半主动雷达导引头直达波对消抑制技术*

2019-07-30邱海宾范孟秋

弹箭与制导学报 2019年1期

邱海宾，朱龙，范孟秋

(中国电子科技集团公司第29研究所，成都 610036)

0 引言

半主动体制的防空导弹同时兼备了主动寻的弹与被动寻的弹的优势，可尽大程度减少弹本身被截获的概率，具备一定的隐身打击能力。同时，由于其作战距离远，硬件成本低，技术难度小等特点，其已发展成为现代防空武器的重要组成部分[1]。

半主动雷达导引头的作用距离主要依赖于地面雷达的照射功率。针对隐身目标，需要大大增强照射器照射功率来换取作用距离。同时，需要选择低频段导引头来保证一定的探测能力。但在空间有限的情况下，低频段天线很难做到低副瓣和后瓣。这会导致从导引头回波天线后瓣或者后副瓣进来的直达波非常大，剩余直达波杂散功率足以淹没真实目标回波信号，导致虚警增高，同时大大降低系统的探测灵敏度。

根据半主动导引头天线布局特征，文中创造性地引入空域对消方法来解决这一难题，以直波天线为辅助通道，回波天线为主通道提出基于空域置零的后瓣对消技术，将回波天线后瓣进来的强信号自适应的进行空域置零，使得强直达波对目标回波的影响降到最低。通过半实物仿真试验，充分证明了此方法的可行性以及工程实现性。

1 半主动雷达导引头工作原理

1.1 半主动导弹工作机理

半主动导弹头部装有接收目标回波的导引头天线，尾部装有接收照射参考信号的直波天线。其工作机制如图1所示，回波通道除了接收目标回波信号外，一般情况下，在不同弹体姿态下，还会接收到从主瓣、旁瓣进来的来自地物的杂波信号，以及从后瓣进来的强直达波信号。

假定导弹与目标均在照射器主波束内，利用直达波信号作为匹配样本，并对平台弹速进行补偿，则得到的处理后多普勒频率分布区间如图2所示。

图1 半主动导弹杂波模型

图2 速度补偿后半主动导弹多普勒分布模型

经速度补偿后，最强的直达波被搬移到零频附近，导引头上视情况下，地物杂波主要集中0.5倍弹速到1倍弹速之间的频率区域，而目标处在弹目径向速度所对应的频率范围内。

1.2 强直达波抑制问题

以典型近距半主动隐身目标拦截弹为列，如图3所示，某波段目标RCS为0.05 m2，假定导弹发射后距地面制导雷达Rm=10 km时，照射器开始照射，此时弹目距Rt=20 km。将照射功率归一化到0 dBm，考虑回波天线35 dB的主后瓣比(主瓣增益归一化为0 dB，则后瓣增益为-35 dB)，从回波天线前向入射的目标回波信号强度为：

Pm=0-lg(4π(Rm+Rt)2)+lg(RCS)-

lg(4πRt2)=-211 dBm

(1)

回波天线后向入射的直达波信号强度Pz为：

(2)

回波通道的直达波比目标回波强度大：

Pz-Pm=85 dBm

(3)

对导引头信号处理过程进行仿真，设定地面照射器发射信号杂散为70 dBc。由于导引头多采取高重频波形，目标有极大可能折叠到直达波距离单元上，目标回波与直达波信号在同一距离单元上的频域分布特性如图4所示(只采用常规MTI方式进行直波抑制)。

可以看出，在直达波抑制前，目标信号(绿实圈标示)和杂散信号(红虚圈标示)全部被直达波旁瓣淹没，经过50 dBc的滤波、相参处理后，零频附近的杂波信号得到较深的抑制，但是直达波的高频杂散没得到任何改善，比目标信号强度高15 dB左右，造成检测虚警，严重影响系统灵敏度，可以预见，如果发射信号杂散指标恶化(低于70 dBc的影响会更加严重)。

图3 半主动导弹雷达距离模型

图4 MTI直波抑制前后回波通道信号频谱对比

所以，针对隐身目标的半主动导引头必须采取措施对后向入射的强直达波进行更深的抑制，除了上述对零频直达波信号采取高通滤波的方式以外，一般比较常见也容易实现的还有以下几种方法：

a)尽量采用低后瓣回波天线，提高主后瓣比。然而，针对隐身目标的低频段天线，主后瓣比很难做高，目前比较常见的为35 dBc向入射信号抑制有限；

b)距离上进行保护，即在直达波脉冲持续期间，将回波通道关断，虽可以避免直波入射，但对于弹上高重频工作方式而言，这种方法会带来大量盲距，不利于对目标的稳定跟踪。

c)地面照射器增加自动增益控制AGC(automatic gain control)功能，在近区降低照射功率，中远端再逐步推高功率。此方案会带来导引头目标探测距离的损失，导弹防御系统的战斗力得到削弱，得不偿失。

基于以上分析，文中提出了利用空域对消技术进行回波天线后瓣直达波抑制的探索性尝试。

2 基于后瓣对消的直达波抑制技术

2.1 直达波后瓣对消技术

文中提出的后瓣对消(back-lobe cancellation，BLC)是基于旁瓣对消(side-lobe cancellation，SLC)的一种空域自适应滤波算法[2]。

直达波后瓣对消技术以装在导弹尾部的直波天线构成唯一的一个辅助通道，导弹头部的导引头天线为主通道，利用主、辅天线接收的不同方向信号的相关性，根据最小均方误差准则实时地调整直波通道的相位、幅度加权，用加权后的直波天线输入信号与主天线接收信号相减，自适应地形成波束图后瓣零点，达到从空域上抑制直达波的目的。相比较传统的旁瓣对消，直达波对消主要是对后瓣入射信号进行抑制，文中称之为后瓣对消(BLC)。

基于工程较为常用的开环对消方式[3]，图5给出了开环自适应后瓣对消原理图。

图5 后瓣直波对消原理

X表示导弹前端的导引头回波主天线接收的主信号；Y表示导弹尾部直波天线接收到的辅助信号，W为加权系数，Vo表示对消输出，数学表达式写为:

Vo=X-WHY

(4)

式中：H表示共轭转置，式(5)中，*表示共轭不转置。采用最小均方 (LMS)准则[4]，可得到：

E{(X-WHY)(X*-YHW)}=

(5)

RYX表示主通道和辅助通道的互相关矩阵，RYY表示辅助通道的自相关函数矩阵，对于平稳随机过程，式(5)具有唯一极小点。均方误差P的梯度可以由式(5)对权矢量的各Wj进行微分得到，即：

-2RYX+2(RYYW)

(6)

(7)

由式(7)求出的最优权值，能够保证后瓣对消后的直达波剩余功率最小[5]。

2.2 主、辅天线存在法向偏角时的对消模型

在半主动导引头系统中，回波天线和直波天线是分开安装的。直波天线法线方向沿弹体纵轴固定，回波天线在弹体头部，在跟踪情况下，其法线方向一般指向目标，并随目标角度变化而变化，不一定与弹体纵轴重合，为便于分析，假设弹体与弹目线只作相对惯性坐标系的俯仰运动(方位运动分析方法相同)，则导引头跟踪几何模型[6]如图6所示。

图6 半主动导引头天线位置模型

图6模型中，α表示导弹的姿态俯仰角。γ为回波天线法向与弹体纵轴夹角。β为直达波入射方向相对地面惯性基准角度。经过转化，得到直达波在直波天线中的入射方向θD以及在直波天线中的入射方向θE分别为：

θD=α+β

(8)

θE=α+β+γ

(9)

为了得到这这种情况下的对消表达式，将式(4)中直波天线接收到的信号Y修正为Y′：

Y′=YWθE/WθD

(10)

式中：WθE与WθD分别表示直波天线在θE方向与θD方向上的空间响应矢量，WθE/WθD为方向修正因子计为μ。

结合式(4)、式(7)、式(10) 得后瓣对消最终表达式为：

X-((μμ*RYY)-1×μRYX)HμY=

(11)

式(11)中方向修正因子已经被化简掉，其表达式和式(4)完全一致。理论上可以说明，即使回波天线与主天线存在偏角，只要在一个对消周期内，这个偏角固定，可直接使用直波通道接收到的数据对回波通道进行对消，且不会对对消效果产生影响，这正体现了对消算法的自适应过程。

3 后瓣对消性能仿真分析

本节结合仿真天线模型，对基于后瓣对消的直达波抑制算法进行仿真。特别对直波天线与回波天线法向存在偏角时的情形进行仿真比对实验。图7、图8分别给出两个天线方向图响应曲线。

图7 回波天线模型及其方向图响应

图8 直波天线模型及其方向图响应

由于直波天线安装在弹体尾部，其法向沿导弹纵轴向后，在与回波天线同坐标系定义下(0°为前向)，法向转化到-180°方向。根据图3所示场景设置仿真参数：目标RCS=0.05 m2、Rm=10 km、Rt=20 km，照射信号杂散-70 dBm，照射ERP为10 MW，AD输入端接收机噪底-50 dBm。

3.1 直波、回波天线法向重合时的对消性能

这种情形下，如图6模型所示，回波天线与直波天线法向偏角γ为0°，则直达波在两个天线上的入射角θD和θE相同，设定为170°，设定目标信号从回波天线法向0°入射。经脉冲压缩，杂波抑制(使用80阶高通滤波，抑制能力50 dB)，相参积累处理，对对消前后回波通道信号的空、频域特征进行仿真分析。

图9 主、辅天线法向重合时的后瓣对消能力

图9中，不做BLC对消处理的情况下，即使经过了50 dB的杂波抑制，剩余直达波杂散(图9(b)中红色虚圈所示)仍高于目标信号(图9(b)绿色实圈所示)约21 dB左右。经过后瓣对消处理后，回波通道在170°方向上自适应地形成了深凹口(约80 dB左右)，直达波入射能量被大大削弱，从抑制后的时域、频域信号来看，直达波信号已经被抑制到了系统噪声以下。而真实目标信号在对消前后能量没有变化，其得益于对消后的回波天线方向图在0°方向几乎没有任何损失。