變極化干擾對廣義旁瓣對消的影響

張建中，文樹梁，沙明輝，高紅衛，廖勝男

(1.北京無線電測量研究所，北京 100854；2.中國航天科工集團有限公司 第二研究院，北京 100854)

0 引言

雷達干擾和抗干擾作為矛盾雙方，其“跟隨式”發展促使雷達往能量域、時域、頻域、空域、極化域多域一體化發展。對于有源欺騙干擾，雷達尚可采取射頻掩護[1]、波形捷變[2-4]、頻率捷變等時頻域措施進行對抗；而對于有源壓制干擾，上述措施均會失效，在能量有限的情況下，只能利用空域、極化域信息進行抗干擾。一方面，自適應陣列處理能充分利用空域信息提高雷達的抗干擾能力。另一方面，隨著極化抗干擾的應用逐漸推廣，國內雷達干擾研制單位已經逐步開展變極化干擾與抗干擾技術[5-9]。由于干擾機天線方向圖性能指標相較于雷達低得多，使得變極化干擾易于實現。文獻[10]研究了單元交叉極化對自適應陣列性能的影響，在交叉極化引入誤差固定前提下，陣列的自由度要降低一半；文獻[11]針對單脈沖測角雷達體制，研究了交叉極化干擾及其欺騙效果評估問題。文獻[12]從主通道閉鎖，目標隱匿角度研究了主瓣交叉極化對SLB(sidelobe blanking)系統的影響。本文從廣義旁瓣對消模型出發，研究了變極化干擾在算權周期和對消周期干擾極化特性變化，引起陣列單元導向矢量失配，導致干擾信號不能完全對消的問題。在求權的訓練快拍只含干擾和噪聲；求權的訓練快拍含有期望信號、干擾和噪聲2種情況下分別計算權值，最終用性能改善因子描述變極化干擾對采用不同權值對消模型的影響。

1 信號模型

對于陣列信號，期望信號和干擾導向矢量用空域和極化域兩維特征描述。接收信號可表示為

(1)

式中：s0(t)為目標信號；sj(t)為M個干擾信號；n(t)為噪聲信號；ht為雷達相控陣天線極化矢量；S為目標極化散射矩陣；hj為干擾極化矢量；a0和aj分別為信號和干擾的空域導向矢量，

(2)

(3)

式中：1j代表虛數單位；N為陣元數;θ0為期望信號方向;θj為第j個干擾方向。

(4)

交叉極化干擾接收信號表示為

(5)

理想情況下，單元主極化和交叉極化方向圖如圖1所示，16陣元陣列主極化和交叉極化方向圖如圖2所示。可以看出，交叉極化在主極化方向圖的主瓣區形成一凹點，其他區域相對比較平整，交叉極化引起的能量損失約為15～30 dB。實際工程中，正常的極化損失低于理論值，且具有一定的隨機性[13]。

2 GSC模型

自適應數字波束形成(adaptive digital beamforming，ADBF)[14-15]可在未知的干擾方向自適應形成零陷，以提高電子對抗能力，自適應權矢量計算是ADBF的核心。為分析變極化干擾對自適應波束形成的影響，用經典廣義旁瓣對消結構(generalized sidelobe canceller,GSC)模型進行分析，其結構如圖3所示。GSC模型利用已知的期望信號方向信息把陣列接收信號變換為2個支路，其中上支路變化后得到參考信號d0(k)，d0(k)包含期望信號和干擾；而下支路通過阻塞矩陣B0阻塞期望信號使之不進入輔助支路，變換后信號通過維納濾波，對消相關的干擾信號，無失真輸出期望信號。

以共極化信號為例分析廣義旁瓣對消模型，對連續信號進行離散采樣，則有

(6)

X0(k)=B0X(k),

(7)

(8)

式中:u0=2π(d/λ)sinθ0。

由式(6)～(8)可得GSC陣列輸出為

(9)

當干擾機采用變極化干擾時，WGSC改變，因此利用共極化算出的權值不能完全抵消交叉極化引起的干擾，利用交叉極化算出的權值也不能完全抵消交叉極化引起的干擾，且干擾都存在很大的剩余。為定量描述變極化干擾對雷達廣義旁瓣對消的影響，用性能改善因子度量。性能改善因子定義為陣列處理輸出SINR(signal to interference plus noise ratio)與單個陣元的輸入SINR的比值，體現了抗干擾陣列SINR的改善程度，性能改善因子的計算公式為

(10)

3 仿真實驗及結果分析

假設實驗仿真參數如表1所示。其中干擾類型分為噪聲壓制干擾和間歇采樣干擾2類。噪聲壓制干擾采用純噪聲調制，幅度和相位都隨機變化，可造成壓制干擾效果；間歇采樣干擾采用天線收發分時的工作原理，對采樣信號進行轉發，可以得到發射信號的相干增益，從而造成欺騙干擾效果。本實驗間歇采樣干擾采用占空比為50%的直接轉發干擾，采樣周期為2 μs。

表1 實驗仿真參數Table 1 Experimental simulation parameters

實驗1 在雷達休止期采樣快拍，采樣數據中包含噪聲和干擾，干擾采用2個噪聲壓制干擾，在不同極化干擾下求得權值的方向圖如圖4所示。可以看出當共極化干擾時，共極化權值可以在干擾角度形成很深的零陷，從而有效抑制旁瓣干擾；交叉極化權值在干擾角度不能形成很深的零陷，這是由于交叉極化時干擾能量本身存在衰減，且導向矢量存在幅相擾動造成的，但這并不影響干擾抑制，因為此時交叉極化權值和交叉極化干擾基本是正交的。

當輸入信號信噪比從-20 dB到20 dB變化時，在雷達休止期計算權值，分別用常規波束形成(conventional beamforming，CBF)權值、共極化權值、交叉極化權值對消共極化干擾和交叉極化干擾，改善因子100次試驗求平均，如圖5所示。可以看出，共極化和交叉極化權對消各自干擾有著很大的改善因子，不同信噪比下均值都約為58.8 dB；當對消對方的干擾時改善因子明顯下降，其中共極化權對消交叉極化干擾改善因子約為39.6 dB，交叉極化權對消共極化干擾改善因子約為27.2 dB；但相較于CBF，改善因子有一定提升，CBF權對消共極化干擾改善因子約為19.2dB，對消交叉極化干擾改善因子約為31.5 dB。這是由于共極化和交叉極化權值保證信號正常接收的前提下在干擾方向均形成了零陷，雖然對消對方干擾時權值和干擾不能完全正交，但是對干擾仍起到一定的抑制作用。

實驗2 在雷達工作期采樣快拍，采樣數據中包含信號、噪聲和干擾，干擾采用2個噪聲壓制干擾，不同極化干擾下求得權值的方向圖如圖6所示。可以看出,工作期采樣權值在干擾方向也可以形成較深零陷，較休止期采樣權值旁瓣升高。

當輸入信號信噪比從-20 dB到20 dB變化時，在雷達工作期計算權值，分別用常規波束形成(CBF)權值、共極化權值、交叉極化權值對消共極化干擾和交叉極化干擾，改善因子100次試驗求平均，如圖7所示。

實驗2基本可以得到和實驗1一樣的結論，當對消各自干擾時，在不同信噪比下改善因子均值都約為56.5 dB；當對消對方的干擾時，共極化權對消交叉極化干擾改善因子約為36.9 dB，交叉極化權對消共極化干擾改善因子約為24.9 dB。從圖7可以看出在大信噪比下，改善因子在一定程度上惡化，這是由于大信噪比下在雷達工作期計算的權值旁瓣變形，主瓣偏移，對信號有抑制作用。

實驗3 雷達工作期采樣快拍，采樣數據中包含信號、噪聲和干擾，干擾采用噪聲壓制+間歇采樣，在不同極化干擾下求得權值的方向圖如圖8所示。在干擾方向也可以形成零陷，但較2個壓制干擾時零陷變淺。

當輸入信號信噪比從-20 dB到20 dB變化時，在雷達工作期計算權值，分別用常規波束形成(CBF)權值、共極化權值、交叉極化權值對消共極化干擾和交叉極化干擾，改善因子100次試驗求平均，如圖9所示。當對消各自干擾時，在不同信噪比下改善因子均值都約為46.8 dB；當對消對方的干擾時，共極化權對消交叉極化干擾改善因子約為37.8 dB，交叉極化權對消共極化干擾改善因子約為25.1 dB。可以看出大信噪比下，改善因子較實驗2 2個壓制干擾進一步上惡化，大信噪比下改善因子甚至會低于常規波束形成，這是由于大信噪比下間歇采樣干擾和信號具有強的相關性，計算自相關矩陣時受交叉項影響。

實驗4 在不同交叉極化相對改變量和陣元幅相擾動情況下，2個噪聲壓制干擾，在雷達工作期計算權值，對消不同干擾，輸入信噪比-20 dB到20 dB。共極化權對消共極化干擾和交叉極化對消交叉極化干擾的改善因子約為56.6 dB；常規波束形成對消共極化干擾的改善因子約為19.5 dB；不受干擾極化方式影響；不同權對消極化干擾平均改善因子如表2所示。從表中可以看出，交叉極化相對改變量相位變化對改善因子基本沒有影響；交叉極化相對改變量幅度損失越大，改善因子越好，這是由極化失配引起接收干擾功率變小造成的；交叉極化引起的陣元之間幅相擾動越大，改善因子的惡化越嚴重。

表2 不同相對改變量和幅相擾動改善因子表Table 2 Performance improvement factor in different relative variation and magnitude-phase disturbance

注：G1代表共極化權對消交叉極化干擾，G2代表交叉極化權對消共極化干擾，G3代表常規波束形成權對消交叉極化干擾。

4 結束語

本文主要研究了變極化干擾對采用旁瓣對消模型自適應陣列的影響，結果表明，變極化旁瓣干擾能有效干擾采用廣義旁瓣對消模型的自適應波束形成。對于間歇采樣式干擾，在大信噪比下干擾抑制性能嚴重下降。由于變極化干擾在主瓣范圍內存在嚴重的能量衰減，因此，變極化干擾多用于旁瓣干擾。