基于系統(tǒng)辨識的干擾對消技術(shù)研究

王 強(qiáng)，郭 波

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210013)

基于系統(tǒng)辨識的干擾對消技術(shù)研究

王 強(qiáng)，郭 波

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210013)

收發(fā)隔離度一直是電子戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，若隔離度不夠，發(fā)射的干擾信號會耦合到偵察接收機(jī)，使接收機(jī)不能正常工作甚至產(chǎn)生自激。分析了傳統(tǒng)收發(fā)隔離改善技術(shù)和自適應(yīng)干擾對消技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于系統(tǒng)辨識的干擾對消方法，利用耦合通路的線性非時變性，擬合出干擾耦合通路的傳遞函數(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效對消各種干擾信號，同時不會影響接收的雷達(dá)信號，能夠滿足系統(tǒng)隔離度的要求。

收發(fā)隔離；系統(tǒng)辨識；干擾對消

0 引 言

在電子戰(zhàn)領(lǐng)域，使用有源干擾機(jī)對敵雷達(dá)實(shí)施電子壓制是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的必要手段。電子戰(zhàn)設(shè)備的工作流程包括:電子偵察設(shè)備對雷達(dá)信號的截獲、信號分析和輻射源跟蹤；決策系統(tǒng)對輻射源威脅等級進(jìn)行評估，推薦合適的干擾樣式；干擾設(shè)備產(chǎn)生指定的干擾信號，經(jīng)過高功率放大后對敵雷達(dá)實(shí)施干擾[1]。為了保證干擾效果，發(fā)射的干擾信號通常與接收的雷達(dá)信號相參，即干擾信號和接收信號往往處于同一頻帶。由于大功率干擾信號會通過多種途徑耦合到偵察接收機(jī)中，致使偵察設(shè)備靈敏度降低，嚴(yán)重時甚至使偵察接收機(jī)自激。為了使干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號不影響自身偵察接收機(jī)正常工作，電子戰(zhàn)設(shè)備的接收和發(fā)射必須保持一定的隔離度，稱為電子戰(zhàn)設(shè)備的收發(fā)隔離。常用的提高收發(fā)隔離度的方法有增加收發(fā)天線空間距離、采用收發(fā)分時工作方式等，但是上述方法都存在缺陷。平臺的限制使得空間隔離度不可能太高，收發(fā)分時工作必然降低信號的截獲概率和干擾效果。文獻(xiàn)[2]～[6]分別提出了一種自適應(yīng)濾波器的方法解決壓制干擾的隔離問題，然而對于欺騙性干擾，由于它與雷達(dá)信號具有強(qiáng)相關(guān)性，使得雷達(dá)信號也會被對消掉，從而使這種方法的應(yīng)用受到一定的限制。文獻(xiàn)[7]、[8]采用建立收發(fā)動態(tài)隔離表，根據(jù)被干擾對象的不同選擇降低接收靈敏度或減少發(fā)射功率來實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離，這種方法對于自衛(wèi)式干擾有一定的效果，但對于遠(yuǎn)距離支援干擾，干擾效果受到了很大的限制。本文從分析串?dāng)_路徑出發(fā)，研究基于系統(tǒng)辨識的干擾對消技術(shù)，并借助硬件平臺對數(shù)字對消算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工作原理

雷達(dá)干擾系統(tǒng)在對威脅雷達(dá)實(shí)施干擾的過程中，偵察接收機(jī)一方面需要連續(xù)監(jiān)視輻射源的工作波形變化，便于更新干擾樣本，確保干擾效果；另一方面，需要定期對輻射源的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，評估現(xiàn)在使用的干擾手段的效果。為了達(dá)到上述目的，干擾源在發(fā)射干擾信號時，不能影響自身偵察接收機(jī)的正常工作，也就是電子戰(zhàn)系統(tǒng)的收發(fā)隔離度必須達(dá)到一定的要求。顯然，足夠的收發(fā)隔離度是保證電子戰(zhàn)系統(tǒng)效能發(fā)揮的前提和保證。

通過分析電子戰(zhàn)設(shè)備干擾信號的串?dāng)_路徑和耦合機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號處理的理論，本文提出了基于系統(tǒng)辨識的方法來實(shí)現(xiàn)干擾信號對消。如果能夠找到一個等價的系統(tǒng)模型來擬合耦合通路，使得在輸入為發(fā)射的干擾信號時，輸出為通過耦合通路耦合到自身偵察接收端口的干擾信號，然后在偵察接收機(jī)前端減去這個干擾信號，同時保證不影響接收機(jī)對外部雷達(dá)信號的正常接收和處理，這樣就實(shí)現(xiàn)了干擾信號的消除。基于系統(tǒng)辨識提高干擾機(jī)隔離度的電路原理框圖如圖1所示。

電子戰(zhàn)設(shè)備工作時，接收通道的輸入信號d(n)不僅包含雷達(dá)信號s(n)，還包含通過空間或通道耦合過來的自身發(fā)射的干擾信號x0(n)，如果x0(n)的強(qiáng)度超過接收機(jī)的靈敏度，將會影響設(shè)備的正常工作。為了減小干擾信號的幅度，在系統(tǒng)中增加了一個參考通道，通過定向耦合器接收系統(tǒng)發(fā)射的干擾信號x(n)。由于傳輸路徑不同，參考通道接收的干擾信號x(n)與空間耦合的干擾信號x0(n)是不相同的，但它們均來自同一干擾源，二者是相關(guān)的。將參考通道接收的干擾信號x(n)輸入特定的濾波器，如果采用某一最佳準(zhǔn)則對濾波器進(jìn)行設(shè)計，那么輸出信號y(n)將非常近似空間耦合的干擾信號x0(n)。經(jīng)過求和器將2個通道的信號相減，就可以將接收通道中的干擾信號x0(n)對消掉。

實(shí)踐表明，在相對穩(wěn)定的干擾環(huán)境中，耦合信號x0(n)與參考信號x(n)之間的關(guān)系在短時間內(nèi)不會發(fā)生大的變化，并且這種關(guān)系不隨干擾信號樣式的不同而變化。

2 系統(tǒng)辨識模型

干擾對消技術(shù)的核心問題就是系統(tǒng)辨識，需要找到一個擬合干擾耦合通路的模型，使該模型的輸出最佳逼近偵察接收機(jī)收到的自身干擾信號，從而最大程度地消除干擾發(fā)射對接收的影響。

通過物理分析，X0=x0(n)近似于X=x(n)通過線性系統(tǒng)的輸出，設(shè)傳遞函數(shù)為Θ=θ(n)，那么x0(n)=θ(n)?x(n)，基于此，如果已知x0(n)與x(n)，則可求出θ(n)。在有噪聲W的情況下，寫成矩陣形式如下：

(1)

這里假設(shè)噪聲是高斯白噪聲(WGN)，那么根據(jù)統(tǒng)計信號知識可知，若：

(2)

(3)

(4)

比較式(2)與式(4)，得：

(5)

(6)

(7)

推得：

(8)

當(dāng)且僅當(dāng)ξ1=cξ2時，即Dei=ci(DT)-1ei時等號成立，達(dá)到最小方差，其中c是常數(shù)。等效地，使方差最小的條件是:

DTDei=ciei，i=1,2,…,p

(9)

即:

(10)

矩陣形式為:

(11)

3 辨識模型的修正

此時問題的焦點(diǎn)將是V的求逆計算。由于w(n)與x(n)的數(shù)據(jù)長度相等，而寬帶線性調(diào)頻信號x(n)長度一般為幾十k至上百k，以100k記，那么V將是一個100k×100k的巨大方陣，元素數(shù)量達(dá)到10G。一般情況下，求解一個n×n的矩陣的逆，計算量為Ο(n3)，即求V-1的計算量為Ο(1015)。

4 仿真分析

假設(shè)干擾機(jī)工作在P波段，發(fā)射的干擾信號直接耦合到接收機(jī)前端，此時的傳遞函數(shù)近似為線性。50～450 MHz的寬帶干擾信號由D/A產(chǎn)生，經(jīng)過線饋，輸入到A/D單元，150 MHz的點(diǎn)頻輻射源信號由信號源產(chǎn)生，估計系統(tǒng)函數(shù)后，輸入濾波器系數(shù)，進(jìn)行對消，效果如圖2所示。圖2(a)為A/D前端采集到的信號時域波形，為S、X0與噪聲的疊加；圖2(b)為其頻譜；圖2(c)為運(yùn)用本文算法對消后的時域波形，只剩下S與噪聲W；圖2(d)為相應(yīng)的頻譜。從對消結(jié)果看，基本上可以將寬帶信號完全消除，而接收到的點(diǎn)頻信號未受影響。而且可以看出，雖然D/A及A/D對各個頻點(diǎn)的幅度響應(yīng)不一致，但這不會影響對消效果。

5 射頻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)場景如圖3所示，干擾信號經(jīng)P波段天線發(fā)射，在開放空間傳輸后經(jīng)過接收通道處理，送數(shù)字射頻存儲器(DRFM)模塊采樣和存儲。由于天線、模擬濾波器和放大器的加入，整個系統(tǒng)的非線性特性非常強(qiáng)，使得系統(tǒng)函數(shù)的能量并非十分聚集，擴(kuò)展至很遠(yuǎn)。

在射頻實(shí)驗(yàn)中，估計的系統(tǒng)函數(shù)如圖4所示。

從圖中可以看出，系統(tǒng)函數(shù)遠(yuǎn)端的系數(shù)較大，由于硬件資源有限，取其中能量最大的160點(diǎn)區(qū)間，作為濾波器的系數(shù)。

干擾機(jī)自身產(chǎn)生260～270MHz的寬帶信號，接收240MHz點(diǎn)頻信號，其中圖5為對消前后頻譜，圖6為前后疊加對比。

可以看出，此硬件驗(yàn)證系統(tǒng)可以將干擾機(jī)自身產(chǎn)生的信號抑制25～30dB，外界接收到的信號基本無變化。

在另一種條件下，干擾機(jī)接收到信號源輸入的240MHz點(diǎn)頻信號，干擾機(jī)對信號進(jìn)行處理，疊加雙邊帶400kHz的頻偏，然后發(fā)射。其中圖7為對消前后頻譜，圖8為對消前后頻譜的局部放大。

可以看出，接收到的240MHz點(diǎn)頻信號基本未受影響，而產(chǎn)生的400kHz頻偏的干擾信號可以抑制掉32dB。

6 結(jié)束語

天線收發(fā)隔離度是制約電子戰(zhàn)設(shè)備干擾效能發(fā)揮的重要因素之一。本文在分析耦合信號特征的基礎(chǔ)上，提出了一種基于系統(tǒng)辨識的干擾信號對消方法，通過仿真分析和實(shí)物試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)辨識方法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)對消的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電子戰(zhàn)設(shè)備所處環(huán)境發(fā)生變化，耦合通路的傳遞函數(shù)特性也會發(fā)生緩慢變化，系統(tǒng)設(shè)計時需要產(chǎn)生寬帶掃頻信號，周期性地對耦合通路進(jìn)行修正，使系統(tǒng)辨識的傳遞函數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)，從而在大功率發(fā)射的情況下，也能夠保證偵察接收機(jī)的靈敏度，進(jìn)而保證了電子戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

[1] 趙國慶.雷達(dá)對抗原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1999.

[2] 張凱,王建業(yè),馮增輝.基于自適應(yīng)系統(tǒng)辨識的收發(fā)隔離技術(shù)研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2010,38(1)：77-80.

[3] 馮存前,張永順.提高收發(fā)隔離度的自適應(yīng)對消技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2004,26(2)：61-63.

[4] 曾茂生.提高電子戰(zhàn)系統(tǒng)收發(fā)隔離方法的研究[J].艦船電子對抗,2008,32(1)：54-55,76.

[5] 宋月麗,黎仁剛.雷達(dá)對抗系統(tǒng)收發(fā)隔離技術(shù)研究[J].艦船電子對抗,2012,35(1)：20-24.

[6] 田海林,王海平,馮存前.機(jī)載電子干擾機(jī)自適應(yīng)收發(fā)隔離技術(shù)研究及仿真[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2006,26(4)：405-407.

[7] 劉連柱,金吉學(xué).系統(tǒng)收發(fā)隔離解決方法探討[J].電子對抗,2006,108(3)：43-45.

[8] 陳方予,宋勇輝,李明.一種在調(diào)制域上實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)收發(fā)隔離的方法[J].航天電子對抗,2007,23(6)：45- 48.

Research into Jamming Cancellation Technique Based on System Identification

WANG Qiang，GUO Bo

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210013,China)

Transmitter-receiver isolation is forever a key technique of electronic warfare (EW) system.The jamming signals radiated by the transmitter are probably coupled into the reconnaissance receiver without enough isolation,which makes the receiver operate abnormally even generate self-excited phenomenon.This paper analyzes the advantages and disadvantage of conventional techniques of transmitter-receiver isolation improvement and adaptive jamming canceling,presents a novel jamming canceling method based on system identification,utilizes the linear time invariance of jamming coupling channel to fit the transmission function of jamming coupling channel.The simulation and experiment results indicate that the proposed method can cancel various jamming signals,at the same time preserve the received radar signals,and can satisfy the isolation requirements of EW system.

isolation between receiver and transmitter；system identification；jamming cancellation

2016-07-04

TN973.3

A

CN32-1413(2017)01-0008-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.002