自适应旁瓣相消算法分析与仿真

自适应旁瓣相消算法分析与仿真
刘鸣;黄威
【摘要】雷达工作时经常受到各种有源电子干扰.这些干扰会影响雷达的探测能力,严重时甚至使其无法探测目标,因而雷达进行抗干扰处理显得十分重要.本文主要仿真了辅助天线个数、辅助天线延时节的选择等对旁瓣相消性能的影响,并给出了在复杂电磁环境下旁瓣对消的抑制效果.
【期刊名称】《雷达与对抗》
【年(卷),期】2017(037)001
【总页数】4页(P5-8)
【关键词】压制式干扰;旁瓣相消;辅助天线
【作者】刘鸣;黄威
【作者单位】海军驻合肥地区军事代表室,合肥230000;海军驻上海沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室,上海201206
【正文语种】中文
【中图分类】TN973.3
作为一种军用装备,雷达用于探测各类目标,可以全天候工作,在现代战争态势感知中起着无可替代的作用。

但是,随着新的电子干扰技术的迅速发展,干扰机先进的电子干扰措施与手段不断涌现,导致现代雷达面临的工作电磁环境日趋复杂。

各类形式多样灵活的干扰对雷达的性能和生存产生了严重影响和威胁。

为了抑制各种干扰,各种雷达抗干扰技术应运而生。

自适应旁瓣相消处理是一种重要的雷达抗有源干扰
的技术,可有效提升雷达的处理性能。

一般情况下,雷达接收天线的主瓣很窄,且增益很高,具有极强的方向性,有源干扰信号从接收天线的主瓣进入的概率很小；而天线
的旁瓣很宽,因而很容易接收到干扰信号。

为了抑制干扰,通常天线旁瓣增益都很低,但当雷达处于极强的有源干扰环境时,旁瓣接收的干扰信号可能淹没主瓣接收的目
标信号,从而导致雷达不能正常工作。

本文主要研究雷达遭受压制式干扰时进行自适应旁瓣相消处理,介绍自适应旁瓣对
消工作原理,分析如何合理选择辅助天线的个数、辅助天线延时阶选择等参数,从而
提高雷达自适应旁瓣相消的能力。

有源干扰从雷达接收天线进入。

当干扰信号很强时,从天线旁瓣进入的有源干扰信
号足以影响天线主瓣对目标的探测,此时应降低干扰方向上天线旁瓣的电平。

但是,
干扰方向不可预知,同时天线也在扫描,因此天线的旁瓣相消必须自适应工作。

旁瓣
相消的基本思想就是在波束最大值指向目标方向的同时尽可能地抑制干扰功率，在保证信号功率为一定值的条件下使输出的总功率最小化。

假设主天线的主瓣对准目标并接收目标信号,而干扰信号从主天线旁瓣进入。

由于
辅助天线为全向天线,且增益较低,略大于主天线的副瓣增益,所以辅助天线接收到的目标信号会很小,可以近似认为辅助天线只接收到干扰信号。

利用辅助天线接收的干扰信号,自适应天线旁瓣相消技术通过信号处理方法对消掉
主天线接收信号中的干扰信号,以抑制干扰,提高雷达在干扰条件下检测目标的能力。

自适应天线旁瓣相消也是一种空域滤波技术。

与时域滤波相比,空域滤波的方向图
相当于时域滤波的频率响应,空域滤波的方向选择相当于时域滤波的频率选择。

自适应旁瓣相消算法原理图和主辅天线方向图如图1所示。

图中,N表示具有N个辅助天线；X表示主天线接收的信号；Y1, Y2,…, YN表示辅助天线接收的信号；W1 , W2,… , WN表示加权系数；V0表示对消输出,用数学表达式可表示为
其中,T,上标H、T表示共轭转置。

式(1)表明,对消剩余就是由主天线信号减去权矢量和辅助天线信号的内积,而对消的目的是使对消剩余功率最小。

此准则就是最小均方(LMS)准则,用统计表示为, 即
其中,表示统计期望,RXY表示主通道和辅助通道的互相关函数矩阵,RYY表示辅助通道的自相关函数矩阵。

对于平稳输入,式(2)中的ξ是权矢量W的二次型函数,因此ξ～W是一个凹形超抛物体曲面,具有唯一的极小点。

均方误差ξ的梯度可以由式(3)对权矢量的各Wj进行微分得到,即
若▽=0,就可得到最佳权矢量Wopt,即
或
当式(4)中的自相关矩阵RYY为非奇异阵时, W可表示为
式中
这样, 对消剩余功率的最小值为
进行旁瓣相消处理时,一般用对消比(对消增益)CG来衡量旁瓣对消的性能,相当于信干比提高的倍数, 其定义为
式中,n为主天线接收的干扰信号,nr为经过相消处理后的干扰输出,则对消比就是对消前和对消后的干扰功率之比。

雷达进行旁瓣相消处理时,选择多少个辅助天线最合适是很重要的。

设n个辅助天线的自适应旁瓣对消系统中存在着r个宽带独立干扰源,则根据辅助天线与干扰源的相对数目,有以下3种情况：
(1) 当n=r时,辅助天线数目等于干扰源数目,若不考虑噪声,可以将干扰完全对消。

这是因为利用n个辅助天线在接收方向图的旁瓣上形成了n个独立的“零点”,可以对消从n个方向上来的干扰信号。

考虑噪声时,对消有剩余。

因为噪声对权值具有扰动作用,它使主天线的旁瓣形成的“零点”没有完全对准干扰机的方向,使对消输出信号中混有干扰信号。

随着干扰噪声比的提高,噪声的扰动作用降低,旁瓣对消
性能将会提高。

(2) 当n>r时,辅助天线数目大于干扰源数目,则可以对消掉干扰信号,若考虑噪声,则存在对消剩余。

(3) 当n<r时,辅助天线数目小于干扰源数目,对消效果很差,这是因为形成的“零点”不足以对消所有干扰信号。

在仿真中假定雷达工作空域存在2个干扰源的情况,分别采用2、3、4个辅助天线进行自适应旁瓣对消。

图2(a)为2个辅助天线与1个主天线的位置分布图,2个辅
助天线关于主天线相位中心对称；图2(b)为3个辅助天线与1个主天线的位置分
布图,辅助天线1、2关于主天线相位中心对称；图2(c)为4个辅助天线与1个主
天线的位置分布图,4个辅助天线关于主天线相位中心对称。

假设空间存在2个带宽为5 MHz的窄带干扰源,且干扰源1的入射角为30°,干扰
源2的入射角在0°～180°范围内变化；主天线主副比35 dB,辅助天线主辅比5 dB,目标距离20 km,主天线接收回波信号的干噪比为30 dB。

分别采用以上3种
天线模型进行仿真,比较辅助天线数目不同时,对于空间存在2个带宽为5 MHz的
宽带干扰源的旁瓣对消性能仿真结果如图3和表1所示。

由图3及表1可知,辅助天线个数越多,对消比越大,剩余干扰信号功率越小,即旁瓣
对消性能越好。

根据雷达遭受干扰源个数不同,经过综合分析,一般建议同时遭受2
个干扰源干扰时选择3个辅助天线进行旁瓣相消处理比较合适。

实际工程实现时,
对干扰信号的采样数量需要特别注意,相消性能与采用的样本数有关。

采样信号的
样本数越多越好,计算权值的矩阵会越准确,权值的运算精度越高,相消性能就越好。

但是,样本数越大,运算量越大,计算时间会越长。

一般工程实现时采样样本数至少大于等于干扰信号的一个重复周期,可取128个样本,或者512个样本。

同时,实际工
程实现时,还需要将主通道和辅助通道的幅相进行均衡,保证主辅通道的幅相一致性。

雷达受到窄带干扰信号时,窄带干扰信号在空间传播到达各个空间点之间的时间差
所引起的信号复包络的变化比较大,导致主辅天线间的波程差大,天线接收到信号相关性减弱,使得自适应旁瓣对消性能下降,所以复包络的延迟不能被忽略。

根据上面的仿真可以看出,同样干扰情况下,辅助天线的个数越多旁瓣相消的性能越好。

能否将辅助天线接收的信号进行延时,等效增加辅助天线的个数呢？回波信号延时一般有两种方式,模拟电路延时和数字电路延时。

采用模拟电路延时需要对延时信号进行鉴相处理,增加额外的硬件。

经过综合考虑,采用数字延时得到延时节信号。

按照“辅助天线数量对旁瓣相消的影响”中的干扰源和辅助天线位置条件,对2个辅助天线、3个辅助天线和4个辅助天线的回波信号分别增加1路数字延时节、2路数字延时节和3路数字延时节进行仿真。

表2表示为2个固定干扰源采用旁瓣对消前、不加延时节旁瓣对消后、加1个延时节旁瓣对消后、加2个延时节旁瓣对消后、加3个延时节旁瓣对消后等5种情况下回波信号进行旁瓣相消的性能对比。

由表2可定性看出,(1)增加辅助天线的延时节,可以提升旁瓣相消的性能；(2)当辅助天线数目较少时,增加辅助天线延时节的性能提升有限；(3)当辅助天线较多时,增加辅助天线延时节后旁瓣相消的性能提升明显,且不是线性增加。

图4是某警戒雷达遭受有源干扰后采取旁瓣相消和自适应快门限恒虚警措施前后的处理效果图。

图4(a)是未采取抗干扰措施的处理结果,图4(b)是采取抗干扰措施后的处理结果。

从图4中可看出,旁瓣相消具有较好的性能,能够提升雷达的性能。

本文首先介绍了旁瓣相消的原理和对消性能分析,然后通过仿真分析了进行旁瓣相消处理时辅助天线个数和辅助天线延时节对旁瓣相消性能的影响。

自适应旁瓣相消是一种有效的抗有源连续波干扰的处理方法,可极大地提升雷达在遭受有源连续波干扰下的性能,其能够应用在各种体制的雷达中。

【相关文献】
[1] 陈伯孝.现代雷达系统分析与设计[M].西安：西安电子科技大学出版社,2012.
[2] 赵国庆.雷达对抗系统[M].西安：西安电子科技大学出版社,2003.
[3] 向敬成,张明有.雷达系统[M].北京：电子工业出版社,2001.。