雜亂脈沖干擾的穩健自適應旁瓣相消方法

王輝輝 袁子喬 張統兵

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著電磁環境日益復雜，干擾樣式的靈巧變化，雷達抗干擾技術已經成為研究的重要內容。當有源干擾從雷達天線旁瓣進入時，由于旁瓣覆蓋的空間范圍比較大，因此容易造成雷達出現大量虛警，影響雷達對目標的檢測性能。為消除從旁瓣進入的有源干擾，現在雷達一般采用旁瓣匿影(SLB) 和自適應旁瓣相消(ASLC)技術。SLB主要是抑制來自天線旁瓣的有源脈沖式或掃頻干擾，利用檢測通道與匿影通道天線增益的不同，對檢測與匿影通道數據進行匿影門限判決，從而抑制假目標干擾。自適應旁瓣相消對于壓制干擾具有較好的性能，但是對于占空比較低的脈沖式干擾，ASLC的性能惡化，甚至對消性能失效。雜亂脈沖干擾與雷達是異步的，經過脈壓后在一個相干處理間隔中表現為連續性，從而抬高了噪聲基底，對雷達檢測造成嚴重影響。文獻[4]通過對主通道和匿影通道均進行ASLC處理，然后將對消后的數據用于SLB處理．確保了后續的SLB處理不會產生過度匿影的問題，但是對于脈沖干擾，如果匿影通道的ASLC對消的不好，匿影通道的剩余干擾依然會遮蔽主通道的目標。文獻[5]針對傳統ASLC方法無法采集到脈沖干擾的有效數據問題，提出了基于主通道時域滑窗取能量最強點的快拍選擇方法，解決了脈沖式干擾的快拍選擇問題，但是滑窗能量計算量大，且容易取到雜波區。因此本文根據實際作戰需求，提出一種旁瓣抗雜亂脈沖干擾的自適應相消方法，該方法結合主通道和匿影通道，通過自適應選擇干擾快拍數據，實現了對脈沖干擾的實時跟隨。該方法不損失對壓制干擾的對消能力，同時能有效對抗旁瓣雜亂脈沖式干擾。

1 自適應旁瓣相消原理

自適應旁瓣相消的基本原理是通過設置若干個輔助通道，輔助通道可以為輔助天線或者輔助波束形式，根據雷達系統來選擇。利用主通道和輔助通道接收干擾的相關性，計算出自適應權系數，然后對輔助通道進行自適應加權求和，將主天線信號與求和輸出對消使得輸出的干擾信號差值最小，從而實現抗干擾。自適應旁瓣相消原理如圖1所示。

首先求輔助通道的自相關矩陣為

(1)

圖1 自適應旁瓣相消原理框圖

其中*表示共軛運算；()表示第輔助通道的第時刻的采樣點；為采樣點數。為了防止矩陣奇異，需要對自相關矩陣進行對接加載，加載量為，則加載后的自相關矩陣為

=+

(2)

其中為單位矩陣。對主天線進行采樣，并結合輔助通道干擾樣本，求出主通道信號()與輔助通道的互相關矩陣為

(3)

根據式(4)計算自適應權值，為各輔助通道權系數矩陣:=[,,…,]，自適應權系數求取如圖2所示。

=[,,…,]=

(4)

根據式(5)逐點進行對消得到主通道對消輸出信號()為

(5)

圖2 自適應權系數計算

本文以SLC_Fix表示普通自適應旁瓣相消方法，以SLC_Adp表示本文方法。SLC_Fix方法在固定波門內采集干擾數據，利用固定連續波門內的數據進行自適應權系數計算，為避免近區雜波對權系數計算的影響，波門位置選擇在雷達作用威力的遠區。對于壓制式干擾，固定波門方法簡單，易實現。但是對于脈沖干擾，固定波門內有可能不存在干擾，這樣計算的權系數，不能將干擾對消掉，造成對消效果惡化。

2 設計與實現

為避免雷達雜波對干擾檢測與定向的影響，在每一個相參處理間隔內增加一個休止區脈沖，在休止區內雷達關閉輻射，只進行接收，系統工作時序圖如圖3所示。為確保采集到的干擾快拍能夠對本CPI內雷達威力的全覆蓋，休止區長度需要包含脈沖重復周期(PRT)，同時還有有自適應權系數計算時間，因此休止區長度需要滿足>+。休止區內首先進行干擾檢測與定向，同時形成所需的主波束、輔助波束、匿影波束用于權系數計算，得到的對消權系數用于后面正常工作PRT的旁瓣相消處理。

圖3 系統工作時序圖

2.1 干擾源檢測與定向

本文所提方法的輔助通道選擇為輔助波束，輔助波束指向需要指向干擾位置，因此需要對干擾進行定向。根據空時等效性，首先對陣列空間采樣數據進行空間傅立葉變換(DFT)，即可得到空間譜，空間譜幅值代表了不同方向上信號幅度的大小，而峰值位置則對應不同干擾的角度，因此根據譜峰位置即可推算出干擾信號的方向，該方法在小數據量時即可實現空間譜的快速更新，對于變化快、起伏大、隨機性強的干擾，能實時獲取干擾的方向。

干擾檢測及定向處理如圖4所示。在休止區內，對時間段內的各陣元數據全距離段數據進行DFT處理，對處理結果按照距離段進行非相參積累，然后對積累后的空間譜進行干擾檢測與定向，這樣不僅可以對壓制干擾定向，而且可以對脈沖干擾定向。考慮到干擾機在短時間內方向變化不大，即使有小的變化，只要變化小于輔助波束寬度，對于對消效果的影響不大，因此當前CPI的定向結果可以作為下一個CPI的輔助波束的指向。

圖4 干擾檢測及定向

由于陣元個數決定了空間譜的譜線個數，單純依靠DFT進行波達方向估計不足以滿足測角精度要求。因此采用陣元域補零的方式來提高空域的采樣率。實際工程處理時，通過對陣列輸出數據進行補零處理，然后進行FFT處理，并對FFT處理后的結果進行求模處理，采用固定門限對干擾源進行檢測，當檢測到有干擾存在時，獲取干擾譜峰所在位置，并根據譜峰位置與波達方向之間的關系，計算干擾方向，實現干擾方向的快速估計。

2.2 自適應快拍選取旁瓣相消法

由于DBF(數字波束形成)在自適應干擾對消方面具有更大的優勢，因此陣列雷達一般先對接收信號進行DBF，形成不同波束，在對各波束進行干擾對消。在休止區內，對時間段內的各陣元數據進行DBF，分別得到主波束、輔助波束、匿影波束，輔助波束指向采用上一個CPI的干擾定向結果。主波束、輔助波束、匿影波束對應旁瓣相消系統中的主通道、輔助通道、匿影通道。雷達系統的主波束和匿影波束的關系如圖5所示。

圖5 主波束匿影波束方向圖

由于雜亂脈沖干擾在距離上表現為隨機性，因此如果按照普通方法取固定距離波門內的快拍數據，往往無法采集到有效干擾快拍，從而造成對消效果的惡化。因此針對雜亂脈沖式干擾需要對快拍進行選擇處理。如圖5所示，在旁瓣區域，匿影波束比主波束要大，因此從旁瓣進入的干擾，可以利用匿影波束和主波束關系來檢測，同時判斷干擾所處距離。為采集到雜亂脈沖的有效快拍，需要根據主波束和匿影波束的關系，進行自適應快拍選擇。自適應快拍選取如圖6所示。首先將主波束模值和門限系數相乘得到一個主波束門限單元，將匿影波束模值分別和主波束門限單元、固定門限進行比較，如果匿影波束最大，則表明該距離單元有干擾，鎖存干擾所在的距離單元號，同時將該距離單元號對應的主波束、匿影波束、個輔助波束的原始數據進行緩存。對每個波束緩存的干擾快拍進行計數，干擾快拍總數為參與自相關、互相關計算的快拍個數，一般選擇大于2倍的輔助波束個數即可，實際工程在計算滿足實時要求的條件下，會適當的多選取一些。當干擾快拍大于時，新的干擾快拍將不再被接收，如果在時間內，采集的樣本個數小于，則使用實際的樣本數。當干擾快拍數達到要求或者自適應權系數計算時間片到達時，如果當前有干擾存在，則依次讀出緩存的干擾快拍數據，然后送入權系數計算模塊進行權系數計算。如果旁瓣沒有干擾存在，則轉入后續處理模塊。

圖6 自適應快拍選取旁瓣相消法

自適應快拍選取對消法步驟如下：

1)對休止區內雷達威力覆蓋的所有陣元數據進行全距離段的FFT處理，檢測干擾并確定方向；

2)根據上一個CPI的干擾定向結果，在休止區內形成主波束、匿影波束、輔助波束；

3)采用自適應快拍選取方法，從主波束、輔助波束選擇對應干擾快拍；

4)用自適應選取的干擾快拍分別計算主波束與輔助波束的互相關矩陣、輔助波束之間的自相關矩陣，并根據式(4)計算對消權系數；

5)根據式(5)，用得到的權系數對工作區內的主波束、匿影波束進行對消；

6)進行后續處理。

3 試驗結果

SLC_Adp方法已成功應用于某型陣列雷達，在實際電子對抗試驗中，SLC_Adp方法具有優秀的實戰性能。實際對抗中，一部地面干擾機持續釋放雜亂脈沖干擾，雷達實時采集陣元級的干擾快拍，對采集的數據進行分析，圖7為雷達休止區內的各個陣元接收的回波信號，陣元間接收信號的一致性很好，但是雜亂脈沖在當前PRT出現的位置和幅度具有隨機性。

圖7 各陣元接收的干擾信號

圖8為雜亂脈沖干擾多個距離段非相參積累的結果，積累后干噪比達到42 dB左右，與固定干擾檢測門限進行比較，確定干擾存在后，搜索空間譜獲得譜峰位置，再換算到對應角度，即為干擾方向，實測干擾方向為-2.036°。

圖8 干擾源指向及檢測門限

經DBF形成主波束、匿影波束和1個輔助波束，主波束指向9°，輔助波束干擾方向-2.036°。對消前主波束、匿影波束、輔助波束回波數據如圖9所示，局部細化如圖10所示。選擇一個雜亂脈沖所存的距離單元進行針對性的分析，在距離單元號183處，輔助波束功率99.94 dB，主波束功率69.83 dB，匿影波束功率79.02 dB。輔助波束和主波束的功率差為30.1 dB, 輔助波束和匿影波束的功率差為20.9 dB。由圖10可知從旁瓣進入的雜亂脈沖干擾，在主波束和匿影波束中能量較大，如果對消效果不好，主波束中干擾剩余較大，同時匿影波束會對主波束產生過度匿影。

圖9 對消前回波數據

圖10 對消前回波數據細化

用于計算權系數的采樣快拍數選擇：=32，對于SLC_Fix方法，波門選擇遠區的快拍，主、輔助波束指向不變，SLC_Fix方法對消后主波束回波的局部細化如圖11所示，對消后匿影波束回波局部細化如圖12所示。在距離單元183處，主波束回波對消后功率為66.09 dB，對消比僅為3.74 dB，主波束干擾剩余較大。匿影波束對消后為55.06 dB，對消比達到13.96 dB。由于匿影波束含有的干擾能量大于主波束，因此匿影波束對消有一定效果，主波束對消幾乎失效，SLC_Fix方法的對消效果不理想。

圖11 SLC_Fix方法主波束對消后回波

圖12 SLC_Fix方法匿影波束對消后回波

采用本文的SLC_Adp進行對消處理，其他條件不變。SLC_Adp方法對消后主波束回波的局部細化如圖13所示，對消后匿影波束回波局部細化如圖14所示。在距離單元183處，主波束回波對消后功率為42.25 dB，對消比為27.58 dB，主波束回波對消到噪聲水平。匿影波束對消后為47.77 dB，對消比達到31.25 dB。主波束和匿影波束的干擾均被很好消除，對消達到了很好的效果。

圖13 SLC_Adp方法主波束對消后回波

圖14 SLC_Adp方法匿影波束對消后回波

4 結束語

本文提出了一種自適應快拍選取的旁瓣相消方法，通過增加休止區采集干擾快拍，避免了雜波參與對消權系數的計算，同時結合主波束和匿影波束，將匿影波束作為自適應選取的一個門限，采集有效脈沖干擾快拍，并據此計算對消權系數進行對消處理。本方法改進了普通方法的缺陷，使其更加適應實戰需求，提高了旁瓣相消的穩健性。該方法已成功應用于某型雷達中，取得了良好的效果。