雷达自适应旁瓣对消抗梳状谱干扰仿真研究

张 鸿,姚 力

(中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101)

0 引 言

随着军事技术的不断发展,现代战场电磁环境[1-2]越来越复杂,如何提高复杂电磁环境下雷达的抗干扰性能一直是研究的热点[3-4]。自适应旁瓣对消(ASLC)作为一种有效的抗干扰方法[5-6],其通过辅助接收通道在干扰方向自适应形成零点,实现对干扰信号的抑制,具有结构简单、易于实现等特点,已在雷达上得到了广泛的应用。

针对ASLC的抗干扰研究,冯明月等人[7]仿真研究了开环旁瓣对消对灵巧噪声干扰的对消效果;祝飞等人[8-9]分析和研究了射频噪声、噪声调频和噪声调相等干扰样式下的雷达自适应旁瓣对消性能;李兴成[10-11]、杨慧等人[12]研究了宽带干扰下的ASLC系统性能。这些研究对ASLC抗不同干扰的性能进行了研究,但目前尚未有ASLC对梳状谱干扰的对消研究。

针对上述问题,本论文开展雷达自适应旁瓣对消抗梳状谱干扰性能仿真研究,从雷达自适应旁瓣对消的数学模型出发,推导建立了自适应旁瓣对消的最优权矢量,在此基础上进行数值仿真,对抗梳状谱干扰的性能进行分析研究。

1 自适应旁瓣对消建模

为了便于分析建模,先建立如图1所示的自适应旁瓣对消结构示意图[13]。系统由N个辅助天线和M个主天线构成。参考天线可以从主天线阵列中选取,也可以单独设置辅助天线。设主天线的接收信号为X,N个辅助天线的接收信号为Xs=[X1,X2,…,XN]T,自适应旁瓣对消处理后的信号为Y,则加权相消后输出为:

图1 自适应旁瓣对消结构示意图

Y(t)=X(t)-WHXs(t)

(1)

式中:W=[w1,w2,…,wN]T,其中wi,i=1,2,…,N为各辅助天线的加权值。

最小均方误差准则要求加权对消后输出结果的均方误差最小,即:

ξ(W)=E[|Y(t)|2]=

WHRxW+E[|X(t)|2]-2Re[WHrxd]

(2)

(3)

式(3)能够保证自适应天线旁瓣对消系统输出信号不含有旁瓣干扰信号,使对消剩余功率最小。

图2为自适应旁瓣对消形成的方向图,由图2可以看出,自适应旁瓣对消可在2个干扰的到达方向形成低副瓣,证明了自适应对消处理的有效性。

图2 自适应旁瓣对消形成的方向图

2 梳状谱干扰理论模型

梳状谱干扰[14]是指由多个窄带干扰谱构成的干扰信号,梳状谱干扰采用固定或轮流的多频点窄带瞄准干扰,而不采用无缝隙的频谱覆盖,提高了功率利用率,避免了瞬时频谱间隙内的功率浪费。梳状谱干扰可以通过噪声调频或锯齿波调频来实现,下面以锯齿波调频对梳状谱干扰进行理论建模。

锯齿波调频信号as(t)的数学表达式为:

(4)

式中:A为信号幅度;w0为基频频率;Kf为调频互导系数;φ0为初始相位。

as(t)的功率谱函数为:

(5)

式中:P0为信号功率;KfAsTs为信号带宽。

锯齿波调频梳状谱信号表达式为:

(6)

锯齿波调频梳状谱信号为不同频率的锯齿波调频信号频域上的叠加。谱线的带宽同样可通过对Kf、As和Ts3个参数的调节而确定。功率控制可通过调节信号幅值的方法来实现。

图3为梳状谱干扰的信号频谱,由图3可以看出,干扰信号可以形成多个窄带干扰谱。

图3 梳状谱干扰的信号频谱

3 ASLC抗梳状谱干扰的数值仿真

根据上述理论,对线阵模型的旁瓣对消系统进行理论仿真。主天线阵元数目为16,辅助天线数目为2个,主波束指向为10°,干扰源数为2,其干扰方向为-35°和+25°,干信比为30 dB。该旁瓣对消系统中,信号频率为100 MHz,信号带宽10 MHz,信号脉宽为30 μs,阵元间距为半波长。图4和图5分别为自适应旁瓣对消前后信号的时域和频域曲线。

图4 自适应旁瓣对消前后信号的时域

图5 自适应旁瓣对消前后信号的频域

由图4、图5可以看出,自适应旁瓣对消前,信号被干扰淹没,干扰信号的频谱叠加在信号频谱之上,呈梳状分布,而通过自适应旁瓣对消后,干扰分量被滤除,留下目标信号。

雷达为了兼顾距离分辨力和作用距离,一般通过采用脉冲压缩技术来解决这个矛盾,图6为自适应旁瓣对消前后信号经过脉冲压缩输出的结果。

图6 自适应旁瓣对消前后信号经过脉冲压缩输出

由图6可以看出,在采取自适应旁瓣对消之前,经过脉冲压缩后目标被干扰覆盖,而经过自适应旁瓣对消处理的信号经过脉冲压缩,目标处形成尖峰。

通常,为了衡量ASLC系统对消性能,一般采用对消比,其定义为:

(7)

式中:J/S表示采用旁瓣对消前的干扰功率J和信号功率S之比;J′/S′表示旁瓣对消后的干扰功率J′和信号功率S′之比;对消比RC相当于系统采用旁瓣对消抗干扰措施后,干噪比提高的倍数,自适应旁瓣对消后RC随输入干噪比的变化曲线如图7所示。

由图7可以看出,对消比RC随着干噪比的增大而逐渐增大,当干噪比为10 dB时,对消比为0 dB;当对消比增大至40 dB时,对消比RC增大至50 dB。因此,可以表明ASLC系统可以对梳状谱噪声干扰信号具有很好的对消效果。

4 结束语

自适应旁瓣对消技术具有良好的抗干扰性能,广泛应用于现代雷达中。本文针对当前缺乏雷达自适应旁瓣对消抗梳状谱干扰的研究,首先建立了雷达自适应旁瓣对消的数学模型,然后对ASLC对抗梳状谱干扰的性能进行了数值仿真。仿真结果表明,ASLC系统可以对梳状谱噪声干扰信号具有很好的对消效果。当干噪比为10 dB时,对消比为0 dB;当对消比增大至40 dB时,对消比增大至50 dB。文章的研究对于提高现代雷达抗干扰能力的研究具有重要意义。