四通道單脈沖測角抗主瓣干擾技術研究

徐安祺，趙嬋娟，何　勁

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

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四通道單脈沖測角抗主瓣干擾技術研究

徐安祺，趙嬋娟，何勁

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

摘要總結了常規雷達抗主瓣干擾的現狀，針對探測制導雷達面臨主瓣干擾的威脅，提出一種基于數字陣列雷達體制的四通道單脈沖測角的抗主瓣干擾技術。該技術在傳統單脈沖測角方法的基礎上增加了一個雙差通道，通過將波束方向對準主瓣干擾，消除干擾對目標角度測量的影響，有效提高了目標檢測能力。對四通道單脈沖測角方法進行了仿真分析，驗證了該方法的有效性，同時對該方法在不同信噪比下的測量精度進行了仿真實驗，說明該方法具有工程可實現性。

關鍵詞四通道單脈沖；雙差通道；抗主瓣干擾；數字陣列雷達

Research of Four-channel Monopulse for Anti-main-lobe Jamming Technique

XU An-qi,ZHAO Chan-juan,HE Jin

(ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

AbstractSince the measurement accuracy of acquisition and guidance radars is threatened by main-lobe jammers,a technique of four-channel monopulse based on digital array radar is presented for anti-main-lobe jamming.A delta-delta channel is added on the base of traditional three-channel monopulse to avoid the effects of main-lobe jamming,which significantly improves the detectability of targets within a beam width.The simulation and analysis demonstrate the effectiveness of the method.Another simulation of angular accuracy under different SNRs shows that the method is realizable in engineering.

Key wordsfour-channel monopulse;delta-delta channel;anti-main-lobe jamming;digital array radar

0引言

在防空電子戰中，空襲方對防空方實施多方位、多層次的電子攻擊，使探測制導雷達面臨復雜的電磁干擾環境。事實上，電磁干擾對雷達的軟殺傷威脅,已經改變了雷達設計的傳統觀念，雷達在復雜電磁干擾環境下的生存能力,已經成為決定戰爭雙方勝負的關鍵因素[1,2]。

根據干擾進入雷達天線的位置，可以分為副瓣干擾和主瓣干擾。對于副瓣干擾，可以采取低副瓣、自適應副瓣對消、副瓣匿影等諸多技術進行干擾抑制，這些技術在目標檢測和角度估計中都有了較好的應用效果；對于主瓣干擾，不能像抑制旁瓣干擾一樣采用自適應零點技術，因為主瓣干擾下自適應凹口會使方向圖主波束產生畸變，不能很好地保持信號的單脈沖性能[3,4]。

針對抗主瓣干擾問題，蘇保偉、王永良和李榮峰等提出了基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制及波束保形方法，有較好的穩健性，但此方法牽涉到大量矩陣的本征分解、求逆等復雜運算[5,6]；王建明和伍光新等提出用盲源分離算法抑制主瓣干擾，但此方法沒有討論盲源分離后目標角度的測量問題和盲源分離算法對單脈沖比的影響；王 峰和雷志勇等提出了基于自適應的正交虛擬極化干擾抑制算法，采用垂直與水平雙極化數字陣對該自適應抗主瓣干擾算法進行了驗證研究，但是本方法在干擾抑制的同時存在信號損失的問題[8,9]。

目前的抗主瓣干擾技術沒有很好地解決主瓣干擾問題，對于二維數字陣列雷達，本文介紹一種基于四通道單脈沖測角的抗主瓣干擾技術，此技術利用雙差通道消除主瓣干擾對單脈沖比的影響，在一定的信噪比環境中，可以有效抗主瓣干擾，提高目標角度測量的準確性。

1基于數字陣列雷達的四通道單脈沖系統

單脈沖測角技術是一種常見的雷達測角技術，傳統的單脈沖測角為三通道，即和通道、方位差通及俯仰差通道，四通道單脈沖系統增加了一個雙差通道。

數字陣列雷達采用數字波束形成技術，為四通道單脈沖系統的工程應用打下了基礎。傳統模擬波束形成技術，是通過3套復雜的饋線網絡以及和差器來形成模擬的和波束、方位差波束、俯仰差波束、和差波束形成后送至接收機和信號處理器。如果用模擬的波束形成技術實現四通道單脈沖系統，需要增加一套雙差通道的饋電網絡以及接收通道。對于上千單元的相控陣陣面，饋線網絡將會非常復雜而難以實現。而數字波束形成的方法是將每一個陣元的接收信號數字化后進行數字波束形成，因此在數字域實現四通道的單脈沖不需要增加額外的硬件。

本文考慮矩形陣列，為構造四個通道，將陣面均勻劃分為4個部分，各通道示意圖如圖1所示。

圖1　四通道構成示意

其中，和通道輸出為4個子陣輸出之和，方位差通道輸出為左邊2個子陣與右邊2個子陣輸出之差，俯仰差通道為上面2個子陣與下面2個子陣輸出之差，增加的雙差通道為2個對角子陣輸出之差[10,11]。

2四通道單脈沖抗主瓣干擾原理

單脈沖測角是利用和差波束單脈沖比提取角度誤差信息，與傳統三通道相比，四通道方向圖相比于三通道增加了一個雙差通道，算角度誤差的和差通道也發生了變化。三通道與四通道單脈沖通道任務對應關系如表1所示。

表1　三通道與四通道單脈沖通道任務

如表1，對于三通道單脈沖測角方法，在有干擾和無干擾環境中，方位單脈沖比為ΔA/Σ，俯仰單脈沖比為ΔE/Σ；對于四通道單脈沖測角方法，在無主瓣干擾環境中，單脈沖比計算方法與三通道相同(雙差通道閑置)，而在有主瓣干的擾環境中，方位單脈沖比為ΔΔ/ΔE，俯仰單脈沖比為ΔΔ/ΔA，根據單脈沖比曲線即可得到對應的方位和俯仰角。

以測方位角為例，當存在主瓣干擾時，由于傳統三通道利用和波束和方位差波束做單脈沖比，接收信號中包含干擾信息，并且因為干擾信號較強，掩蓋了目標信號，所以三通道單脈沖測角方法測得的角度為干擾方向；利用四通道單脈沖系統進行目標角度測量時，為消除干擾對目標角度估計的影響，將波束中心對準干擾方向(干擾方向利用三通道單脈沖測角方法測得)，俯仰差波束和雙差波束中心為零陷，將干擾置零，只保留目標信息，從而保持單脈沖比不變，消除了干擾對目標角度估計的影響。另外，如果目標與干擾俯仰角相同，目標同時位于俯仰差和雙差波束的零陷，此時無法測得目標方位角，同理如果目標與干擾的方位角相同，目標同時位于方位差和雙差波束的零陷，因而無法測得目標俯仰角。雙差通道與俯仰差通道如圖2所示，四通道單脈沖比曲線如圖3所示。

圖2　雙差通道與俯仰差通道

圖3　四通道單脈沖比曲線

與傳統三通道單脈沖測角方法相同，四通道單脈沖通過查找單脈沖比曲線獲取目標角度信息。值得注意的是，這種工作模式需要通過信號處理中干擾識別和抗干擾決策模塊，在確定主瓣內存在一個目標和一個干擾的情況下，才能利用四通道單脈沖測角方法測得目標角度。

3四通道單脈沖測角抗主瓣干擾方法仿真

下面對四通道單脈沖抗主瓣干擾測角方法驗證仿真。仿真中采用16×16的矩形陣面，波長為0.1 m，x和y方向的陣元間距均為半波長，回波信號為線性調頻信號，經脈沖壓縮提取目標信號。設定干噪比為30 dB，信噪比為10 dB，干擾的到達方向為(0，0)，目標的到達方向為(0.5,0.5)，分別用三通道和四通道單脈沖測角方法進行目標角度測量，做100次蒙特卡羅仿真實驗，三通道與四通道單脈沖測角結果如圖4所示。

圖4　三通道與四通道單脈沖測角結果

圖4(a)為存在主瓣干擾的情況下，三通道單脈沖測角方法的結果，可以看到，由于干擾信號較強，掩蓋了目標信號，所以傳統三通道單脈沖測量結果為干擾的方向(0,0)；圖4(b)為采用了四通道單脈沖抗主瓣干擾測角方法的結果，測得的角度為(0.5,0.5)，正是信號的方向，說明本文方法具有很好的抗主瓣干擾效果。

為探究不同的信噪比對三、四通道單脈沖抗主瓣干擾測角精度的影響，在上述仿真實驗參數條件下，設定干噪比為30，信噪比從-10 dB到40 dB以2 dB為間隔變化，分別計算三通道和四通道單脈沖測角精度。不同信噪比下角度估計均方根誤差如圖5所示，其中圖5(b)是圖5(a)的局部放大圖。

圖5　不同信噪比下角度估計均方根誤差

影響雷達測角精度的主要因素有：熱噪聲誤差、天線指向誤差、移相器量化誤差、數據量化誤差和A/D轉換誤差等，本文考慮熱噪聲對測角精度的影響。經計算，本仿真雷達波束寬度為6.35°，工程中系統要求的測角精度為0.6°，分解到熱噪聲，系統允許的測角誤差為0.07°。從圖5的仿真結果可以看出，隨信噪比的增加，三通道和四通道單脈沖測角均方根誤差都呈下降趨勢，但由于存在主瓣干擾，在-10～40 dB的信噪比范圍內，三通道單脈沖測角誤差遠高于系統允許測角誤差，而對于四通道單脈沖測角，由圖5(b)可知，在信噪比高于6 dB時，均方根誤差<0.07，滿足系統要求，說明本文介紹的單脈沖測角方法可以抗主瓣干擾，并且具有工程可實現性。

4結束語

本文介紹了一種四通道單脈沖抗主瓣干擾的測角方法，在傳統三通道的基礎上，利用增加的雙差通道，抑制主瓣干擾，具有占用的雷達資源少、需要的信號處理過程少、在數字陣列雷達中易于實現等優點，有較好的目標角度估計效果和工程實現意義。本文介紹的抗主瓣干擾方法適用于主瓣內存在一個干擾的情況，從仿真實驗結果來看，在一定的信噪比條件下，四通道單脈沖測角方法能夠保證目標角度的測量精度，具有工程可實現性。

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徐安祺女，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：信號與信息處理。

趙嬋娟女，(1981—)，高級工程師。主要研究方向：雷達系統設計。

作者簡介

中圖分類號TN957.51

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)02-0041-03

收稿日期：2015-11-05

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.10

引用格式：徐安祺，趙嬋娟，何勁.四通道單脈沖測角抗主瓣干擾技術研究[J].無線電工程,2016,46(2):41-43,57.