基于自適應DPCA的機載雷達雜波和干擾抑制的研究

王　斌，張　昀，黃樂天，劉　禹

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

基于自適應DPCA的機載雷達雜波和干擾抑制的研究

王斌，張昀，黃樂天，劉禹

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

摘要：分析了機載雷達相位中心偏置天線(DPCA)和自適應相位中心偏置天線(ADPCA)處理算法，對機載雷達DPCA的雜波和干擾抑制等進行了數值仿真。仿真結果表明，通過DPCA可以將淹沒在強雜波背景中-47 dB信噪比的目標提高到6.3 dB；但當存在干擾或者機載雷達不滿足DPCA的理想條件時，信噪比惡化非常嚴重；當干擾有效輻射功率(ERP)增大到1 W時，信噪比變為-15 dB；當采用ADPCA處理后，即使在干擾ERP為400 W時，處理后的信噪比仍超過6 dB。

關鍵詞：相位中心偏置天線；自適應相位中心偏置天線；機載雷達雜波；干擾抑制

0引言

制空權的掌握是戰爭制勝的關鍵，而機載雷達在制空權的爭奪中扮演著重要的角色。機載雷達具有突破地基雷達視距限制的優勢，因而備受世界各國的關注。不過，它也存在一些需要攻克的難題。對于機載雷達來說，其雜波分布廣泛，強度大，并且由于平臺的運動導致雜波譜展寬,使得慢速運動目標常常被淹沒在強雜波中，這給機載雷達的檢測帶來巨大困難。

此外，戰場復雜電磁環境中往往充斥著各種形式的干擾，這也給機載雷達對目標的檢測帶來了巨大挑戰。只有有效地抑制雜波和干擾，才能實現對淹沒在雜波和干擾背景下目標的檢測。

最初人們采用相位中心偏置天線(DPCA)技術來抑制雷達雜波，該方法非常簡單，并已被部分現役雷達所采用。但是它要求相位中心間距、脈沖重復頻率和載機速度必須滿足嚴格的限制條件，并且無法抑制干擾，因而很大程度上限制了它的使用。采用空時自適應處理(STAP)[1-2]盡管可以非常好地濾除干擾和雜波，但STAP數據處理量非常大，超出了目前的硬件水平。

本文結合這2種處理手段的優點，對自適應DPCA的雜波和干擾抑制進行了研究，分析了自適應DPCA的雜波和干擾抑制性能。

1自適應DPCA技術

假設雷達平臺沿Y軸方向運動，以Y軸為零方位角，方位角為φ，俯仰角為θ，平臺速度為V，雜波單元距雷達天線斜距為R，如圖1所示。

圖1　機載雷達與雜波的幾何示意圖

假設來自不同雜波散射體的回波互相獨立，對于一個N元的均勻線陣(ULA)，在一個相干處理時間間隔(CPI)內，對于給定的距離單元做M次快拍,獲得采樣輸出為x，x=[x(0),x(1),…,x(M-1)]′，其中第i個單元為：

x(i)=a(θ)ejωi+ec(i)+ej(i)+en(i)

(1)

假設雜波、干擾和噪聲的協方差矩陣分別為：Qc、Qj和Qn，且互不相關，則總的協方差矩陣為：

(2)

對于最優濾波器，其最優波束形成的輸出為：

(3)

式中：γ為任意系數。

對于DPCA，根據文獻[3]，其權矢量可以寫為：

(4)

式中：s1=[0,1,…,1]′;s2=[1,1,…,0]′。

DPCA技術的使用有很多限制條件，因此其工程化相當困難，為了達到對消雜波和干擾的目的，可以將DPCA和自適應濾波結合起來，按照一定的準則，可以自適應地校正這些變化帶來的相位差。根據文獻[3]，對于自適應DPCA，權矢量可以寫為：

(5)

式中：R為通過對ec(i)+ej(i)+en(i)的估計得出的協方差矩陣。

因而，自適應DPCA不但能抑制雜波還能很好地抑制干擾。

2DPCA對雜波和干擾的抑制性研究

圖2　DPCA處理前后的接收信號

圖2為DPCA處理前后接收到的信號，由圖可以看出，在10km的距離存在很強的回波，這是由于高度雜波帶來的影響，而位于100km處的目標完全被雜波掩蓋，此時的信噪比為-47dB，而采用DPCA處理后，雜波得到了很好的抑制，100km處的目標得到凸顯，此時信噪比為6.3，信噪比改善了53dB。由此可見，DPCA具有非常強的抑制地雜波的能力。圖3(a)為干擾有效輻射功率(ERP)為1W情況下，DPCA處理后的結果。由圖可以看出，目標被淹沒在強噪聲干擾之下，根本無法辨認目標所在的位置。圖3(b)為干擾ERP從0增大到120W時目標信噪比的變化曲線。由該曲線可以看出當注入干擾時，目標信號的信噪比迅速下降，惡化得非常嚴重；當干擾ERP增大到10W時，目標信號的信噪比下降超過20dB；當干擾ERP達到120W時，目標信號的信噪比已經下降至-24.5dB。

圖3　存在干擾時，DPCA處理后的結果

在進行DPCA處理時，根據文獻[4]，其必須滿足：

d=2vT

(6)

對上變形，令：

(7)

理想情況下，β=1。然而在實際情況下，由于天線單元間的幅相不一致、載機機身抖動、載機偏航、載機重頻、載頻變化等導致β≠1。圖4為β的變化對DPCA處理結果的影響。

圖4　β的變化對DPCA性能的影響曲線

由圖4可以看出，β的微小變化都會帶來信噪比的嚴重惡化，當β僅發生1%的變化時，信噪比的惡化已經超過30dB。

由此可見，DPCA的使用非常受限，其對平臺以及載機重頻、載頻等的穩定性要求非常高，并且對于存在干擾的電磁環境，DPCA也無能為力。這也可以通過對式(1)和式(6)的分析得出，當采用DPCA進行處理時，對于所有的方位角φ，俯仰角θ，只有雜波帶來的影響ec(i)得到了對消，而ej(i)和en(i)不滿足對消的條件，因而適應存在干擾的電磁環境。而且當β≠1時，也即載機速度、雷達載頻、重頻發生變化時，都不滿足DPCA條件。因此，將自適應處理與DPCA相結合是一件非常有意義的事情。

3自適應DPCA雜波和干擾抑制性能研究

圖5　存在干擾時，ADPCA處理后的結果

在ADPCA的仿真中，選用的訓練樣本單元為180個，保護單元個數為10個，其它仿真參數不變。圖5為存在干擾時，ADPCA處理前后的結果。在不存在干擾時，ADPCA的處理結果與DPCA差不多，處理后的信噪比變為6.88；而當存在干擾時，干擾對ADPCA的影響非常小，即使干擾的ERP達到400W時，ADPCA處理后的信噪比仍超過6dB。圖6為β的變化對ADPCA處理結果的影響。由圖6可以看出，ADPCA處理的結果受β變化的影響也非常小。在β變化25%時，ADPCA處理后的信噪比也是仍超過6dB。

圖6　β的變化對ADPCA處理的影響

因此，得益于自適應處理技術，使得ADPCA對平臺以及載機重頻、載頻等的穩定性要求放寬，并且ADPCA還具有很好的抗干擾能力。這也可以通過對式(1)和式(5)的分析得出，當采用ADPCA進行處理時，對于所有的方位角φ、俯仰角θ，不僅雜波帶來的影響ec(i)得到了對消，而且ej(i)和en(i)也滿足對消的條件，因而能夠適應存在干擾的電磁環境。而且當β≠1時，也即載機速度、雷達載頻、重頻發生變化時，都不影響ADPCA的處理。

4結束語

本文通過仿真研究了機載雷達DPCA的雜波抑制效果，并對干擾和非理想情況下的DPCA處理結果進行了研究，分析了其局限性的原因。然后對ADPCA進行了仿真研究，仿真結果表明，即使存在干擾或外部環境發生變化時，ADPCA處理后的目標仍能獲得非常理想的信噪比。

參考文獻

[1]KlemmRK.PrinciplesofSpace-timeAdaptiveProcessing[M].London:TheInstitutionofElectricalEngineers,2002．

[2]王永良,彭應寧.空時自適應信號處理[M].北京:清華大學出版社，2000.

[3]GuerciJR.Space-TimeAdaptiveProcessingforRadar[M].Norwood,MA:ArtechHoude,2003.

[4]薛冰心,張友益.基于頻移假目標對機載雷達SATP技術干擾效果的研究[J].艦船電子對抗，2012,35(1):11- 59.

Research into Airborne Radar Clutter and Interference Suppression

Based on Adaptive DPCA

WANG Bin,ZHANG Yun,HUANG Le-tian,LIU Yu

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

Abstract:This paper analyzes the processing algorithms of airborne radar displaced phase centre antenna (DPCA) and adaptive displaced phase centre antenna (ADPCA),simulates the airborne radar DPCA clutter and interference suppression based on numerical value.The simulation results indicate:the signal noise ratio (SNR) of the target submerged in the background of strong clutter is increased from -47 dB to 6.3 dB by means of DPCA,but when the interference exists or the airborne radar can't satisfy the ideal conditions of DPCA,the SNR deteriorates very seriously;when the interference effective radiated power (ERP) reaches to 1 W,the SNR becomes -15 dB;when ADPCA processing is performed,even if the interference ERP is 400 W,the processed SNR still exceeds 6 dB.

Key words:displaced phase centre antenna;adaptive displaced phase centre antenna;airborne radar clutter;interference suppression

收稿日期:2014-11-21

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.006

中圖分類號：TN957.54

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0019-04