基于广义旁瓣相消的机载雷达抗密集转发式干扰方法

吴亿锋 王 彤 吴建新 文 才



基于广义旁瓣相消的机载雷达抗密集转发式干扰方法

吴亿锋 王 彤*吴建新 文 才

(西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 西安 710071)

密集转发式干扰不仅会引起雷达虚警，而且会抬高其附近单元的恒虚警率检测门限进而导致目标检测性能下降。另外，它还会污染空时自适应处理的训练样本，导致杂波抑制性能下降。针对这些问题，该文提出一种机载雷达抗密集转发式干扰算法。该算法首先估计干扰方向，然后用广义旁瓣相消技术在空域滤除干扰。广义旁瓣相消中的辅助通道为指向干扰方向的和波束，而其协方差矩阵则利用清晰区中挑选的干扰样本估计得到。该算法可以有效抑制密集转发式干扰，减少由其引起的虚警，改善雷达目标检测性能，同时该算法还具有结构简单，易于实现的优点。实验结果验证了该算法的有效性。

机载雷达；抗转发式干扰；广义旁瓣相消(GSC)；辅助通道；训练样本

1 引言

密集转发式干扰环境中的STAP与密集动目标环境中的STAP面临的问题有相同之处，也有不同之处。相同之处在于干扰和目标都会使得所估计的协方差矩阵不仅包含杂波加噪声，还包含干扰或者目标信号，从而在系统自由度不够的情况下降低STAP抑制杂波和噪声的性能。不同之处在于转发式干扰需要被抑制，而密集动目标则需要保留，如果训练样本中含有目标信号，则在STAP时会造成目标相消，进而引起漏警。通常会采用NHD方法剔除被目标污染的训练样本，这样就可以解决目标相消问题，减少虚警[7]。在密集转发式干扰环境中采用NHD方法剔除被转发式干扰污染的训练样本会使得STAP完全无法抑制转发式干扰，从而引起大量虚警。

脉冲分集技术可以抗转发式干扰[8]，然而这种方法对发射波形有很高的要求。通过判断检测到的目标是否为真实目标而确定是否启用波束合并、跟踪等处理程序的方法可减小转发式干扰对跟踪数据处理器的压力，可在一定程度上提高雷达系统抗转发式干扰的能力[9]。一些学者提出根据真实目标与转发式干扰假目标的运动学特性、回波的幅度波动和高阶累积量[10]等的差异来区分真实目标与转发式干扰假目标，并以此来抗转发式干扰。也有一些学者提出根据多基地雷达中转发式干扰假目标与真实目标的特性差异[11]来抗干扰。这些利用真实目标与转发式干扰假目标的差异来区分两者的方法并没有抑制干扰，不能克服转发式干扰对CFAR检测门限和STAP性能的不利影响。旁瓣匿影技术能够区分目标来自主瓣还是旁瓣，可以在一定程度上对抗从旁瓣进来的转发式干扰，但也不能克服转发式干扰对CFAR检测门限和STAP性能的不利影响。不同于上述方法，本文采用自适应滤除转发式干扰的方法来抗转发式干扰。

干扰机可以对相控阵雷达产生速度欺骗干扰、距离欺骗干扰和波位欺骗干扰，但由于干扰机相对于雷达的方位是一定的而无法产生波达方向欺骗干扰，可利用这一点在空域滤除转发式干扰。本文方法首先进行CFAR检测处理；然后对检测到的样本进行波达方向估计，结合多个波位的检测结果判定干扰方向并挑选干扰样本；接着用指向干扰方向的波束作辅助波束，采用广义旁瓣相消[12](Generalized Sidelobe Canceller, GSC)方法来滤除干扰，其中干扰协方差矩阵是用清晰区(不含杂波的区域)检测到的转发式干扰假目标作训练样本估计得到的，这样可以消除目标和杂波对干扰协方差矩阵的影响，较精确地估计转发式干扰的统计特性，从而使方向图在干扰方向形成足够深的凹口。本文方法可以很好地抑制密集转发式干扰，减少由其引起的虚警，提高雷达目标检测性能。仿真实验验证了本文算法的有效性。

2 信号模型

雷达收到的干扰机调制转发的干扰信号[13]可表示为

根据是否含有目标信号，回波有两种假设形式：

3 抗密集转发式干扰方法

由第2节分析可以看出转发式欺骗干扰与真实目标的空时导向矢量信号形式是一样的，很难从时域或距离域将转发式欺骗干扰与真实目标区分开，但当转发式欺骗干扰和雷达波束指向不同时(即干扰机处于副瓣中时)，可以在空域抑制欺骗干扰。本文方法直接在空域滤除转发式欺骗干扰，抑制转发式干扰对目标检测和STAP杂波抑制的不利影响，分为干扰侦察和干扰滤除两个模块。

3.1 干扰侦察

3.2 干扰滤除

本文算法的原理图如图2所示。

图2 本文算法原理图

4 仿真实验

表1仿真实验雷达系统参数

平台高度5000 m 载机速度150 m/s 阵元间距0.1 m 脉冲数64 波长0.2 m 脉冲重复频率10 kHz

单个子阵原始的距离-多普勒图如图5所示，从图中可以看到多个欺骗干扰目标。单个子阵经过本文方法滤除干扰后的距离-多普勒图如图6所示，从图中看出本文方法可以滤除欺骗干扰目标并保留真实目标。图7为归一化多普勒频率等于0.06的多普勒通道的功率剩余图，其中图7(a)为直接STAP的结果，图7(b)为本文方法滤除干扰再级联STAP的处理结果。从图7的虚线可以看出两种处理方式在第85个距离门的功率都等于20 dB，说明两种处理方式都可以保持真实目标的功率不变；直接STAP方法在第95个距离门的功率很大，说明STAP无法滤除该距离门的转发式欺骗干扰，该欺骗干扰有可能引起虚警，本文方法滤除干扰级联STAP的处理方式在第95个距离门的输出功率不大，说明该方法可以滤除欺骗干扰；图7中的实线为剔除第85个距离门后第50到第120个距离门的平均功率，从两条实线可以看出直接STAP方法的平均功率要比本文方法级联STAP的平均功率高大约10 dB，这是因为直接STAP无法抑制转发式干扰，转发式干扰会抬高其附近距离单元的CFAR检测门限，检测门限的抬高会降低其附近真实目标的检测概率。

图3 欺骗干扰目标和真实目标的分布图

图4 单个子阵的方向图

图5 单个子阵的距离-多普勒图

图6 本文方法滤除干扰后单个子阵的距离-多普勒图

图7归一化多普勒频率等于0.06的多普勒通道的功率图

以上实验结果及分析说明本文所提方法可以有效抑制转发式干扰，并且在干扰角度估计存在一定误差的情况下也能保持较好的性能。

5 结束语

本文提出了一种机载雷达抗密集转发式干扰的方法。该方法用GSC技术直接在空域滤除转发式欺骗干扰，GSC中的协方差矩阵是用清晰区的干扰样本来估计的，这就避免了杂波对干扰统计特性的影响，使方向图在干扰方向形成凹口的同时在其它方向的电平变化不大；通过雷达系统的数字波束形成网络形成辅助波束，每增加一个转发式干扰机，只需多形成一个指向该干扰机方向的辅助波束，几乎不增加系统重量，系统复杂度也不高，易于实现。本文方法可抑制密集转发式干扰，减少由其引起的虚警，消除其对CFAR检测门限和STAP的不利影响，改善雷达目标探测性能，有很高的实用价值。

[1] 杨建宇. 雷达技术发展规律和宏观趋势分析[J]. 雷达学报, 2012, 1(1): 19-27.Yang Jian-yu. Development laws and macro trends analysis of radar technology[J]., 2012, 1(1): 19-27.

[2] Gang Lu, Bin Tang, and Guan Gui. Deception ECM signals cancellation processor with joint time-frequency pulse diversity[J]., 2011, 8(19): 1608-1613.

[3] 刘永才, 王伟, 潘小义, 等. 基于延迟-移频的SAR有源欺骗干扰有效区域研究[J]. 雷达学报, 2013, 2(1): 46-53.Liu Yong-cai, Wang Wei, Pan Xiao-yi,.. Effective region of active decoy jamming to SAR based on time-delay Doppler-shift method[J]., 2013, 2(1): 46-53.

[4] Yan X, Li Y, Li P,.. Multiple time-delay smart deception jamming to pseudo-random code phase modulation fuze[C]. IEEE 2012 International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring, Hunan, China, 2012: 428-432.

[5] Yan H, Zheng M J, Wang R,. Clutter suppression for multichannel wide-area surveillance systems via Kalman filtering[J].&2013, 7(3): 246-254.

[6] Yang X, Liu Y, and Long T. Robust non-homogeneity detection algorithm based on prolate spheroidal wave functions for space-time adaptive processing[J].&2013, 7(1): 47-54.

[7] Melvin W L and Guerci J R. Adaptive detection in dense target environments[C]. Proceedings of the 2001 IEEE Radar Conference,Atlanta, GA, USA, 2001: 187-192.

[8] Zhang Jin-dong, Zhu Dai-yin, and Zhang Gong. New antivelocity deception jamming technique using pulses with adaptive initial phases[J].2013, 49(2): 1290-1300.

[9] 周颖, 施龙飞, 陈明辉, 等. 密集干扰环境下相控阵雷达资源管理优化研究[J]. 电子学报, 2005, 33(6): 999-1003.

Zhou Ying, Shi Long-fei, Chen Ming-hui,Optimized resource management for phased array radar in dense jamming[J]., 2005, 33(6): 999-1003.

[10] Tian X and Tang B. Spectrum texture features based radar deception jamming recognition using joint frequency-slow time processing[J].2013, 9(13): 5181-5188.

[11] Butt F A, Naqvi I H, and Najam A I. Radar ECCM against deception jamming: a novel approach using bi-static and mono-static radars[C]. 2012 15th International Multitopic Conference, Islamic Republic of Pakistan, 2012: 137-141.

[12] Chang J C. A robust space-time generalized sidelobe canceller[J].s, 2013,70(1): 1-10.

[13] 邓云凯, 郑远, 胡英辉. 合成孔径雷达转发式干扰分析[J]. 电子与信息学报, 2010, 32(1): 69-74.

Deng Yun-kai, Zheng Yuan, and Hu Ying-hui. Analysis of synthetic aperture radar repeater jamming[J].&, 2010, 32(1): 69-74.

[14] Reed S, Mallett J D, and Brennan L E. Rapid convergence rate in adaptive arrays[J].1974, 10(4): 853-863.

[15] Dipietro R. Extended factored space-time processing for airborne radar system[C]. Proceedings of the 26th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computing, Pacific Grove, CA, 1992: 425-430.

[16] Alfred Q M, Chakravarty T, and Sanyal S K. Overlapped subarray architecture of an wideband phased array antenna with interference suppression capability[J].2013, 5(5): 201-204.

吴亿锋： 男，1988年生，博士生，研究方向为空时自适应信号处理和阵列信号处理.

王 彤： 男，1974年生，博士生导师，研究方向为信号与信息处理，特别是阵列信号处理、空时自适应信号处理、雷达成像和动目标检测等.

吴建新： 男，1982年生，副教授，研究方向为动目标检测和自适应信号处理.

A Method to Suppress Dense Repeater Jamming for Airborne Radar Based on Generalized Sidelobe Canceller

Wu Yi-feng Wang Tong Wu Jian-xin Wen Cai

(,,710071,)

Dense repeater jamming not only causes false alarms, but also raises the threshold of constant false alarm ratio detector nearby the jamming, which degrades the performance of targets detection. On the other hand, the samples contaminated by jamming degrade the performance of space time adaptive processing. To deal with these issues, a method to suppress dense repeater jamming is proposed. Firstly, the directions of the jammers are estimated. Secondly, Generalized Sidelobe Canceller (GSC) is used to cancel the jamming in the spatial domain. The auxiliary channels of the GSC are the sum beams pointing at the jammers, and the covariance matrix of the GSC is estimated with the jamming samples selected from the clutter free region. The proposed method reduces the false alarms caused by the dense repeater jamming, and improves the performance of targets detection. In addition, the structure of this method is simple and easy to realize. Simulations are presented to verify the effectiveness of the proposed method.

Airborne radar; Repeater jamming suppression; Generalized Sidelobe Canceller (GSC); Auxiliary channels; Training data

TN959. 73

A

1009-5896(2014)05-1049-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01040

王彤 twang@mail.xidian.edu.cn

2013-07-16收回，2014-02-17改回

国家自然科学基金(61372133, 61101241)和中央高校基本科研业务费专项基金(K5051102008)资助课题