一種穩健的自適應旁瓣相消技術

官林海

摘要

自適應旁瓣相消技術是一種有效的抗干擾手段，在理想情況下，自適應旁瓣相消技術能有效抑制干擾而保留期望信號，從而使相消后的信干噪比達到最大。但是在實際應用中，因為干擾相對天線位置的抖動、接收單元幅相特性差異等必然存在，導致常規旁瓣相消措施在工程應用中效果欠佳，針對這些不足之處，本文提出了一種穩健的干擾抑制技術，通過零陷展寬，有效增強雷達的抗干擾性能。并利用該方法對外場實錄數據進行處理仿真，結果表明該抗干擾策略可以達到良好的抗干擾效果，與常規旁瓣相消方法相比，可顯著提高雷達抑制干擾的性能。

【關鍵詞】旁瓣相消 抗干擾 零陷展寬 自適應

1 引言

隨著電子信息技術的飛速發展，電子戰將貫穿現代戰爭的始終，成為現代信息戰爭的核心作戰模式。而地面情報雷達作為一種提供戰場信息的主要工具，其電子對抗能力，即在現代復雜電磁環境下，對抗電子干擾，持續有效獲得空中情報的能力至關重要。

為有效對抗外部干擾，雷達研究人員己經提出了多種抗干擾措施，自適應旁瓣相消技術是其中一種有效的抗干擾手段，它利用一個或多個輔助天線與主天線同時接收干擾信號，通過對輔助天線的接收信號做加權求和處理，得到與主天線接收到的干擾信號特性相一致的干擾信號副本，并將其與主天線接收到的干擾信號對消，從而抑制從接收天線旁瓣進入雷達的干擾信號。

自適應旁瓣相消技術的基本原理，研究已經比較成熟。在常規的干擾樣本選擇方案中，選擇回波信號遠區的一段信號作為干擾樣本，用來計算旁瓣相消的權值，然后用該權值完成當前脈沖周期內的旁瓣相消工作。但在實際應用中，想得到穩健的抗干擾性能，還有許多問題需要解決，主要有以下幾個：

（1）隨著雷達的轉動，干擾的角度隨著時間連續變化，遠區樣本點計算得到的權值對于近區的干擾是失配的。

（2）在常規的樣本選擇方案中存在著一種假設，在整個接收回波中都存在干擾，即在遠區選擇的樣本一定為干擾樣本。在實際情況中，可能存在著遠區沒有干擾，或者，選取的樣本點中只含有少量的干擾樣本，其余的樣本為無意義的通道噪聲樣本。在這種情況下選取的樣本是不能很好地完成對消的。

（3）常規的旁瓣相消方案只用來抑制壓制式噪聲干擾，對于密集假目標干擾沒有很好的抑制效果;而穩健的旁瓣相消技術可以很好地對密集假目標進行抑制。

本文提出了一種穩健的自適應旁瓣相消抗干擾方法，可以通過零陷展寬方法，有效增強抗干擾性能。

2 基于零陷展寬的自適應旁瓣相消方法

自適應旁瓣相消算法能在很大程度上提高系統的輸出信噪比，然而在一般的窄帶情況下，旁瓣相消算法所形成的干擾零陷非常窄，并且十分陡峭。由于處理速度及實時性要求等條件的限制，自適應權值的更新速度可能滯后于干擾相對于雷達接收平臺移動的速度，即干擾源位置可能移出天線方向圖的零陷位置，導致雷達抗干擾性能下降。此時如果可以適當加寬零陷，就可以有效提高雷達抗干擾性能。

設陣列接收數據向量為：

則自適應旁瓣相消器輸出如公式為：

其中自適應權值計算公式為：

其中，為主天線合成信號，為輔助天線接收數據向量。

現有文獻已經指出，零陷的展寬可以通過對接收數據的擾動實現，但這也將導致接收數據協方差矩陣的大特征值的個數增加。因此，為有效抑制干擾，還需要提供足夠的自適應自由度。

經過理論分析，若要將一個零陷展寬w寬度，則對于均勻線陣，其所需要的自適應自由度D為：

其中，W是在以角度的sin值為橫坐標的天線方向圖中、以零陷位置為中心左右等寬的展寬寬度，N為天線單元數，d為單元間距，λ為接收信號波長。基于零陷加寬的自適應旁瓣相消技術處理框圖如圖1所示。

3 基于零陷展寬的自適應旁瓣相消方法的工程應用

雷達工程應用中，由于天線陣面一直在轉動，干擾相對于雷達接收天線的相對位置是有所變化的，即每一個脈沖之間，干擾的位置不同。如果在一個相參處理間隔里，使用相同的權值對消每一個接收脈沖數據中的干擾信號，則計算權值的樣本自身就帶有擾動，自適應旁瓣相消器方向圖會自動形成寬零陷，無需人為展寬。此時只要提供所需的自由度，即可有效提高雷達的抗干擾性能。實際工作中，為保證對消性能，往往預先估計出干擾角度，使輔助天線陣形成的輔助波束指向干擾信號，再與主天線陣指向期望信號的主波束進行自適應干擾對消。

具體步驟如下：

（1）根據天線轉速、相參處理間隔以及預估干擾角度，計算出零陷需要展寬的寬度W。

（2）根據展寬寬度W，計算雷達所需自由度

（3）根據輔助陣單元個數M及雷達所需自由度個數D，將輔助陣劃分為若干個子陣，并各自合成指向干擾方向的子波束。

（4）根據旁瓣相消公式，利用陣列接收數據，計算自適應權值W_ASLC。

某雷達接收天線為均勻線陣，共有N=128個單元。其中，中間L=64個單元作為主天線陣，兩側各有M/2=32個單元，作為輔助天線陣。單元間距為d=λ/2。雷達轉速為v-0.27crad/s。雷達發射脈沖持續時間T=2ms，脈沖重復周期PRT=20ms，帶寬為B=2MHz，則在基帶以奈奎斯特采樣率采樣，采樣頻率f=B。一個相參處理間隔包含個脈沖。用所有脈沖重復間隔內的接收數據計算出的自適應權對消相參處理間隔內所有接收數據，則α=1。入射角度θ₁=35°方向有一個干擾，干噪比JNR=30dB。

計算可得零陷需要展寬寬度W=0.0601，所需自由度為D=5。輔助陣劃分方案為{16，16，10，11，11}，則仿真得到自適應旁瓣相消器的方向圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，在提供所需的自由度條件下，接收數據計算出的權矢量，本身就可以產生一個寬零陷，能夠有效抑制干擾，提高雷達相消性能。

同樣為驗證自適應自由度計算公式在當前背景下的適用性，分別計算出自由度為1到64時，雷達的輸出信干噪比，并重復100次取平均值，仿真結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，輸出信干噪比隨自由度的增加先增大，后基本不變。根據自由度公式計算出的零陷展寬所需要的自由度的最小值，即D=5，接近輸出信干噪比的最大值，可以滿足實驗所需。

進一步，畫出不同自由度下的權矢量方向圖，如圖4所示。

從圖4中可以看出，方向圖展寬零陷的深度隨自適應自由度增加而增加，而后基本不變，但自由度過高時，旁瓣電平有所抬高。

4 旁瓣相消抗干擾試驗

為驗證本文提出的穩健旁瓣相消技術的可行性，我們在某雷達設備上進行試驗，對于噪聲干擾和密集假目標干擾，分別采用常規旁瓣相消技術和穩健旁瓣相消技術進行干擾抑制，比較兩種方法對應的抑制效果。

試驗后對錄取的原始數據進行脈壓后處理，得到主通道對消前，主通道常規旁瓣相消后以及穩健旁瓣相消后的剩余功率對比結果如圖5。

從圖5中可見，穩健旁瓣相消處理可以改善常規旁瓣相消的性能，然而，主通道剩余功率對比圖中沒有涉及分段相關的方法，這是由于分段的方法需要進行歸一化，對剩余的平均功率有影響，故以平均剩余功率為評價準則較為不合理，故人為加入模擬目標，以輸出信干噪比為評價準則，對脈壓后原始數據進行處理，并且對主通道對消前、常規旁瓣相消技術以及穩健旁瓣相消處理后輸出信干噪比的對比如圖6.

從圖6中可以看出，圖中相消前部分點輸出信干噪比較大，例如290度方位附近，從剩余功率方向圖中可以看出，這是原方向圖中該點附近接收干擾較小所導致的。從對比圖6中可以看出：采用穩健相消方法可以提高輸出信干噪比約20dB。

5 結論

通過以上對常規旁瓣相消和穩健旁瓣相消抗干擾方法的討論可以得出結論，通過已知的雷達參數計算出雷達所需自由度，再選擇適當的方法，將脈沖重復周期進行分段，在各段中分別選擇檢測到的干擾樣本，形成自適應對消權值，對主通道本段進行對消，能夠保證干擾對消性能更加穩定。與常規旁瓣相消方法相比，該抗干擾方法可以有效提高雷達抑制干擾的性能。

參考文獻

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