極化切換相控陣?yán)走_(dá)主瓣抗干擾優(yōu)化方法

陳斯文,馬鵬宇,呂夢(mèng)琴

(1. 海軍裝備部駐南京地區(qū)第三軍事代表室, 江蘇 南京 210039)

(2. 南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

(3. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所, 江蘇 南京 210016)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)電磁環(huán)境日趨復(fù)雜,雷達(dá)作為獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息態(tài)勢(shì)的主要傳感器,承擔(dān)著預(yù)警、跟蹤、制導(dǎo)、火控等多個(gè)關(guān)鍵任務(wù),急需提升在復(fù)雜工作環(huán)境中的生存和工作能力。相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行幅度相位加權(quán),可顯著提升雷達(dá)的抗干擾能力[1]。對(duì)于來(lái)自副瓣的干擾,可以采取低副瓣電平、副瓣對(duì)消以及副瓣消隱等多種技術(shù)手段解決[2]。而對(duì)于主瓣干擾,則應(yīng)對(duì)手段有限,是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的問(wèn)題。

極化是電磁場(chǎng)的基本特征之一,極化域是繼空域、頻域、能量域外又一重要的領(lǐng)域[3-5]。可以利用干擾信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)在不同極化分量上投影的差異,進(jìn)行極化對(duì)消,達(dá)到減弱甚至消除干擾的目的。20世紀(jì)70年代,Nathanson已經(jīng)開(kāi)始利用極化信息設(shè)計(jì)自適應(yīng)極化濾波器(APC)實(shí)現(xiàn)對(duì)雨雜波的抑制[6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在20世紀(jì)末開(kāi)始關(guān)注雷達(dá)極化信息及其應(yīng)用[7],并提出了不少利用極化信息抗主瓣干擾的設(shè)計(jì)方法,如交叉極化抗干擾天線陣列設(shè)計(jì)[8]以及極化抗干擾處理流程設(shè)計(jì)[7],等等。

為了獲取不同極化分量上的信息,常見(jiàn)手段是利用雙極化天線,并將后端網(wǎng)絡(luò)、移相、采樣處理通道翻倍,分別獨(dú)立接收兩種正交的極化信號(hào),如垂直極化和水平極化。這種方法導(dǎo)致雷達(dá)的成本翻倍,也會(huì)使得雷達(dá)集成設(shè)計(jì)難度加大。另一種實(shí)現(xiàn)多個(gè)極化信息接收的手段則基于天線極化切換技術(shù)[9-11],前端天線可以通過(guò)開(kāi)關(guān)切換接收不同的極化信號(hào),使得收到的信號(hào)極化靈活可變,可根據(jù)環(huán)境情況自由調(diào)整,并且后端處理通道數(shù)量保持不變,成本和設(shè)計(jì)難度不增加。然而,這種方法需要將陣面分為兩個(gè)部分,分別接收不同的極化信號(hào),會(huì)損失一定的信噪比。

本文基于極化切換相控陣?yán)走_(dá),提出三種陣面極化區(qū)域劃分方法,從理論上分析了不同陣面劃分方法極化對(duì)消后的信噪比損失,并通過(guò)理論計(jì)算對(duì)比三種情況下的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),為極化切換陣面設(shè)計(jì)及抗干擾策略提供理論參考。

1 均分極化抗主瓣干擾方法

為了推導(dǎo)方便,本文考慮一種基本的受主瓣干擾場(chǎng)景,其他場(chǎng)景可以類比推導(dǎo)轉(zhuǎn)換,具體如下:

(1) 回波信號(hào)為垂直極化,在無(wú)干擾情況下收到的信號(hào)能量為S0。

(2) 噪聲信號(hào)能量為n0。

(3) 干擾信號(hào)能量為I0,在垂直極化上能量分量為cos2(θ)I0,水平極化上能量分量為sin2(θ)I0。

(4) 天線陣面每個(gè)通道的極化均可水平垂直切換。

在上述場(chǎng)景中,最直接獲取極化信息的方法是將陣面一分為二,一半陣面接收垂直極化信號(hào),一半陣面接收水平極化信號(hào)。

對(duì)于垂直極化部分,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

(1)

(2)

n1V=n0

(3)

對(duì)于水平極化部分,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S1H=0

(4)

(5)

n1H=n0

(6)

將上述兩部分信號(hào)進(jìn)行極化對(duì)消,理想的情況是干擾信號(hào)被完全消除。此時(shí),剩余的回波信號(hào)和噪聲信號(hào)為

(7)

(8)

對(duì)消后信噪比為

(9)

式中:SNR0=S0/n0,為不受干擾情況下的信噪比;sin2(θ)/2為信噪比損失。信噪比損失取決于干擾信號(hào)與回波信號(hào)的夾角θ。由于sin2(θ)/2恒小于1/2,因此這種方法的信噪比損失至少為3 dB,此時(shí)干擾信號(hào)與回波信號(hào)正交(θ=90°)。當(dāng)干擾信號(hào)與回波信號(hào)的夾角為45°時(shí),信噪比損失達(dá)到6 dB。當(dāng)干擾信號(hào)為圓極化時(shí),其在水平極化和垂直極化的分量相同,即與θ=45°的情況相同,此時(shí),信噪比損失為6 dB。

2 最優(yōu)化極化抗主瓣干擾方法

為了解決均分極化抗主瓣干擾方法中信噪比損失至少為3 dB的問(wèn)題,陣面極化區(qū)域劃分應(yīng)當(dāng)根據(jù)干擾回波極化的夾角進(jìn)行自適應(yīng)、最優(yōu)化調(diào)整,降低極化對(duì)消后的信噪比損失。

考慮垂直極化區(qū)域占比為p(0≤p≤1),剩余1-p的區(qū)域?yàn)樗綐O化,則對(duì)于垂直極化部分,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S2V=pS0

(10)

I2V=pcos2(θ)I0

(11)

n2V=n0

(12)

對(duì)于水平極化部分,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S2H=0

(13)

I2H=(1-p)sin2(θ)I0

(14)

n2H=n0

(15)

將上述兩部分信號(hào)進(jìn)行極化對(duì)消,剩余的回波信號(hào)和噪聲信號(hào)為

(16)

(17)

對(duì)消后信噪比為

(18)

為了使信噪比最大,將SNR2對(duì)p進(jìn)行微分,即

(19)

當(dāng)信噪比取得極值時(shí),倒數(shù)為0,即

(20)

可求解出比例系數(shù)

(21)

將式(21)代入式(18),可以得到最大信噪比為

(22)

由式(22)可知,當(dāng)干擾信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)正交時(shí)(θ=90°),信噪比損失為0。這種方法的信噪比損失較少,但比例系數(shù)p的選擇與夾角θ有關(guān),需要提前測(cè)得干擾的極化方向。當(dāng)干擾信號(hào)為圓極化時(shí),其在水平極化和垂直極化的分量相同,即與θ=45°時(shí)的情況相同。

3 部分雙極化主瓣抗干擾方法

為了節(jié)省成本,實(shí)現(xiàn)兩種極化信號(hào)同時(shí)接收,也可考慮僅在部分陣面采取雙極化設(shè)計(jì)。

考慮雙極化占比為q(0≤q≤1),其余陣面采取垂直極化設(shè)計(jì),則對(duì)于垂直極化通道,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S3V=S0

(23)

I3V=cos2(θ)I0

(24)

n3V=n0

(25)

對(duì)于水平極化通道,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S3H=0

(26)

I3H=qsin2(θ)I0

(27)

n3H=n0

(28)

將上述兩部分信號(hào)進(jìn)行極化對(duì)消,剩余的回波信號(hào)和噪聲信號(hào)為

(29)

(30)

對(duì)消后信噪比為

(31)

顯然,對(duì)消后信噪比損失隨著θ、q增大而減小。

4 仿真對(duì)比

將三種抗干擾對(duì)消方法的信噪比損失進(jìn)行仿真對(duì)比,結(jié)果如圖1所示。

圖1 信噪比損失對(duì)比圖

由圖1可知,最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案信噪比損失較均分設(shè)計(jì)方案小,在干擾回波極化夾角較大時(shí)信噪比損失的差異較為明顯,夾角較小時(shí)區(qū)別不大;在干擾信號(hào)與回波信號(hào)正交(θ=90°)時(shí),二者相差3 dB;對(duì)于常見(jiàn)的45°斜極化以及圓極化干擾場(chǎng)景,二者的干擾性能相當(dāng)。整個(gè)陣面全雙極化(q=1)對(duì)消后信噪比損失最小。部分雙極化在θ較大時(shí),優(yōu)勢(shì)明顯,在θ較小時(shí),反而不如最優(yōu)化方案。對(duì)于常見(jiàn)的45°斜極化以及圓極化干擾場(chǎng)景,當(dāng)q>1/3時(shí),部分雙極化方法較最優(yōu)化方法的信噪比損失小;當(dāng)q=1/3時(shí),二者均損失6 dB;當(dāng)q<1/3時(shí),部分雙極化方法則不如最優(yōu)化方法。

綜合評(píng)估三種方法的信噪比損失、成本以及是否需要測(cè)量θ等情況,對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 三種方法對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于極化切換相控陣?yán)走_(dá)的主瓣干擾問(wèn)題,提出了三種不同陣面極化比例分配方法,分別是均分干擾對(duì)消方法、最優(yōu)化干擾對(duì)消方法以及部分雙極化干擾對(duì)消方法。本文通過(guò)理論分析及仿真對(duì)比,分析出各種陣面劃分方法的優(yōu)劣。均分對(duì)消方法適合干擾極化未知,極化方向與回波方向夾角在45°附近的干擾信號(hào)對(duì)消;最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法適合干擾極化已知的場(chǎng)景;部分雙極化方法適合成本不敏感,且干擾極化方向與回波極化夾角較大的場(chǎng)景。在實(shí)際論證、設(shè)計(jì)雷達(dá)的過(guò)程中,可以根據(jù)實(shí)際需求、場(chǎng)景以及成本等因素綜合考慮具體的設(shè)計(jì)方案。