四通道单脉冲测角抗主瓣干扰技术研究

徐安祺，赵婵娟，何　劲

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)



四通道单脉冲测角抗主瓣干扰技术研究

徐安祺，赵婵娟，何劲

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

摘要总结了常规雷达抗主瓣干扰的现状，针对探测制导雷达面临主瓣干扰的威胁，提出一种基于数字阵列雷达体制的四通道单脉冲测角的抗主瓣干扰技术。该技术在传统单脉冲测角方法的基础上增加了一个双差通道，通过将波束方向对准主瓣干扰，消除干扰对目标角度测量的影响，有效提高了目标检测能力。对四通道单脉冲测角方法进行了仿真分析，验证了该方法的有效性，同时对该方法在不同信噪比下的测量精度进行了仿真实验，说明该方法具有工程可实现性。

关键词四通道单脉冲；双差通道；抗主瓣干扰；数字阵列雷达

Research of Four-channel Monopulse for Anti-main-lobe Jamming Technique

XU An-qi,ZHAO Chan-juan,HE Jin

(ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

AbstractSince the measurement accuracy of acquisition and guidance radars is threatened by main-lobe jammers,a technique of four-channel monopulse based on digital array radar is presented for anti-main-lobe jamming.A delta-delta channel is added on the base of traditional three-channel monopulse to avoid the effects of main-lobe jamming,which significantly improves the detectability of targets within a beam width.The simulation and analysis demonstrate the effectiveness of the method.Another simulation of angular accuracy under different SNRs shows that the method is realizable in engineering.

Key wordsfour-channel monopulse;delta-delta channel;anti-main-lobe jamming;digital array radar

0引言

在防空电子战中，空袭方对防空方实施多方位、多层次的电子攻击，使探测制导雷达面临复杂的电磁干扰环境。事实上，电磁干扰对雷达的软杀伤威胁,已经改变了雷达设计的传统观念，雷达在复杂电磁干扰环境下的生存能力,已经成为决定战争双方胜负的关键因素[1,2]。

根据干扰进入雷达天线的位置，可以分为副瓣干扰和主瓣干扰。对于副瓣干扰，可以采取低副瓣、自适应副瓣对消、副瓣匿影等诸多技术进行干扰抑制，这些技术在目标检测和角度估计中都有了较好的应用效果；对于主瓣干扰，不能像抑制旁瓣干扰一样采用自适应零点技术，因为主瓣干扰下自适应凹口会使方向图主波束产生畸变，不能很好地保持信号的单脉冲性能[3,4]。

针对抗主瓣干扰问题，苏保伟、王永良和李荣峰等提出了基于阻塞矩阵的主瓣干扰抑制及波束保形方法，有较好的稳健性，但此方法牵涉到大量矩阵的本征分解、求逆等复杂运算[5,6]；王建明和伍光新等提出用盲源分离算法抑制主瓣干扰，但此方法没有讨论盲源分离后目标角度的测量问题和盲源分离算法对单脉冲比的影响；王 峰和雷志勇等提出了基于自适应的正交虚拟极化干扰抑制算法，采用垂直与水平双极化数字阵对该自适应抗主瓣干扰算法进行了验证研究，但是本方法在干扰抑制的同时存在信号损失的问题[8,9]。

目前的抗主瓣干扰技术没有很好地解决主瓣干扰问题，对于二维数字阵列雷达，本文介绍一种基于四通道单脉冲测角的抗主瓣干扰技术，此技术利用双差通道消除主瓣干扰对单脉冲比的影响，在一定的信噪比环境中，可以有效抗主瓣干扰，提高目标角度测量的准确性。

1基于数字阵列雷达的四通道单脉冲系统

单脉冲测角技术是一种常见的雷达测角技术，传统的单脉冲测角为三通道，即和通道、方位差通及俯仰差通道，四通道单脉冲系统增加了一个双差通道。

数字阵列雷达采用数字波束形成技术，为四通道单脉冲系统的工程应用打下了基础。传统模拟波束形成技术，是通过3套复杂的馈线网络以及和差器来形成模拟的和波束、方位差波束、俯仰差波束、和差波束形成后送至接收机和信号处理器。如果用模拟的波束形成技术实现四通道单脉冲系统，需要增加一套双差通道的馈电网络以及接收通道。对于上千单元的相控阵阵面，馈线网络将会非常复杂而难以实现。而数字波束形成的方法是将每一个阵元的接收信号数字化后进行数字波束形成，因此在数字域实现四通道的单脉冲不需要增加额外的硬件。

本文考虑矩形阵列，为构造四个通道，将阵面均匀划分为4个部分，各通道示意图如图1所示。

图1　四通道构成示意

其中，和通道输出为4个子阵输出之和，方位差通道输出为左边2个子阵与右边2个子阵输出之差，俯仰差通道为上面2个子阵与下面2个子阵输出之差，增加的双差通道为2个对角子阵输出之差[10,11]。

2四通道单脉冲抗主瓣干扰原理

单脉冲测角是利用和差波束单脉冲比提取角度误差信息，与传统三通道相比，四通道方向图相比于三通道增加了一个双差通道，算角度误差的和差通道也发生了变化。三通道与四通道单脉冲通道任务对应关系如表1所示。

表1　三通道与四通道单脉冲通道任务

如表1，对于三通道单脉冲测角方法，在有干扰和无干扰环境中，方位单脉冲比为ΔA/Σ，俯仰单脉冲比为ΔE/Σ；对于四通道单脉冲测角方法，在无主瓣干扰环境中，单脉冲比计算方法与三通道相同(双差通道闲置)，而在有主瓣干的扰环境中，方位单脉冲比为ΔΔ/ΔE，俯仰单脉冲比为ΔΔ/ΔA，根据单脉冲比曲线即可得到对应的方位和俯仰角。

以测方位角为例，当存在主瓣干扰时，由于传统三通道利用和波束和方位差波束做单脉冲比，接收信号中包含干扰信息，并且因为干扰信号较强，掩盖了目标信号，所以三通道单脉冲测角方法测得的角度为干扰方向；利用四通道单脉冲系统进行目标角度测量时，为消除干扰对目标角度估计的影响，将波束中心对准干扰方向(干扰方向利用三通道单脉冲测角方法测得)，俯仰差波束和双差波束中心为零陷，将干扰置零，只保留目标信息，从而保持单脉冲比不变，消除了干扰对目标角度估计的影响。另外，如果目标与干扰俯仰角相同，目标同时位于俯仰差和双差波束的零陷，此时无法测得目标方位角，同理如果目标与干扰的方位角相同，目标同时位于方位差和双差波束的零陷，因而无法测得目标俯仰角。双差通道与俯仰差通道如图2所示，四通道单脉冲比曲线如图3所示。

图2　双差通道与俯仰差通道

图3　四通道单脉冲比曲线

与传统三通道单脉冲测角方法相同，四通道单脉冲通过查找单脉冲比曲线获取目标角度信息。值得注意的是，这种工作模式需要通过信号处理中干扰识别和抗干扰决策模块，在确定主瓣内存在一个目标和一个干扰的情况下，才能利用四通道单脉冲测角方法测得目标角度。

3四通道单脉冲测角抗主瓣干扰方法仿真

下面对四通道单脉冲抗主瓣干扰测角方法验证仿真。仿真中采用16×16的矩形阵面，波长为0.1 m，x和y方向的阵元间距均为半波长，回波信号为线性调频信号，经脉冲压缩提取目标信号。设定干噪比为30 dB，信噪比为10 dB，干扰的到达方向为(0，0)，目标的到达方向为(0.5,0.5)，分别用三通道和四通道单脉冲测角方法进行目标角度测量，做100次蒙特卡罗仿真实验，三通道与四通道单脉冲测角结果如图4所示。

图4　三通道与四通道单脉冲测角结果

图4(a)为存在主瓣干扰的情况下，三通道单脉冲测角方法的结果，可以看到，由于干扰信号较强，掩盖了目标信号，所以传统三通道单脉冲测量结果为干扰的方向(0,0)；图4(b)为采用了四通道单脉冲抗主瓣干扰测角方法的结果，测得的角度为(0.5,0.5)，正是信号的方向，说明本文方法具有很好的抗主瓣干扰效果。

为探究不同的信噪比对三、四通道单脉冲抗主瓣干扰测角精度的影响，在上述仿真实验参数条件下，设定干噪比为30，信噪比从-10 dB到40 dB以2 dB为间隔变化，分别计算三通道和四通道单脉冲测角精度。不同信噪比下角度估计均方根误差如图5所示，其中图5(b)是图5(a)的局部放大图。

图5　不同信噪比下角度估计均方根误差

影响雷达测角精度的主要因素有：热噪声误差、天线指向误差、移相器量化误差、数据量化误差和A/D转换误差等，本文考虑热噪声对测角精度的影响。经计算，本仿真雷达波束宽度为6.35°，工程中系统要求的测角精度为0.6°，分解到热噪声，系统允许的测角误差为0.07°。从图5的仿真结果可以看出，随信噪比的增加，三通道和四通道单脉冲测角均方根误差都呈下降趋势，但由于存在主瓣干扰，在-10～40 dB的信噪比范围内，三通道单脉冲测角误差远高于系统允许测角误差，而对于四通道单脉冲测角，由图5(b)可知，在信噪比高于6 dB时，均方根误差<0.07，满足系统要求，说明本文介绍的单脉冲测角方法可以抗主瓣干扰，并且具有工程可实现性。

4结束语

本文介绍了一种四通道单脉冲抗主瓣干扰的测角方法，在传统三通道的基础上，利用增加的双差通道，抑制主瓣干扰，具有占用的雷达资源少、需要的信号处理过程少、在数字阵列雷达中易于实现等优点，有较好的目标角度估计效果和工程实现意义。本文介绍的抗主瓣干扰方法适用于主瓣内存在一个干扰的情况，从仿真实验结果来看，在一定的信噪比条件下，四通道单脉冲测角方法能够保证目标角度的测量精度，具有工程可实现性。

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徐安祺女，(1990—)，硕士研究生。主要研究方向：信号与信息处理。

赵婵娟女，(1981—)，高级工程师。主要研究方向：雷达系统设计。

作者简介

中图分类号TN957.51

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)02-0041-03

收稿日期：2015-11-05

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.10

引用格式：徐安祺，赵婵娟，何劲.四通道单脉冲测角抗主瓣干扰技术研究[J].无线电工程,2016,46(2):41-43,57.