雷達自適應旁瓣對消抗梳狀譜干擾仿真研究

張 鴻,姚 力

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著軍事技術的不斷發展,現代戰場電磁環境[1-2]越來越復雜,如何提高復雜電磁環境下雷達的抗干擾性能一直是研究的熱點[3-4]。自適應旁瓣對消(ASLC)作為一種有效的抗干擾方法[5-6],其通過輔助接收通道在干擾方向自適應形成零點,實現對干擾信號的抑制,具有結構簡單、易于實現等特點,已在雷達上得到了廣泛的應用。

針對ASLC的抗干擾研究,馮明月等人[7]仿真研究了開環旁瓣對消對靈巧噪聲干擾的對消效果;祝飛等人[8-9]分析和研究了射頻噪聲、噪聲調頻和噪聲調相等干擾樣式下的雷達自適應旁瓣對消性能;李興成[10-11]、楊慧等人[12]研究了寬帶干擾下的ASLC系統性能。這些研究對ASLC抗不同干擾的性能進行了研究,但目前尚未有ASLC對梳狀譜干擾的對消研究。

針對上述問題,本論文開展雷達自適應旁瓣對消抗梳狀譜干擾性能仿真研究,從雷達自適應旁瓣對消的數學模型出發,推導建立了自適應旁瓣對消的最優權矢量,在此基礎上進行數值仿真,對抗梳狀譜干擾的性能進行分析研究。

1 自適應旁瓣對消建模

為了便于分析建模,先建立如圖1所示的自適應旁瓣對消結構示意圖[13]。系統由N個輔助天線和M個主天線構成。參考天線可以從主天線陣列中選取,也可以單獨設置輔助天線。設主天線的接收信號為X,N個輔助天線的接收信號為Xs=[X1,X2,…,XN]T,自適應旁瓣對消處理后的信號為Y,則加權相消后輸出為:

圖1 自適應旁瓣對消結構示意圖

Y(t)=X(t)-WHXs(t)

(1)

式中:W=[w1,w2,…,wN]T,其中wi,i=1,2,…,N為各輔助天線的加權值。

最小均方誤差準則要求加權對消后輸出結果的均方誤差最小,即:

ξ(W)=E[|Y(t)|2]=

WHRxW+E[|X(t)|2]-2Re[WHrxd]

(2)

(3)

式(3)能夠保證自適應天線旁瓣對消系統輸出信號不含有旁瓣干擾信號,使對消剩余功率最小。

圖2為自適應旁瓣對消形成的方向圖,由圖2可以看出,自適應旁瓣對消可在2個干擾的到達方向形成低副瓣,證明了自適應對消處理的有效性。

圖2 自適應旁瓣對消形成的方向圖

2 梳狀譜干擾理論模型

梳狀譜干擾[14]是指由多個窄帶干擾譜構成的干擾信號,梳狀譜干擾采用固定或輪流的多頻點窄帶瞄準干擾,而不采用無縫隙的頻譜覆蓋,提高了功率利用率,避免了瞬時頻譜間隙內的功率浪費。梳狀譜干擾可以通過噪聲調頻或鋸齒波調頻來實現,下面以鋸齒波調頻對梳狀譜干擾進行理論建模。

鋸齒波調頻信號as(t)的數學表達式為:

(4)

式中:A為信號幅度;w0為基頻頻率;Kf為調頻互導系數;φ0為初始相位。

as(t)的功率譜函數為:

(5)

式中:P0為信號功率;KfAsTs為信號帶寬。

鋸齒波調頻梳狀譜信號表達式為:

(6)

鋸齒波調頻梳狀譜信號為不同頻率的鋸齒波調頻信號頻域上的疊加。譜線的帶寬同樣可通過對Kf、As和Ts3個參數的調節而確定。功率控制可通過調節信號幅值的方法來實現。

圖3為梳狀譜干擾的信號頻譜,由圖3可以看出,干擾信號可以形成多個窄帶干擾譜。

圖3 梳狀譜干擾的信號頻譜

3 ASLC抗梳狀譜干擾的數值仿真

根據上述理論,對線陣模型的旁瓣對消系統進行理論仿真。主天線陣元數目為16,輔助天線數目為2個,主波束指向為10°,干擾源數為2,其干擾方向為-35°和+25°,干信比為30 dB。該旁瓣對消系統中,信號頻率為100 MHz,信號帶寬10 MHz,信號脈寬為30 μs,陣元間距為半波長。圖4和圖5分別為自適應旁瓣對消前后信號的時域和頻域曲線。

圖4 自適應旁瓣對消前后信號的時域

圖5 自適應旁瓣對消前后信號的頻域

由圖4、圖5可以看出,自適應旁瓣對消前,信號被干擾淹沒,干擾信號的頻譜疊加在信號頻譜之上,呈梳狀分布,而通過自適應旁瓣對消后,干擾分量被濾除,留下目標信號。

雷達為了兼顧距離分辨力和作用距離,一般通過采用脈沖壓縮技術來解決這個矛盾,圖6為自適應旁瓣對消前后信號經過脈沖壓縮輸出的結果。

圖6 自適應旁瓣對消前后信號經過脈沖壓縮輸出

由圖6可以看出,在采取自適應旁瓣對消之前,經過脈沖壓縮后目標被干擾覆蓋,而經過自適應旁瓣對消處理的信號經過脈沖壓縮,目標處形成尖峰。

通常,為了衡量ASLC系統對消性能,一般采用對消比,其定義為:

(7)

式中:J/S表示采用旁瓣對消前的干擾功率J和信號功率S之比;J′/S′表示旁瓣對消后的干擾功率J′和信號功率S′之比;對消比RC相當于系統采用旁瓣對消抗干擾措施后,干噪比提高的倍數,自適應旁瓣對消后RC隨輸入干噪比的變化曲線如圖7所示。

由圖7可以看出,對消比RC隨著干噪比的增大而逐漸增大,當干噪比為10 dB時,對消比為0 dB;當對消比增大至40 dB時,對消比RC增大至50 dB。因此,可以表明ASLC系統可以對梳狀譜噪聲干擾信號具有很好的對消效果。

4 結束語

自適應旁瓣對消技術具有良好的抗干擾性能,廣泛應用于現代雷達中。本文針對當前缺乏雷達自適應旁瓣對消抗梳狀譜干擾的研究,首先建立了雷達自適應旁瓣對消的數學模型,然后對ASLC對抗梳狀譜干擾的性能進行了數值仿真。仿真結果表明,ASLC系統可以對梳狀譜噪聲干擾信號具有很好的對消效果。當干噪比為10 dB時,對消比為0 dB;當對消比增大至40 dB時,對消比增大至50 dB。文章的研究對于提高現代雷達抗干擾能力的研究具有重要意義。