基于AA的多通道雷达自适应抗干扰方法

邱　炜，朱德智，范明意

(中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088)



基于AA的多通道雷达自适应抗干扰方法

邱炜，朱德智，范明意

(中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088)

摘要：抗干扰能力是雷达的一项核心战术指标，由于现代战争中电磁环境日益复杂，雷达抗干扰面临越来越多的挑战。提出一种基于数字阵列雷达体制的自适应-自适应(AA)的抗干扰方法，该方法可有效抑制副瓣来向干扰，还可显著改善因干扰样本中混入目标信号而导致的目标相消问题，具有较高的工程应用价值。仿真结果验证了该方法的有效性。

关键词：数字阵列雷达；自适应-自适应；抗干扰；目标相消

0引言

当前电子技术飞速发展，雷达面临着越来越复杂的电磁环境，这就对雷达的抗干扰能力提出了更高的要求。随着数字阵列技术在雷达领域的应用，数字波束形成技术得以在实际工程中用于雷达抗干扰领域。灵活的波形设计可以极大地发挥相控阵雷达的抗干扰潜力。在已有的干扰抑制方法中，传统空域置零法易受天线阵元或通道幅相误差的影响，算法不够稳健；而基于辅助通道的干扰对消方法在一定程度上可满足工程需求，但由于全向接收天线侦收干扰，导致干扰抑制并不彻底。因此，当前迫切需要提出一种性能更好的且符合工程实用的雷达抗干扰新方法[1-4]。

本文针对数字阵列体制雷达中的抗干扰问题，提出一种基于自适应干扰波束形成-自适应干扰相消的干扰抑制方法。该方法首先利用雷达的发射静默状态形成多波束来对干扰进行测向，进而通过数字阵列自适应波束在目标方向和干扰方向均形成有效波束，然后利用主波束接收数据和干扰通道接收数据基于旁瓣相消结构进行自适应对消干扰。该方法抗干扰性能稳健且实现简单，因此具有较高的工程实用性[5-7]。

1基于AA法自适应干扰对消的基本原理和流程步骤

1.1基本原理

对于大型数字阵列的自适应处理来说，需要采用降维处理的方法来减少运算量和减轻数据传输压力，同时需要减少幅相误差带来的性能损失。因此，在实际应用中往往采用波束形成后再进行数据处理的方式来实现降维。

下面重点描述雷达数据变换到波束域的抗干扰问题。首先预先估计出干扰来向及干扰源个数，然后再通过自适应波束形成在各干扰向形成干扰波束，并将其与期望信号方向的主波束进行自适应干扰相消处理。这就是自适应-自适应(AA)处理方法[6]。该方法基于旁瓣相消结构来对消主波束中的干扰，因此具有较为稳健的干扰抑制性能。具体的干扰抑制原理在下面详细阐述。

假定阵元为M元等距线阵，间距为d且各向同性，J个干扰源从远场以平面波入射到阵面上，干扰方向为θj(j=1,2,…,J)。各接收通道噪声为高斯白噪声。图1为自适应干扰对消基本原理图。

图1　自适应干扰对消的基本原理

阵列接收到的快拍数据可以表示为:

(1)

式中:a(θj)，j=1,…,J,为干扰信号的导向矢量，a(θj)=[1,e-j2πdsin(θj)/λ,…,e-j2π(M-1)dsin(θj)/λ]T;N(t)=[n1(t),n2(t),…,nM(t)]T为噪声矢量;sj(t)为第j个干扰信号复包络。

主波束的输出为:

(2)

第j个干扰波束的输出为:

(3)

式中：a(θB)=[1,e-j2πdsin(θB)/λ,…,e-j2π(M-1)dsin(θB)/λ]T；θB为主波束的方向。

自适应权值形成如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

自适应波束形成的输出为：

(9)

在式(7)中，相关矩阵的维数为J+1。由于空间干扰数是有限的，对于大型数字阵列雷达来说，相关矩阵的维数远小于阵元数，运算量大幅降低。

1.2基本流程

基于AA法的自适应干扰对消技术的基本流程分为以下3个步骤：

(1) 无源模式下多波束干扰测向；

(2) 自适应干扰波束形成；

(3) 自适应干扰对消。

干扰信号搜索定位过程是指雷达在某时间段处于发射静默，通过接收数字波束形成(DBF)而形成覆盖全空域的接收波束，设置门限，依次判断各输出通道，当某方位俯仰方向接收通道幅度大于设定的门限值时，则认为该方位存在干扰源，用此方法统计出各干扰源的空间位置和干扰源总个数。自适应波束形成是雷达在正常搜索期间，形成目标搜索方向的主波束和指向各干扰源的干扰波束，干扰波束的个数依赖于干扰源个数。自适应干扰对消是利用主通道和干扰通道数据之间的相关性进行自适应处理。

图2和图3分别为干扰源定位示意图和主波束、干扰波束形成示意图。

图2　干扰源定位示意图

图3　主波束和干扰波束形成示意图

2计算机仿真和性能评估

假定天线阵面为矩形阵，大小为20行、64列，各阵元按半波长等间距排列，干扰源个数为2个，从目标信号的水平副瓣进入，干扰类型为窄带压制干扰，各接收通道的噪声为高斯点频噪声。重点对基于AA法的干扰对消方法和基于辅助天线的干扰对消方法进行性能对比。具体仿真参数如表1所示。

表1　仿真参数

实验1：训练样本中不含目标信号，目标距离R=50,信噪比σSNR=45dB。

图4为干扰的距离-多普勒功率谱图。由图4可以看出，共2个点频干扰，分别分布在2个不同频点和全部距离单元上。

图5(a)和(b)分别为采用AA法和辅助天线法进行自适应干扰对消后的距离-多普勒功率谱图。由图5可以看出，在本仿真条件下，2种干扰对消方法性能接近，均可有效抑制干扰，且目标没有发生相消现象。

图4　主波束频谱干扰从副瓣进入

图5　自适应干扰对消后距离-多普勒功率谱图

图6为采用AA法和辅助天线法进行自适应干扰对消后的多普勒向切片图。由图6可以看出，在本仿真条件下，2种干扰对消方法均可有效抑制干扰，且干扰抑制水平相当，同时目标向无目标损失。图7为采用AA法和辅助天线法进行自适应干扰对消后的空域方向。由图7可以看出，在本仿真条件下，采用2种干扰对消方法均可在干扰来向形成有效凹口，但辅助天线法副瓣较AA法稍高。

图6　采用2种对消后的多普勒向切片图

图7　采用2种对消方法的空域方向图

实验2：训练样本中含目标信号，目标距离R=30，信噪比σSNR=45dB。

图8为采用AA法和辅助天线法进行自适应干扰对消后的多普勒向切片图。由图8可以看出，在本仿真条件下，2种干扰对消方法均可有效抑制干扰，且干扰抑制水平相当，同时目标向无目标损失。图9为采用AA法和辅助天线法进行自适应干扰对消后的空域方向。由图9可以看出，在本仿真条件下，采用2种干扰对消方法均可在干扰来向形成有效凹口，但辅助天线法副瓣较AA法有显著抬高。这是因为干扰估计样本中包含目标时，当辅助天线个数大于干扰源个数时，多余的系统自由度会起到副作用，导致副瓣抬高，性能变差。

图8　采用2种对消后的多普勒向切片图

图9　采用2种对消方法的空域方向图

实验3：训练样本中含目标信号，目标距离R=30，信噪比σSNR=70dB。

图10为采用AA法和辅助天线法进行自适应干扰对消后的多普勒向切片图。由图10可以看出，在本仿真条件下，采用AA法的干扰对消效果要显著优于辅助天线法，干扰剩余差15dB左右。图11为采用AA法和辅助天线法进行自适应干扰对消后的空域方向。由图11可以看出，在本仿真条件下，采用2种干扰对消方法均可在干扰来向形成凹口，但辅助天线法副瓣较AA法抬高约40dB左右，且主波束方向发生波形畸变。这是因为当干扰估计样本中含强目标时，辅助天线法明显出现了目标相消现象，而AA法由于目标从干扰波束副瓣进入，干扰通道中目标信号能量被抑制，因此有效预防了目标信号的相消问题。

图10　采用两种对消后的多普勒向切片图

图11　采用2种对消方法的空域方向图

实验4：干扰源和雷达接收平台存在相对运动情况下，AA法干扰对消效果评估。

假定干扰源运动速度300m/s，雷达接收平台运动速度150m/s，2次干扰搜索时间间隔为2s，则在此期间雷达平台和干扰源间的最大运动角度为1.03°。图12为雷达平台和干扰源的相对运动所导致的干扰来向变化示意图。图13为角度变化与AA法干扰对消性能损失的关系图。由图13可以看出，AA法能够保证在2次搜索间隔内，在目标和平台存在相对运动的情况下，干扰性能无损失。

图12　雷达平台和干扰源的相对运动角度变化示意图

图13　角度变化和性能损失关系图

3结束语

本文提出的基于AA法自适应干扰对消方法，利用测得的干扰源来向在干扰向自适应形成指向波束，在确保该干扰波束所接收干扰能量最大的同时，也利用空域加权将进入干扰波束的目标分量削弱。因此，该方法可在保证目标无损失的前提下实现干扰的有效对消。由于具有较低运算复杂度，该方法特别适用于大型数字阵列雷达，且已经在实际工程中取得应用，并取得了良好的干扰抑制性能。

参考文献

[1]BROOKERE,HOWELLJM.Adaptive-adaptivearrayprocessing[J].ProceedingsofTheIEEE,1986,74(4):602-604.

[2]WANGYL，PENGYL.Methodforsimultaneousclutterandjammingrejectioninairboneradar[J].ElectronicsLetters，1995，31(14)：1190-1192.

[3]LIWX,LIYP.AnEffectiveMethodonIncreasingtheNullDepthofBeamformingviaVirtualArrayTransformation[C]//InformationScienceandEngineering.Hangzhou,China,2010:973-976.

[4]LIWX,LIYP.AnEffectiveMethodonincreasingtheNullDepthofBeamformingviaVirtualArrayTransformation[C]//InformationScienceandEngineering.Hangzhou,China,2010:973-976.

[5]张鹏.自适应干扰对消中干扰信号的采样混有目标信号时的对消效果分析.系统工程与电子技术,1996(8):34-43.

[6]王永良，丁前军，李荣峰.自适应阵列处理[M].北京：清华大学出版社,2009.

[7]朱德智.自适应-自适应波束形成的零陷加深技术[J].雷达与对抗,2012,32(4):35-38.

Adaptive Anti-jamming Method for Multi-channel Radar Based on AA

QIU Wei,ZHU De-zhi,FAN Ming-yi

(No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

Abstract:The anti-jamming ability is a key tactical index for radar.Because the electromagnetic environment becomes more and more complex in modern war,more and more challenges are confronted with the radar anti-jamming.This paper puts forward an adaptive-adaptive (AA) anti-jamming method based on digital array radar system.The method can effectively suppress the jamming from side lobes,and can evidently improve the target cancellation problem due to the mix of jamming signals and target signals,has higher engineering application value.The simulation result validates the validity of the method.

Key words:digital array radar;adaptive-adaptive;anti-jamming;target cancellation

收稿日期:2016-01-03

中图分类号：TN974

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0021-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.006