基于半主动导引头的通道间对消算法研究

2017-11-02任泽宇

火控雷达技术 2017年2期

关键词：噪比信干半主动

任泽宇白昊费涛

(西安电子工程研究所西安 710100)

基于半主动导引头的通道间对消算法研究

任泽宇白昊费涛

(西安电子工程研究所西安 710100)

针对半主动雷达导引头的工作特点，导引头接收天线不仅接收到目标回波信号，还会收到地面雷达发射的探测直达波。直达波功率高于回波功率数个量级，导致目标回波信号被淹没，造成目标检测概率降低、测角误差增大等不利影响，需对直达波进行抑制。基于半主动导引头平台，本文提出一种有效抑制直达波的通道间对消算法，可极大的提高信干噪比，有利于目标检测及目标特征的进一步提取。本算法简捷有效易于导引头平台实现，具有较高的推广应用价值。

通道间对消；直达波；半主动雷达导引头

Abstract: Aiming at characteristics of semi-active radar seeker, the receiving antenna of seeker does not only receive echoes from the target, but also receives strong detecting direct wave transmitted by ground radar. Since power of direct wave is higher than echo power by couple of magnitude, this will result in that echoes signal from target is submerged so as to cause disadvantageous effect like reduction of target detection probability, increment of angle measurement error. Therefore, the direct wave is needed to be suppressed. On basis of semi-active seeker platform, an algorithm of cancellation between channels is proposed to suppress direct wave effectively, by which ratio of signal to interference to noise can be increased greatly, and it is benefit to detect target and extract target characteristics further. The algorithm is forthright and effective and easy to implement on seeker platform. It is valuable for application and popularization.

Keywords：cancellation between channels; direct wave; semi-active radar seeker

0 引言

半主动导引头依赖于地面雷达，对空中目标进行检测、截获工作，导引头被动接收的信号包括：地面雷达发射的探测信号，目标的回波信号。通常将探测信号称为直达波信号，其相对于目标的回波信号具有很强的能量，通常高数十dB以上，导致回波信号被淹没，故直达波信号又称载波泄漏，同频干扰[1]。

由于直达波信号能量高于回波信号数个量级，要在如此强大的直达波干扰背景下检测出目标无疑是极其困难的，会极大的影响目标检测和测角精度，因此必须对直达波信号进行抑制处理[2]。在相控阵雷达中，可通过波束形成的方法于干扰方向形成零陷[3]，但由于导引头通道数较少，不能完全采用该方法。本文借鉴相控阵雷达旁瓣对消原理[3]，提出了一种适用于半主动雷达导引头平台的通道间对消方法以抑制直达波信号。

1 通道间对消原理

半主动导引头主要用于打击空中来袭目标，主接收通道安装在弹体头部称头部通道，辅助通道安装在弹体尾部称尾部通道，则尾部通道接收到的目标回波信号能量较头部通道弱，半主动导引头工作原理如图1(a)所示。通道间对消处理，选择尾部与头部通道接收信号进行对消运算，对消基本原理如图1(b) 所示。

图1(a) 半主动导引头工作示意图

图1(b) 通道间对消处理示意图

图1(b)是头部单独1路接收通道对消处理示意图，如图1(a)所示项目应用中需根据头部5路接收通道的回波信号进行干涉测角，因不同接收通道间回波存在幅相差异，5路头部通道需单独进行对消处理。针对本文所提出的算法，接下来分析的主要指标有：(1)对消比分析；(2)测角精度情况分析。

2 仿真分析

正常工作期间，半主动导引头的信号处理机通过中频采样，经正交数字下变频后于基带进行处理。地面雷达发射的信号形式为点频信号，目标回波信号形式也为点频信号，两者之间存在一定的频率差。本文直接仿真基带后的处理流程：基带采样率设计为2MHz，发射脉冲重复周期(PRI)10ms，占空比为10%，取直达波干扰频率为1KHz的点频信号，取回波信号频率为-200KHz～+200Khz以步进值0.1KHz变化，噪声采用高斯白噪声形式。

对消比及相关性分析：

(1)取前300个回波采样点用于权值计算，尾部通道干噪比为60dB，信噪比0dB；头部通道干噪比为53.9dB，信噪比40dB；对消比仿真分析结果如图2(a)所示，对消比计算方式为对消后输出信号的信干噪比减去头部通道的输入信干噪比；

(2)分析不同频率的回波信号与1KHz直达波间的相关性(相关系数定义为，其中var表示方差计算，cov为互协方差计算[4])，相关系数计算结果如图2(b)所示。

图2(a)对消比分析处理结果

图2(b) 相关性分析结果

由图2(b)可见回波与直达波频率偏差越大，则相关系数越小，虽然有频率偏差但仍然是相关的[4]。而图2(a)则反映出两信号频率偏差越大，则对消比越大，呈现出与相关性成反比关系，在1KHz频率处由于回波与直达波频率完全相同造成完全相关，信号也完全被对消了，导致对消比出现极大值即为图2(a)中曲线在1KHz处出现跳变的原因。实际应用中回波与直达波之间存在频率差，不会出现两信号完全相关的情况。

由图2(a)可见，对消比是与直达波、回波频率差有关的。由图2(b)可见，两点频信号间即使存在频率差亦存在一定的相关性，反映在图2(a)中即为对消比的限制，由仿真可知利用300个采样点计算权值对消比可达到30dB以上。

半主动导引头实际工作中，由于目标回波、直达波的多普勒都在变化，权值需要实时更新。对消后信干噪比提高有利于信号的检测。板级系统实现下的对消比利用实测数据于第4小节分析。

测角精度情况分析：取两头部通道回波信号相位差-30°，仿真分析对消后测得的相位差。尾部通道干噪比60dB，信噪比0dB，头部通道1干噪比53.9dB，信噪比40dB，头部通道2干噪比49dB，信噪比33.9dB。取直达波干扰频率为1KHz的点频信号，取回波信号频率为从-200KHz～+200KHz以步进值0.1KHz变化，噪声采用高斯白噪声形式。

图3(a) 为数据直接FFT后，利用尾部通道可知干扰所在多普勒通道，头部通道检测时舍弃该通道，检测目标所处多普勒位置两头部通道测角结果，可见误差极大。原因分析为直接FFT运算时回波信号功率小，虽处于旁瓣但幅相受直达波强干扰的影响仍较大，导致测角误差较大，且越靠近干扰频率则所受影响越大，测角误差便也呈增大趋势。

图3(b)为对消后根据目标所在多普勒通道两头部通道测角结果，可见只在1KHz处测角结果误差较大，信号频率在0.9KHz及1.1KHz处测角误差在正常范围水平。原因分析为回波频率为1KHz则与直达波干扰完全相关，导致回波亦被对消，使得测角结果误差较大。

图3(a) 对消前FFT测角

图3(b) 对消后FFT测角

由图3(a)(b)对比可见本文所提出的对消算法对测角精度的提升有好处，而且优势明显。

通过相关仿真及分析，通道间对消算法的应用，需要保证干扰信号能量大于真实回波信号能量，否则会将真实回波信号对消掉，造成信干噪比的损失。此即为该算法的应用条件，同时直达波干扰与目标回波信号间相关性越弱则对消效果越好。

3 实测数据分析

在实验室搭建实验平台，通过外置天线辐射信号，测试了两不同频率点频信号分别作为回波和直达波情况下，信号处理板在线实现本算法时通道间对消比可达40dB以上(频率差>50KHz)，与图2(a)仿真结果相一致，通道间测角误差在0.3°以下满足要求。为分析说明方便，将基带数据采集后离线进行分析，基带采样率2MHz，直达波信号频率1KHz，回波信号频率-0.1MHz，对消前头部、尾部通道基带波形如图4所示。

图4(a) 尾部[辅助]通道对消前基带波形部

图4(b) 头部[主]通道对消前基带波形

图5为对消后获得的信号的时域输出波形，由对消后时域波形可见回波信号已经恢复出来(因为信号频率已发生变化)。图6为对消前后信号频谱分析，分别对图4、图5中数据进行了16384点FFT处理，可进一步直观的分析对消比及信干噪比改善。

图5 两通道对消后输出波形

图6 对消前后频谱对比

图7为频谱局部放大图，图7所示结果与实验条件相一致，即对消前输入信干噪比为-20dB，对消后输出信干噪比约为37.5dB，对消比达到57dB，对消效果理想。同时对消对回波信号的绝对功率无影响，但极大的抑制了干扰、消除了干扰的影响，信干噪比改善度极高，有利于信号的后续检测处理。所获得的对消比与仿真图2(a)中频率-0.1MHz处可获得50dB以上的对消比结论是相一致的，即理论分析与实验数据相吻合。