雷達(dá)最佳接收極化濾波優(yōu)化研究*

吳盛源，張小寬，劉 銘，田 松

(1.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051；2.空軍工程大學(xué) 科研部，陜西 西安 710051)

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雷達(dá)最佳接收極化濾波優(yōu)化研究*

吳盛源1，張小寬1，劉 銘2，田 松2

(1.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051；2.空軍工程大學(xué) 科研部，陜西 西安 710051)

研究了雷達(dá)最佳接收極化濾波抗隨機(jī)極化干擾的優(yōu)化問題。當(dāng)隨機(jī)極化干擾的極化方式與目標(biāo)回波的極化方式相近時(shí)，傳統(tǒng)的最佳接收極化濾波方法在濾除干擾信號的同時(shí)，極大抑制了目標(biāo)回波信號，導(dǎo)致信干噪比(SINR)降低。為解決傳統(tǒng)最佳接收極化濾波存在的不足，提出收發(fā)聯(lián)合極化濾波的優(yōu)化方法。當(dāng)目標(biāo)回波和干擾有相近的極化方式時(shí)，通過對發(fā)射極化的捷變，改變目標(biāo)回波信號的極化方式，從而避免目標(biāo)信號的過度損失。與傳統(tǒng)的濾波方法相比，該方法能獲得更好的信干噪比。仿真結(jié)果表明了該濾波優(yōu)化方法的可行性和有效性。

極化捷變； 干擾； 信干噪比； 極化濾波

0 引 言

雷達(dá)有源干擾可分為有源期騙式干擾和有源壓制式干擾兩種，有源壓制干擾是當(dāng)前雷達(dá)干擾系統(tǒng)普遍采用的一種有源干擾方式，主要利用噪聲干擾信號淹沒目標(biāo)回波，使雷達(dá)接收機(jī)信噪比下降，難以檢測到目標(biāo)。有源欺騙干擾主要通過制造虛假目標(biāo)信息干擾雷達(dá)正常工作，達(dá)到掩護(hù)目標(biāo)的目的。隨著雷達(dá)極化技術(shù)和工藝水平的發(fā)展，雷達(dá)對抗斗爭日趨激烈，利用時(shí)域和頻域方法抗干擾的效果越來越有限。此外，干擾已從固定極化干擾發(fā)展到隨機(jī)極化干擾，給雷達(dá)造成越來越嚴(yán)峻的威脅和挑戰(zhàn)，尋找新的抗干擾方法成為當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域急需解決的重要課題[1]。

極化是電磁波除幅度、頻率和相位外的另外一個重要屬性。極化信息在提高雷達(dá)的檢測、識別和抗干擾能力上具有重要作用[2～6]，利用目標(biāo)與干擾的極化特征差異對干擾進(jìn)行極化濾波，是當(dāng)前雷達(dá)領(lǐng)域研究的熱門。文獻(xiàn)[7]討論了變極化技術(shù)抗干擾效能的評估問題；文獻(xiàn)[8]研究了單極化雷達(dá)空域極化濾波方法，但該方法只針對固定極化干擾；文獻(xiàn)[9]分析了最佳接收極化濾波和自適應(yīng)極化濾波的特點(diǎn)，指出當(dāng)目標(biāo)信號與干擾信號共極化時(shí)，濾波失效；文獻(xiàn)[10]提出了基于卡爾曼濾波的自適應(yīng)極化濾波技術(shù)，提高了對隨機(jī)極化干擾極化方式的估計(jì)精度；文獻(xiàn)[11]基于部分極化波干擾，提出了一種優(yōu)化濾波的算法；文獻(xiàn)[12]針對多個干擾源的復(fù)合干擾，研究了極化估計(jì)和抗干擾方法。但是，目前的文獻(xiàn)都沒有有效解決文獻(xiàn)[9]中提出的問題，當(dāng)干擾信號和目標(biāo)信號極化方式相近時(shí)，極化濾波方法將無法獲得有效的濾波效果。

基于以上背景，本文以最佳接收極化濾波為研究對象，提出收發(fā)聯(lián)合極化濾波的優(yōu)化方法，通過調(diào)整發(fā)射極化方式改變目標(biāo)回波信號的極化方式，避免了濾波系統(tǒng)濾除干擾的同時(shí)對有用信號的過度抑制，達(dá)到比傳統(tǒng)極化濾波方法更好的濾波效果。

1 最佳接收極化濾波原理

在雜波和干擾背景下，常采用最佳極化接收，權(quán)衡干擾和雜波的抑制量和對信號的削減量，確定最佳極化接收方式，使信干噪比(SINR)達(dá)到最大。SINR是衡量抗干擾性能的一個常用效能評估指標(biāo)，它定義為雷達(dá)接收的目標(biāo)功率與干擾、噪聲的功率之和的比值。

最優(yōu)極化接收時(shí)，目標(biāo)信號S、干擾I和接收天線A的極化點(diǎn)在Poincare球上的位置關(guān)系如圖1所示，θ，α分別為目標(biāo)信號極化點(diǎn)與接收天線極化點(diǎn)和干擾極化點(diǎn)之間的夾角。

圖1 極化點(diǎn)的Poincare球表示Fig 1 Poincare polarized sphere representation of polarization points

文獻(xiàn)[13]中推導(dǎo)了經(jīng)過最優(yōu)極化處理后的信干噪比SINR表達(dá)式

(1)

由式(1)可知，當(dāng)α和INR為已知量時(shí)，SINR成為以θ為變量的函數(shù)，其極大值位于

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)，可得

(3)

當(dāng)α為180°時(shí)，目標(biāo)信號與干擾信號正交，SINR=SNR，完全濾除干擾；當(dāng)α為0°時(shí)，目標(biāo)信號和干擾信號共極化，SINR=SNR/(1+INR)，達(dá)到最小，濾波失效。

2 最佳接收極化濾波優(yōu)化方法

2.1 極化角定義

定義x軸為水平極化基，y軸為垂直極化基，則一個沿+z方向傳播的單色電磁波可表示為[5]

(4)

根據(jù)式(4)畫出平面電磁波電場矢量的軌跡圖，即為極化橢圓，如圖2所示。

圖2 極化橢圓Fig 2 Polarization ellipse

圖2中橢圓傾角τ是指極化橢圓長軸與x軸(水平極化基)正方向的夾角，其取值范圍為τ∈[0°,180°]，0°代表水平極化，90°代表垂直極化，τ值求法[14]如下:

(5)

(6)

(7)

(8)

橢圓傾角τ就是電磁波的極化方向角。本文只考慮干擾極化方向角τ∈[0°,90°]的情況，τ∈[90°,180°]的分析方法與τ∈[0°,90°]的類似。

2.2 收發(fā)聯(lián)合極化濾波方法

目標(biāo)信號的共極化分量比交叉極化分量大，因此,可通過對發(fā)射極化方向進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使最佳接收極化濾波抑制干擾時(shí)，只抑制目標(biāo)信號的交叉極化分量，從而盡可能多保留目標(biāo)信號，提高SINR。

以下通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)射極化與接收極化之間的聯(lián)系。以某型飛機(jī)目標(biāo)為研究對象，如圖3所示。仿真參數(shù)設(shè)置為：飛機(jī)方位角0°～90°，俯仰角為0°，發(fā)射電磁波極化方向分別為0°，30°，60°和90°，頻段為VHF波段，接收電磁波極化方向角仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 某型飛機(jī)目標(biāo)模型Fig 3 Target model of a certain type of aircraft

圖4 回波極化方向角仿真結(jié)果Fig 4 Simulation result of echo polarization angle

由仿真結(jié)果可知，圖4的目標(biāo)信號極化方向角分別集中于0°，30°，60°和90°?；夭O化方向角大部分分布于發(fā)射電磁波極化方向角周圍，說明目標(biāo)信號共極化分量遠(yuǎn)大于交叉極化分量，這也是當(dāng)前多數(shù)單極化雷達(dá)采用共極化接收的原因。因此，通過調(diào)整發(fā)射極化方向角來優(yōu)化最佳接收極化濾波方法是可行的。

3 仿真分析

以某型飛機(jī)為研究對象，仿真參數(shù)設(shè)置為：目標(biāo)姿態(tài)為0°俯仰角，0°方位角，雷達(dá)發(fā)射極化方向角分別為0°,90°和隨干擾極化方向角進(jìn)行捷變。取信干比-10 dB，干噪比15 dB，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 SINR仿真結(jié)果Fig 5 Simulation result of SINR

由圖5(a)和(b)可知，雷達(dá)發(fā)射極化角為0°和90°時(shí)，SINR最大值分別位于干擾極化方向角90°和0°，最大值為5 dB；當(dāng)干擾極化方向角與發(fā)射極化方向角相同時(shí)，SINR達(dá)到最小，只有0.4 dB，說明雷達(dá)采用單一極化發(fā)射方式時(shí)，當(dāng)目標(biāo)信號和干擾信號極化方式正交，雷達(dá)對干擾的抑制效果最顯著；當(dāng)干擾信號和目標(biāo)信號極化方向角接近時(shí)，SINR明顯下降，濾波系統(tǒng)對目標(biāo)信號抑制量比對干擾信號的抑制量更大；由圖5(c)可知，當(dāng)發(fā)射極化方向隨干擾信號極化方向捷變時(shí)，SINR最大值仍為5 dB,最小值為3.6 dB，說明使發(fā)射極化方向與干擾信號極化方向的夾角保持在90°時(shí)，雷達(dá)對任意極化方向角的干擾均有穩(wěn)定和有效的抑制效果。因此，將發(fā)射極化捷變與極化自適應(yīng)濾波結(jié)合，能使自適應(yīng)極化濾波系統(tǒng)濾除干擾信號同時(shí)，保證目標(biāo)信號不會被過度抑制，從而可以獲得更好的抗干擾性能。

4 結(jié)束語

隨著電子對抗斗爭的不斷發(fā)展，干擾方式的種類越來越多，對雷達(dá)生存環(huán)境造成了極大威脅，必須盡可能多地利用回波信息，才能達(dá)到良好的抗干擾效果。極化信息已成為電子對抗領(lǐng)域的重要研究對象，研究極化信息在抗干擾領(lǐng)域的應(yīng)用，將能顯著改善雷達(dá)的生存環(huán)境，提高雷達(dá)的抗干擾效能。

[1] 李永禎，肖順平，王雪松，等.雷達(dá)極化抗干擾技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳志鵬，薛惠鋒.極化合成孔徑雷達(dá)圖像中的機(jī)場檢測研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013,30(10)：53-57.

[3] 李永禎，程 旭，李棉全，等.極化信息在雷達(dá)目標(biāo)檢測中的得益分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013，35(2)：35-39.

[4] 何美武，劉 勇，戴幻堯.動態(tài)目標(biāo)極化特性的仿真方法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012,29(6):50-54.

[5] 曾清平.雷達(dá)極化技術(shù)與極化信息應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[6] 陳方予，趙 蕾，李 明，等.雷達(dá)利用極化信息區(qū)分真假目標(biāo)淺析[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2010，38(3)：94-97.

[7] 李圭源，張 厚，吳文洲，等.變極技術(shù)抗干擾效能分析[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32(9)：1833-1836.

[8] 劉 勇，戴幻堯，李金梁，等.空域虛擬極化濾波原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011,26(2)：272-278.

[9] 呂 波，袁乃昌.全極化干擾與極化濾波的對抗研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2011,33(4):76-79.

[10] 呂 波，都學(xué)新，高 強(qiáng).自適應(yīng)極化濾波抗干擾性能研究[J].測控技術(shù)，2012，31(12)：113-115.

[11] 任 博，施龍飛，王洪軍，等.抑制雷達(dá)主波束內(nèi)GSM干擾的極化濾波方法研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2014,36(2)：459-464.

[12] 常宇亮，王雪松，李永禎，等.復(fù)合噪聲調(diào)頻干擾的極化濾波方法[J].航天電子對抗，2010,26(3)：37-40.

[13] Stapor D P.Optimal receiving antenna polarization in the pre-sence of interference and noise[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1995,43(5):473-477.

[14] 莊釗文，肖順平，王雪松.雷達(dá)極化信息處理及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.

Optimization study of radar optimal receiving polarization filtering*

WU Sheng-yuan1,ZHANG Xiao-kuan1,LIU Ming2,TIAN Song2

(1.Air and Missile Defense College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China;2.Science and Research Department of Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)

The optimization of radar optimal receiving filtering for random polarization interference is studied.When the polarization mode of the random polarization interference is close to that of the target echo,while jamming signal is filtered and at the sametime,the target echo signal is inhibited by the traditional adaptive polarization filtering method,which leads to reduction of signal to interference noise ratio(SINR).A method of the joint of receiving and transmitting for polarization filtering is proposed to solve this shortage.The loss of target echo signal can be avoided by changing the polarization mode of target echo signal through the change of the emission polarization ones.The new method can get better signal to interference noise ratio than the traditional ones.The validity and feasibility of the joint of receiving and transmitting polarization filtering method is proved by the simulation results.

polarization agility;interference;SINR;polarization filtering

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0068—03

2016—01—11

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(STES201401—2)

TN 974

A

1000—9787(2016)11—0068—03

吳盛源(1991-)，男，福建漳州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)特性及其軍事應(yīng)用。