DBF技術(shù)在米波雷達中的應(yīng)用

廉丹

摘要：本文結(jié)合米波雷達系統(tǒng)，對DBF技術(shù)進行應(yīng)用研究。采用一種合成寬零陷天線方向圖抑制干擾的方法，降低了期望方向圖主波束的畸變程度，有利于信號的后續(xù)處理。權(quán)系數(shù)計算是DBF體制雷達的核心。為節(jié)省權(quán)系數(shù)應(yīng)用期間的系統(tǒng)開銷，依據(jù)系統(tǒng)及算法自身特點，提出了采用權(quán)值修正的方法更新權(quán)系數(shù)，實現(xiàn)簡單且避免了重復求解加權(quán)系數(shù)。計算機仿真結(jié)果表明了本文所述方法的可行性，達到在抗干擾的同時保持主瓣形狀的目的。

關(guān)鍵詞：方向圖合成；抗干擾；寬零陷；權(quán)系數(shù)

1引言

DBF （Digiatl Beam Forming）技術(shù)是一種以數(shù)字方法進行加權(quán)運算來實現(xiàn)波束形成的技術(shù)。權(quán)值根據(jù)陣元采樣數(shù)據(jù)，運用某種自適應(yīng)方法進行更新，從而使接收或發(fā)射波束具有特定的形狀和期望的零點。DBF在基帶上保留了天線陣列單元信號的全部信息，因而可以采用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)對其進行處理，以獲得優(yōu)良的波束性能[1]。采用DBF體制的米波雷達， 可實現(xiàn)同時多波束，波束控制靈活方便，有很強電子戰(zhàn)能力。此外，該體制雷達易于實現(xiàn)低副瓣波束和自適應(yīng)零點，從而改善傳統(tǒng)體制米波雷達在測量方位精度、抗干擾能力等方面固有的缺點[2]。所以，DBF技術(shù)在雷達應(yīng)用中具有重要意義。

2 DBF技術(shù)應(yīng)用

DBF體制的雷達在抗干擾的同時實現(xiàn)多波束。針對在方位上有一定范圍的干擾，采用寬零陷合成算法抑制干擾。當約束的零陷區(qū)間寬度足夠小時，該算法也可以用來合成單純零點。當天線存在幅相誤差時，只需要對算法中的理想約束矩陣進行相應(yīng)的修正， 就可以消除幅相誤差對零點的不利影響[3]。寬零陷合成算法使得在抑制干擾的同時達到主波束保形。

2.1寬零陷的線性約束算法

假設(shè)窄帶系統(tǒng)的接收陣列由N個無方向性的陣元組成，其方向函數(shù)就應(yīng)為

（1）

其中，W為波束系數(shù)向量， 是與陣列參數(shù)和信號波長有關(guān)的陣列信號矢量，上標H和T分別表示矩陣或向量的共軛轉(zhuǎn)置和轉(zhuǎn)置。那么θ方向來的單位信號源在該陣列波束形成后的輸出功率為

（2）

因此，假設(shè)在區(qū)間 上連續(xù)布滿了單位信號源，波束寬零陷的物理意義就是能將某一區(qū)間的干擾信號抑制到某一所希望的強度以下， 因此合成具有指定零點的方向圖可以視為下式的最優(yōu)化問題[4]稱為約束矩陣；W是一常規(guī)的波束系數(shù)，它包含了我們對主波束指向以及旁瓣電平的期望； 為功率抑制系數(shù)，與期望的干擾抑制后剩余功率的比率相關(guān)。

本文直接基于約束矩陣的特征分解導出其數(shù)值解法。由于 為Hermite矩陣，因此它能夠做如下特征分解為了抑制干擾，我們讓W與 個較大特征值對應(yīng)的特征向量正交， 對于歸一化的波束系數(shù)， 為了求解W，構(gòu)造函數(shù)：

（3）

則W滿足式（3）中最小值時，L對W 的導數(shù)應(yīng)為零，即

（4）

為單位矩陣，上式即為所要求解的波束系數(shù)。

2.2 DBF權(quán)系數(shù)更新處理

權(quán)系數(shù)計算是整個DBF處理的核心部分。它根據(jù)天線陣面上各陣元接收到的回波信號計算權(quán)重系數(shù)，利用該權(quán)重系數(shù)對各陣元接收到的回波信號進行權(quán)重處理，形成多個獨立天線波束的輸出。這些天線波束的主瓣對準目標方向，零陷對準干擾方向。因此，DBF處理器需要完成對天線各陣元接收到的回波信號的大量的、實時的信號處理工作。

上述基于特征分解的零陷加寬的波束形成算法，其每次求解權(quán)系數(shù)都需占用很長時間。為節(jié)省時間和系統(tǒng)資源采用下述方法進行權(quán)系數(shù)更新。

雷達工作時，天線掃描方向改變，而干擾位置一般不變或慢變，因此可以考慮在上次權(quán)系數(shù)的基礎(chǔ)上通過簡單修正更新權(quán)系數(shù)。這樣就可以應(yīng)用很少的運算實現(xiàn)權(quán)系數(shù)的更新，降低運算量，節(jié)省系統(tǒng)開銷。分析權(quán)系數(shù)計算式，該式由兩部分組成其中W0與掃描方向有關(guān)，而D只與干擾方向有關(guān)。故可應(yīng)用下式更新權(quán)系數(shù)：

（5）

其中 和 分別更新前后的掃描方向。

3 仿真結(jié)果

為驗證本文方法的有效性，作以下計算機仿真分析：16陣元的均勻線陣，天線間距與波長比為0.5，零陷的約束區(qū)間在40度到50度。期望權(quán)值 設(shè)為波束指向-10度，旁瓣電平-30dB的Chebyshev波束系數(shù)。由圖1可以看出約束區(qū)間形成較寬的零陷，且能夠較好的保持期望方向圖的主瓣特性，但在約束區(qū)間兩邊的旁瓣會抬高。圖2為采用式（5）進行權(quán)系數(shù)更新方法合成的寬零陷方向圖，更新前天線指向為-10度，更新后為天線指向-20度，更新前后零陷區(qū)間未變。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合一種寬零陷方向圖的合成方法，闡述了DBF技術(shù)在米波雷達中的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明了上述算法的可行性。該方法可以在較寬方向上抑制干擾，很大程度上削弱干擾方向擾動對性能影響，同時降低了方向圖的畸變程度，成功的保證了主波束形狀，有利于后續(xù)處理，具有實用意義。工程實際應(yīng)用中， 采用上述權(quán)系數(shù)更新方法可以減少計算權(quán)系數(shù)的時間開銷。

參考文獻：

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[3]李高鵬，許榮慶，馬子龍.天線單元存在幅相不一致性時的波束零點合成技術(shù).電子學報，2005， 33（6）： 1150～ 1151

[4]莊龍，朱炳元.一種改進的寬零陷天線方向圖合成方法. 現(xiàn)代雷達，1990， 26 （12） ： 60 ～ 62