雙極化接收的自適應對消抗干擾方法研究

成天楨

(北京無線電測量研究所，北京 100854)

0 引言

電子干擾對抗能力是雷達系統性能考核的重要項目，關系到雷達目標探測和跟蹤能力的正常實現。當前，可查的工程化抗干擾技術主要在空域、時域、頻域實現，對于極化域抗干擾技術的研究有限，且工程化實例不多[1-2]。本文提出了一種基于雙極化接收雷達的自適應極化對消抗干擾方法，利用天線對不同入射波在極化域的選擇性來改善有用信號的接收質量。本方法利用干擾采樣數據段，基于干擾輸出功率最小準則估計兩極化通道間對消權系數，應用于回波數據段，實現干擾對消。仿真和試驗數據表明，該方法能夠較好地抑制干擾信號。

1 電磁波的極化

電磁波的極化，是指電磁波電場矢量E的振動保持在某一固定方向或按某一規律旋轉的現象，它表明了電磁波電場強度的取向和幅度隨時間而變化的性質[3]。如果在電磁波傳播路徑的一個橫截面上，觀察到電場強度矢量始終在一條直線上振動，就叫線極化波(直線方向水平，稱為水平極化波；方向垂直，則稱垂直極化波)；如果以電場矢量的振蕩周期做旋轉，矢量端點描繪的軌跡是個圓或橢圓，則叫圓極化或橢圓極化波[4-5]。

任意一種極化波均可分解為一對正交極化波的合成，因此可以用Jones矢量來表示完全極化的平面電磁波[6-8]：

(1)

可見，只需要E0，γ，φ3個參數就可以完全表示平面電磁波電場矢量的軌跡形狀[7-8]。在很多領域，我們只對電場向量在H和V分量上的相對關系關心，因此可采用歸一化的Jones矢量：

可得到電磁波的極化比如下：

(4)

式中：參數(γ,φ)被稱為電磁波的相位描述參數，φ的取值范圍為[-π,π]。如果參數(γ,φ)為常數，即正交分量之間是相干的，則此電磁波稱為完全極化波，否則稱為非完全極化波[4-5,9-14]。

2 自適應極化對消

2.1 算法原理

自適應極化對消分為2步進行：首先只接收干擾信號，基于輸出功率最小原則進行最佳權系數計算；然后用最佳權系數對通道加權以消除干擾[2,12-13]。該自適應極化對消方法流程如圖1所示(本方法針對直放式極化特性恒定的干擾設計)[15]。實際系統中，雷達利用發射前干擾采樣數據進行對消權值計算，將計算得到的權值用于回波段對消處理，工作時序如圖2所示。

設接收天線為雙正交天線，天線1和天線2極化狀態用歸一化Jones矢量表示為h1和h2；干擾信號極化狀態歸一化Jones矢量表示為hJ，干擾信號矢量表達式為hJ×j(n)；目標信號回波極化狀態歸一化Jones矢量表示為hS，干擾信號矢量表達式為hS×s(n)。

兩極化通道干擾接收信號表示為

x1(n)=h1×(hJ×j(n))+n1(n),
x2(n)=h2×(hJ×j(n))+n2(n),

(5)

式中:n1(n)和n1(n)分別為兩正交極化通道的噪聲信號，相互獨立且與干擾信號獨立。

以通道1干擾輸出功率最小為準則計算對消權值，即

(6)

可計算得到最優權值為

(7)

同理，可計算得到通道2最優權值為

2.2 算法分析

設雷達信號為S，干擾信號為J，信號相位描述參數為(γs,φs)，干擾信號相位描述參數為(γj,φj)，接收信號可表示為

Y1=Scosγs+Jcosγj+n1;
Y2=Ssinγsejφs+Jsinγjejφj+n2.

(9)

根據最優權值計算公式，可計算得：

考慮通常情況下，干擾能量遠大于噪聲能力，因此忽略噪聲則，權值寫為

干擾對消后無剩余，對消后信噪比可寫為

從式(12)可知，兩通道對消后信噪比相同。由于噪聲無法被對消，可假設n2cosγj-n1sinγjejφj=n，則式(12)信噪比變為

(13)

僅考慮實部(能量)，則信噪比可寫為

因此，從以上分析結果可知，自適應極化對消后信噪比與目標和極化的極化特性相關，兩者差異越大，對消后信噪比越大。

3 算法仿真分析與數據驗證

3.1 仿真分析

(1) 干噪比對對消性能的影響

設目標極化特性為(72，72)，干擾極化特性為(22.5，324)，信噪比為-10 dB，干噪比變化范圍為0～80 dB，步進0.5 dB。目標波形設置為0.8 MHz帶寬單脈沖線性調頻信號，脈寬400 μs，載頻70 MHz，信號脈壓增益約25 dB(即無干擾條件下脈壓后信噪比約為15 dB)。本文仿真中信噪比統計方法為，信號脈壓后，信號所在位置點信號幅度與該點一段距離之后所有噪聲幅度均值之比。

仿真結果如圖3,4。圖中橫坐標均為干噪比，圖3縱坐標為通道1脈壓后信噪比，圖4縱坐標為通道2脈壓后信噪比。從2圖中可知，2個通道信號，不同干噪比條件下脈壓后信噪比均約為15 dB，與理論推導結果相符。2圖不同在于，干噪比較小的情況下，通道1脈壓后信噪比明顯低于平均值15 dB，隨著干噪比的增大才逐漸達到15 dB。其原因在于，由于干擾極化特性通道2中干擾分量比小于通道1，干噪比較小時，通道1中干噪比較小影響權值計算，導致對消效果較差。

(2) 信噪比對對消性能的影響

設目標極化特性為(72，72)，干擾極化特性為(22.5，324)，干噪比為30 dB，信噪比變化范圍為-20～40 dB，步進0.5 dB。目標波形設置為0.8 MHz帶寬單脈沖線性調頻信號，脈寬400 μs，信號脈壓增益約25 dB。

如圖5～8所示，隨著信噪比提高，通道1，2的脈壓后信噪比線性增加。同時，通道1和通道2對消效果相近，說明在干噪比足夠大的條件下，2對消通道效果一致。仿真結果與理論推導相符。

3.2 實測數據驗證

采用試驗驗證平臺開展試驗，試驗為主瓣噪聲調頻干擾，45°斜極化，干噪比30 dB。

數據處理結果如圖9所示。圖9為一幀數據對消前后2通道數據脈壓結果對比圖。可以看出，水平/垂直通道脈壓后不能檢測到目標，但對消后的信號經過脈壓可以看到一個明顯的峰值，即目標的距離59.5 km。通過對多幀數據計算統計可知，水平通道對消后平均信噪比為23.13 dB，垂直通道對消后平均信噪比為22.893 dB，兩者輸出信噪比相當，與理論推導相符。

試驗驗證結果說明，本文自適應極化對消方法對連續噪聲干擾具有較好的抑制效果。

4 結束語

本文基于雙極化正交接收雷達提出一種基于雙極化接收雷達的自適應極化對消抗干擾方法，利用天線對不同入射波在極化域的選擇性來改善有用信號的接收質量。方法利用干擾采樣數據段，基于干擾輸出功率最小準則估計兩極化通道間對消權系數，應用于回波數據段，實現干擾對消。仿真和試驗數據表明，該方法能夠較好地抑制干擾信號。目前方法尚存在對時變極化干擾信號對消效果不佳的問題，后續將對此進一步研究。