半主動雷達導引頭直達波對消抑制技術*

邱海賓，朱 龍，范孟秋

(中國電子科技集團公司第29研究所，成都 610036)

0 引言

半主動體制的防空導彈同時兼備了主動尋的彈與被動尋的彈的優勢，可盡大程度減少彈本身被截獲的概率，具備一定的隱身打擊能力。同時，由于其作戰距離遠，硬件成本低，技術難度小等特點，其已發展成為現代防空武器的重要組成部分[1]。

半主動雷達導引頭的作用距離主要依賴于地面雷達的照射功率。針對隱身目標，需要大大增強照射器照射功率來換取作用距離。同時，需要選擇低頻段導引頭來保證一定的探測能力。但在空間有限的情況下，低頻段天線很難做到低副瓣和后瓣。這會導致從導引頭回波天線后瓣或者后副瓣進來的直達波非常大，剩余直達波雜散功率足以淹沒真實目標回波信號，導致虛警增高，同時大大降低系統的探測靈敏度。

根據半主動導引頭天線布局特征，文中創造性地引入空域對消方法來解決這一難題，以直波天線為輔助通道，回波天線為主通道提出基于空域置零的后瓣對消技術，將回波天線后瓣進來的強信號自適應的進行空域置零，使得強直達波對目標回波的影響降到最低。通過半實物仿真試驗，充分證明了此方法的可行性以及工程實現性。

1 半主動雷達導引頭工作原理

1.1 半主動導彈工作機理

半主動導彈頭部裝有接收目標回波的導引頭天線，尾部裝有接收照射參考信號的直波天線。其工作機制如圖1所示，回波通道除了接收目標回波信號外，一般情況下，在不同彈體姿態下，還會接收到從主瓣、旁瓣進來的來自地物的雜波信號，以及從后瓣進來的強直達波信號。

假定導彈與目標均在照射器主波束內，利用直達波信號作為匹配樣本，并對平臺彈速進行補償，則得到的處理后多普勒頻率分布區間如圖2所示。

圖1 半主動導彈雜波模型

圖2 速度補償后半主動導彈多普勒分布模型

經速度補償后，最強的直達波被搬移到零頻附近，導引頭上視情況下，地物雜波主要集中0.5倍彈速到1倍彈速之間的頻率區域，而目標處在彈目徑向速度所對應的頻率范圍內。

1.2 強直達波抑制問題

以典型近距半主動隱身目標攔截彈為列，如圖3所示，某波段目標RCS為0.05 m2，假定導彈發射后距地面制導雷達Rm=10 km時，照射器開始照射，此時彈目距Rt=20 km。將照射功率歸一化到0 dBm，考慮回波天線35 dB的主后瓣比(主瓣增益歸一化為0 dB，則后瓣增益為-35 dB)，從回波天線前向入射的目標回波信號強度為：

Pm=0-lg(4π(Rm+Rt)2)+lg(RCS)-

lg(4πRt2)=-211 dBm

(1)

回波天線后向入射的直達波信號強度Pz為：

(2)

回波通道的直達波比目標回波強度大：

Pz-Pm=85 dBm

(3)

對導引頭信號處理過程進行仿真，設定地面照射器發射信號雜散為70 dBc。由于導引頭多采取高重頻波形，目標有極大可能折疊到直達波距離單元上，目標回波與直達波信號在同一距離單元上的頻域分布特性如圖4所示(只采用常規MTI方式進行直波抑制)。

可以看出，在直達波抑制前，目標信號(綠實圈標示)和雜散信號(紅虛圈標示)全部被直達波旁瓣淹沒，經過50 dBc的濾波、相參處理后，零頻附近的雜波信號得到較深的抑制，但是直達波的高頻雜散沒得到任何改善，比目標信號強度高15 dB左右，造成檢測虛警，嚴重影響系統靈敏度，可以預見，如果發射信號雜散指標惡化(低于70 dBc的影響會更加嚴重)。

圖3 半主動導彈雷達距離模型

圖4 MTI直波抑制前后回波通道信號頻譜對比

所以，針對隱身目標的半主動導引頭必須采取措施對后向入射的強直達波進行更深的抑制，除了上述對零頻直達波信號采取高通濾波的方式以外，一般比較常見也容易實現的還有以下幾種方法：

a)盡量采用低后瓣回波天線，提高主后瓣比。然而，針對隱身目標的低頻段天線，主后瓣比很難做高，目前比較常見的為35 dBc向入射信號抑制有限；

b)距離上進行保護，即在直達波脈沖持續期間，將回波通道關斷，雖可以避免直波入射，但對于彈上高重頻工作方式而言，這種方法會帶來大量盲距，不利于對目標的穩定跟蹤。

c)地面照射器增加自動增益控制AGC(automatic gain control)功能，在近區降低照射功率，中遠端再逐步推高功率。此方案會帶來導引頭目標探測距離的損失，導彈防御系統的戰斗力得到削弱，得不償失。

基于以上分析，文中提出了利用空域對消技術進行回波天線后瓣直達波抑制的探索性嘗試。

2 基于后瓣對消的直達波抑制技術

2.1 直達波后瓣對消技術

文中提出的后瓣對消(back-lobe cancellation，BLC)是基于旁瓣對消(side-lobe cancellation，SLC)的一種空域自適應濾波算法[2]。

直達波后瓣對消技術以裝在導彈尾部的直波天線構成唯一的一個輔助通道，導彈頭部的導引頭天線為主通道，利用主、輔天線接收的不同方向信號的相關性，根據最小均方誤差準則實時地調整直波通道的相位、幅度加權，用加權后的直波天線輸入信號與主天線接收信號相減，自適應地形成波束圖后瓣零點，達到從空域上抑制直達波的目的。相比較傳統的旁瓣對消，直達波對消主要是對后瓣入射信號進行抑制，文中稱之為后瓣對消(BLC)。

基于工程較為常用的開環對消方式[3]，圖5給出了開環自適應后瓣對消原理圖。

圖5 后瓣直波對消原理

X表示導彈前端的導引頭回波主天線接收的主信號；Y表示導彈尾部直波天線接收到的輔助信號，W為加權系數，Vo表示對消輸出，數學表達式寫為:

Vo=X-WHY

(4)

式中：H表示共軛轉置，式(5)中，*表示共軛不轉置。采用最小均方 (LMS)準則[4]，可得到：

E{(X-WHY)(X*-YHW)}=

(5)

RYX表示主通道和輔助通道的互相關矩陣，RYY表示輔助通道的自相關函數矩陣，對于平穩隨機過程，式(5)具有唯一極小點。均方誤差P的梯度可以由式(5)對權矢量的各Wj進行微分得到，即：

-2RYX+2(RYYW)

(6)

(7)

由式(7)求出的最優權值，能夠保證后瓣對消后的直達波剩余功率最小[5]。

2.2 主、輔天線存在法向偏角時的對消模型

在半主動導引頭系統中，回波天線和直波天線是分開安裝的。直波天線法線方向沿彈體縱軸固定，回波天線在彈體頭部，在跟蹤情況下，其法線方向一般指向目標，并隨目標角度變化而變化，不一定與彈體縱軸重合，為便于分析，假設彈體與彈目線只作相對慣性坐標系的俯仰運動(方位運動分析方法相同)，則導引頭跟蹤幾何模型[6]如圖6所示。

圖6 半主動導引頭天線位置模型

圖6模型中，α表示導彈的姿態俯仰角。γ為回波天線法向與彈體縱軸夾角。β為直達波入射方向相對地面慣性基準角度。經過轉化，得到直達波在直波天線中的入射方向θD以及在直波天線中的入射方向θE分別為：

θD=α+β

(8)

θE=α+β+γ

(9)

為了得到這這種情況下的對消表達式，將式(4)中直波天線接收到的信號Y修正為Y′：

Y′=YWθE/WθD

(10)

式中：WθE與WθD分別表示直波天線在θE方向與θD方向上的空間響應矢量，WθE/WθD為方向修正因子計為μ。

結合式(4)、式(7)、式(10) 得后瓣對消最終表達式為：

X-((μμ*RYY)-1×μRYX)HμY=

(11)

式(11)中方向修正因子已經被化簡掉，其表達式和式(4)完全一致。理論上可以說明，即使回波天線與主天線存在偏角，只要在一個對消周期內，這個偏角固定，可直接使用直波通道接收到的數據對回波通道進行對消，且不會對對消效果產生影響，這正體現了對消算法的自適應過程。

3 后瓣對消性能仿真分析

本節結合仿真天線模型，對基于后瓣對消的直達波抑制算法進行仿真。特別對直波天線與回波天線法向存在偏角時的情形進行仿真比對實驗。圖7、圖8分別給出兩個天線方向圖響應曲線。

圖7 回波天線模型及其方向圖響應

圖8 直波天線模型及其方向圖響應

由于直波天線安裝在彈體尾部，其法向沿導彈縱軸向后，在與回波天線同坐標系定義下(0°為前向)，法向轉化到-180°方向。根據圖3所示場景設置仿真參數：目標RCS=0.05 m2、Rm=10 km、Rt=20 km，照射信號雜散-70 dBm，照射ERP為10 MW，AD輸入端接收機噪底-50 dBm。

3.1 直波、回波天線法向重合時的對消性能

這種情形下，如圖6模型所示，回波天線與直波天線法向偏角γ為0°，則直達波在兩個天線上的入射角θD和θE相同，設定為170°，設定目標信號從回波天線法向0°入射。經脈沖壓縮，雜波抑制(使用80階高通濾波，抑制能力50 dB)，相參積累處理，對對消前后回波通道信號的空、頻域特征進行仿真分析。

圖9 主、輔天線法向重合時的后瓣對消能力

圖9中，不做BLC對消處理的情況下，即使經過了50 dB的雜波抑制，剩余直達波雜散(圖9(b)中紅色虛圈所示)仍高于目標信號(圖9(b)綠色實圈所示)約21 dB左右。經過后瓣對消處理后，回波通道在170°方向上自適應地形成了深凹口(約80 dB左右)，直達波入射能量被大大削弱，從抑制后的時域、頻域信號來看，直達波信號已經被抑制到了系統噪聲以下。而真實目標信號在對消前后能量沒有變化，其得益于對消后的回波天線方向圖在0°方向幾乎沒有任何損失。

3.2 直波、回波天線存在法向偏角時對消性能

如果假定回波天線與直波天線存在法向偏角γ=30°，根據圖6模型，直達波在直波天線上的入射角θD=170°，則在回波天線上的入射角度變為θE=-160°，目標信號還是從回波天線法向0°入射。仿真結果如圖10所示。

圖10 主、輔天線存在法向偏角30°時的后瓣對消能力

仿真結果表明，在夾角30°的情況下，經過對消處理后，還是在回波天線的強直達波方向上形成了凹坑，經過對消后的回波通道無損失地保留了系統噪聲和目標信號，結論與圖9一致。為了更充分說明法向夾角與對消性能的關系，在此基礎上仿真給出了不同夾角情況下對消加權后的回波通道空域響應，如圖11所示。

圖11 主、輔天線在不同法向偏角時的后瓣對消能力(空域響應)

仿真結果與文中2.2節理論分析相吻合，即使回波天線與主天線存在偏角，直達波從主、輔通道不同方向入射，利用基于自適應處理的后瓣對消技術，也可以對強直達波進行有效抑制，且抑制能力不隨偏角變化。

4 結論

文中提出的基于空域置零的后瓣對消技術，以直波天線為輔助通道，回波天線為主通道，對回波天線后瓣進來的強直達波信號進行自適應空域置零，當直波天線與回波天線存在法向夾角時，對消性能不會受到此夾角的影響。

經過半實物仿真，充分驗證了對消處理后的回波數據可最大程度消除強直達波雜散對目標回波的影響，大大降低虛警概率，提高半主動導引頭對隱身目標的探測靈敏度。該方法具備基礎理論支撐，工程實現性較強，為半主動導彈直波抑制難題提供了一個重要的解決手段。