多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)概述

鄭巧珍，黃 飛，王 佳，宋 柯

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 200090)

多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)概述

鄭巧珍，黃 飛，王 佳，宋 柯

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 200090)

多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭以其優(yōu)越的性能成為當(dāng)前精確制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭研究熱點(diǎn)。本文介紹了多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭的系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)討論了自適應(yīng)數(shù)字波束形成和角度高分辨等抗干擾技術(shù)，總結(jié)并展望了多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展方向。多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭運(yùn)用陣列信號(hào)處理技術(shù)，拓寬了導(dǎo)引頭抗干擾手段，可有效提升導(dǎo)引頭在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。

相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭； 多通道； 抗干擾；自適應(yīng)數(shù)字波束形成； 角度高分辨

0 引 言

時(shí)頻域抗干擾技術(shù)的采用，使導(dǎo)彈具有一定的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力及抗干擾能力，但隨著電子對(duì)抗技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)面臨的電子干擾環(huán)境日趨復(fù)雜，要求導(dǎo)引頭具備更強(qiáng)的抗干擾能力。多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭[1-3]采用多通道接收及陣列信號(hào)處理技術(shù)(自適應(yīng)波束形成、角度高分辨、空時(shí)二維自適應(yīng)處理等)，拓展了雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾的手段，提高了導(dǎo)引頭在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下的抗雜波、抗干擾及目標(biāo)探測(cè)能力，成為當(dāng)前精確制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭的熱點(diǎn)研究方向。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)

多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1，主要包括有源相控陣天線、波束控制機(jī)、頻率綜合器、多通道接收機(jī)、高性能信號(hào)處理機(jī)、電源等。工程中考慮實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜度和實(shí)時(shí)性，通常采用子陣結(jié)構(gòu)。頻率綜合器用于產(chǎn)生各子陣?yán)走_(dá)發(fā)射信號(hào)； 多通道接收機(jī)用于接收各子陣接收的回波數(shù)據(jù)，并完成各路回波信號(hào)的下變頻處理； 信號(hào)處理機(jī)完成單脈沖測(cè)角，提供制導(dǎo)信息，并運(yùn)用自適應(yīng)波束形成、角度高分辨、空時(shí)二維自適應(yīng)處理等陣列信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾、雜波的有效抑制及多目標(biāo)跟蹤。其中，陣列信號(hào)處理技術(shù)是多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭的核心技術(shù)。

圖1 多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)框圖

多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭關(guān)鍵技術(shù)主要有：

(1) 相控陣天線陣列配置

陣列配置涉及陣面布局、陣元形式、陣列分析與綜合。從陣面布局考慮，相控陣天線有平面陣和共形陣兩種。小視角(如±60°范圍)導(dǎo)彈的相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭通常采用平面陣； 大視角導(dǎo)彈的相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭一般采用共形陣。分析共形天線時(shí)，平面天線中的方向圖乘積定理不再適用，通常采用經(jīng)典迭加法、模式分析法、幾何繞射高頻近似法或數(shù)值法進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。另外，對(duì)于采用子陣的多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭，陣面布局還需考慮子陣大小、組合方式及抗干擾需求、成本等方面因素。

(2) 通道校正

多通道相控陣?yán)走_(dá)通道間的幅相不一致性影響著陣列信號(hào)處理的性能。對(duì)于窄帶信號(hào)，只需在校正通道引入幅相校正因子即可。通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)饋入校正信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換后對(duì)信號(hào)做傅里葉變換得到各通道幅相值，以幅相特性較為平坦的一個(gè)通道作為參考通道，對(duì)比校正通道與參考通道幅度、相位，即可得到校正通道的幅相校正因子。對(duì)于寬帶信號(hào)，需要在接收通道中加入校正濾波器，以保持各通道的幅相一致性。通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)注入工作帶寬范圍內(nèi)的線性調(diào)頻信號(hào)，然后根據(jù)參考通道和待校正通道的輸出，由系統(tǒng)自適應(yīng)地計(jì)算出校正濾波器的系數(shù)。采用對(duì)角加載及正則化方法可解決校正濾波器求解過(guò)程中的“病態(tài)”系數(shù)矩陣問(wèn)題。

(3) 數(shù)字化

多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭可實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成，為數(shù)字化導(dǎo)引頭的研制奠定了基礎(chǔ)[3]。數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)具有自適應(yīng)波束置零、密集多波束、自適應(yīng)空時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代陣列天線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可提升抗干擾和空域搜索能力。現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)、數(shù)字信息處理器(DSP)等大規(guī)模集成器件，為快速波束控制和數(shù)字波束形成算法的實(shí)現(xiàn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 多通道相控陣導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)

2.1 自適應(yīng)數(shù)字波束形成技術(shù)

對(duì)支援式干擾，目前的機(jī)械掃描導(dǎo)引頭及傳統(tǒng)三通道相控陣導(dǎo)引頭沒(méi)有有效的對(duì)抗措施，只能在彈目距離達(dá)到導(dǎo)引頭的燒穿距離，才截獲目標(biāo)。對(duì)于大功率支援式干擾，導(dǎo)引頭的作用距離將大大降低。而多通道相控陣導(dǎo)引頭可通過(guò)自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法在干擾方向形成零陷，從而提高信干比，提升導(dǎo)引頭抗支援式干擾的能力。

自適應(yīng)數(shù)字波束形成技術(shù)[3]無(wú)須已知干擾方向，利用自適應(yīng)波束形成算法得到的加權(quán)系數(shù)，對(duì)天線陣元接收數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理以控制天線陣的方向函數(shù)，使天線陣方向圖在期望信號(hào)方向上產(chǎn)生高增益窄波束，在干擾信號(hào)方向形成深零陷，達(dá)到空域?yàn)V波的目的。最小方差無(wú)失真響應(yīng)算法(MVDR)是常用的自適應(yīng)波束形成算法之一，其加權(quán)向量計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

采用全陣列數(shù)字波束形成所需要的系統(tǒng)硬件設(shè)備量龐大，且全陣列的數(shù)字波束形成技術(shù)計(jì)算量大，達(dá)不到實(shí)時(shí)處理的要求。相控陣導(dǎo)引頭通常采用子陣級(jí)數(shù)字波束形成技術(shù)減小硬件設(shè)備量和算法計(jì)算量。子陣級(jí)接收數(shù)據(jù)向量z(t)=THx(t)，T為N×r維降秩矩陣，則子陣級(jí)協(xié)方差矩陣為Rzz=THRxxT，子陣級(jí)方向性矢量為Cr=THa0。則子陣級(jí)求解最優(yōu)自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)問(wèn)題變?yōu)?/p>

(4)

求解優(yōu)化問(wèn)題式(4)，得到子陣級(jí)最優(yōu)權(quán)系數(shù)為

(5)

考慮十字面陣，均勻劃分為12個(gè)子陣，如圖2所示，陣元間距為半波長(zhǎng)。波束指向(0°，0°)，干擾方向(0°，20°)，信噪比為20 dB，干噪比為30 dB。仿真中考慮14位A/D采樣量化誤差及陣面的隨機(jī)幅度誤差(1倍σ，1dB)及相位誤差(1倍σ，15°)。圖3所示為采用MVDR算法的自適應(yīng)波束方向圖與常規(guī)波束方向圖在方位角0°處截面圖，從圖中可以看出，采用自適應(yīng)波束形成算法可在干擾方向形成波束凹口，干擾處副瓣電平由常規(guī)的-9.41dB降至-17.54dB。

圖2 陣面子陣劃分示意圖

圖3 干擾抑制前后陣列波束方向圖在方位角0°處截面圖

針對(duì)自適應(yīng)權(quán)對(duì)單脈沖測(cè)角算法和、差波束擾動(dòng)的問(wèn)題，可采用自適應(yīng)方向圖保形技術(shù)[5]提高單脈沖測(cè)角精度，如自適應(yīng)差波束單脈沖測(cè)角算法和旁瓣對(duì)消算法。自適應(yīng)差波束單脈沖測(cè)角算法的基本思想是: 假設(shè)和波束的主瓣沒(méi)有變化，對(duì)差波束的主瓣進(jìn)行約束，使得鑒角曲線的斜率保持不變。旁瓣對(duì)消算法的權(quán)矢量加在輔助天線上，主天線的和、差波束導(dǎo)向矢量不受輔助天線權(quán)矢量的擾動(dòng)，主天線的和、差波束不會(huì)受到影響，因此不會(huì)影響和、差單脈沖測(cè)角。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于快拍數(shù)有限、陣列誤差、接收數(shù)據(jù)中包含期望信號(hào)等因素存在，傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成算法性能將會(huì)下降。通常采用對(duì)角加載技術(shù)[6]提高算法穩(wěn)健性，最常用的加載值取為噪聲功率的10倍。

2.2 角度高分辨技術(shù)

角度高分辨技術(shù)是在波束形成技術(shù)、零點(diǎn)技術(shù)和時(shí)域譜估計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，該方法可突破波束寬度內(nèi)的空間不同來(lái)向目標(biāo)的分辨能力，提高雷達(dá)導(dǎo)引頭多目標(biāo)分辨和抗干擾能力。針對(duì)拖曳式干擾等主瓣干擾問(wèn)題，采用角度高分辨技術(shù)，能夠快速判別是否存在主瓣干擾，并實(shí)現(xiàn)主瓣內(nèi)目標(biāo)和干擾的角度估計(jì)，結(jié)合目標(biāo)、干擾識(shí)別技術(shù)，在空域?qū)崿F(xiàn)抗拖曳式等主瓣干擾的同時(shí)，保證對(duì)目標(biāo)的有效識(shí)別、測(cè)角跟蹤。

MUSIC算法[6]是一種常用的角度高分辨算法，在大快拍數(shù)下能夠有效突破瑞利限的限制，實(shí)現(xiàn)主瓣內(nèi)多目標(biāo)角度估計(jì)，其基本思想是：將陣列輸出數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，得到與信號(hào)分量相應(yīng)的信號(hào)子空間以及與信號(hào)分量正交的噪聲子空間，利用兩個(gè)子空間的正交性構(gòu)造空間掃描譜，通過(guò)譜峰搜索來(lái)獲得信號(hào)的波達(dá)方向(DOA)。MUSIC算法計(jì)算步驟如下：

(4) 計(jì)算空間譜PMUSIC(θ)，進(jìn)行譜峰搜索，空間譜極大值所對(duì)應(yīng)的角度即為信號(hào)源的方向：

(6)

式中：T為N×r維降秩矩陣。

多通道相控陣導(dǎo)引頭主瓣內(nèi)多目標(biāo)空間估計(jì)譜圖見(jiàn)圖4。仿真中目標(biāo)指向(0°，0°)，干擾方向(3°，3°)，其余仿真參數(shù)與圖3相同。由圖4可知，采用角度高分辨技術(shù)可有效測(cè)得目標(biāo)和主瓣內(nèi)干擾的角度。

MUSIC算法的應(yīng)用前提是入射的多個(gè)信號(hào)間必須相互獨(dú)立。當(dāng)入射信號(hào)中有相干信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，MUSIC算法就會(huì)失效，針對(duì)這一問(wèn)題，可采用空間平滑方法進(jìn)行去相干處理。

圖4 主瓣內(nèi)多目標(biāo)空間估計(jì)譜圖

3 發(fā)展趨勢(shì)

不同于傳統(tǒng)和差三通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭，多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭將其陣面劃分為子陣，采用多通道接收及多路接收數(shù)據(jù)融合處理的方式，增大系統(tǒng)空間自由度，利用陣列信號(hào)處理技術(shù)可提升導(dǎo)引頭抗干擾能力，拓展了導(dǎo)引頭抗干擾手段。隨著陣列信號(hào)處理技術(shù)在導(dǎo)引頭上的應(yīng)用和發(fā)展，將極大提升導(dǎo)引頭在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。

除本文提到的陣列信號(hào)處理技術(shù)外，相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)的發(fā)展方向還包括：

(1) MIMO相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)

MIMO相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭是采用正交發(fā)射信號(hào)的多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭。一方面，由于系統(tǒng)各子陣發(fā)射的信號(hào)為正交信號(hào)，在空間上不會(huì)形成相干斑，而是形成低增益寬波束，減小了偵察機(jī)和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)接收到的雷達(dá)信號(hào)功率，提高了導(dǎo)引頭隱身能力及反干擾能力。另一方面，系統(tǒng)運(yùn)用發(fā)射接收波束綜合技術(shù)可獲得更大的虛擬孔徑和空域自由度，提升導(dǎo)引頭抗干擾、抗雜波的能力。

(2) 空時(shí)二維自適應(yīng)處理技術(shù)

空時(shí)二維自適應(yīng)處理技術(shù)(Space-Time Adaptive Processing，STAP) 將陣列信號(hào)自適應(yīng)處理的基本理論由陣元信號(hào)的一維數(shù)據(jù)推廣到脈沖和陣元共同采樣的二維數(shù)據(jù)域中，通過(guò)聯(lián)合空域和時(shí)域自由度，取得比常規(guī)空時(shí)級(jí)聯(lián)處理更優(yōu)的性能指標(biāo)，可有效抑制強(qiáng)度大且分布廣的地/海雜波干擾及多種有源干擾，從而提升檢測(cè)空中與地/海面目標(biāo)能力。降低算法的運(yùn)算量，增強(qiáng)算法的穩(wěn)健性、實(shí)時(shí)性，降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度是空時(shí)二維自適應(yīng)處理技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。

(3) 數(shù)字化相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)

相比傳統(tǒng)模擬相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭，數(shù)字化相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭有極大的技術(shù)飛躍和性能提高。采用高精度數(shù)字化處理技術(shù)替代傳統(tǒng)T/R組件移相器，可實(shí)現(xiàn)近乎連續(xù)的波束掃描和超低副瓣電平； 與此同時(shí)，數(shù)字化相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭提高了接收機(jī)輸出動(dòng)態(tài)范圍，可改善強(qiáng)干擾導(dǎo)致的接收機(jī)飽和問(wèn)題。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭具有波束控制靈活、自適應(yīng)抗干擾、抗雜波等特點(diǎn)，可有效提高導(dǎo)彈的威懾力和復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力。隨著陣列信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化，集成電路和信號(hào)處理技術(shù)飛速發(fā)展，多通道相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭抗干擾優(yōu)勢(shì)將日益突顯，必將成為未來(lái)雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)展的重要方向。

[1] 趙鴻燕,王麗霞.相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)[J]．飛航導(dǎo)彈，2009(10)：41-45.

[2] Klemm R. Principles of Space-Time Adaptive Processing[M].3rd ed.IET，2006.

[3] 王永良,丁前軍, 李榮鋒.自適應(yīng)陣列處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[4] 趙鴻燕. 相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]．飛航導(dǎo)彈，2011(8)：78-82.

[5] 廖暉,黃忠平. 基于方向圖保形的單脈沖測(cè)角算法[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2010，5(3)：301-304.

[6] 王永良,陳輝, 彭應(yīng)寧,等.空間譜估計(jì)理論與算法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Overview of Multi-Channel Phased Array Radar Seeker

Zheng Qiaozhen, Huang Fei, Wang Jia, Song Ke

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China)

Multi-channel phased array radar seeker has become a research hotspot with its superior performance. The system composition and key technology of multi-channel phased array radar seeker are introduced. The anti-jamming techniques such as adaptive digital beamforming (DBF) and angle high resolution are discussed. The development direction of the phased array seeker is prospected．Multi-channel phased array radar seeker widens the anti-jamming methods by using the array signal processing technology, and improves the seeker’s operational capability in complex electromagnetic environment effectively.

phased array radar seeker; multi-channel; anti-jamming; adaptive DBF; angle high resolution

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.009

2016-09-30

鄭巧珍(1988-)，女，福建漳平人，碩士，工程師，研究方向?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)導(dǎo)引頭信號(hào)處理。

TN958.92

A

1673-5048(2016)06-0040-04