DBF技術在米波雷達中的應用

廉丹

摘要：本文結合米波雷達系統，對DBF技術進行應用研究。采用一種合成寬零陷天線方向圖抑制干擾的方法，降低了期望方向圖主波束的畸變程度，有利于信號的后續處理。權系數計算是DBF體制雷達的核心。為節省權系數應用期間的系統開銷，依據系統及算法自身特點，提出了采用權值修正的方法更新權系數，實現簡單且避免了重復求解加權系數。計算機仿真結果表明了本文所述方法的可行性，達到在抗干擾的同時保持主瓣形狀的目的。

關鍵詞：方向圖合成；抗干擾；寬零陷；權系數

1引言

DBF （Digiatl Beam Forming）技術是一種以數字方法進行加權運算來實現波束形成的技術。權值根據陣元采樣數據，運用某種自適應方法進行更新，從而使接收或發射波束具有特定的形狀和期望的零點。DBF在基帶上保留了天線陣列單元信號的全部信息，因而可以采用先進的數字信號處理技術對其進行處理，以獲得優良的波束性能[1]。采用DBF體制的米波雷達， 可實現同時多波束，波束控制靈活方便，有很強電子戰能力。此外，該體制雷達易于實現低副瓣波束和自適應零點，從而改善傳統體制米波雷達在測量方位精度、抗干擾能力等方面固有的缺點[2]。所以，DBF技術在雷達應用中具有重要意義。

2 DBF技術應用

DBF體制的雷達在抗干擾的同時實現多波束。針對在方位上有一定范圍的干擾，采用寬零陷合成算法抑制干擾。當約束的零陷區間寬度足夠小時，該算法也可以用來合成單純零點。當天線存在幅相誤差時，只需要對算法中的理想約束矩陣進行相應的修正， 就可以消除幅相誤差對零點的不利影響[3]。寬零陷合成算法使得在抑制干擾的同時達到主波束保形。

2.1寬零陷的線性約束算法

假設窄帶系統的接收陣列由N個無方向性的陣元組成，其方向函數就應為

（1）

其中，W為波束系數向量， 是與陣列參數和信號波長有關的陣列信號矢量，上標H和T分別表示矩陣或向量的共軛轉置和轉置。那么θ方向來的單位信號源在該陣列波束形成后的輸出功率為

（2）

因此，假設在區間 上連續布滿了單位信號源，波束寬零陷的物理意義就是能將某一區間的干擾信號抑制到某一所希望的強度以下， 因此合成具有指定零點的方向圖可以視為下式的最優化問題[4]稱為約束矩陣；W是一常規的波束系數，它包含了我們對主波束指向以及旁瓣電平的期望； 為功率抑制系數，與期望的干擾抑制后剩余功率的比率相關。

本文直接基于約束矩陣的特征分解導出其數值解法。由于 為Hermite矩陣，因此它能夠做如下特征分解為了抑制干擾，我們讓W與 個較大特征值對應的特征向量正交， 對于歸一化的波束系數， 為了求解W，構造函數：

（3）

則W滿足式（3）中最小值時，L對W 的導數應為零，即

（4）

為單位矩陣，上式即為所要求解的波束系數。

2.2 DBF權系數更新處理

權系數計算是整個DBF處理的核心部分。它根據天線陣面上各陣元接收到的回波信號計算權重系數，利用該權重系數對各陣元接收到的回波信號進行權重處理，形成多個獨立天線波束的輸出。這些天線波束的主瓣對準目標方向，零陷對準干擾方向。因此，DBF處理器需要完成對天線各陣元接收到的回波信號的大量的、實時的信號處理工作。

上述基于特征分解的零陷加寬的波束形成算法，其每次求解權系數都需占用很長時間。為節省時間和系統資源采用下述方法進行權系數更新。

雷達工作時，天線掃描方向改變，而干擾位置一般不變或慢變，因此可以考慮在上次權系數的基礎上通過簡單修正更新權系數。這樣就可以應用很少的運算實現權系數的更新，降低運算量，節省系統開銷。分析權系數計算式，該式由兩部分組成其中W0與掃描方向有關，而D只與干擾方向有關。故可應用下式更新權系數：

（5）

其中 和 分別更新前后的掃描方向。

3 仿真結果

為驗證本文方法的有效性，作以下計算機仿真分析：16陣元的均勻線陣，天線間距與波長比為0.5，零陷的約束區間在40度到50度。期望權值 設為波束指向-10度，旁瓣電平-30dB的Chebyshev波束系數。由圖1可以看出約束區間形成較寬的零陷，且能夠較好的保持期望方向圖的主瓣特性，但在約束區間兩邊的旁瓣會抬高。圖2為采用式（5）進行權系數更新方法合成的寬零陷方向圖，更新前天線指向為-10度，更新后為天線指向-20度，更新前后零陷區間未變。

4 結束語

本文結合一種寬零陷方向圖的合成方法，闡述了DBF技術在米波雷達中的應用。仿真結果表明了上述算法的可行性。該方法可以在較寬方向上抑制干擾，很大程度上削弱干擾方向擾動對性能影響，同時降低了方向圖的畸變程度，成功的保證了主波束形狀，有利于后續處理，具有實用意義。工程實際應用中， 采用上述權系數更新方法可以減少計算權系數的時間開銷。

參考文獻：

[1]張新勝. DBF技術在雷達領域中的應用. 雷達科學與技術，2004，2 （5）：267～269

[2]陶青長，徐成發.米波段DBF體制雷達數字接收機的實現.微計算機信息，2007，23 （9） ： 1～ 3

[3]李高鵬，許榮慶，馬子龍.天線單元存在幅相不一致性時的波束零點合成技術.電子學報，2005， 33（6）： 1150～ 1151

[4]莊龍，朱炳元.一種改進的寬零陷天線方向圖合成方法. 現代雷達，1990， 26 （12） ： 60 ～ 62