基于廣義旁瓣相消的機(jī)載雷達(dá)抗密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾方法

吳億鋒 王 彤 吳建新 文 才

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基于廣義旁瓣相消的機(jī)載雷達(dá)抗密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾方法

吳億鋒 王 彤*吳建新 文 才

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾不僅會(huì)引起雷達(dá)虛警，而且會(huì)抬高其附近單元的恒虛警率檢測門限進(jìn)而導(dǎo)致目標(biāo)檢測性能下降。另外，它還會(huì)污染空時(shí)自適應(yīng)處理的訓(xùn)練樣本，導(dǎo)致雜波抑制性能下降。針對這些問題，該文提出一種機(jī)載雷達(dá)抗密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾算法。該算法首先估計(jì)干擾方向，然后用廣義旁瓣相消技術(shù)在空域?yàn)V除干擾。廣義旁瓣相消中的輔助通道為指向干擾方向的和波束，而其協(xié)方差矩陣則利用清晰區(qū)中挑選的干擾樣本估計(jì)得到。該算法可以有效抑制密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，減少由其引起的虛警，改善雷達(dá)目標(biāo)檢測性能，同時(shí)該算法還具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。

機(jī)載雷達(dá)；抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾；廣義旁瓣相消(GSC)；輔助通道；訓(xùn)練樣本

1 引言

密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾環(huán)境中的STAP與密集動(dòng)目標(biāo)環(huán)境中的STAP面臨的問題有相同之處，也有不同之處。相同之處在于干擾和目標(biāo)都會(huì)使得所估計(jì)的協(xié)方差矩陣不僅包含雜波加噪聲，還包含干擾或者目標(biāo)信號，從而在系統(tǒng)自由度不夠的情況下降低STAP抑制雜波和噪聲的性能。不同之處在于轉(zhuǎn)發(fā)式干擾需要被抑制，而密集動(dòng)目標(biāo)則需要保留，如果訓(xùn)練樣本中含有目標(biāo)信號，則在STAP時(shí)會(huì)造成目標(biāo)相消，進(jìn)而引起漏警。通常會(huì)采用NHD方法剔除被目標(biāo)污染的訓(xùn)練樣本，這樣就可以解決目標(biāo)相消問題，減少虛警[7]。在密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾環(huán)境中采用NHD方法剔除被轉(zhuǎn)發(fā)式干擾污染的訓(xùn)練樣本會(huì)使得STAP完全無法抑制轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，從而引起大量虛警。

脈沖分集技術(shù)可以抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾[8]，然而這種方法對發(fā)射波形有很高的要求。通過判斷檢測到的目標(biāo)是否為真實(shí)目標(biāo)而確定是否啟用波束合并、跟蹤等處理程序的方法可減小轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對跟蹤數(shù)據(jù)處理器的壓力，可在一定程度上提高雷達(dá)系統(tǒng)抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的能力[9]。一些學(xué)者提出根據(jù)真實(shí)目標(biāo)與轉(zhuǎn)發(fā)式干擾假目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、回波的幅度波動(dòng)和高階累積量[10]等的差異來區(qū)分真實(shí)目標(biāo)與轉(zhuǎn)發(fā)式干擾假目標(biāo)，并以此來抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。也有一些學(xué)者提出根據(jù)多基地雷達(dá)中轉(zhuǎn)發(fā)式干擾假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)的特性差異[11]來抗干擾。這些利用真實(shí)目標(biāo)與轉(zhuǎn)發(fā)式干擾假目標(biāo)的差異來區(qū)分兩者的方法并沒有抑制干擾，不能克服轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對CFAR檢測門限和STAP性能的不利影響。旁瓣匿影技術(shù)能夠區(qū)分目標(biāo)來自主瓣還是旁瓣，可以在一定程度上對抗從旁瓣進(jìn)來的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，但也不能克服轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對CFAR檢測門限和STAP性能的不利影響。不同于上述方法，本文采用自適應(yīng)濾除轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的方法來抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。

干擾機(jī)可以對相控陣?yán)走_(dá)產(chǎn)生速度欺騙干擾、距離欺騙干擾和波位欺騙干擾，但由于干擾機(jī)相對于雷達(dá)的方位是一定的而無法產(chǎn)生波達(dá)方向欺騙干擾，可利用這一點(diǎn)在空域?yàn)V除轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。本文方法首先進(jìn)行CFAR檢測處理；然后對檢測到的樣本進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)，結(jié)合多個(gè)波位的檢測結(jié)果判定干擾方向并挑選干擾樣本；接著用指向干擾方向的波束作輔助波束，采用廣義旁瓣相消[12](Generalized Sidelobe Canceller, GSC)方法來濾除干擾，其中干擾協(xié)方差矩陣是用清晰區(qū)(不含雜波的區(qū)域)檢測到的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾假目標(biāo)作訓(xùn)練樣本估計(jì)得到的，這樣可以消除目標(biāo)和雜波對干擾協(xié)方差矩陣的影響，較精確地估計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的統(tǒng)計(jì)特性，從而使方向圖在干擾方向形成足夠深的凹口。本文方法可以很好地抑制密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，減少由其引起的虛警，提高雷達(dá)目標(biāo)檢測性能。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文算法的有效性。

2 信號模型

雷達(dá)收到的干擾機(jī)調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號[13]可表示為

根據(jù)是否含有目標(biāo)信號，回波有兩種假設(shè)形式：

3 抗密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾方法

由第2節(jié)分析可以看出轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾與真實(shí)目標(biāo)的空時(shí)導(dǎo)向矢量信號形式是一樣的，很難從時(shí)域或距離域?qū)⑥D(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾與真實(shí)目標(biāo)區(qū)分開，但當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾和雷達(dá)波束指向不同時(shí)(即干擾機(jī)處于副瓣中時(shí))，可以在空域抑制欺騙干擾。本文方法直接在空域?yàn)V除轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾，抑制轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對目標(biāo)檢測和STAP雜波抑制的不利影響，分為干擾偵察和干擾濾除兩個(gè)模塊。

3.1 干擾偵察

3.2 干擾濾除

本文算法的原理圖如圖2所示。

圖2 本文算法原理圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

表1仿真實(shí)驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

平臺高度5000 m 載機(jī)速度150 m/s 陣元間距0.1 m 脈沖數(shù)64 波長0.2 m 脈沖重復(fù)頻率10 kHz

單個(gè)子陣原始的距離-多普勒圖如圖5所示，從圖中可以看到多個(gè)欺騙干擾目標(biāo)。單個(gè)子陣經(jīng)過本文方法濾除干擾后的距離-多普勒圖如圖6所示，從圖中看出本文方法可以濾除欺騙干擾目標(biāo)并保留真實(shí)目標(biāo)。圖7為歸一化多普勒頻率等于0.06的多普勒通道的功率剩余圖，其中圖7(a)為直接STAP的結(jié)果，圖7(b)為本文方法濾除干擾再級聯(lián)STAP的處理結(jié)果。從圖7的虛線可以看出兩種處理方式在第85個(gè)距離門的功率都等于20 dB，說明兩種處理方式都可以保持真實(shí)目標(biāo)的功率不變；直接STAP方法在第95個(gè)距離門的功率很大，說明STAP無法濾除該距離門的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾，該欺騙干擾有可能引起虛警，本文方法濾除干擾級聯(lián)STAP的處理方式在第95個(gè)距離門的輸出功率不大，說明該方法可以濾除欺騙干擾；圖7中的實(shí)線為剔除第85個(gè)距離門后第50到第120個(gè)距離門的平均功率，從兩條實(shí)線可以看出直接STAP方法的平均功率要比本文方法級聯(lián)STAP的平均功率高大約10 dB，這是因?yàn)橹苯覵TAP無法抑制轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾會(huì)抬高其附近距離單元的CFAR檢測門限，檢測門限的抬高會(huì)降低其附近真實(shí)目標(biāo)的檢測概率。

圖3 欺騙干擾目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)的分布圖

圖4 單個(gè)子陣的方向圖

圖5 單個(gè)子陣的距離-多普勒圖

圖6 本文方法濾除干擾后單個(gè)子陣的距離-多普勒圖

圖7歸一化多普勒頻率等于0.06的多普勒通道的功率圖

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析說明本文所提方法可以有效抑制轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，并且在干擾角度估計(jì)存在一定誤差的情況下也能保持較好的性能。

5 結(jié)束語

本文提出了一種機(jī)載雷達(dá)抗密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的方法。該方法用GSC技術(shù)直接在空域?yàn)V除轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾，GSC中的協(xié)方差矩陣是用清晰區(qū)的干擾樣本來估計(jì)的，這就避免了雜波對干擾統(tǒng)計(jì)特性的影響，使方向圖在干擾方向形成凹口的同時(shí)在其它方向的電平變化不大；通過雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)形成輔助波束，每增加一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)，只需多形成一個(gè)指向該干擾機(jī)方向的輔助波束，幾乎不增加系統(tǒng)重量，系統(tǒng)復(fù)雜度也不高，易于實(shí)現(xiàn)。本文方法可抑制密集轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，減少由其引起的虛警，消除其對CFAR檢測門限和STAP的不利影響，改善雷達(dá)目標(biāo)探測性能，有很高的實(shí)用價(jià)值。

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吳億鋒： 男，1988年生，博士生，研究方向?yàn)榭諘r(shí)自適應(yīng)信號處理和陣列信號處理.

王 彤： 男，1974年生，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理，特別是陣列信號處理、空時(shí)自適應(yīng)信號處理、雷達(dá)成像和動(dòng)目標(biāo)檢測等.

吳建新： 男，1982年生，副教授，研究方向?yàn)閯?dòng)目標(biāo)檢測和自適應(yīng)信號處理.

A Method to Suppress Dense Repeater Jamming for Airborne Radar Based on Generalized Sidelobe Canceller

Wu Yi-feng Wang Tong Wu Jian-xin Wen Cai

(,,710071,)

Dense repeater jamming not only causes false alarms, but also raises the threshold of constant false alarm ratio detector nearby the jamming, which degrades the performance of targets detection. On the other hand, the samples contaminated by jamming degrade the performance of space time adaptive processing. To deal with these issues, a method to suppress dense repeater jamming is proposed. Firstly, the directions of the jammers are estimated. Secondly, Generalized Sidelobe Canceller (GSC) is used to cancel the jamming in the spatial domain. The auxiliary channels of the GSC are the sum beams pointing at the jammers, and the covariance matrix of the GSC is estimated with the jamming samples selected from the clutter free region. The proposed method reduces the false alarms caused by the dense repeater jamming, and improves the performance of targets detection. In addition, the structure of this method is simple and easy to realize. Simulations are presented to verify the effectiveness of the proposed method.

Airborne radar; Repeater jamming suppression; Generalized Sidelobe Canceller (GSC); Auxiliary channels; Training data

TN959. 73

A

1009-5896(2014)05-1049-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01040

王彤 twang@mail.xidian.edu.cn

2013-07-16收回，2014-02-17改回

國家自然科學(xué)基金(61372133, 61101241)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(K5051102008)資助課題