副瓣對(duì)消技術(shù)在抑制雷達(dá)間電磁干擾中的應(yīng)用*

(空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原 713800)

1 引 言

隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，電子設(shè)備總會(huì)受到各種各樣的干擾。當(dāng)在一個(gè)相對(duì)有限的區(qū)域內(nèi)大量使用雷達(dá)這種大功率電子設(shè)備時(shí)，相互之間必然存在干擾[1-2]，輕則會(huì)降低雷達(dá)系統(tǒng)的某些戰(zhàn)術(shù)性能，重則造成雷達(dá)系統(tǒng)的癱瘓，因此，需要對(duì)雷達(dá)間的電磁干擾進(jìn)行有效抑制，確保雷達(dá)能夠正常工作。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在雷達(dá)間電磁干擾的分析和預(yù)測(cè)中提出了許多新的思路和分析方法[1-5]，但是如何對(duì)雷達(dá)間存在的干擾進(jìn)行有效抑制則鮮見報(bào)道。因此，本文針對(duì)雷達(dá)間電磁干擾的特點(diǎn)，采用副瓣對(duì)消技術(shù)抑制雷達(dá)間電磁干擾，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。

2 雷達(dá)間電磁干擾特點(diǎn)分析

為分析問(wèn)題方便起見，將雷達(dá)間電磁干擾與隨隊(duì)干擾相比來(lái)說(shuō)明其特點(diǎn)。圖1所示為隨隊(duì)干擾示意圖。可以看出，干擾機(jī)位于目標(biāo)附近，略領(lǐng)先于目標(biāo)，通過(guò)輻射強(qiáng)干擾信號(hào)掩護(hù)目標(biāo)。隨隊(duì)干擾信號(hào)既可以從雷達(dá)天線主瓣進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)(此時(shí)不能分辨干擾機(jī)與目標(biāo))，也可以從雷達(dá)副瓣進(jìn)入接收機(jī)(此時(shí)能夠分辨開干擾機(jī)與目標(biāo))。圖2所示為雷達(dá)間電磁干擾示意圖。通過(guò)對(duì)比可以看出，雷達(dá)間干擾與隨隊(duì)干擾有相同之處，即兩種干擾的目標(biāo)一樣，均為空中目標(biāo)，目標(biāo)與干擾源都不在一個(gè)載體之上，存在一定的夾角。然而，對(duì)于地面防空雷達(dá)來(lái)說(shuō)，它的主要任務(wù)是對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行搜索、定位以及跟蹤。經(jīng)過(guò)計(jì)算，兩部地面搜索雷達(dá)主波束對(duì)準(zhǔn)(方位面和俯仰面均對(duì)準(zhǔn))的概率為1.7×10-7，即天線主瓣接收到干擾的概率是非常低的[5]。可知，地面防空雷達(dá)間干擾信號(hào)主要通過(guò)天線副瓣耦合進(jìn)入接收機(jī)。因此，采用副瓣對(duì)消技術(shù)理論上會(huì)較好地對(duì)消雷達(dá)間的干擾。

圖1 隨隊(duì)干擾示意圖

圖2 雷達(dá)間干擾示意圖

3 副瓣對(duì)消技術(shù)抑制雷達(dá)間電磁干擾

3.1 對(duì)消原理[6-8]

副瓣對(duì)消系統(tǒng)由一個(gè)主天線和多個(gè)輔助天線組成，輔助天線的個(gè)數(shù)取決于系統(tǒng)期望對(duì)消的干擾個(gè)數(shù)，通常N個(gè)輔助天線可以對(duì)消N個(gè)從空間不同方向入射的干擾。主天線接收的信號(hào)包括主波束內(nèi)的目標(biāo)信號(hào)和從天線副瓣進(jìn)入系統(tǒng)的干擾信號(hào)。輔助天線同樣接收目標(biāo)回波和干擾信號(hào)，但其增益在主天線主波束方向上小于主天線的增益，在副瓣區(qū)其增益大于主天線的副瓣增益。理想情況下，輔助天線在主波束方向上形成零點(diǎn)，在干擾方向上形成主波束可以獲得最佳的對(duì)消性能，同時(shí)不會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生相消。在一定性能準(zhǔn)則下，即自適應(yīng)代價(jià)函數(shù)，通過(guò)對(duì)輔助天線輸出進(jìn)行加權(quán)，然后和主天線輸出進(jìn)行相減可以達(dá)到抑制副瓣干擾的目的。

圖3 自適應(yīng)對(duì)消原理圖

如圖3所示，主天線接收到的信號(hào)，包括回波Us0(t)和干擾UI0(t)經(jīng)過(guò)接收機(jī)處理后送到相加器，副天線接收到的信號(hào)分成互相正交的兩路：UIC(t)和UICV(t)，分別經(jīng)W1和W2加權(quán)后，也送到相加器，3個(gè)信號(hào)相加的矢量和作為輸出信號(hào)。適當(dāng)調(diào)節(jié)W1和W2的值，使

UI∑(t)=UI0(t)+W1UIC(t)+W2UICV(t)=0

(1)

就可將主天線和輔助天線接收的干擾對(duì)消掉，它們之間的矢量關(guān)系如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)對(duì)消矢量關(guān)系

3.2 權(quán)系數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)方案

為了更好地計(jì)算和調(diào)整權(quán)系數(shù)，本文采用相關(guān)器和增益電控放大器來(lái)自動(dòng)調(diào)整W1和W2，其自適應(yīng)權(quán)系數(shù)調(diào)整的原理如圖5所示。

圖5 權(quán)系數(shù)自動(dòng)調(diào)整原理圖

兩個(gè)增益電控放大器的放大量W1、W2分別正比于相關(guān)器Ⅰ和Ⅱ的輸出電壓，其值分別為

(2)

式中，E[·]表示相關(guān)運(yùn)算，K1、K2為比例常數(shù)。

由于

(3)

式中，σ2為干擾分量UIC(t)和UICV(t)的方差。

將式(1)和式(3)代入式(2)，可得：

(4)

在實(shí)際應(yīng)用中，權(quán)系數(shù)的調(diào)整是在沒(méi)有目標(biāo)回波信號(hào)的掃描回程期間進(jìn)行的，在掃描正程期間權(quán)系數(shù)保持不變，副瓣對(duì)消系統(tǒng)可進(jìn)行干擾對(duì)消并正常接收目標(biāo)回波信號(hào)。

3.3 抑制雷達(dá)間干擾的理論推導(dǎo)及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.3.1數(shù)學(xué)推導(dǎo)

這里考慮干擾為雷達(dá)間鄰近頻率干擾，經(jīng)過(guò)接收機(jī)后UI0(t)、UIC(t)和UICV(t)均為窄帶隨機(jī)過(guò)程[8-9]。根據(jù)互相關(guān)系數(shù)的定義可得：

(5)

當(dāng)副、主天線所接收的干擾幅度比為a，即UICm(t)=aUI0m(t)時(shí)，σ=aσI0。

為分析問(wèn)題方便起見，不失一般性，考慮一種簡(jiǎn)單情況，當(dāng)調(diào)整使φI0(t)=φIC(t)時(shí)，ρI1=1，ρI2=0，則有：

(6)

將式(6)代入式(4)，再代入式(1)可得：

UI0m(t)cos [ωit+φI0(t)]+

(7)

3.3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以某型地面雷達(dá)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該雷達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)架設(shè)一臺(tái)干擾機(jī)對(duì)其釋放瞄準(zhǔn)式干擾，雷達(dá)天線主瓣對(duì)空掃描，天線副瓣對(duì)準(zhǔn)干擾機(jī)方向，通過(guò)對(duì)數(shù)接收機(jī)輸出到雷達(dá)A觀測(cè)其實(shí)驗(yàn)效果，調(diào)整干擾機(jī)輸出功率為500 mW。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)后可以得出結(jié)論：在雷達(dá)副瓣掃描區(qū)存在單一有源干擾的情況下，采用副瓣對(duì)消技術(shù)后目標(biāo)回波信噪比改善了20.1 dB，干擾對(duì)消比為-22.3 dB，信號(hào)損失率僅為-0.8 dB。圖6所示為采用副瓣對(duì)消技術(shù)前后目標(biāo)回波在示波器上顯示的圖像，可以看出，干擾明顯被抑制，而目標(biāo)回波只有微小損失。

圖6 副瓣對(duì)消技術(shù)使用前后示波器顯示圖像

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)副瓣對(duì)消技術(shù)在抑制雷達(dá)間電磁干擾中的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，對(duì)副瓣對(duì)消技術(shù)的抗干擾性能做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：副瓣對(duì)消技術(shù)防止干擾信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)天線副瓣的效果明顯，能夠很好地抑制雷達(dá)間電磁干擾。本文的工作對(duì)于副瓣對(duì)消技術(shù)抑制雷達(dá)間電磁干擾的系統(tǒng)性分析評(píng)估中具有較好的實(shí)用性和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡皓全，楊顯清，趙家升. 雷達(dá)之間電磁干擾預(yù)測(cè)模型研究[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，30(1)：37-40.

HU Hao-quan，YANG Xian-qing，ZHAO Jia-sheng. Research on Electromagnetic Interference Prediction Model in Radar System[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2001,30(1):37-40.(in Chinese)

[2] 李圭源，張厚，殷雄. 基于作用距離衰減的雷達(dá)間電磁兼容模型[J]. 電訊技術(shù)，2010，50(3)：49-53.

LI Gui-yuan, ZHANG Hou, YIN Xiong. Radar Electromagnetic Compatibility Model Based on Radar Range Attennuation[J]. Telecommunication Engineering,2010，50(3)：49-53. (in Chinese)

[3] 趙欣楠，程光偉. 雷達(dá)系統(tǒng)間電磁兼容性的計(jì)算與預(yù)測(cè)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2007，36(4)：48-51.

ZHAO Xin-nan，CHENG Guang-wei. Prediction and Evaluation of EMC in Radar System[J].Firepower Control Radar Technology，2007，36(4):48-51.(in Chinese)

[4] Terry Foreman. Antenna coupling model for radar electromagnetic compatibility analysis [J]. IEEE Transaction on EMC，1989，31(1)：85-87.

[5] 侯民勝. 雷達(dá)之間的干擾及概率計(jì)算[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗，2006(2)：16-18.

HOU Min-sheng. The Analysis of Interference between Radars and the Computation of Interference Probability[J]. Radar and Countermeasure, 2006(2)：16-18.(in Chinese)

[6] 白渭雄，張文，苗淼.旁瓣干擾對(duì)抗技術(shù)研究[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31(1)：86-90.

BAI Wei-xiong, ZHANG Wen, MIAO Miao. Study on the Countermeasure Technology against Sidelobe Interference[J]. Systems Engineering and Electronics，2009，31(1)：86-90. (in Chinese)

[7] 余繼周，陳定昌. 相控陣單脈沖雷達(dá)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消研究[J]. 航天電子對(duì)抗，2005，21(5)：4-6.

YU Ji-zhou, CHEN Ding-chang. Study on Adaptive Sidelobe Cancellation for a Phased Array Monopulse Radar[J].Spaceflight Countermeasure,2005，21(5)：4-6.(in Chinese)

[8] 張永順，童寧寧，趙國(guó)慶.雷達(dá)電子戰(zhàn)原理[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

ZHANG Yong-shun，TONG Ning-ning，ZHAO Guo-qing. Radar Electron Warfare[M]. Beijing：National Defense Industry Press,2006. (in Chinese)

[9] 奚瑋. 相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)旁瓣相消效果分析[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2002(5)：3-6.

XI Wei. Effect Analysis of Phased Array Radar with Adaptive Sidelobe Cancellation[J]. Modern Electronic Technique, 2002(5)：3-6.(in Chinese)