基于子带划分和子带综合的自适应干扰对消技术

摘 要在雷达和电子对抗领域，宽带信号得到越来越广泛的应用。针对宽带系统抗干扰，分析基于子带划分和子带综合的自适应对消方法对干扰信号的对消能力，利用采集数据进行了仿真分析，并提出了工程实现方法。

【关键词】宽带信号 自适应开环对消 子带划分 子带综合 FPGA DSP

1 引言

在雷达和电子对抗领域，宽带信号得到越来越广泛的应用，为适应现代电子战的需要，宽带系统必须具有好的抗干扰能力和自适应能力[1，2]。针对宽带系统中的干扰信号影响信号检测的问题，传统的窄带、非自适应干扰对消方法显然已不再适用[3，4]。本文采用基于子带划分和子带综合的自适应开环干扰对消方法，对实测数据进行对消仿真，并对划分的子带个数对对消性能影响展开分析，进一步论证了工程实现的可行性。

2 原理分析

自适应开环对消工作原理如图1所示，系统由一个高增益的天线（主天线）和一个或多个低增益的全向性天线（辅助天线）构成，辅助天线的增益应与主天线的第一旁瓣增益相当。目标信号和干扰信号同时到达主天线和辅天线。主天线中有目标信号也有干扰信号，而辅天线中也是有目标信号和干扰信号。主天线是强方向性天线，而辅天线一般是无方向性天线，主天线在目标方向的增益远大于辅天线在目标方向的增益。自适应处理器根据主、辅天线接收的信号计算出一组自适应权系数W，调节辅助天线的幅度与相位，从而在有源干扰方向自适应形成零点，达到抑制有源干扰的目的。

图1中y（t）表示在t时刻主天线上的采样电压矢量，X1（t）、X2（t）…XN（t）为各辅助天线接收信号，N为辅助天线数。

XT=（X1（t），X2（t），…XN（t）） （1）

表示t时刻辅助通道接收电压矢量，上标T表示转置操作。

表示由相应算法得出的最优加权值矢量。

WT=（W1，W2，…WN） （2）

（3）

对消剩余信号由下式给出：

计算最优权值的准则是使剩余功率最小，即最小均方准则（LMS），它的统计表示为：

（4）

其中R0=E（X×y*（t））表示主通道干扰矢量与辅助通道干扰矢量形成的互相关矩阵；

R=E（X×XH）表示各辅助通道干扰矢量形成的协方差矩阵。

对（4）式两侧分别对权值矢量W中的每一个分量W1*，W2*，…WN*做求导运算，并且使偏导结果为零，这样能使剩余功率最小。

求偏导的过程

，其中K=1，2，…N，根据上述N次求偏导运算，最终得到自适应旁瓣对消的最优权值表达式为：

R×Wopt=R0 （5）

Wopt叫Wiener权系数矢量。根据Wiener-hopf方程，同时对主辅通道进行采样，然后形成互相关矩阵和协方差矩阵，从而求出自适应权值，调节辅助通道的幅度与相位，再与主通道信号进行叠加，完成对消运算，达到抑制有源干扰的目的。

以一个主通道和四个辅助天线构成的自适应旁瓣对消器为例。

y（t）为主天线接收信号，X1（t）、X2（t）、X3（t）、X4（t）分别为辅助天线1、2、3，4的接收信号，对消剩余信号为r（t），根据旁瓣对消原理，自适应权值满足（5）式。根据式（5）求解出自适应权值W，则对消剩余信号r（t）为：

自适应旁瓣对消的运算量主要为自适应权值的计算和主辅通道的对消，自适应权值计算的过程是对主、辅通道分别进行采样，求出自适应权值。然后按式（6）进行主辅通道的对消，达到抑制干扰的目的。

（6）

3 实测数据分析

3.1 数据采集

利用信号源在远场通过射频前端注入点频信号、线性调频信号，通过功分器分发到1个主天线和3个辅助天线；采集系统利用FPGA校正和信道化后的每个天线的1个信号信道，数据率为20MHz，每个信道采集16384个数据，即819.2us，同时考虑系统的余量，可以实现大于300us的数据存储，满足数据分析要求。

3.2 噪声门限确定

利用采集系统，间断输入信号得出噪声值，近场辐射噪声均值为26.8016 dB。

3.3 对消仿真

采集系统载频范围2～3.5GHz，一个信道带宽为20MHz，不足信号带宽的1%，远小于信号带宽小于载频10%的，可以近似认为是信道化输出是窄带信号。以下针对远场辐射信号采取划分不同子带个数、不同的辅助通道数进行分析。

输入信号参数为脉宽2us，信号带宽20M，信号中心频点2.4G，主通道干噪比不小于40 dB。自适应干扰对消处理流程如图2。

对输入的数据对齐后，分别做信道化处理，再分别对每个信道做子带划分处理。主通道和辅助通道划分子带后数据做自适应对消处理，对消处理结果，经过子带综合模块，恢复成信道化处理后的一个信道数据，完成基于子带划分和子带综合的自适应干扰对消处理。下图2分别为一个信道信号的频谱和选择不同划分子带个数、不同辅助通道个数，自适应干扰对消后的时域和频域图。

从图3仿真结果可以看出，辅助通道个数越多或者子带划分越细（子带个数越多），干扰对消的结果越好。

4 工程实现

工程实现上采用FPGA+DSP 的处理架构。对输入的宽带数据对齐和信道化处理，并将信道化后数据送入DSP计算对消自适应权系数，利用该自适应系数和信道化数据，做开环自适应对消。

在FPGA上完成数据对齐、信道化处理、数据采集并送DSP、自适应对消处理；DSP主要任务是计算旁瓣对消自适应权系数，在响应外部中断，进入中断程序后，首先是把上一个周期的权系数送出去，然后读取FPGA中的当前周期数据，存入内部寄存器后，进行复数自相关矩阵、复数自相关矩阵求逆、复数互相关矩阵、逆矩阵与互相关矩阵相乘等运算。其中DSP计算旁瓣对消权系数流程如图4所示。

5 结论

综合仿真分析结果，对20M带宽数据，基于子带划分和子带综合的自适应对消方法能有效抑制干扰，且选取辅助通道越多、划分子带的个数越多对对消比越有改善。而在具体的工程实现中，则需要综合考量指标要求和硬件成本，选取合适的辅助通道个数和划分子带的个数，以期达到抑制干扰、检测信号的目的。

參考文献

[1]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012（09）.

[2]Brookner E.Phased-array radar[J] Scientific American，1985，252（02）：94-102.

[3]李会勇.基于L波段相控阵雷达的旁瓣对消算法研究与实现[D].成都：电子科技大学，2013：20-23.

[4]曹运合，齐飞林.宽带相控阵子阵划分及自适应干扰对消技术[J].中国电子科学研究院学报，2010（04）：337.

作者简介

万卫华（1979-），男，高级工程师。研究方向为雷达信号处理和电子对抗信号处理。

作者单位

中国电子科技集团公司第38研究所 孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室 安徽省合肥市 230088