位角與任一主瓣干擾的方位角吻合，即自適應行波束中兩條零陷的位置。圖7b)中給出的俯仰測角性能相似。注意，圖7b)中沿著兩個主瓣干擾方位角的兩條水平區(qū)域處，俯仰測角誤差也較大。這是因為目標的方位角φT最終由方向余弦值uT計算得到，而由方位角φT和俯仰角θT共同決定，因此，圖7a)中的條帶也保留在了圖7b)中。圖7c)定量的給出了，當SIR提高時，測得目標方向余弦RMSE值，即測角誤差的變化情況。總的來說，存在多個干擾時，本文提出的自適應波束形成架構(gòu)，對主瓣中的大部分區(qū)域仍然有較高的單脈沖測角性能。

4 結(jié)束語

二維相掃的平面相控陣由成千上萬個陣元構(gòu)成，通常將整個平面相控陣分成若干個子陣。非自適應的模擬波束形成在子陣內(nèi)部由每個陣元的T/R組件移相器完成；每個子陣輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，合成所需的數(shù)字波束，數(shù)字接收機的數(shù)量減少成本大大降低的同時，自由度也有所減少。

而現(xiàn)代相控陣雷達工作在復雜的電磁環(huán)境中，面臨著消除多個主副瓣干擾的難題，否則無法對目標進行探測、定位和跟蹤。本文提出了一種子陣級DBF的同時多個主副瓣干擾抑制處理技術，該方法在每行和每列利用多個子陣波束消除多個主副瓣干擾，然后形成全陣列和差波束，在自由度有限的情況下，仍能消除多個主副瓣干擾，并保持單脈沖測角精度，文章通過計算機仿真驗證了方法的性能。本文的方法兼顧算法的綜合性能和系統(tǒng)的復雜度，具有較好的工程實用價值。

[1] 羅 敏. 多功能相控陣雷達發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 現(xiàn)代雷達, 2001, 33(9): 14-18. LUO Min. Development status and trend of MPAR[J]. Modern Radar, 2001,33(9): 14-18.

[2] 張光義，趙玉杰. 相控陣雷達技術[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2006. ZHANG Guangyi, ZHAO Yujie. Phased array radar technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronic Industry, 2006.

[3] NICKEL U. Fundamentals of signal processing for phased array radar[R]. Germany: GAN-FHR Research Inst for High Frequency Physics and Radar Techniques Wachtberg, 2006.

[4] 胡 進, 李建勛, 劉 笑. 地面情報雷達抗有源干擾能力的定量描述[J]. 現(xiàn)代雷達, 2015, 37(10): 5-10. HU Jin, LI Jianxun, LIU Xiao. Quantitative description of anti-active jamming ability for ground information radar[J]. Modern Radar, 2015, 37(10): 5-10.

[5] 胡 航, 張 皓, 宗成閣, 等. 子陣級自適應單脈沖的四通道主瓣干擾抑制[J]. 電波科學學報, 2009, 24(5): 820-825. HU Hang, ZHANG Hao, ZONG Chengge, et al. Four-channel mainlobe jamming suppression for adaptive monopulse at subarray level[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(5): 820-825.

[6] HOFFMAN J B, GALEBACH B L, HOHNSON K R. Four-channel monopulse for main beam nulling and tracking[C]// Proceedings of IEEE National Radar Conference. [S.l.]: IEEE Press, 1998: 94-98.

[7] FARINA A, GOLINO G, TIMMONERI L. Maximum likelihood estimator approach to determine the target angular co-ordinates in presence of main beam interference: application to live data acquired with a microwave phased array radar[C]// IEEE International Radar Conference. [S.l.]: IEEE Press, 2005: 61-66.

[8] YU K B, MURROW D J. Adaptive digital beamforming for angle estimation in jamming[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2001, 37(2): 508-523.

[9] YU K B. Adaptive sub-array digital beamforming and deterministic sum and difference beamforming with jamming cancellation and monopulse ratio perservation[P]. U.S. Patent: 6 661 362 B2, 2003.

[10] MANOLAKIS D G, INGLE V K, KOGON S M. Statistical and adaptive signal processing[M]. Norwood, MA, USA: Artech House, 2005.

舒 汀 男，1981年生，博士，助理研究員。研究方向為雷達與電子戰(zhàn)射頻仿真技術，實時信號處理系統(tǒng)設計與開發(fā)，相控陣雷達數(shù)字波束形成技術等。

Multiple Jamming Cancellation Using Adaptive Subarray DBF for Angle Estimation

SHU Ting，CHEN Xinzhu，YU Kai-bor，YU Wenxian

(Shanghai Key Laboratory of Intelligent Sensing and Recognition,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

An enhanced array processing architecture using adaptive digital beamforming at subarray level is proposed for monopulse angle estimation in presence of mainlobe and sidelobe jammings. First, in order to reduce the receiver count, fixed analog beamforming is performed at element level and sub-array outputs are converted to digital signals. Then, adaptive row and column digital beams are formed at subarray level to adaptively cancel multiple jammings. Finally, monopulse sum and delta beamformer follows using row and column beams in vertical and horizontal dimension respectively for elevation and azimuth angle estimation. Compared with the conventional processing with four beams, adaptive digital beamforming is performed with subarray beams prior to sum and delta beamforming, that is, more digital degrees of freedom are exploited. Thus the capability of cancelling multiple electronic jammings simultaneously is provided. Additionally, simulation results of angle estimation are shown. To sum up, this technique is developed to demonstrate the potential of digital beamforming at subarray level with low cost and more facility.

subarray digital beamforming; multiple jamming canellation; monopulse angle estimation

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.004

國家自然科學基金資助項目(61571294)；航空科學基金資助項目(2015ZD07006)

陳新竹 Email：chenxinzhu_92@163.com

2016-09-20

2016-11-21

TN973

A

1004-7859(2016)12-0022-05