基于子帶劃分和子帶綜合的自適應干擾對消技術

摘 要在雷達和電子對抗領域，寬帶信號得到越來越廣泛的應用。針對寬帶系統抗干擾，分析基于子帶劃分和子帶綜合的自適應對消方法對干擾信號的對消能力，利用采集數據進行了仿真分析，并提出了工程實現方法。

【關鍵詞】寬帶信號 自適應開環對消 子帶劃分 子帶綜合 FPGA DSP

1 引言

在雷達和電子對抗領域，寬帶信號得到越來越廣泛的應用，為適應現代電子戰的需要，寬帶系統必須具有好的抗干擾能力和自適應能力[1，2]。針對寬帶系統中的干擾信號影響信號檢測的問題，傳統的窄帶、非自適應干擾對消方法顯然已不再適用[3，4]。本文采用基于子帶劃分和子帶綜合的自適應開環干擾對消方法，對實測數據進行對消仿真，并對劃分的子帶個數對對消性能影響展開分析，進一步論證了工程實現的可行性。

2 原理分析

自適應開環對消工作原理如圖1所示，系統由一個高增益的天線（主天線）和一個或多個低增益的全向性天線（輔助天線）構成，輔助天線的增益應與主天線的第一旁瓣增益相當。目標信號和干擾信號同時到達主天線和輔天線。主天線中有目標信號也有干擾信號，而輔天線中也是有目標信號和干擾信號。主天線是強方向性天線，而輔天線一般是無方向性天線，主天線在目標方向的增益遠大于輔天線在目標方向的增益。自適應處理器根據主、輔天線接收的信號計算出一組自適應權系數W，調節輔助天線的幅度與相位，從而在有源干擾方向自適應形成零點，達到抑制有源干擾的目的。

圖1中y（t）表示在t時刻主天線上的采樣電壓矢量，X1（t）、X2（t）…XN（t）為各輔助天線接收信號，N為輔助天線數。

XT=（X1（t），X2（t），…XN（t）） （1）

表示t時刻輔助通道接收電壓矢量，上標T表示轉置操作。

表示由相應算法得出的最優加權值矢量。

WT=（W1，W2，…WN） （2）

（3）

對消剩余信號由下式給出：

計算最優權值的準則是使剩余功率最小，即最小均方準則（LMS），它的統計表示為：

（4）

其中R0=E（X×y*（t））表示主通道干擾矢量與輔助通道干擾矢量形成的互相關矩陣；

R=E（X×XH）表示各輔助通道干擾矢量形成的協方差矩陣。

對（4）式兩側分別對權值矢量W中的每一個分量W1*，W2*，…WN*做求導運算，并且使偏導結果為零，這樣能使剩余功率最小。

求偏導的過程

，其中K=1，2，…N，根據上述N次求偏導運算，最終得到自適應旁瓣對消的最優權值表達式為：

R×Wopt=R0 （5）

Wopt叫Wiener權系數矢量。根據Wiener-hopf方程，同時對主輔通道進行采樣，然后形成互相關矩陣和協方差矩陣，從而求出自適應權值，調節輔助通道的幅度與相位，再與主通道信號進行疊加，完成對消運算，達到抑制有源干擾的目的。

以一個主通道和四個輔助天線構成的自適應旁瓣對消器為例。

y（t）為主天線接收信號，X1（t）、X2（t）、X3（t）、X4（t）分別為輔助天線1、2、3，4的接收信號，對消剩余信號為r（t），根據旁瓣對消原理，自適應權值滿足（5）式。根據式（5）求解出自適應權值W，則對消剩余信號r（t）為：

自適應旁瓣對消的運算量主要為自適應權值的計算和主輔通道的對消，自適應權值計算的過程是對主、輔通道分別進行采樣，求出自適應權值。然后按式（6）進行主輔通道的對消，達到抑制干擾的目的。

（6）

3 實測數據分析

3.1 數據采集

利用信號源在遠場通過射頻前端注入點頻信號、線性調頻信號，通過功分器分發到1個主天線和3個輔助天線；采集系統利用FPGA校正和信道化后的每個天線的1個信號信道，數據率為20MHz，每個信道采集16384個數據，即819.2us，同時考慮系統的余量，可以實現大于300us的數據存儲，滿足數據分析要求。

3.2 噪聲門限確定

利用采集系統，間斷輸入信號得出噪聲值，近場輻射噪聲均值為26.8016 dB。

3.3 對消仿真

采集系統載頻范圍2～3.5GHz，一個信道帶寬為20MHz，不足信號帶寬的1%，遠小于信號帶寬小于載頻10%的，可以近似認為是信道化輸出是窄帶信號。以下針對遠場輻射信號采取劃分不同子帶個數、不同的輔助通道數進行分析。

輸入信號參數為脈寬2us，信號帶寬20M，信號中心頻點2.4G，主通道干噪比不小于40 dB。自適應干擾對消處理流程如圖2。

對輸入的數據對齊后，分別做信道化處理，再分別對每個信道做子帶劃分處理。主通道和輔助通道劃分子帶后數據做自適應對消處理，對消處理結果，經過子帶綜合模塊，恢復成信道化處理后的一個信道數據，完成基于子帶劃分和子帶綜合的自適應干擾對消處理。下圖2分別為一個信道信號的頻譜和選擇不同劃分子帶個數、不同輔助通道個數，自適應干擾對消后的時域和頻域圖。

從圖3仿真結果可以看出，輔助通道個數越多或者子帶劃分越細（子帶個數越多），干擾對消的結果越好。

4 工程實現

工程實現上采用FPGA+DSP 的處理架構。對輸入的寬帶數據對齊和信道化處理，并將信道化后數據送入DSP計算對消自適應權系數，利用該自適應系數和信道化數據，做開環自適應對消。

在FPGA上完成數據對齊、信道化處理、數據采集并送DSP、自適應對消處理；DSP主要任務是計算旁瓣對消自適應權系數，在響應外部中斷，進入中斷程序后，首先是把上一個周期的權系數送出去，然后讀取FPGA中的當前周期數據，存入內部寄存器后，進行復數自相關矩陣、復數自相關矩陣求逆、復數互相關矩陣、逆矩陣與互相關矩陣相乘等運算。其中DSP計算旁瓣對消權系數流程如圖4所示。

5 結論

綜合仿真分析結果，對20M帶寬數據，基于子帶劃分和子帶綜合的自適應對消方法能有效抑制干擾，且選取輔助通道越多、劃分子帶的個數越多對對消比越有改善。而在具體的工程實現中，則需要綜合考量指標要求和硬件成本，選取合適的輔助通道個數和劃分子帶的個數，以期達到抑制干擾、檢測信號的目的。

參考文獻

[1]趙國慶.雷達對抗原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2012（09）.

[2]Brookner E.Phased-array radar[J] Scientific American，1985，252（02）：94-102.

[3]李會勇.基于L波段相控陣雷達的旁瓣對消算法研究與實現[D].成都：電子科技大學，2013：20-23.

[4]曹運合，齊飛林.寬帶相控陣子陣劃分及自適應干擾對消技術[J].中國電子科學研究院學報，2010（04）：337.

作者簡介

萬衛華（1979-），男，高級工程師。研究方向為雷達信號處理和電子對抗信號處理。

作者單位

中國電子科技集團公司第38研究所 孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室 安徽省合肥市 230088