雷達最佳接收極化濾波優化研究*

吳盛源，張小寬，劉 銘，田 松

(1.空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安 710051；2.空軍工程大學 科研部，陜西 西安 710051)

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雷達最佳接收極化濾波優化研究*

吳盛源1，張小寬1，劉 銘2，田 松2

(1.空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安 710051；2.空軍工程大學 科研部，陜西 西安 710051)

研究了雷達最佳接收極化濾波抗隨機極化干擾的優化問題。當隨機極化干擾的極化方式與目標回波的極化方式相近時，傳統的最佳接收極化濾波方法在濾除干擾信號的同時，極大抑制了目標回波信號，導致信干噪比(SINR)降低。為解決傳統最佳接收極化濾波存在的不足，提出收發聯合極化濾波的優化方法。當目標回波和干擾有相近的極化方式時，通過對發射極化的捷變，改變目標回波信號的極化方式，從而避免目標信號的過度損失。與傳統的濾波方法相比，該方法能獲得更好的信干噪比。仿真結果表明了該濾波優化方法的可行性和有效性。

極化捷變； 干擾； 信干噪比； 極化濾波

0 引 言

雷達有源干擾可分為有源期騙式干擾和有源壓制式干擾兩種，有源壓制干擾是當前雷達干擾系統普遍采用的一種有源干擾方式，主要利用噪聲干擾信號淹沒目標回波，使雷達接收機信噪比下降，難以檢測到目標。有源欺騙干擾主要通過制造虛假目標信息干擾雷達正常工作，達到掩護目標的目的。隨著雷達極化技術和工藝水平的發展，雷達對抗斗爭日趨激烈，利用時域和頻域方法抗干擾的效果越來越有限。此外，干擾已從固定極化干擾發展到隨機極化干擾，給雷達造成越來越嚴峻的威脅和挑戰，尋找新的抗干擾方法成為當前雷達技術領域急需解決的重要課題[1]。

極化是電磁波除幅度、頻率和相位外的另外一個重要屬性。極化信息在提高雷達的檢測、識別和抗干擾能力上具有重要作用[2～6]，利用目標與干擾的極化特征差異對干擾進行極化濾波，是當前雷達領域研究的熱門。文獻[7]討論了變極化技術抗干擾效能的評估問題；文獻[8]研究了單極化雷達空域極化濾波方法，但該方法只針對固定極化干擾；文獻[9]分析了最佳接收極化濾波和自適應極化濾波的特點，指出當目標信號與干擾信號共極化時，濾波失效；文獻[10]提出了基于卡爾曼濾波的自適應極化濾波技術，提高了對隨機極化干擾極化方式的估計精度；文獻[11]基于部分極化波干擾，提出了一種優化濾波的算法；文獻[12]針對多個干擾源的復合干擾，研究了極化估計和抗干擾方法。但是，目前的文獻都沒有有效解決文獻[9]中提出的問題，當干擾信號和目標信號極化方式相近時，極化濾波方法將無法獲得有效的濾波效果。

基于以上背景，本文以最佳接收極化濾波為研究對象，提出收發聯合極化濾波的優化方法，通過調整發射極化方式改變目標回波信號的極化方式，避免了濾波系統濾除干擾的同時對有用信號的過度抑制，達到比傳統極化濾波方法更好的濾波效果。

1 最佳接收極化濾波原理

在雜波和干擾背景下，常采用最佳極化接收，權衡干擾和雜波的抑制量和對信號的削減量，確定最佳極化接收方式，使信干噪比(SINR)達到最大。SINR是衡量抗干擾性能的一個常用效能評估指標，它定義為雷達接收的目標功率與干擾、噪聲的功率之和的比值。

最優極化接收時，目標信號S、干擾I和接收天線A的極化點在Poincare球上的位置關系如圖1所示，θ，α分別為目標信號極化點與接收天線極化點和干擾極化點之間的夾角。

圖1 極化點的Poincare球表示Fig 1 Poincare polarized sphere representation of polarization points

文獻[13]中推導了經過最優極化處理后的信干噪比SINR表達式

(1)

由式(1)可知，當α和INR為已知量時，SINR成為以θ為變量的函數，其極大值位于

(2)

聯立式(1)和式(2)，可得

(3)

當α為180°時，目標信號與干擾信號正交，SINR=SNR，完全濾除干擾；當α為0°時，目標信號和干擾信號共極化，SINR=SNR/(1+INR)，達到最小，濾波失效。

2 最佳接收極化濾波優化方法

2.1 極化角定義

定義x軸為水平極化基，y軸為垂直極化基，則一個沿+z方向傳播的單色電磁波可表示為[5]

(4)

根據式(4)畫出平面電磁波電場矢量的軌跡圖，即為極化橢圓，如圖2所示。

圖2 極化橢圓Fig 2 Polarization ellipse

圖2中橢圓傾角τ是指極化橢圓長軸與x軸(水平極化基)正方向的夾角，其取值范圍為τ∈[0°,180°]，0°代表水平極化，90°代表垂直極化，τ值求法[14]如下:

(5)

(6)

(7)

(8)

橢圓傾角τ就是電磁波的極化方向角。本文只考慮干擾極化方向角τ∈[0°,90°]的情況，τ∈[90°,180°]的分析方法與τ∈[0°,90°]的類似。

2.2 收發聯合極化濾波方法

目標信號的共極化分量比交叉極化分量大，因此,可通過對發射極化方向進行適當的調整，使最佳接收極化濾波抑制干擾時，只抑制目標信號的交叉極化分量，從而盡可能多保留目標信號，提高SINR。

以下通過仿真實驗驗證發射極化與接收極化之間的聯系。以某型飛機目標為研究對象，如圖3所示。仿真參數設置為：飛機方位角0°～90°，俯仰角為0°，發射電磁波極化方向分別為0°，30°，60°和90°，頻段為VHF波段，接收電磁波極化方向角仿真結果如圖4所示。

圖3 某型飛機目標模型Fig 3 Target model of a certain type of aircraft

圖4 回波極化方向角仿真結果Fig 4 Simulation result of echo polarization angle

由仿真結果可知，圖4的目標信號極化方向角分別集中于0°，30°，60°和90°。回波極化方向角大部分分布于發射電磁波極化方向角周圍，說明目標信號共極化分量遠大于交叉極化分量，這也是當前多數單極化雷達采用共極化接收的原因。因此，通過調整發射極化方向角來優化最佳接收極化濾波方法是可行的。

3 仿真分析

以某型飛機為研究對象，仿真參數設置為：目標姿態為0°俯仰角，0°方位角，雷達發射極化方向角分別為0°,90°和隨干擾極化方向角進行捷變。取信干比-10 dB，干噪比15 dB，仿真結果如圖5所示。

圖5 SINR仿真結果Fig 5 Simulation result of SINR

由圖5(a)和(b)可知，雷達發射極化角為0°和90°時，SINR最大值分別位于干擾極化方向角90°和0°，最大值為5 dB；當干擾極化方向角與發射極化方向角相同時，SINR達到最小，只有0.4 dB，說明雷達采用單一極化發射方式時，當目標信號和干擾信號極化方式正交，雷達對干擾的抑制效果最顯著；當干擾信號和目標信號極化方向角接近時，SINR明顯下降，濾波系統對目標信號抑制量比對干擾信號的抑制量更大；由圖5(c)可知，當發射極化方向隨干擾信號極化方向捷變時，SINR最大值仍為5 dB,最小值為3.6 dB，說明使發射極化方向與干擾信號極化方向的夾角保持在90°時，雷達對任意極化方向角的干擾均有穩定和有效的抑制效果。因此，將發射極化捷變與極化自適應濾波結合，能使自適應極化濾波系統濾除干擾信號同時，保證目標信號不會被過度抑制，從而可以獲得更好的抗干擾性能。

4 結束語

隨著電子對抗斗爭的不斷發展，干擾方式的種類越來越多，對雷達生存環境造成了極大威脅，必須盡可能多地利用回波信息，才能達到良好的抗干擾效果。極化信息已成為電子對抗領域的重要研究對象，研究極化信息在抗干擾領域的應用，將能顯著改善雷達的生存環境，提高雷達的抗干擾效能。

[1] 李永禎，肖順平，王雪松，等.雷達極化抗干擾技術[M].北京：國防工業出版社，2010.

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[3] 李永禎，程 旭，李棉全，等.極化信息在雷達目標檢測中的得益分析[J].現代雷達，2013，35(2)：35-39.

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Optimization study of radar optimal receiving polarization filtering*

WU Sheng-yuan1,ZHANG Xiao-kuan1,LIU Ming2,TIAN Song2

(1.Air and Missile Defense College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China;2.Science and Research Department of Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)

The optimization of radar optimal receiving filtering for random polarization interference is studied.When the polarization mode of the random polarization interference is close to that of the target echo,while jamming signal is filtered and at the sametime,the target echo signal is inhibited by the traditional adaptive polarization filtering method,which leads to reduction of signal to interference noise ratio(SINR).A method of the joint of receiving and transmitting for polarization filtering is proposed to solve this shortage.The loss of target echo signal can be avoided by changing the polarization mode of target echo signal through the change of the emission polarization ones.The new method can get better signal to interference noise ratio than the traditional ones.The validity and feasibility of the joint of receiving and transmitting polarization filtering method is proved by the simulation results.

polarization agility;interference;SINR;polarization filtering

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0068—03

2016—01—11

重點實驗室基金資助項目(STES201401—2)

TN 974

A

1000—9787(2016)11—0068—03

吳盛源(1991-)，男，福建漳州人，碩士研究生，主要研究方向為雷達目標特性及其軍事應用。