一种稳健的自适应旁瓣相消技术

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摘要

自适应旁瓣相消技术是一种有效的抗干扰手段，在理想情况下，自适应旁瓣相消技术能有效抑制干扰而保留期望信号，从而使相消后的信干噪比达到最大。但是在实际应用中，因为干扰相对天线位置的抖动、接收单元幅相特性差异等必然存在，导致常规旁瓣相消措施在工程应用中效果欠佳，针对这些不足之处，本文提出了一种稳健的干扰抑制技术，通过零陷展宽，有效增强雷达的抗干扰性能。并利用该方法对外场实录数据进行处理仿真，结果表明该抗干扰策略可以达到良好的抗干扰效果，与常规旁瓣相消方法相比，可显著提高雷达抑制干扰的性能。

【关键词】旁瓣相消 抗干扰 零陷展宽 自适应

1 引言

随着电子信息技术的飞速发展，电子战将贯穿现代战争的始终，成为现代信息战争的核心作战模式。而地面情报雷达作为一种提供战场信息的主要工具，其电子对抗能力，即在现代复杂电磁环境下，对抗电子干扰，持续有效获得空中情报的能力至关重要。

为有效对抗外部干扰，雷达研究人员己经提出了多种抗干扰措施，自适应旁瓣相消技术是其中一种有效的抗干扰手段，它利用一个或多个辅助天线与主天线同时接收干扰信号，通过对辅助天线的接收信号做加权求和处理，得到与主天线接收到的干扰信号特性相一致的干扰信号副本，并将其与主天线接收到的干扰信号对消，从而抑制从接收天线旁瓣进入雷达的干扰信号。

自适应旁瓣相消技术的基本原理，研究已经比较成熟。在常规的干扰样本选择方案中，选择回波信号远区的一段信号作为干扰样本，用来计算旁瓣相消的权值，然后用该权值完成当前脉冲周期内的旁瓣相消工作。但在实际应用中，想得到稳健的抗干扰性能，还有许多问题需要解决，主要有以下几个：

（1）随着雷达的转动，干扰的角度随着时间连续变化，远区样本点计算得到的权值对于近区的干扰是失配的。

（2）在常规的样本选择方案中存在着一种假设，在整个接收回波中都存在干扰，即在远区选择的样本一定为干扰样本。在实际情况中，可能存在着远区没有干扰，或者，选取的样本点中只含有少量的干扰样本，其余的样本为无意义的通道噪声样本。在这种情况下选取的样本是不能很好地完成对消的。

（3）常规的旁瓣相消方案只用来抑制压制式噪声干擾，对于密集假目标干扰没有很好的抑制效果;而稳健的旁瓣相消技术可以很好地对密集假目标进行抑制。

本文提出了一种稳健的自适应旁瓣相消抗干扰方法，可以通过零陷展宽方法，有效增强抗干扰性能。

2 基于零陷展宽的自适应旁瓣相消方法

自适应旁瓣相消算法能在很大程度上提高系统的输出信噪比，然而在一般的窄带情况下，旁瓣相消算法所形成的干扰零陷非常窄，并且十分陡峭。由于处理速度及实时性要求等条件的限制，自适应权值的更新速度可能滞后于干扰相对于雷达接收平台移动的速度，即干扰源位置可能移出天线方向图的零陷位置，导致雷达抗干扰性能下降。此时如果可以适当加宽零陷，就可以有效提高雷达抗干扰性能。

设阵列接收数据向量为：

则自适应旁瓣相消器输出如公式为：

其中自适应权值计算公式为：

其中，为主天线合成信号，为辅助天线接收数据向量。

现有文献已经指出，零陷的展宽可以通过对接收数据的扰动实现，但这也将导致接收数据协方差矩阵的大特征值的个数增加。因此，为有效抑制干扰，还需要提供足够的自适应自由度。

经过理论分析，若要将一个零陷展宽w宽度，则对于均匀线阵，其所需要的自适应自由度D为：

其中，W是在以角度的sin值为横坐标的天线方向图中、以零陷位置为中心左右等宽的展宽宽度，N为天线单元数，d为单元间距，λ为接收信号波长。基于零陷加宽的自适应旁瓣相消技术处理框图如图1所示。

3 基于零陷展宽的自适应旁瓣相消方法的工程应用

雷达工程应用中，由于天线阵面一直在转动，干扰相对于雷达接收天线的相对位置是有所变化的，即每一个脉冲之间，干扰的位置不同。如果在一个相参处理间隔里，使用相同的权值对消每一个接收脉冲数据中的干扰信号，则计算权值的样本自身就带有扰动，自适应旁瓣相消器方向图会自动形成宽零陷，无需人为展宽。此时只要提供所需的自由度，即可有效提高雷达的抗干扰性能。实际工作中，为保证对消性能，往往预先估计出干扰角度，使辅助天线阵形成的辅助波束指向干扰信号，再与主天线阵指向期望信号的主波束进行自适应干扰对消。

具体步骤如下：

（1）根据天线转速、相参处理间隔以及预估干扰角度，计算出零陷需要展宽的宽度W。

（2）根据展宽宽度W，计算雷达所需自由度

（3）根据辅助阵单元个数M及雷达所需自由度个数D，将辅助阵划分为若干个子阵，并各自合成指向干扰方向的子波束。

（4）根据旁瓣相消公式，利用阵列接收数据，计算自适应权值W_ASLC。

某雷达接收天线为均匀线阵，共有N=128个单元。其中，中间L=64个单元作为主天线阵，两侧各有M/2=32个单元，作为辅助天线阵。单元间距为d=λ/2。雷达转速为v-0.27crad/s。雷达发射脉冲持续时间T=2ms，脉冲重复周期PRT=20ms，带宽为B=2MHz，则在基带以奈奎斯特采样率采样，采样频率f=B。一个相参处理间隔包含个脉冲。用所有脉冲重复间隔内的接收数据计算出的自适应权对消相参处理间隔内所有接收数据，则α=1。入射角度θ₁=35°方向有一个干扰，干噪比JNR=30dB。

计算可得零陷需要展宽宽度W=0.0601，所需自由度为D=5。辅助阵划分方案为{16，16，10，11，11}，则仿真得到自适应旁瓣相消器的方向图如图2所示。

从图2中可以看出，在提供所需的自由度条件下，接收数据计算出的权矢量，本身就可以产生一个宽零陷，能够有效抑制干扰，提高雷达相消性能。

同样为验证自适应自由度计算公式在当前背景下的适用性，分別计算出自由度为1到64时，雷达的输出信干噪比，并重复100次取平均值，仿真结果如图3所示。

从图3中可以看出，输出信干噪比随自由度的增加先增大，后基本不变。根据自由度公式计算出的零陷展宽所需要的自由度的最小值，即D=5，接近输出信干噪比的最大值，可以满足实验所需。

进一步，画出不同自由度下的权矢量方向图，如图4所示。

从图4中可以看出，方向图展宽零陷的深度随自适应自由度增加而增加，而后基本不变，但自由度过高时，旁瓣电平有所抬高。

4 旁瓣相消抗干扰试验

为验证本文提出的稳健旁瓣相消技术的可行性，我们在某雷达设备上进行试验，对于噪声干扰和密集假目标干扰，分别采用常规旁瓣相消技术和稳健旁瓣相消技术进行干扰抑制，比较两种方法对应的抑制效果。

试验后对录取的原始数据进行脉压后处理，得到主通道对消前，主通道常规旁瓣相消后以及稳健旁瓣相消后的剩余功率对比结果如图5。

从图5中可见，稳健旁瓣相消处理可以改善常规旁瓣相消的性能，然而，主通道剩余功率对比图中没有涉及分段相关的方法，这是由于分段的方法需要进行归一化，对剩余的平均功率有影响，故以平均剩余功率为评价准则较为不合理，故人为加入模拟目标，以输出信干噪比为评价准则，对脉压后原始数据进行处理，并且对主通道对消前、常规旁瓣相消技术以及稳健旁瓣相消处理后输出信干噪比的对比如图6.

从图6中可以看出，图中相消前部分点输出信干噪比较大，例如290度方位附近，从剩余功率方向图中可以看出，这是原方向图中该点附近接收干扰较小所导致的。从对比图6中可以看出：采用稳健相消方法可以提高输出信干噪比约20dB。

5 结论

通过以上对常规旁瓣相消和稳健旁瓣相消抗干扰方法的讨论可以得出结论，通过已知的雷达参数计算出雷达所需自由度，再选择适当的方法，将脉冲重复周期进行分段，在各段中分别选择检测到的干扰样本，形成自适应对消权值，对主通道本段进行对消，能够保证干扰对消性能更加稳定。与常规旁瓣相消方法相比，该抗干扰方法可以有效提高雷达抑制干扰的性能。

参考文献

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