双极化接收的自适应对消抗干扰方法研究

成天桢

(北京无线电测量研究所，北京 100854)

0 引言

电子干扰对抗能力是雷达系统性能考核的重要项目，关系到雷达目标探测和跟踪能力的正常实现。当前，可查的工程化抗干扰技术主要在空域、时域、频域实现，对于极化域抗干扰技术的研究有限，且工程化实例不多[1-2]。本文提出了一种基于双极化接收雷达的自适应极化对消抗干扰方法，利用天线对不同入射波在极化域的选择性来改善有用信号的接收质量。本方法利用干扰采样数据段，基于干扰输出功率最小准则估计两极化通道间对消权系数，应用于回波数据段，实现干扰对消。仿真和试验数据表明，该方法能够较好地抑制干扰信号。

1 电磁波的极化

电磁波的极化，是指电磁波电场矢量E的振动保持在某一固定方向或按某一规律旋转的现象，它表明了电磁波电场强度的取向和幅度随时间而变化的性质[3]。如果在电磁波传播路径的一个横截面上，观察到电场强度矢量始终在一条直线上振动，就叫线极化波(直线方向水平，称为水平极化波；方向垂直，则称垂直极化波)；如果以电场矢量的振荡周期做旋转，矢量端点描绘的轨迹是个圆或椭圆，则叫圆极化或椭圆极化波[4-5]。

任意一种极化波均可分解为一对正交极化波的合成，因此可以用Jones矢量来表示完全极化的平面电磁波[6-8]：

(1)

可见，只需要E0，γ，φ3个参数就可以完全表示平面电磁波电场矢量的轨迹形状[7-8]。在很多领域，我们只对电场向量在H和V分量上的相对关系关心，因此可采用归一化的Jones矢量：

可得到电磁波的极化比如下：

(4)

式中：参数(γ,φ)被称为电磁波的相位描述参数，φ的取值范围为[-π,π]。如果参数(γ,φ)为常数，即正交分量之间是相干的，则此电磁波称为完全极化波，否则称为非完全极化波[4-5,9-14]。

2 自适应极化对消

2.1 算法原理

自适应极化对消分为2步进行：首先只接收干扰信号，基于输出功率最小原则进行最佳权系数计算；然后用最佳权系数对通道加权以消除干扰[2,12-13]。该自适应极化对消方法流程如图1所示(本方法针对直放式极化特性恒定的干扰设计)[15]。实际系统中，雷达利用发射前干扰采样数据进行对消权值计算，将计算得到的权值用于回波段对消处理，工作时序如图2所示。

设接收天线为双正交天线，天线1和天线2极化状态用归一化Jones矢量表示为h1和h2；干扰信号极化状态归一化Jones矢量表示为hJ，干扰信号矢量表达式为hJ×j(n)；目标信号回波极化状态归一化Jones矢量表示为hS，干扰信号矢量表达式为hS×s(n)。

两极化通道干扰接收信号表示为

x1(n)=h1×(hJ×j(n))+n1(n),
x2(n)=h2×(hJ×j(n))+n2(n),

(5)

式中:n1(n)和n1(n)分别为两正交极化通道的噪声信号，相互独立且与干扰信号独立。

以通道1干扰输出功率最小为准则计算对消权值，即

(6)

可计算得到最优权值为

(7)

同理，可计算得到通道2最优权值为

2.2 算法分析

设雷达信号为S，干扰信号为J，信号相位描述参数为(γs,φs)，干扰信号相位描述参数为(γj,φj)，接收信号可表示为

Y1=Scosγs+Jcosγj+n1;
Y2=Ssinγsejφs+Jsinγjejφj+n2.

(9)

根据最优权值计算公式，可计算得：

考虑通常情况下，干扰能量远大于噪声能力，因此忽略噪声则，权值写为

干扰对消后无剩余，对消后信噪比可写为

从式(12)可知，两通道对消后信噪比相同。由于噪声无法被对消，可假设n2cosγj-n1sinγjejφj=n，则式(12)信噪比变为

(13)

仅考虑实部(能量)，则信噪比可写为

因此，从以上分析结果可知，自适应极化对消后信噪比与目标和极化的极化特性相关，两者差异越大，对消后信噪比越大。

3 算法仿真分析与数据验证

3.1 仿真分析

(1) 干噪比对对消性能的影响

设目标极化特性为(72，72)，干扰极化特性为(22.5，324)，信噪比为-10 dB，干噪比变化范围为0～80 dB，步进0.5 dB。目标波形设置为0.8 MHz带宽单脉冲线性调频信号，脉宽400 μs，载频70 MHz，信号脉压增益约25 dB(即无干扰条件下脉压后信噪比约为15 dB)。本文仿真中信噪比统计方法为，信号脉压后，信号所在位置点信号幅度与该点一段距离之后所有噪声幅度均值之比。

仿真结果如图3,4。图中横坐标均为干噪比，图3纵坐标为通道1脉压后信噪比，图4纵坐标为通道2脉压后信噪比。从2图中可知，2个通道信号，不同干噪比条件下脉压后信噪比均约为15 dB，与理论推导结果相符。2图不同在于，干噪比较小的情况下，通道1脉压后信噪比明显低于平均值15 dB，随着干噪比的增大才逐渐达到15 dB。其原因在于，由于干扰极化特性通道2中干扰分量比小于通道1，干噪比较小时，通道1中干噪比较小影响权值计算，导致对消效果较差。

(2) 信噪比对对消性能的影响

设目标极化特性为(72，72)，干扰极化特性为(22.5，324)，干噪比为30 dB，信噪比变化范围为-20～40 dB，步进0.5 dB。目标波形设置为0.8 MHz带宽单脉冲线性调频信号，脉宽400 μs，信号脉压增益约25 dB。

如图5～8所示，随着信噪比提高，通道1，2的脉压后信噪比线性增加。同时，通道1和通道2对消效果相近，说明在干噪比足够大的条件下，2对消通道效果一致。仿真结果与理论推导相符。

3.2 实测数据验证

采用试验验证平台开展试验，试验为主瓣噪声调频干扰，45°斜极化，干噪比30 dB。

数据处理结果如图9所示。图9为一帧数据对消前后2通道数据脉压结果对比图。可以看出，水平/垂直通道脉压后不能检测到目标，但对消后的信号经过脉压可以看到一个明显的峰值，即目标的距离59.5 km。通过对多帧数据计算统计可知，水平通道对消后平均信噪比为23.13 dB，垂直通道对消后平均信噪比为22.893 dB，两者输出信噪比相当，与理论推导相符。

试验验证结果说明，本文自适应极化对消方法对连续噪声干扰具有较好的抑制效果。

4 结束语

本文基于双极化正交接收雷达提出一种基于双极化接收雷达的自适应极化对消抗干扰方法，利用天线对不同入射波在极化域的选择性来改善有用信号的接收质量。方法利用干扰采样数据段，基于干扰输出功率最小准则估计两极化通道间对消权系数，应用于回波数据段，实现干扰对消。仿真和试验数据表明，该方法能够较好地抑制干扰信号。目前方法尚存在对时变极化干扰信号对消效果不佳的问题，后续将对此进一步研究。