虛擬極化濾波在雷達(dá)接收系統(tǒng)中的應(yīng)用

章力強(qiáng), 李相平, 陳 信, 韓洪斌

(1.海軍航空工程學(xué)院,山東煙臺(tái)264001;2.92919部隊(duì),浙江寧波315020)

0 引言

雷達(dá)回波信號(hào)中,除了幅度、相位和多普勒頻移外,還存在著第四特征——極化特征。由于極化信息處理利用了雷達(dá)回波的矢量信息,這樣就考慮了發(fā)射波、后向散射波以及干擾波的極化狀態(tài),使得許多在時(shí)域、頻域、空域等常規(guī)手段難以解決的問題有了新的解決辦法。

傳統(tǒng)的變極化技術(shù)幾乎都是在天線或饋線上進(jìn)行的,其中以在波導(dǎo)管中加裝可控的鐵氧體裝置來改變電磁波極化狀態(tài)的方法最為常見。但是鐵氧體材料的磁化性能限制了其響應(yīng)速度和變換精度[1],不能在短時(shí)間內(nèi)完成極化捷變,精度也受到一定限制。英國(guó)學(xué)者A.J.Poelman在1981年首次提出了“虛擬極化”的概念[2]。

所謂虛擬極化,就是不實(shí)際改變雷達(dá)接收天線和饋線的極化狀態(tài),而是通過對(duì)正交雙極化接收通道的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆嗉訖?quán),以達(dá)到與改變接收天線極化狀態(tài)相同的效果:匹配接收期望信號(hào)或正交抑制干擾信號(hào),無損的產(chǎn)生任何極化。將變極化的工作從天線和饋線上轉(zhuǎn)移到數(shù)字信號(hào)處理機(jī)中來實(shí)現(xiàn),數(shù)字信號(hào)處理具有快速、準(zhǔn)確、靈活的特性[3]。因此,虛擬極化技術(shù)在變極化雷達(dá)接收系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用。

1 虛擬極化原理

1.1 二維虛擬極化濾波

虛擬極化一般有兩個(gè)目的:

a)求得極化匹配,以獲得最大輸出,用于目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤;

b)求得極化正交,以獲得最小(零)輸出,用于干擾和雜波的抑制。

經(jīng)過正交雙極化天線接收的某種極化狀態(tài)的電波被分成兩個(gè)正交極化分量,分別進(jìn)入正交接收通道。經(jīng)變頻和放大處理后,經(jīng)正交解調(diào)分為I/Q兩路信號(hào)。

這樣,就把電波兩個(gè)極化分量的極化狀態(tài)保存起來。隨后兩個(gè)通道的四路信號(hào)被采樣并量化為數(shù)字信號(hào),送入虛擬極化電路處理。該電路中預(yù)先儲(chǔ)存了各種極化變換的參數(shù)組,可以根據(jù)需要對(duì)送來的四路信號(hào)進(jìn)行幅相加權(quán),然后求其矢量和,最后得到所需變換的極化狀態(tài),其處理過程如圖1所示。

圖1 虛擬極化信號(hào)處理過程

設(shè)雷達(dá)回波信號(hào)的電場(chǎng)矢量為

式中:E H為水平分量;E V為垂直分量;γ∈(0,π/2);φ∈(0,2π)為電磁波的極化相位描述因子。

設(shè)虛擬極化電路的加權(quán)極化參數(shù)為(γ0,φ0)。對(duì)水平極化支路進(jìn)行幅度加權(quán)[4],加權(quán)系數(shù)為cos γ0,則有

對(duì)垂直極化支路,先進(jìn)行幅度加權(quán),加權(quán)系數(shù)為sinγ0,然后進(jìn)行 φ0的相位加權(quán),即有

完成上述加權(quán)后四個(gè)分量矢量和的幅度平方(功率)應(yīng)為

當(dāng)匹配接收時(shí),即有 γ0=γ,φ0=2π-φ,輸出功率為最大值:

當(dāng)正交接收時(shí),即有 γ0=π/2-γ,φ0=π-φ,輸出功率為最小值:

假設(shè)雷達(dá)回波信號(hào)為左旋圓極化,即極化參數(shù) γ=π/4,φ=π/2,從圖 2中可以清楚地看出當(dāng)匹配接收時(shí),即有 γ0=π/4,φ0=3π/2,相對(duì)接收功率最大 ;當(dāng)正交接收時(shí) ,即有 γ0=π/4,φ0=π/2,相對(duì)接收功率最小。

圖2 虛擬極化參數(shù)不同時(shí)的接收功率

1.2 三維極化濾波

二維虛擬極化濾波存在一些濾波死角,為了達(dá)到更好的濾波效果,可以采用三維極化濾波[5]。在空間直角坐標(biāo)系XYZ中,如圖3所示,Z軸代表垂直極化天線軸向,X、Y軸代表水平極化天線軸向。

圖3 三維坐標(biāo)中的入射波

對(duì)于那些 θ→π/2,φ→π/2的干擾,由X、Z 軸向構(gòu)成的二維極化濾波只能接收到干擾的極小一部分,濾波效果會(huì)較差,這是二維極化濾波的缺點(diǎn)所在。若在Y軸向加一個(gè)水平極化天線,采用三維正交極化濾波[6],則可以接收任意來向的空間電場(chǎng)矢量,實(shí)現(xiàn)極化域和空域的聯(lián)合濾波,達(dá)到理想的濾波效果。

2 極化參數(shù)的相關(guān)遞推估計(jì)

2.1 極化參數(shù)提取

極化信息利用的前提條件是已知目標(biāo)信號(hào)的極化狀態(tài),因此極化參數(shù)提取的精確性關(guān)系到虛擬極化濾波的性能。目標(biāo)回波的極化信息可以由相關(guān)矩陣完全表征[7],設(shè)接收到的雷達(dá)回波的相關(guān)矩陣為

上式可以記為

根據(jù)波極化參數(shù)的定義得

由式(9)、(10)可得到回波的極化參數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中,由于雷達(dá)發(fā)射脈沖的頻率較高,而目標(biāo)極化狀態(tài)又是不斷變化的,因而對(duì)目標(biāo)的極化狀態(tài)必須進(jìn)行自適應(yīng)的估計(jì)才能夠有效的提取極化參數(shù)。

2.2 相關(guān)矩陣遞推估計(jì)

實(shí)際工程應(yīng)用中,極化相關(guān)矩陣是不能先驗(yàn)得到的,在一定假設(shè)條件下,其最大似然估計(jì)為

由此可以將統(tǒng)計(jì)平均轉(zhuǎn)化為集合平均來近似估計(jì)[8],式中M為接收到的回波樣本數(shù)。根據(jù)式(9)、(10),要實(shí)現(xiàn)極化參數(shù)的自適應(yīng)估計(jì),只要能實(shí)現(xiàn)回波相關(guān)矩陣的自適應(yīng)估計(jì)就可以了。

假設(shè)已經(jīng)獲得m時(shí)刻極化相關(guān)矩陣的估計(jì)Cm,m+1時(shí)刻接收電場(chǎng)為Em+1,根據(jù)電場(chǎng)對(duì)極化相關(guān)矩陣進(jìn)行修正得[9]:

式中:0≤λ≤1為新數(shù)據(jù)權(quán)重因子。取λ=1/N,有

初始值C0可以取為一Hermite矩陣。

3 仿真分析

3.1 雜波的極化抑制

假設(shè)天線為全向天線,雙正交水平垂直極化天線接收[10],接收機(jī)噪聲服從獨(dú)立復(fù)正態(tài)分布,記為 n=[n H,n V]T,均值為0,協(xié)方差矩陣為K n=σn I2×2,則接收機(jī)噪聲可視為完全未極化波。雜波相關(guān)矩陣初始值Cn=I2×2,設(shè)相關(guān)矩陣遞推估計(jì)公式中M=20;取采樣點(diǎn) N=2 000。

仿真中加入瑞利雜波,前1 000個(gè)采樣點(diǎn)為右旋圓極化,后1 000個(gè)采樣點(diǎn)為左旋圓極化。目標(biāo)信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào),極化方式為右旋圓極化,信噪比為15 dB,干噪比為30 dB,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 線性調(diào)頻信號(hào)極化濾波輸出

仿真中加入極化方式不同的兩種瑞利雜波,一種為左旋圓極化,另一種極化參數(shù)為γ=35°,η=-35°。

目標(biāo)信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào),極化方式為右旋圓極化,信噪比為15 dB,干噪比為30 dB,仿真結(jié)果如圖5所示。

對(duì)加入兩種干擾的情況用三維極化濾波來進(jìn)行雜波濾除,其他條件同(2),濾波后輸出效果如圖6所示。

圖5 雙雜波極化濾波輸出

圖6 三維極化濾波輸出

從仿真結(jié)果可以看出,虛擬極化濾波能有效檢測(cè)到雜波信號(hào)極化狀態(tài)。

在濾波初始階段,虛擬極化濾波器參數(shù)的初值需要調(diào)整,經(jīng)過短暫的學(xué)習(xí)之后,就能跟蹤到雜波信號(hào)極化狀態(tài)的改變。調(diào)整正交雙極化通道的加權(quán)系數(shù),進(jìn)行正交接收,能有效抑制雜波(8～17)dB。

由圖4可知,當(dāng)干擾和目標(biāo)信號(hào)的極化方式完全相同時(shí),使用虛擬極化濾波技術(shù)也不能濾出目標(biāo)信號(hào),所以前1 000個(gè)采樣點(diǎn)沒有目標(biāo)信號(hào)濾出。

由圖5可知,當(dāng)加入兩種不同極化方式的雜波時(shí),理論上濾波器參數(shù)調(diào)整后,雖然對(duì)雜波有所抑制,但由于兩雜波的極化狀態(tài)不同,合成波為部分極化波,單個(gè)極化濾波器只能完全濾除合成雜波中的完全極化波分量和未極化波分量的一半,信號(hào)無法成功濾出。

由圖6可知,當(dāng)采用三維極化濾波后,即使存在兩個(gè)極化方式,不同的雜波也能很好的濾出目標(biāo)。這說明采用極化域和空域聯(lián)合濾波能顯著地改善雷達(dá)的雜波抑制能力,提高雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能。圖中濾波后出現(xiàn)的弱雜波信號(hào)是由于接收機(jī)的噪聲信號(hào)是一完全非極化波[11],無論采用何種極化濾波方式都只能濾除其功率的一半所造成的。

3.2 目標(biāo)的極化增強(qiáng)

仿真中加入四個(gè)極化形式不同的目標(biāo)回波,在采樣點(diǎn)[395,405]加入的目標(biāo)1為左旋圓極化波,采樣點(diǎn)[795,805]加入的目標(biāo)2為右旋圓極化波,采樣點(diǎn)[1195,1205]加入的目標(biāo)3為垂直極化波,采樣點(diǎn)[1595,1605]加入的目標(biāo)4為水平極化波,比較垂直極化接收與虛擬極化濾波輸出結(jié)果如圖7所示。

圖7 多目標(biāo)極化增強(qiáng)對(duì)比

仿真結(jié)果表明,垂直極化方式為主極化接收時(shí),虛擬極化濾波對(duì)極化方式不同的目標(biāo)回波信噪比改善程度不同,經(jīng)過虛擬極化濾波后目標(biāo)1信噪比提高2.9 dB,目標(biāo)2信噪比提高3.2 dB,目標(biāo)3信噪比提高1.8 dB左右,目標(biāo)4信噪比提高5.9 dB。

目標(biāo)4的信噪比改善程度最大,目標(biāo)3的信噪比改善程度最小,虛擬極化濾波是利用交叉極化分量來提高目標(biāo)回波的,而目標(biāo)4的交叉極化分量最大,目標(biāo)3的交叉極化分量最小,因此仿真結(jié)果與理論分析一致。

總的來說,運(yùn)用虛擬極化濾波能普遍提高目標(biāo)回波信噪比3 dB左右,顯著地改善雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)性能。

為了研究虛擬極化濾波信噪比得益與同極化和交叉極化信噪比之差的關(guān)系,雷達(dá)主極化接收通道設(shè)為垂直極化,對(duì)采集到的100組雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析,得到如圖8所示的擬合曲線。

圖8 增益改善值與同極化和交叉極化差關(guān)系圖

通過擬合曲線可以看出虛擬極化增益改善值與同極化和交叉極化差值成反比關(guān)系,當(dāng)同極化分量比交叉極化分量大10 dB左右時(shí),虛擬極化濾波的增益改善值幾乎為零,當(dāng)同極化分量與交叉極化分量為零時(shí),虛擬極化濾波的增益改善值為3 dB左右,當(dāng)交叉極化分量比同極化分量大時(shí),增益改善值可以達(dá)到5 dB左右。

4 結(jié)論

本文研究了虛擬極化濾波在雷達(dá)接收系統(tǒng)中的應(yīng)用,利用干擾信號(hào)和目標(biāo)回波極化方式存在差異這一特性,通過對(duì)正交雙極化接收通道幅相加權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整,達(dá)到匹配接收目標(biāo)回波和正交抑制干擾雜波的目標(biāo)。

通過仿真分析,說明虛擬極化濾波能普遍抑制干擾雜波(8～17)dB,增強(qiáng)目標(biāo)回波信噪比3 dB左右,對(duì)提高雷達(dá)抗干擾和目標(biāo)檢測(cè)能力有重要的意義。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,接收通道的幅度一致性和相位一致性非常重要,它直接決定著極化參數(shù)提取的精確性,本文沒有對(duì)此做進(jìn)一步的討論,下一步的研究將對(duì)此進(jìn)行探討,為研究高性能的雷達(dá)提供理論依據(jù)。

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