一種兩維數字陣列干擾測向的快速方法

崔向陽 劉 穎 付學斌 田 歡 陳 亮 王愛榮

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.西安現代控制技術研究所 西安 710065)

0 引言

隨著電子戰技術的發展，雷達工作的電磁環境日益復雜，在檢測目標的同時，需要高效的對抗空間干擾。對有源干擾的感知和測量是雷達抗干擾的前提，干擾源定向技術通過對空間信號進行采樣處理，估計出輻射源的方位、俯仰信息，為抗干擾提供先驗信息。

對干擾源定向的常用方法主要有：

1)比幅測向法，即通過對偵查空間進行波束的全掃描，當波束掃描到干擾源時，利用比幅方法進行測角，這種方法對波束掃描及占用的系統資源都有要求；

2)相位干涉儀測向，利用鑒相方法來估計干擾源方向，這種方法需要基線長度有一定要求；

3)空間譜估計及超分辨的方法，方法以MUISC，ESPRIT等算法為代表，具有多角度分辨和高精度的特點，但是實現方式較為復雜。

與此同時，大規模數字處理器件的快速發展，更大規模的數字陣列雷達，越來越多地進入到了工程研制階段，為干擾測向提供了更多的可能性。干擾入射方向的估計，屬于波達方向估計的范疇。傳統的雷達，由于系統的自由度不夠，能夠采用的波達方向估計技術并不多。在數字陣列中對于波達方向的估計，如MUISC、ESPRIT等算法，這些算法雖然測角精度高，但是考慮到雷達工作的波束駐留時間很短，工程應用中受限于運算時間的要求難以實現，而對于兩維數字陣列，其復雜度進一步提高。

1 FFT進行空間DOA估計

對于一均勻線陣，其陣元個數為，其陣元間距為，為載波信號的波長。對于遠場個窄帶入射信號的時間平穩信號，其如入射角為，其第個陣元的輸出為

(1)

其中，=1,2,…,-1；()為入射信號。

對比FFT的表達式為

(2)

其中，FFT后第個譜峰對應的空間采樣點為；_FFT為FFT的點數，通過對應與FFT的關系，獲得空間采樣頻率，第譜峰對應的入射角度為

(3)

對于FFT估計的角度分辨率，其瑞利限(均勻線陣)由3 dB波束寬度決定為

(4)

2 兩維空間方向估計

兩維數字陣列其，分別為行、列陣元間距，行列陣元數分別為，，其全陣面接收的第個采樣快拍的數據矩陣為

(5)

本文中所提到的干擾測向方法，首先需要進行接收數據的選取。需要對兩維子陣平面中，選取一個“十字架”，見圖1所示，即中間的一行及一列，進行干擾測向。對于單個陣元，陣元的輻射的特性可近似認為為全向天線。這樣選取某一列的所有行，見式(6)所示。

(6)

則在方位維可近似認為全向波束，俯仰維為一維線陣，可以進行俯仰維干擾角度測向。同樣的，選取某一列的所有行，即

()=(0,()1,()…-1,())

(7)

則在俯仰維可近似認為全向波束，方位維為一維線陣，可以進行方位維干擾角度測向。

圖1 陣面陣元選取平臺示意圖

其對應的方位角和俯仰角分別為式(8)和式(9)所述，此角度為陣面坐標系下的錐掃描角，n_FFT為FFT點數。

其中方位角為

(8)

其中俯仰角為

(9)

3 空間方向匹配

為了提高估計的可信度，干擾估計需要對多次快拍進行處理，假設共采樣個快拍，(),=0,1,…,，為天線陣面“列”采樣點；(),=0,1…,，為天線陣面“行”采樣點。通常情況下，由于快拍采樣過程極短，入射干擾角度幾乎沒有變化，那么多次快拍之間干擾入射角度應該一致，即個干擾的入射角度為式(10)所示。

=[(0)(1) …()]

(10)

此外則測得的FFT后的峰值位置也應一致。個快拍個干擾入射對應的譜峰位置的信號如式(11)所示。

(11)

計算獲得方位維個干擾方向的次采樣快拍的記錄值為式(12)所示。

=[(0)(1) …()]

(12)

對應的譜峰位置的信號為式(13)所示。

(13)

對俯仰維譜峰信號的矩陣×，及方位維譜峰信號的矩陣×，進行自相關運算。獲得相關矩陣為式(14)所示。

(14)

構造與相關矩陣對應的角度匹配矩陣，該矩陣并不計算具體數值，而是通過對矩陣1×，1×進行與×矩陣相同的矩陣運算過程，生成角度查找表。如式(15)所示。

(15)

即(,)該點的方位角為()，俯仰角為()。

相關矩陣×幅度越大則表明相關性越大，即就是俯仰與方位角度配對程度越高。針對個干擾通過對相關矩陣×幅度排序后，獲得個極值。通過個極值在×矩陣中的獲得該極值數據的下標(,)，對比相關矩陣×與查找表×的對應關系，如圖2所示，從矩陣×中，根據坐標(,)，并找到個配對的干擾角度(，)，完成干擾角度配對。

圖2 角度配對示意圖

4 實現流程

首先，設計雷達系統工作時序，增加靜默偵查區，如圖3所示。干擾測向是為干擾對消提供角度先驗知識，所以在干擾測量時，如果有己方雷達的輻射信號進入干擾測量的通道，在對消時就會消去己方有用信號。所以需要在雷達發射周期中增加靜默區，此時不輻射電磁信號，僅接收信號(干擾)。此時雷達靜默工作，雷達陣面處于不發射僅接收狀態。

圖3 雷達工作時序示意圖

其次，在確定周圍環境無干擾時(如天線暗室環境)，對行(或列)采樣的快拍進行FFT，記錄雷達正常工作時，統計雷達靜默區的接收機噪聲電平，并根據系統需求，當正常工作時靜默區接收機噪聲電平大于某一值時認為系統受到干擾，其中值可由上位機參數控制或設置經驗值。正常工作時，如雷達靜默區偵聽到的信號高于門限一定數量時，判定為系統受到干擾。假設干擾的個數為個，通常設置為系統能夠處理的最大干擾個數，這取決于系統能夠對抗干擾的自由度和運算能力。

再次，按照第一，二章所述的方法。利用FFT方法進行干擾測向，充分利用數字陣列靈活的優勢，單獨處理“行”，“列”單次采樣快拍進行FFT運算，可以獲得方位、俯仰維指向干擾角度的FFT峰值點，記錄其幅度是否大于門限值。

最后，采用第三章節所述方法，對測出的兩維角度進行角度匹配，獲得最終的處理結果。

其處理流程見圖4所示，采用本文所述方法，在某研制雷達中取得了較好的測量結果。

圖4 處理流程示意圖

這里通過仿真設置兩個干擾源，其入射方向分別為：干擾1入射方位俯仰角為[-5,2]，干擾2入射方位俯仰角為[15,-15]。首先通過干擾估計可以獲得方位俯仰的分別指向見圖5所示，之后經過角度匹配的處理之后，獲得其真實指向，分別為[-4.99，2.08]，[15.02，-15.06]。

圖5 多次采樣快排進行FFT角度估計

實驗中，設置兩個干擾源，且分別使用點頻連續波和噪聲干擾兩種形式的干擾。由于實現條件限制，干擾源位置無法靈活變動，這里通過轉動天線伺服，測量獲得與天線法線偏離的角度后，通過讀取伺服轉動角度值并加到天線法線偏移值上，來獲得測量真值。這里俯仰測試0°和5°，方位測試-5°和5°，即天線法線與伺服碼盤0°對齊時，兩個干擾角度為[-5,0]，[5,5]。之后伺服方位每5°轉動測試一次，具體測試結果見表1所示。從表1能夠看到，對噪聲的干擾角度估計誤差大于對點頻的估計。噪聲類型干擾角度的估計誤差大約在0.3°，對點頻類型干擾角度的估計誤差小于0.1°。

表1 實際測試結果

5 結束語

本文通過增加雷達發射靜默周期，偵聽環境干擾，同時通過對接收的數據進行分析，根據設置的門限閾值，判定是否有干擾進入，同時通過FFT的方法快速形成方向圖，進行空域濾波搜索，獲得方位、俯仰維度的干擾指向角度，之后通過對干擾入射方向的數據進行相關估計，完成兩個維度的干擾角度配對處理，獲得配對后的干擾入射角的方位、俯仰兩維角度。具有相應速度快的特點，在對測向精度要求不高的場景，可以快速獲得干擾的兩維指向。