雷達自適應旁瓣對消抗干擾性能分析

祝 飛，林 強，李 飛,3

(1.空軍預警學院，湖北 武漢 430019；2.解放軍93975部隊，新疆 烏魯木齊 830005；3.解放軍93253部隊，遼寧 大連 116023)

0 引 言

自適應旁瓣對消(ASLC)作為一項比較成熟的抗有源干擾技術，已在雷達上得到了廣泛的應用，是一種有效的空間對抗措施。通常，雷達天線的主瓣很窄，且很高，具有較強的方向性，所以有源干擾信號從天線主瓣進入的概率較?。欢炀€的旁瓣很寬，干擾信號極易從旁瓣進入，當雷達處于強有源干擾環(huán)境時，干擾信號將淹沒目標信號，從而導致雷達不能正常工作[1]。理論上，自適應旁瓣對消技術能夠達到很好的對消效果，理想相參旁瓣對消電路的對消比很大。但是，在實現對消的過程中，其性能會受到主輔通道響應一致性、對消樣本采集、主輔天線間距、輔助天線數目等因素的影響[2-3]，使得對消性能嚴重下降。實際達到的對消比較理論值低很多，只有20～30 dB，一般只能做到15～20 dB[4]。

采用干擾對消比(CR)作為評價自適應旁瓣對消系統(tǒng)性能的指標，已經得到大家廣泛的認可[5]。實踐證明，干擾對消比確實能夠反映ASLC系統(tǒng)抗干擾性能的優(yōu)劣。但是，它也具有一定的局限性，因為它沒有考慮有用信號和其它噪聲信號。因此，本文提出以信干噪比增益作為評價ASLC系統(tǒng)抗干擾性能的指標。

本文首先介紹了自適應旁瓣對消的基本原理及加權系數的求解方法，以干擾對消比作為性能指標進行了仿真分析；給出信干噪比增益公式，采用信干噪比增益作為評價ASLC系統(tǒng)的改進性能指標，并對其合理性分別設置射頻噪聲干擾、噪聲調頻干擾、噪聲調相干擾3種干擾樣式進行仿真驗證。仿真結果表明，將信干噪比增益作為評價ASLC系統(tǒng)的性能指標是合理的。

1 雷達自適應旁瓣對消原理

自適應旁瓣對消的目的是自適應地對消從天線旁瓣進入的具有高占空比甚至是連續(xù)的噪聲干擾(NLI)信號。為對付多個旁瓣干擾，系統(tǒng)由一個主天線和多個輔助天線組成，主天線接收的信號包括來自主瓣的目標信號和從旁瓣進入的干擾信號，輔助天線同樣接收目標信號和干擾信號，但可以看作是全向天線，其與主天線旁瓣的相當。采用一定的自適應算法，通過對從輔助天線進入的信號進行自適應加權，使得輔助天線接收到的干擾信號與主天線旁瓣進入的干擾信號等幅反向，從而達到自適應對消旁瓣干擾的目的。

ASLC的實質就是對輔助通道的輸出信號加權求和，再由主通道輸出信號減去輔助通道加權求和后的信號。因此，問題的關鍵是找到一個合適的加權系數的計算方法，使對消效果最佳。權值實現方法可分為閉環(huán)法和開環(huán)法兩大類。閉環(huán)法具有自修正特性，不要求元件具有大動態(tài)范圍和高線性度特性，十分適合模擬實現，但其收斂速度較慢；開環(huán)法不存在收斂問題，但通常要求元件的動態(tài)范圍大、精度高，而這些只能用數字方法實現。隨著數字技術的發(fā)展,開環(huán)法得到了廣泛應用[6]。開環(huán)自適應旁瓣對消原理如圖1所示。

圖1 開環(huán)自適應旁瓣對消原理

2 權值算法的分析及仿真

(1)

(2)

Y=X0-(W1·X1+W2·X2)

(3)

為了保證旁瓣對消的濾波性能，在同一波位所有重復周期應考慮選用同一組權值，因此應增加權值的平滑功能，類似于雜波圖的建立。根據不同的方位扇區(qū)、不同的波位，存儲平滑權值，在波位起始提前將上一圈存儲的該方位、該波位的權值讀出使用。其工作原理如圖2所示。

圖2 SMI算法工作原理

在休止期有限的時間內，要進行樣本數據采集、權值計算、輔助通道數據域權值乘法累加等過程；因此，算法的計算復雜度和權值的穩(wěn)定性對對消性能的影響至關重要。

假設雷達發(fā)射脈沖寬度為100 μs，脈沖重復周期1 000 Hz，主瓣波束寬度為3.5°，雷達天線轉速6轉/min，則休止期的時間長度為450 μs，每個波束寬度共需采集1 500個回波樣本。

對ASLC系統(tǒng)進行仿真，主天線陣元數為20，輔助天線陣元數為2，雷達工作波長為0.5 m，陣元間距為0.25 m，干擾方向為20°。仿真結果如圖3所示。

圖3 ASLC天線方向圖

在圖3中，通過對比對消前后天線方向圖可以看出，經過旁瓣對消后，在主天線方向圖20°方位形成了較深的干擾凹口，將-20 dB的旁瓣抑制到-50 dB以下，由此方向進來的干擾被有效地抑制，而從主天線波束進來的目標信號幾乎不受影響[7]。

采用SMI算法的計算時間為116 μs，滿足休止期時間的要求。

理論上，對消后信干比總的變化量近似為：

(4)

式中：DF為主、輔通道誤差方差。

理論表明，旁瓣對消的相關受限于通道誤差(包括采樣誤差)。設通道幅度-相位誤差為5%，則由上式可知，信干噪比改善近似為26 dB。目前工程上較好的效果大致在18 dB的水平。

通過上面的分析知道，旁瓣對消在一定程度上可以抑制從旁瓣進來的干擾，其存在的缺點：一是引進新的噪聲，至少增加一倍的噪聲功率，降低信噪比，影響弱目標信號的檢測；二是由于主、輔通道隨機誤差的存在，限制了對消的效果。

3 對消比指標的分析

一般采用對消比來衡量ASLC系統(tǒng)對消性能，定義為：

(5)

式中：J/S表示采用旁瓣對消前的干擾功率J和信號功率S之比；J′/S′表示旁瓣對消后的干擾功率J′和信號功率S′之比；對消比RC相當于系統(tǒng)采用旁瓣對消抗干擾措施后，干信比提高的倍數。

由于主天線遠高于輔助天線，采用旁瓣對消后，信號的功率基本不變，因此對消比又可表示為：

(6)

即旁瓣對消前干擾功率與旁瓣對消后干擾功率的比值，此時只用對消前后干擾功率的變化來描述對消性能，因此常稱作干擾對消比。

在實際工程中，由于信號功率不方便測量，而信號幅度卻可以很容易在示波器等儀器中得到，所以在計算時，經常先測量出未采用旁瓣對消時干擾信號的幅度，再測量采用旁瓣對消后干擾信號的幅度，最后計算二者的比值，用分貝表示，從而得到實際工程中的干擾對消比。

進入雷達系統(tǒng)的不僅有干擾信號和目標信號，還有噪聲信號，該噪聲源位于雷達內部和外部環(huán)境中。它與有源干擾信號的相同點是都能遮蓋或淹沒有用信號，降低雷達檢測信噪比，增大雷達檢測目標的難度，但是它比有源干擾信號的強度要弱很多，且是時刻存在于雷達整個工作期間，無法被有效濾除。雷達采用抗干擾措施后，此類噪聲功率基本不變，因此，干擾對消比同樣沒有考慮噪聲功率的變化。

利用Matlab工具，通過仿真旁瓣對消前后干擾功率和噪聲功率的變化，驗證干擾對消比指標的合理性。

仿真設置:主天線陣元數為20，輔助天線陣元數為2，雷達工作波長為0.5 m，陣元間距為0.25 m，干擾方向為20°，干噪比為40，干擾樣式服從高斯分布，采樣數為1 500，采用SMI算法。仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4 對消前后干擾及噪聲幅度

圖5 對消前后干擾幅度

圖4所示為旁瓣對消前的干擾幅度和噪聲幅度，以及旁瓣對消后的干擾幅度和噪聲幅度。經過對消后，干擾被有效抑制，剩余的是噪聲。

圖5所示為旁瓣對消前后的干擾幅度。經過旁瓣對消后，輸出干擾功率幾乎為零。仿真結果為：當干噪比(JNR)等于40時，干擾對消比RC=36 dB，表明ASLC系統(tǒng)對高斯干擾信號具有很好的對消效果。

現將干噪比(JNR)與干擾對消比RC之間關系的仿真結果列入表1中。

表1 JNR與RC之間的關系

4 信干噪比增益指標分析與仿真

ASLC系統(tǒng)的性能可以用干擾對消比RC來描述。然而，干擾對消比作為ASLC的性能指標有一定的局限性，它沒有完整體現出旁瓣對消的性能，因為它是在不考慮信號和噪聲的條件下定義的，不能完全反映對目標信號的改善情況。雷達抗干擾的目的是提高對目標信號的檢測能力，一定程度上，信干噪比越高，對目標信號的檢測能力越強，發(fā)現距離越遠。因此，采用信干噪比增益作為評價ASLC系統(tǒng)的性能指標將更加合理，即信干噪比增益為系統(tǒng)旁瓣對消后主通道輸出的信號功率與干擾和噪聲功率比減去對消前主通道輸入的信號功率與干擾和噪聲功率比的值。公式如下：

GSJN=RSJNout-RSJNin

(7)

(8)

(9)

式中：GSJN為信干噪比增益；RSJNout、RSJNin分別為旁瓣對消后和對消前主通道輸出的信號與干擾和噪聲功率比；Psa為對消后的信號功率；Pja為對消后的干擾功率；Pn為噪聲功率；Psb為對消前的信號功率。

仿真設置：主天線陣元數為20，輔助天線陣元數為2，雷達工作波長為0.5 m，陣元間距為0.25 m，干擾方向為20°，干信比為30，采樣快拍數為1 500，干擾樣式分別為射頻噪聲干擾、噪聲調頻干擾和噪聲調相干擾.仿真結果如下：

圖6 旁瓣對消前信號幅度

由圖6可見，旁瓣對消前，雷達天線接收的信號混雜在一起，目標信號淹沒在干擾和噪聲信號里，無法識別和檢測目標。采用旁瓣對消后，天線主通道輸出的信號如圖7所示。

圖7 對消后主天線輸出信號

仿真結果顯示，ASLC系統(tǒng)對3種噪聲干擾均具有良好的對消效果。經過旁瓣對消后，信號幅度大大降低，干擾信號被有效地抑制，目標信號得以保留，并且容易識別和檢測，以便于后續(xù)的進一步處理。

此仿真分別設置了1個干擾源和2個干擾源的情況，其中1個干擾源時，干擾方向為20°，2個干擾源時，干擾方向分別為20°和-20°，2個干擾源時干擾為同一種樣式。仿真結果在表2中列出。

表2 不同干擾樣式的信干噪比增益

理論表明，信干噪比增益與干擾機功率和帶寬有密切的關系。通過仿真發(fā)現，信干噪比增益與干擾機功率成線性比例關系，干擾機功率越大，帶寬越寬，信干噪比增益越大，如圖8所示。

圖8 信干噪比增益與干擾機功率和帶寬的關系

在噪聲調頻干擾下，一個干擾源位于20°方向時，改變干信比(JSR)，得到不同的信干噪比增益，將結果列于表3中。

表3 JSR與GSJN之間的關系

由表3可以得出，當JSR低于0 dB時，即干擾很弱時，GSJN就是目標信號本身的功率值。

5 結束語

本文在簡要闡述雷達自適應旁瓣對消原理的基礎上，通過仿真分析，驗證了ASLC系統(tǒng)抗有源干擾的有效性，并以干擾對消比為指標分析了其對消性能。最后，將信干噪比增益作為改進指標，進行了詳細的分析和仿真驗證。結果表明，將信干噪比增益作為評價旁瓣對消系統(tǒng)的抗干擾性能指標，具備合理性和有效性。在實際中，還存在很多影響對消性能的因素，必須充分考慮這些因素帶來的影響，才能保證良好的對消性能。