自適應多門限副瓣匿影電路設計與仿真*

朱 平

（中國船舶集團有限公司第七二三研究所 揚州 225001）

1 引言

隨著電子對抗技術的高速發展，電子戰裝備可以在全頻段、全空域產生大功率、有針對性的強電磁干擾，使得各型雷達面臨的戰場電磁環境極其惡劣，導致雷達探測性能嚴重下降。因此對于一部雷達來說，抗干擾性能的高低已經成為一項重要指標，決定了雷達在復雜戰場環境下的生命力。

按照干擾信號的生成原理分類，可分為遮蓋性干擾、欺騙性干擾以及兩者的組合干擾。在雷達抗干擾措施中，副瓣匿影技術是一種有效的消除從雷達天線副瓣進入的密集假目標干擾的有效手段，在現役雷達中獲得了廣泛應用［1～3］。但是目前常用的典型副瓣匿影電路在微弱小目標檢測、密集假目標與真實目標回波時域重合等情況下，會出現真實目標被匿影掉的問題［4～5］。據此，本文在對典型副瓣匿影電路性能分析的基礎上，提出了一種自適應多門限判決副瓣匿影電路設計方法，給出了電路結構、判斷邏輯，并進行了理論分析和仿真。結果表明：該方法在有效抑制副瓣假目標干擾的同時，能夠解決真實目標回波被匿影而導致檢測概率下降的問題。

2 典型副瓣匿影電路設計及存在的問題

典型副瓣匿影電路結構如圖1所示。

圖1 典型副瓣匿影電路結構圖

如圖所示：采用副瓣匿影電路的雷達系統包括兩路接收通道，其中一路為雷達主接收通道，另一路為輔助接收通道，一般輔助通道天線增益比雷達主天線最大副瓣增益高1dB～3dB；兩路信號經過相同的接收處理模塊，再對相同距離點數據進行幅度比較，以此判斷是否進行匿影操作。由于在雷達主天線主瓣進入的目標信號幅度大于輔助通道信號幅度，因此幅度比值大于匿影門限，目標信號可以通過匿影電路；而副瓣假目標干擾在主通道產生的信號幅度小于輔助通道接收到的幅度，因此會被匿影掉，保證了雷達的正常探測［6～7］。

在實際雷達探測時，對于雷達主通道回波存在以下四種情況：1）主瓣沒有目標回波信號，副瓣也沒有欺騙假目標干擾信號；2）主瓣沒有目標回波信號，副瓣有欺騙假目標干擾信號；3）主瓣有目標回波信號，副瓣沒有欺騙假目標干擾信號；4）主瓣有目標回波信號，副瓣有欺騙假目標干擾信號。

對于情況1）雷達接收處理電路應無輸出，否則會形成虛警；對于情況2）雷達處理電路應使能匿影功能，將副瓣假目標干擾抑制掉；對于情況3）和4）無論副瓣有、無欺騙干擾信號，雷達處理電路都應輸出真實目標回波信號，否則就是加入副瓣匿影電路后，雷達的檢測概率損失了［8～10］。

但是在實際工作時，由于副瓣匿影電路的存在，會出現以下兩種情況：

1）由于主、輔通道的噪聲是隨機分布的，因此會以有限的概率出現輔助通道噪聲幅度大于主通道噪聲和微弱小目標信號幅度之和的情況，此時匿影電路啟動，會將微弱小目標信號匿影掉，目標檢測概率下降；雷達系統在面對噪聲和假目標組合干擾時，也會出現上述情況。

設置仿真參數如下：信噪比SNR=-16∶0.5∶0dB，主、輔通道隨機產生均值為0，方差為1的高斯白噪聲，匿影門限設置為F=0dB，虛警概率設置為Pfa=10-6，仿真次數10000 次，以單脈沖脈壓后的信號進行目標檢測，如圖2所示。

圖2 有、無副瓣匿影措施時的檢測概率仿真

如圖2所示：當信噪比SNR約為-8dB～-2dB區間時，未采用副瓣匿影電路的檢測概率，較采用副瓣匿影電路的檢測概率明顯要高。說明在此區間內由于采用副瓣匿影電路，導致了雷達系統的檢測概率降低。

2）當干擾機釋放密集假目標干擾時，會以有限的概率出現真實目標和密集假目標在時間上重疊的情況。在這種情況下由于無法判定干擾源的方向，不知道假目標干擾進入主通道的副瓣天線增益，因此會導致檢測門限選擇不當，從而導致真實目標被匿影掉的情況。

設置仿真參數如下：主天線主瓣增益G0=30dB，副瓣增益Gf=0dB，輔助天線增益Ga=3dB；設置真實目標回波1批，假目標干擾6批，真實目標與其中1 批假目標距離上完全重合，干信比JSR=30dB，主通道信噪比SNR=15dB，主、輔通道噪聲信號分布特性一致，均為高斯白噪聲；在該場景下檢測下：匿影門限分別設置為0dB、3dB 時的匿影處理結果見圖3。

圖3 真、假目標時域重合時不同門限下的匿影效果

如圖3 所示：當副瓣密集假目標信號與真實目標時間上重合，匿影門限設置為0dB 時，可以正常檢測出真實目標；但當匿影門限為3dB 時，目標會被匿影掉。因此在該情況下選擇一個合適的匿影門限成為關鍵［11］。

3 多門限聯合判決副瓣匿影電路設計及分析

針對上節所分析的典型副瓣匿影電路存在的兩個問題，本文對經典副瓣匿影電路進行了改進。在原判決電路基礎上：一方面增加了輔助通道恒虛警門限，另一方面對通過主、輔通道恒虛警門限的信號做匿影處理時，采用自適應計算的方法設定匿影門限。主要分析說明如下所述。

3.1 輔助通道匿影門限設置

如第2 節所述，當存在輔助通道噪聲幅度大于主通道噪聲加微弱小目標信號幅度的情況，以及面對副瓣噪聲和假目標組合干擾時，會出現目標檢測概率損失的情況。因此在輔助通道同樣設置一個恒虛警檢測門限，當輔助通道信號大于該檢測門限時，說明當前距離單元不僅存在噪聲，還有干擾信號，此時才進行后續匿影判決，否則直接輸出主通道信號。采用該措施后有助于提高雷達系統的檢測靈敏度，提高這種場景下微弱小目標信號的檢測概率［12～13］。

以沒有外部干擾，僅存在通道噪聲時為例，輔助通道檢測門限設置為其中：σ2為噪聲方差，Pfa為虛警概率。

3.2 自適應判決門限設置

從上一節分析可知，當真實目標距離與假目標距離重合，且匿影門限選擇不合適時，會導致真實目標被匿影掉的情況，因此本文提出一種自適應判決門限設置方法。

根據副瓣匿影工作原理可知，一般輔助通道天線增益比主通道第一副瓣天線增益大1dB～3dB。在雷達正常探測時，主、輔通道接收到的信號分別可表示為

式中：XZ表示主通道接收到的信號；XF表示輔助通道接收到的信號；G0為主通道主瓣天線增益；G1為主通道副瓣天線增益；G2為輔助通道天線增益；S為真實目標回波信號；J為密集假目標干擾信號；N1和N2分別為主、輔通道噪聲［14～16］。

根據上式，在主、輔通道采用相同的接收處理電路時，主、輔通道接收到的干擾信號比值為

但是在雷達探測時，一般的雷達無法準確的估計干擾源相對雷達的具體方位，因此上式中的G1是未知的，且一般雷達天線的最大副瓣增益與最小副瓣增益相差能夠達到20dB 以上［17～18］，所以無法根據主、輔通道的天線增益，來確定匿影門限。

為此我們基于以下兩點合理的假設，提出一種匿影門限的自適應估計方法：

1）由于目前大部分雷達均采用低副瓣天線，第一副瓣增益相對主瓣增益可做到-30dB 以下，而輔助天線增益與主天線第一副瓣增益相當，同時一般干擾機釋放的假目標干擾幅度要遠大于真實目標回波，因此輔助通道接收到的真實目標回波信號可以忽略，認為輔助通道僅接收到假目標干擾信號；

2）若出現密集假目標干擾與真實目標回波干擾時域上完全重合的情況，一般來說當前場景下干擾機釋放的假目標個數遠遠大于真實目標個數。

因此基于上述兩點假設，我們將匿影門限設置為

式中XF' 表示輔助通道超過檢測門限的信號，mean(XF')即為輔助通道超過檢測門限的信號的幅度平均值；mean(XZ')為輔助通道超過檢測門限的信號對應距離單元點的主通道信號的幅度平均值。

采用這種自適應門限估計的方法無需知道干擾源的具體方向，僅需對主、輔通道對應的距離單元中通過恒虛警門限后的信號，分別求平均值，再做一次匿影判決即可，實現方法相對簡單，可操作性強。

3.3 改進后的副瓣匿影電路結構

結合3.1節和3.2節分析，改進后的副瓣匿影電路結構設計如圖4所示。

圖4 改進后的副瓣匿影電路

如圖4 所示：主、輔通道信號分別進行接收處理，然后進行恒虛警檢測；對輔助通道超過恒虛警檢測門限的信號，利用對應距離單元點上主、輔通道信號求平均值，計算得到匿影門限，然后進行匿影操作；而對于輔助通道未超過恒虛警檢測門限的信號對應的距離單元，則直接輸出主通道信號。

圖4 中判定真實目標存在的邏輯表達式可表示為

式中：“·”表示邏輯與，“+”表示邏輯或；上式包括兩層含義：

“雙11”開啟當晚，天貓2分零5秒成交額超過100億元；一小時達到672.6億元（接近100億美金）；15小時49分39秒，破2017年11月11日全天交易額；22小時28分37秒，成交額突破2000億元。2135億元，是2018年天貓“雙11”的最終成交額，相比去年增漲了26.93%。

1）當前距離單元沒有外部假目標干擾時，當主通道信號超過恒虛警門限，而輔助通道信號沒有超過恒虛警門限時，此時不執行匿影操作，直接輸出主通道信號，這樣有助于提高微弱目標的檢測概率；

2）當前距離單元存在外部假目標干擾時，首先利用主、輔通道信號計算匿影門限F0，然后對主、輔通道超過恒虛警門限的信號采用F0作為匿影門限，這樣有助于提高真、假目標時域重合時的目標檢測概率。

采用改進后的副瓣匿影電路，判斷邏輯見下表1。

表1 改進后的副瓣匿影電路判斷邏輯

如表1 所示：Um、Vm和R，這3 個參數中“1”表示當前距離單元信號幅度超過恒虛警門限，“0”表示當前距離單元信號幅度未超過恒虛警門限，“*”表示取任意值；輸出信號中“+”表示輸出主通道信號；“-”表示主通道信號被匿影掉。表1可解釋為

1）當Um=1，Vm=0 時，表示主通道信號超過門限而輔助通道信號未超過門限，直接輸出主通道信號；

2）當Um=0，Vm=1 時，表示此時主通道信號未超過門限而輔助通道信號超過門限，說明當前副瓣干擾信號幅度較低，或進入主通道的天線增益很低，此時主通道信號被匿影掉；

3）當Um=1，Vm=1，Um-Vm≥F0時，表示主、輔通道信號均超過檢測門限，且兩者之差大于匿影門限，則輸出主通道信號；

對于該判斷邏輯，會在下一節仿真試驗中詳細說明。

4 仿真試驗

針對前兩節所述內容，本節通過仿真試驗進行對比說明。

仿真試驗一：兩種副瓣匿影電路針對無干擾狀態下，微弱目標的檢測概率仿真。

設置參數為主通道信噪比SNR=-16∶0.5∶0dB，主、輔通道隨機產生均值為0，方差為1的高斯白噪聲；虛警概率設置為Pfa=10-6；循環次數設置為10000 次；同樣以單脈沖脈壓后的信號進行目標檢測［19～20］，常規副瓣匿影電路匿影門限仍然設置為F=0dB，仿真結果如圖5所示。

圖5 僅存在小目標時的檢測概率仿真

如圖5 所示當無副瓣假目標干擾而僅存在微弱小目標時，采用改進后的副瓣匿影電路的檢測概率與無副瓣匿影電路時的檢測概率相當；而當信噪比約為-8dB～-2dB時，則明顯高于常規副瓣匿影電路的檢測概率。

仿真試驗二：信噪比一定情況下，改進的副瓣匿影電路在干信比變化時的檢測情況仿真

主天線主瓣增益G0=30dB ；輔助天線增益Ga=3dB；設假目標從主天線的第一副瓣進入，即副瓣增益Gf=0dB；設置真實目標批數3 批，距離分別為15.75km、27.96km、45.75km處，發射脈寬T=10us；設置假目標批數6 批，距離分別為19.96km、23.96km、27.96km、31.96 km、35.96 km、39.96 km處，產生的信號波形與目標回波一致；主通道信噪比SNR=15dB，主、輔通道噪聲分布特性一致；外部天線端口輸入處干信比JSR分別設置為10dB、20dB、30dB、40dB；仿真結果如圖6和圖7所示。

圖6 干信比為30dB時的主、輔通道信號

圖7 干信比分別為10dB、20dB、30dB、40dB時的匿影效果

圖6 所示為JSR=30dB 時主、輔通道接收到的信號波形，其中一批真實目標與假目標干擾距離上重合，輔助通道接收到的真實目標回波很弱，在計算時可以忽略不計；圖7 所示當JSR=10dB 時，主通道未檢測到干擾信號，因此在假目標對應的距離單元處無輸出；當干信比JSR分別為20dB、30dB、40dB 時，采用改進后的副瓣匿影電路，匿影門限隨著輸入干擾信號幅度的變化而自適應調整，因此可以準確地檢測出目標回波信號，同時將假目標干擾信號濾除掉；而此時如果采用固定門限，當干信比變化時，則不能保證目標檢測概率和假目標干擾匿影概率兩個指標同時滿足要求。

仿真試驗三：信噪比和干信比一定情況下，假目標干擾入射角度變化時的檢測情況。

仿真參數：干信比JSR=30dB；假目標干擾入射角度處主天線副瓣增益分別為-20dB、-10dB、-5dB、0dB；其它仿真參數同仿真試驗二；仿真結果見圖8。

圖8 假目標干擾入射角度變化時的匿影效果

如圖8 所示：隨著假目標入射角度變化，主、輔通道接收到的假目標干擾信號幅度也隨之變化，采用自適應匿影門限判決后，可以正確地檢測出真實目標回波而將假目標干擾剔除掉。

5 結語

本文在詳細分析典型副瓣匿影電路的基礎上，針對其存在的兩個問題，即微弱小目標檢測概率降低問題，真、假目標距離重合時真實目標可能被匿影的問題；提出了一種改進的副瓣匿影電路結構，即增加輔助通道恒虛警門限，和采用自適應匿影門限判決兩個措施，并對此進行了理論分析和仿真。仿真結果表明：采用改進后的自適應多門限判決副瓣匿影電路，可以有效提高在微弱小目標檢測和面對密集假目標干擾時的檢測概率。