主瓣干擾下單脈沖測角技術(shù)研究

張同會，秦軼煒

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

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主瓣干擾下單脈沖測角技術(shù)研究

張同會，秦軼煒

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

針對二維數(shù)字陣列雷達(dá)在主瓣干擾下的測角問題，給出了四通道單脈沖測角方法。相對傳統(tǒng)數(shù)字陣列雷達(dá)的三通道測角方法，增加一個雙差通道，應(yīng)用主瓣干擾對消技術(shù)，在方位和俯仰方向上分別形成和差波束，然后利用單脈沖技術(shù)測角。形成的和差波束在干擾方向形成零陷，同時保持原來的單脈沖比。仿真結(jié)果顯示，該技術(shù)可以在抑制主瓣干擾的同時保持較高的測角精度，且測角精度與信噪比、目標(biāo)和干擾方向有關(guān)。

數(shù)字陣列雷達(dá)；雙差通道；主瓣對消；單脈沖；測角精度

0 引言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)技術(shù)和裝備的發(fā)展方向是寬頻帶、大功率、高精度，同時自適應(yīng)管理水平、一體化程度不斷提高，協(xié)同作戰(zhàn)能力不斷增強(qiáng)[1]。事實上，電磁干擾對雷達(dá)的軟殺傷威脅已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的雷達(dá)設(shè)計觀念，雷達(dá)在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下的生存能力已經(jīng)成為決定戰(zhàn)爭雙方勝負(fù)的關(guān)鍵因素[2]。

根據(jù)干擾從雷達(dá)天線進(jìn)入的方向可以分為主瓣干擾和副瓣干擾。對于抑制副瓣干擾，傳統(tǒng)的低副瓣天線技術(shù)[3]、旁瓣相消[4]、旁瓣匿影[5]以及近年來提出的自適應(yīng)波束形成技術(shù)(ADBF)[6]都有很好的應(yīng)用效果，在抑制干擾的同時可以進(jìn)行目標(biāo)檢測和角度估計。對于主瓣干擾，ADBF雖然可以抑制干擾，但會使波束主瓣嚴(yán)重變形，無法對目標(biāo)進(jìn)行測角[6]。

基于阻塞矩陣的方法[6]和盲源分離的方法[7]可以有效抑制主瓣干擾，但是這2種算法中均涉及大量矩陣運算和矩陣分解操作，不利于硬件實時處理。文獻(xiàn)[8]介紹了一種四通道雷達(dá)抗干擾方法，但要求主瓣必須對準(zhǔn)干擾源。文獻(xiàn)[9-10]分別介紹了陣元級和子陣級下應(yīng)用四通道主瓣對消的單脈沖測角方法，對主瓣內(nèi)的干擾均可以抑制，且運算簡單，但均未對測角精度進(jìn)行討論。本文介紹了應(yīng)用主瓣對消的單脈沖測角技術(shù)，并通過仿真分析了影響其測角精度的因素。

1 二維數(shù)字陣列雷達(dá)信號模型

天線陣面示意圖如圖1所示，設(shè)平面陣列放置于xoy平面，由M×N個天線單元組成組成，M為行數(shù)，N為列數(shù)，在x和y方向的陣元間距均為d，θ和φ分別表示俯仰角和方位角。

假設(shè)以(0,0)處的陣元為參考陣元，則陣面的第m行、第n列陣元與(0,0)陣元之間的空間相位差為：

(1)

式中，u=cosθsinφ；v=sin(θ)。由此得陣列的二維導(dǎo)向矢量為：

a(u,v)=[1,…,exp(jφm,n)，…，exp(jφM,N)]T。

(2)

圖1 天線陣面示意

假設(shè)空間存在互K個相統(tǒng)計獨立的遠(yuǎn)場窄帶源sk(t)，其中k=1,…,K。其導(dǎo)向矢量分別為ak，并存在與信號不相關(guān)的M×N個加性高斯白噪聲，用N(t)表示，則陣列在t時刻接收的信號矩陣為：

X(t)=As(t)+N(t)。

(3)

式中，

假設(shè)權(quán)值矢量w=[1,…,wm,n，…,wM,N]T，其中wm,n表示對陣面的第m行、第n列陣元加權(quán)，通過對X(t)加權(quán)，可以得到輸出：

y(t)=wHX(t)。

(4)

2 基于窗函數(shù)的單脈沖測角系統(tǒng)

單脈沖測角需要同時形成和差波束，通過使陣列左右兩邊單元的相位同相相加得到和波束，反向相加得到差波束。二維數(shù)字陣列雷達(dá)為了測目標(biāo)俯仰角和方位角需要3個通道：和通道、方位差通道和俯仰差通道，通道加權(quán)示意圖如圖2所示。

圖2 通道加權(quán)示意

yΣ(t)=wHΣX(t)，

(5)

yΔa(t)=wHΔaX(t)，

(6)

yΔe(t)=wHΔeX(t)。

(7)

式中，[·]H表示共軛轉(zhuǎn)置。然后提取歸一化角誤差信號[11]：

(8)

(9)

在波束指向兩側(cè)較小的角度范圍內(nèi)，可以通過角誤差信號估計目標(biāo)的角度為：

(10)

(11)

式中，ka和ke為比例系數(shù)。

3 主瓣對消原理

主瓣對消(MLC)是通過一套加權(quán)值消除一個方向上的主瓣干擾。權(quán)值的選取以最小功率輸出為準(zhǔn)則。

由于和通道與方位(俯仰)差通道對消干擾后只形成一個通道數(shù)據(jù)，因此無法利用單脈沖方法測量目標(biāo)方位(俯仰)角。為了繼續(xù)保持單脈沖測角性能，增加一個雙差通道，其陣元的加權(quán)如圖3所示，權(quán)值矢量為wΔΔ。

圖3 雙差通道加權(quán)示意

其通道輸出為：

yΔΔ(t)=wHΔΔX(t)。

(12)

以對消主瓣的方位干擾，形成一個俯仰和通道和新的俯仰差通道為例。

(13)

以yΣE(t)對消后輸出功率最小分析最優(yōu)權(quán)值的選?。?/p>

(14)

為了對消主瓣的俯仰干擾，形成一個方位和通道和新的方位差通道。

(15)

4 主瓣對消下的測角性能分析

對于平面陣方向圖，合成陣列方向圖等于合成行方向圖與合成列方向圖的乘積，即

f(u,v)=fa(u)fe(v)。

(16)

于是和通道、方位差通道、俯仰差通道和雙差通道的陣列方向圖為：

(17)

消除主瓣方位干擾后，得到的俯仰和、差方向圖為：

(18)

在強(qiáng)干擾環(huán)境下，干擾功率遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波和噪聲的功率，因此，

(19)

于是通道加權(quán)值可以表示為：

(20)

(21)

由此可見，wa1和wa2近似相等，實際采樣計算時取

wa=(wa1+wa2)/2。

(22)

則對消干擾后的俯仰和、差方向圖為：

(23)

由式(17)和式(21)可得俯仰方向單脈沖比為：

(24)

由式(24)可以看出，通過加權(quán)消除主瓣干擾后俯仰方向上仍然保持著原來的單脈沖比。在俯仰方向上消除主瓣干擾，方位方向單脈沖比有相同的結(jié)論。

由以上分析可知，在主瓣干擾條件下，通過四通道主瓣對消技術(shù)可以在抑制干擾的同時繼續(xù)保持單脈沖測角的性能。

5 仿真結(jié)果及分析

假設(shè)二維平面陣的大小為40×52，放置在xoy平面上，在沿y方向有40行，沿x方向有52列。目標(biāo)所在方向為(φD,θD)=(0.1°,0.2°)，干擾所在方向為(φJ(rèn),θJ)=(-0.5°,-0.5°)，信號形式采用線性調(diào)頻信號，帶寬4 MHz，脈沖寬度30 μs，信噪比SNR=0 dB，干擾為高斯噪聲，干噪比JNR=50 dB。

對消后波束方向如圖4所示。

圖4 對消后波束方向圖

從圖4可以看出，在主瓣對消俯仰干擾后，方位和波束、方位差波束在干擾所在的俯仰方向上形成了零陷；主瓣對消方位干擾后，俯仰和波束、俯仰差波束在干擾所在的方位方向上形成了零陷。

主瓣對消前后單脈沖比曲線圖如圖5所示。

圖5 主瓣對消前后單脈沖比曲線

從圖5中可以看出，主瓣對消后俯仰方向和方位方向的單脈沖比曲線均與靜態(tài)單脈沖比曲線一致。因此，采用主瓣對消技術(shù)，在對消干擾的同時仍然可以保持單脈沖測角技術(shù)的精度。

主瓣對消前后的脈壓結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 主瓣干擾對消前脈壓結(jié)果

圖7 主瓣干擾對消后脈壓結(jié)果

在主瓣對消前信號完全淹沒在干擾里，無法對目標(biāo)進(jìn)行檢測和角度測量，主瓣對消后各個通道中的目標(biāo)信號明顯凸顯出來。為了分析不同信噪比下的主瓣干擾對消下的測角精度，在不同信噪比下分別進(jìn)行200次Monte Carlo實驗做統(tǒng)計分析。

不同信噪比下的測角誤差曲線圖如圖8所示。從圖8中可以看出，應(yīng)用主瓣干擾對消技術(shù)，在能滿足一定的信噪比時，測角精度隨信噪比的增加而提高，這和無干擾條件下的單脈沖測角精度結(jié)論一致[12-13]。

圖8 不同信噪比下的測角誤差

當(dāng)目標(biāo)在主瓣軸向方向時，主瓣干擾所在方向?qū)y角精度的影響如圖9所示。從圖9中可以看出，干擾方向與目標(biāo)方向相差越大，測角精度越高。這是因為當(dāng)干擾方向與目標(biāo)方向接近時，干擾零陷使陣列天線在目標(biāo)方向的增益降低，接收信噪比下降導(dǎo)致的。

圖9 干擾所在方向?qū)y角精度的影響

6 結(jié)束語

本文介紹了一種針對二維數(shù)字陣列雷達(dá)在抑制主瓣干擾的同時保持單脈沖測角性能的方法，并分析了信噪比和干擾方向?qū)y角精度的影響。仿真結(jié)果顯示，在存在主瓣干擾的條件下，主瓣對消技術(shù)可以有效抑制干擾，且信噪比越大，干擾與目標(biāo)方向差別越大，測角精度越高。本文對主瓣干擾條件下二維數(shù)字陣列雷達(dá)單脈沖測角系統(tǒng)設(shè)計具有借鑒作用。

[1] 王曉銘,王 玫.防空導(dǎo)彈武器抗干擾試驗技術(shù)[J].上海航天,2013，2(30):34-38.

[2] 朱華邦,杜 鵑.雷達(dá)抗干擾技術(shù)的新特點及發(fā)展方向[J].飛航導(dǎo)彈,2004(5):52-54.

[3] 劉雙青,蔡新舉,占 超.雷達(dá)抗干擾技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].艦船電子工程,2013，8(230):7-14.

[4] 胡可欣,胡愛明.自適應(yīng)旁瓣對消在雷達(dá)中的應(yīng)用[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2006，6(35):42-45.

[5] 胡可欣,胡愛明.旁瓣消隱技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用[D].成都:電子技術(shù)學(xué)術(shù)，2006:315-317.

[6] 蘇保偉,王永良,李榮峰，等.阻塞矩陣方法對消主瓣干擾[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，11(27):1 830-1 832.

[7] 王建明,伍光新,周偉光.盲源分離在雷達(dá)抗主瓣干擾中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2010，10(32):46-49.

[8] 徐安祺,趙嬋娟,何 勁.四通道單脈沖測角抗主瓣干擾技術(shù)研究[J].無線電工程,2016,46(2):41-43.

[9] YU K B,MURROW D J.Adaptive Digital Beamforming for Preserving Monopulse Target Angle Estimation Accuracy in Jamming[C]∥Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop.Proceedings of the 2000 IEEE.IEEE,2000:454-458.

[10] 胡 航,張 皓.子陣級自適應(yīng)單脈沖的四通道主瓣干擾抑制[J].電波科學(xué)學(xué)報,2009,24(5),820-825.

[11] 陳伯孝.現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[12] SHARENSON S.Angle Estimation Accuracy with A Monopulse Radar in The Search Mode[J].Aerospace and Navigational Electronics,1962 (3):175-179.

[13] 方棉佳,呂 濤.單脈沖和差波束測角的精度研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2013，12(6):645-649.

張同會 男，(1992—),碩士研究生。主要研究方向：信號與信息處理。

秦軼煒 男，(1982—),高級工程師。主要研究方向：信號與信息處理。

A Method of Angle Estimation with Monopulse under Mainlobe Jamming

ZHANG Tong-hui,QIN Yi-wei

(ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

This paper is concerned with angle estimation under mainlobe jamming using monopulse method for two-dimension digital array radar.Sum beam and difference beam are formed for azimuth and elevation respectively,using Mainlobe Cancellation (MLC) technique by adding a double-difference channel.The mainlobe jamming is suppressed by nulling the sum and difference beam while preserving the monopulse ratio.The simulation results show that it has a high accuracy of angle estimation under mainlobe jamming.What’s more,the accuracy is related to the SNR and the directions of the target and the jamming.

digital array radar;double-difference channel;MLC;monopulse;accuracy of angle estimation

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.07

張同會，秦軼煒.主瓣干擾下單脈沖測角技術(shù)研究[J].無線電工程,2016,46(12):26-30.

2016-08-29

國家國際科技合作專項基金資助項目(2012DFB10200)。

TN973.3

A

1003-3106(2016)12-0026-05