自適應旁瓣相消算法分析與仿真

劉 鳴,黃 威

(1.海軍駐合肥地區軍事代表室,合肥 230000；2．海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室, 上海 201206)

自適應旁瓣相消算法分析與仿真

劉 鳴1,黃 威2

(1.海軍駐合肥地區軍事代表室,合肥 230000；2．海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室, 上海 201206)

雷達工作時經常受到各種有源電子干擾。這些干擾會影響雷達的探測能力,嚴重時甚至使其無法探測目標,因而雷達進行抗干擾處理顯得十分重要。本文主要仿真了輔助天線個數、輔助天線延時節的選擇等對旁瓣相消性能的影響,并給出了在復雜電磁環境下旁瓣對消的抑制效果。

壓制式干擾；旁瓣相消；輔助天線

0 引 言

作為一種軍用裝備,雷達用于探測各類目標,可以全天候工作,在現代戰爭態勢感知中起著無可替代的作用。但是,隨著新的電子干擾技術的迅速發展,干擾機先進的電子干擾措施與手段不斷涌現,導致現代雷達面臨的工作電磁環境日趨復雜。各類形式多樣靈活的干擾對雷達的性能和生存產生了嚴重影響和威脅。為了抑制各種干擾,各種雷達抗干擾技術應運而生。自適應旁瓣相消處理是一種重要的雷達抗有源干擾的技術,可有效提升雷達的處理性能。一般情況下,雷達接收天線的主瓣很窄,且增益很高,具有極強的方向性,有源干擾信號從接收天線的主瓣進入的概率很小；而天線的旁瓣很寬,因而很容易接收到干擾信號。為了抑制干擾,通常天線旁瓣增益都很低,但當雷達處于極強的有源干擾環境時,旁瓣接收的干擾信號可能淹沒主瓣接收的目標信號,從而導致雷達不能正常工作。

本文主要研究雷達遭受壓制式干擾時進行自適應旁瓣相消處理,介紹自適應旁瓣對消工作原理,分析如何合理選擇輔助天線的個數、輔助天線延時階選擇等參數,從而提高雷達自適應旁瓣相消的能力。

1 自適應旁瓣相消工作原理

有源干擾從雷達接收天線進入。當干擾信號很強時,從天線旁瓣進入的有源干擾信號足以影響天線主瓣對目標的探測,此時應降低干擾方向上天線旁瓣的電平。但是,干擾方向不可預知,同時天線也在掃描,因此天線的旁瓣相消必須自適應工作。旁瓣相消的基本思想就是在波束最大值指向目標方向的同時盡可能地抑制干擾功率，在保證信號功率為一定值的條件下使輸出的總功率最小化。

假設主天線的主瓣對準目標并接收目標信號,而干擾信號從主天線旁瓣進入。由于輔助天線為全向天線,且增益較低,略大于主天線的副瓣增益,所以輔助天線接收到的目標信號會很小,可以近似認為輔助天線只接收到干擾信號。

利用輔助天線接收的干擾信號,自適應天線旁瓣相消技術通過信號處理方法對消掉主天線接收信號中的干擾信號,以抑制干擾,提高雷達在干擾條件下檢測目標的能力。自適應天線旁瓣相消也是一種空域濾波技術。與時域濾波相比,空域濾波的方向圖相當于時域濾波的頻率響應,空域濾波的方向選擇相當于時域濾波的頻率選擇。

自適應旁瓣相消算法原理圖和主輔天線方向圖如圖1所示。

(a)自適應旁瓣對消的原理框圖

(b)主輔天線方向圖

圖中,N表示具有N個輔助天線；X表示主天線接收的信號；Y1,Y2,…,YN表示輔助天線接收的信號；W1,W2,… ,WN表示加權系數；V0表示對消輸出,用數學表達式可表示為

(1)

(2)

(3)

若▽=0,就可得到最佳權矢量Wopt,即

或

(4)

當式(4)中的自相關矩陣RYY為非奇異陣時,W可表示為

(5)

式中

這樣, 對消剩余功率的最小值為

(6)

進行旁瓣相消處理時,一般用對消比(對消增益)CG來衡量旁瓣對消的性能,相當于信干比提高的倍數, 其定義為

(7)

式中,n為主天線接收的干擾信號,nr為經過相消處理后的干擾輸出,則對消比就是對消前和對消后的干擾功率之比。

2 輔助天線數量對旁瓣相消的影響

雷達進行旁瓣相消處理時,選擇多少個輔助天線最合適是很重要的。設n個輔助天線的自適應旁瓣對消系統中存在著r個寬帶獨立干擾源,則根據輔助天線與干擾源的相對數目,有以下3種情況：

(1) 當n=r時,輔助天線數目等于干擾源數目,若不考慮噪聲,可以將干擾完全對消。這是因為利用n個輔助天線在接收方向圖的旁瓣上形成了n個獨立的“零點”,可以對消從n個方向上來的干擾信號。考慮噪聲時,對消有剩余。因為噪聲對權值具有擾動作用,它使主天線的旁瓣形成的“零點”沒有完全對準干擾機的方向,使對消輸出信號中混有干擾信號。隨著干擾噪聲比的提高,噪聲的擾動作用降低,旁瓣對消性能將會提高。

(2) 當n>r時,輔助天線數目大于干擾源數目,則可以對消掉干擾信號,若考慮噪聲,則存在對消剩余。

(3) 當n

在仿真中假定雷達工作空域存在2個干擾源的情況,分別采用2、3、4個輔助天線進行自適應旁瓣對消。圖2(a)為2個輔助天線與1個主天線的位置分布圖,2個輔助天線關于主天線相位中心對稱；圖2(b)為3個輔助天線與1個主天線的位置分布圖,輔助天線1、2關于主天線相位中心對稱；圖2(c)為4個輔助天線與1個主天線的位置分布圖,4個輔助天線關于主天線相位中心對稱。

假設空間存在2個帶寬為5 MHz的窄帶干擾源,且干擾源1的入射角為30°,干擾源2的入射角在0°～180°范圍內變化；主天線主副比35 dB,輔助天線主輔比5 dB,目標距離20 km,主天線接收回波信號的干噪比為30 dB。分別采用以上3種天線模型進行仿真,比較輔助天線數目不同時,對于空間存在2個帶寬為5 MHz的寬帶干擾源的旁瓣對消性能仿真結果如圖3和表1所示。

(a) 2個輔助天線

(b) 3個輔助天線

(c) 4個輔助天線

2個輔助天線3個輔助天線4個輔助天線平均對消比(dB)8．3016．1825．72

由圖3及表1可知,輔助天線個數越多,對消比越大,剩余干擾信號功率越小,即旁瓣對消性能越好。根據雷達遭受干擾源個數不同,經過綜合分析,一般建議同時遭受2個干擾源干擾時選擇3個輔助天線進行旁瓣相消處理比較合適。實際工程實現時,對干擾信號的采樣數量需要特別注意,相消性能與采用的樣本數有關。采樣信號的樣本數越多越好,計算權值的矩陣會越準確,權值的運算精度越高,相消性能就越好。但是,樣本數越大,運算量越大,計算時間會越長。一般工程實現時采樣樣本數至少大于等于干擾信號的一個重復周期,可取128個樣本,或者512個樣本。同時,實際工程實現時,還需要將主通道和輔助通道的幅相進行均衡,保證主輔通道的幅相一致性。

圖3 3種輔助天線數目時2個5MHz

3 輔助天線延時節選擇

雷達受到窄帶干擾信號時,窄帶干擾信號在空間傳播到達各個空間點之間的時間差所引起的信號復包絡的變化比較大,導致主輔天線間的波程差大,天線接收到信號相關性減弱,使得自適應旁瓣對消性能下降,所以復包絡的延遲不能被忽略。根據上面的仿真可以看出,同樣干擾情況下,輔助天線的個數越多旁瓣相消的性能越好。能否將輔助天線接收的信號進行延時,等效增加輔助天線的個數呢？回波信號延時一般有兩種方式,模擬電路延時和數字電路延時。采用模擬電路延時需要對延時信號進行鑒相處理,增加額外的硬件。經過綜合考慮,采用數字延時得到延時節信號。按照“輔助天線數量對旁瓣相消的影響”中的干擾源和輔助天線位置條件,對2個輔助天線、3個輔助天線和4個輔助天線的回波信號分別增加1路數字延時節、2路數字延時節和3路數字延時節進行仿真。

表2表示為2個固定干擾源采用旁瓣對消前、不加延時節旁瓣對消后、加1個延時節旁瓣對消后、加2個延時節旁瓣對消后、加3個延時節旁瓣對消后等5種情況下回波信號進行旁瓣相消的性能對比。由表2可定性看出,(1)增加輔助天線的延時節,可以提升旁瓣相消的性能；(2)當輔助天線數目較少時,增加輔助天線延時節的性能提升有限；(3)當輔助天線較多時,增加輔助天線延時節后旁瓣相消的性能提升明顯,且不是線性增加。

表2 輔助天線個數不同、延時節個數不同時的平均對消比

圖4是某警戒雷達遭受有源干擾后采取旁瓣相消和自適應快門限恒虛警措施前后的處理效果圖。圖4(a)是未采取抗干擾措施的處理結果,圖4(b)是采取抗干擾措施后的處理結果。從圖4中可看出,旁瓣相消具有較好的性能,能夠提升雷達的性能。

4 結束語

本文首先介紹了旁瓣相消的原理和對消性能分析,然后通過仿真分析了進行旁瓣相消處理時輔助天線個數和輔助天線延時節對旁瓣相消性能的影響。自適應旁瓣相消是一種有效的抗有源連續波干擾的處理方法,可極大地提升雷達在遭受有源連續波干擾下的性能,其能夠應用在各種體制的雷達中。

[1] 陳伯孝.現代雷達系統分析與設計[M].西安：西安電子科技大學出版社,2012.

[2] 趙國慶.雷達對抗系統[M].西安：西安電子科技大學出版社,2003.

[3] 向敬成,張明有.雷達系統[M].北京：電子工業出版社,2001.

Analysis and simulation of adaptive sidelobe cancellation algorithm

LIU Ming1, HUANG Wei2

(1.Military Representatives Office of the PLA Navy in Hefei,Hefei 230000；2.Military RepresentativesOffice of the PLA Navy in Shanghai Hudong Zhonghua Shipbuilding(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 201206)

Radar is often interfered by various active electronic jamming in operation, which can affect the radar detection performance, and even make it unable to detect the targets. Therefore, it is very important for the radar to perform the anti-jamming processing. The effect of the number of the auxiliary antennas and the selection of the delay nodes on the sidelobe cancellation performance is simulated, and the suppression effects of the sidelobe cancellation are given in the complex electromagnetic environment.

barrage jamming; sidelobe cancellation; auxiliary antenna

2017-01-23；

2017-03-01

劉鳴(1983-),男,工程師,碩士,研究方向：雷達電子；黃威(1982-),男,工程師,碩士,研究方向：雷達電子。

TN973.3

A

1009-0401(2017)01-0005-04