基于相關(guān)性的雜波環(huán)境自適應(yīng)對(duì)消方法

曲圣杰， 雷 紅， 常 城， 高 越

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.中國(guó)人民解放軍63861部隊(duì)， 吉林白城 137001；3.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽合肥230088)

0 引 言

自適應(yīng)旁瓣對(duì)消是一種常見(jiàn)的雷達(dá)抗有源干擾的技術(shù)，其原理是在雷達(dá)主天線附近安裝(或全數(shù)字合成)若干個(gè)弱方向或無(wú)方向的輔助天線，當(dāng)存在副瓣干擾時(shí)，主天線與輔助天線接收的干擾信號(hào)幅度相當(dāng)，利用各輔助天線接收的干擾信號(hào)，通過(guò)一定的自適應(yīng)算法，得到加權(quán)系數(shù)，輔助天線信號(hào)經(jīng)加權(quán)求和后與主天線接收的信號(hào)對(duì)消，達(dá)到干擾對(duì)消的目的。近年來(lái)隨著雷達(dá)電子對(duì)抗問(wèn)題的凸顯，自適應(yīng)旁瓣對(duì)消技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)[5-7]探討了影響旁瓣對(duì)消性能的主要因素。影響自適應(yīng)旁瓣對(duì)消實(shí)際應(yīng)用效果一個(gè)重要的因素就是正確采集干擾信息的樣本數(shù)據(jù)，能否在輔助天線中采集到與主天線高度相關(guān)的干擾數(shù)據(jù)，一定程度上決定著旁瓣對(duì)消技術(shù)實(shí)施的成敗。在常規(guī)的應(yīng)用中往往通過(guò)采集遠(yuǎn)距離端不包含雜波信息的回波數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于工作在復(fù)雜雜波環(huán)境的中近程雷達(dá)來(lái)說(shuō)，回波信息可能包含大量乃至全距離段的雜波數(shù)據(jù)，有時(shí)雜波能量相當(dāng)于甚至強(qiáng)于干擾信號(hào)能量。如果錯(cuò)誤地選取了強(qiáng)雜波干擾數(shù)據(jù)作為干擾樣本進(jìn)行旁瓣對(duì)消處理，不僅達(dá)不到對(duì)消效果，甚至可能影響任務(wù)目標(biāo)的正常檢測(cè)。

對(duì)于雜波環(huán)境下干擾樣本的提取問(wèn)題，一種解決思路是在條件允許的情況下先進(jìn)行濾波處理，然后采用雜波濾除后的數(shù)據(jù)提取干擾樣本進(jìn)行旁瓣對(duì)消。這種方法可以有效地在雜波環(huán)境下進(jìn)行樣本提取，但又引入了新的問(wèn)題。由于有源噪聲壓制干擾數(shù)據(jù)在多個(gè)脈沖之間不具備相參性，使得經(jīng)過(guò)濾波處理后的干擾能量在多個(gè)頻道中分散，從而降低了信號(hào)的干噪比，對(duì)于包含較少雜波的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，這樣做的后果就是使得對(duì)消性能下降。本文嘗試提出一種能兼顧雜波環(huán)境和對(duì)消性能的方法，通過(guò)采集樣本并統(tǒng)計(jì)輔助波束與主波束數(shù)據(jù)的相關(guān)性，確定樣本數(shù)據(jù)是否包含于主波束強(qiáng)相關(guān)的干擾信息，如果相關(guān)度高則進(jìn)行旁瓣對(duì)消處理；反之則說(shuō)明強(qiáng)雜波環(huán)境已經(jīng)影響到干擾樣本的正確采集，對(duì)數(shù)據(jù)濾波并再次進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)，從而對(duì)有效抑制了雜波的數(shù)據(jù)進(jìn)行旁瓣對(duì)消處理。將雷達(dá)放置在同時(shí)包含山區(qū)和平坦地形的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)本文提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基于相關(guān)性的雜波環(huán)境自適應(yīng)旁瓣對(duì)消方法

1.1 自適應(yīng)旁瓣對(duì)消

自適應(yīng)旁瓣對(duì)消權(quán)值計(jì)算主要有開(kāi)環(huán)法和閉環(huán)法兩種。閉環(huán)法對(duì)實(shí)現(xiàn)元器件要求低，適合模擬實(shí)現(xiàn)，但收斂速度受到很大限制；開(kāi)環(huán)法直接求解干擾協(xié)方差，不存在收斂問(wèn)題，近年來(lái)隨著數(shù)字器件性能的不斷提高而廣泛采用。

表示主天線接收的信號(hào)；=[,,…，]表示輔助天線接收的信號(hào)；=[,,…，]表示加權(quán)系數(shù)；表示對(duì)消輸出，則有

(1)

式(1)表明，對(duì)消剩余就是由主天線信號(hào)減去權(quán)矢量和輔助天線信號(hào)的內(nèi)積，而對(duì)消的目的是使對(duì)消剩余功率最小，用統(tǒng)計(jì)表示為{||}，即

[(-)(-)]=

(2)

式中，[·]表示統(tǒng)計(jì)期望，表示輔助通道和主通道的互相關(guān)矩陣，表示輔助通道的自相關(guān)矩陣。均方誤差的梯度可通過(guò)對(duì)權(quán)矢量進(jìn)行微分得到，即

-2+2

(3)

對(duì)消剩余功率最小時(shí)的剩余干擾信號(hào)為()=-，由此可求出最優(yōu)權(quán)值保證干擾對(duì)消的剩余功率最小。

1.2 子區(qū)域最小最大法干擾樣本提取

實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于脈沖重復(fù)周期較短的中近程雷達(dá)，當(dāng)雷達(dá)波束指向復(fù)雜雜波環(huán)境時(shí)，雜波數(shù)據(jù)在回波數(shù)據(jù)中的分布往往不具備明顯的規(guī)律性，除了近距離雜波較強(qiáng)外，任意距離段都可能出現(xiàn)強(qiáng)雜波的情況，因此簡(jiǎn)單地選取固定距離段數(shù)據(jù)作為樣本難以規(guī)避雜波影響。這里給出一種子區(qū)域最小最大法提取樣本點(diǎn)，該方法的原理是均勻的噪聲及壓制干擾起伏較小，而疊加了雜波的區(qū)域不僅能量更大且具有較大起伏，通過(guò)局部幅值最小可以規(guī)避雜波干擾，而在該子區(qū)域內(nèi)選擇能量最大的點(diǎn)可以提取到更強(qiáng)的干擾信息；方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，既可以較為有效地規(guī)避雜波干擾，又有助于選擇干擾能量較大的樣本點(diǎn)，具體方法如下所示：

1) 將完整的統(tǒng)計(jì)區(qū)域均勻分成若干子區(qū)域，計(jì)算每個(gè)子區(qū)域的幅度均值avg；

2) 在所有的子區(qū)域中，選取幅度均值最小的子區(qū)域，記錄最小幅度值avg并記錄該區(qū)域內(nèi)的所有統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位置；

3) 對(duì)上面選取的子區(qū)域的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)按照能量大小進(jìn)行排序；

4) 選擇該子區(qū)域中能量最大的個(gè)點(diǎn)作為樣本點(diǎn)。

1.3 相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

自適應(yīng)旁瓣對(duì)消實(shí)現(xiàn)的原理要求雷達(dá)主波束與輔助波束之間存在強(qiáng)相關(guān)的干擾信息，而對(duì)于雜波信息，由于天線方向圖、波束指向等差異，主波束和輔助波束之間的相關(guān)性要低得多。干擾樣本提取后，通過(guò)統(tǒng)計(jì)二者之間的相關(guān)性并設(shè)定閾值，可以判斷當(dāng)前輔助波束數(shù)據(jù)受雜波影響的程度，決定是否適合進(jìn)行旁瓣對(duì)消處理，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(4)

式中，為主波束，為輔助波束，為樣本點(diǎn)數(shù)，為輔助波束個(gè)數(shù)。依次計(jì)算主波束與每個(gè)輔助波束的相關(guān)性，并取最大值作為相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

主波束和輔助波束的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)根據(jù)需要分兩次進(jìn)行，第一次在時(shí)域進(jìn)行，確定當(dāng)前提取樣本數(shù)據(jù)是否已經(jīng)受雜波嚴(yán)重影響，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行有效的對(duì)消；如果相關(guān)系數(shù)達(dá)不到閾值要求，則在濾波后針對(duì)不同的頻道數(shù)據(jù)再次進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步確定濾波后該頻道數(shù)據(jù)中殘留雜波對(duì)對(duì)消樣本提取影響情況。相關(guān)系數(shù)閾值較低時(shí)，可以提高對(duì)干擾的靈敏度，但同時(shí)帶來(lái)計(jì)算量的提高，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)抗干擾指標(biāo)的具體要求以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到。

1.4 方法實(shí)現(xiàn)流程

方法具體實(shí)施時(shí)，為保證處理效率，可以嵌入常規(guī)的數(shù)字信號(hào)處理脈沖壓縮、相參濾波中進(jìn)行，除相關(guān)性統(tǒng)計(jì)外，不需要額外增加計(jì)算負(fù)荷；在初步判斷回波數(shù)據(jù)是否需要進(jìn)行自適應(yīng)旁瓣處理后，根據(jù)需要依次在時(shí)域和多普勒頻域(以下簡(jiǎn)稱頻域)進(jìn)行處理。如果在時(shí)域進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)后滿足對(duì)消要求，則在頻域不再進(jìn)行對(duì)消相關(guān)處理，以保證弱雜波區(qū)域更好的干噪比及對(duì)消效果；反之則標(biāo)記該方位指向的回波數(shù)據(jù)不宜在時(shí)域進(jìn)行對(duì)消處理，并在相參濾波處理結(jié)果后在頻域進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)，如果滿足相關(guān)性要求即在頻域進(jìn)行對(duì)消處理，反之則該回波數(shù)據(jù)在時(shí)域、頻域均不采取對(duì)消處理。本文提出的基于相關(guān)性的雜波環(huán)境自適應(yīng)旁瓣對(duì)消方法流程如圖1所示。

圖1 方法流程圖

1.5 方法實(shí)現(xiàn)步驟

方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1) 時(shí)域回波中對(duì)主波束采用子區(qū)域最小最大法提取干擾樣本，然后計(jì)算樣本噪底。

2) 設(shè)無(wú)干擾情況下噪底幅度為，設(shè)置閾值=+，如果>，說(shuō)明樣本中有干擾或存在雜波，需要進(jìn)一步判斷；而如果<，則認(rèn)為樣本中干擾強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到閾值，不再進(jìn)行對(duì)消處理以提高處理效率。

3) 采用子區(qū)域最小最大法提取輔助波束干擾樣本數(shù)據(jù)并與主波束樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)，得到相關(guān)系數(shù)，如果>，其中為時(shí)域相關(guān)性閾值，說(shuō)明時(shí)域回波數(shù)據(jù)中，主波束與輔助波束干擾信息強(qiáng)相關(guān)，可以進(jìn)行對(duì)消處理；反之<，則說(shuō)明干擾信息相關(guān)度低，樣本提取過(guò)程可能受雜波影響，需要進(jìn)一步分析處理。

4) 對(duì)時(shí)域回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相參濾波處理，得到頻域回波數(shù)據(jù)。

5) 對(duì)頻域數(shù)據(jù)再次提取干擾樣本并進(jìn)行頻域相關(guān)性統(tǒng)計(jì)，得到相關(guān)系數(shù)。對(duì)于某個(gè)頻道的樣本數(shù)據(jù)，如果>，其中為頻域相關(guān)性閾值，說(shuō)明頻域回波數(shù)據(jù)中，主波束與輔助波束干擾信息強(qiáng)相關(guān)，可以進(jìn)行對(duì)消處理；反之<，則說(shuō)明干擾信息相關(guān)度仍然較低，不再進(jìn)行對(duì)消處理。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用仿真試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證本文方法有效性。雷達(dá)方位掃描范圍內(nèi)同時(shí)包含有祁連山脈和較平坦的沙漠戈壁環(huán)境。在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件下放置干擾機(jī)釋放噪聲有源壓制干擾，共設(shè)置8個(gè)輔助波束，采集干擾后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取=5 dB，時(shí)域相關(guān)系數(shù)閾值=0.9，頻域相關(guān)系數(shù)閾值=0.8。試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)環(huán)境示意圖

試驗(yàn)采用對(duì)消比CG來(lái)衡量旁瓣對(duì)消的性能，定義為

(5)

式中為主天線接收的干擾信號(hào)，為經(jīng)過(guò)對(duì)消處理后的干擾輸出，則對(duì)消比即對(duì)消前和對(duì)消后的干擾功率比。

2.1 弱雜波環(huán)境試驗(yàn)分析

當(dāng)方位指向某平坦的沙漠戈壁區(qū)域時(shí)，計(jì)算得到時(shí)域相關(guān)系數(shù)為0.997 8，根據(jù)方法流程，系統(tǒng)將自動(dòng)選擇在時(shí)域進(jìn)行自適應(yīng)對(duì)消處理，對(duì)消結(jié)果如圖3所示，可知干擾輸出由對(duì)消前的117.46 dB降到對(duì)消后78.60 dB，對(duì)消比為38.86 dB。這里將時(shí)域數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)對(duì)消處理直接進(jìn)行濾波，然后將頻域?qū)οY(jié)果與時(shí)域進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，計(jì)算得到的頻域相關(guān)系數(shù)為0.859 5，由于干擾能量在頻道間分散，導(dǎo)致主通道與輔助通道干擾信息相關(guān)性下降，干擾輸出由對(duì)消前的106.77 dB經(jīng)過(guò)對(duì)消下降到73.92 dB，對(duì)消比為32.85 dB。可知本文方法與直接采用濾波后數(shù)據(jù)對(duì)消方法相比，對(duì)消效果優(yōu)化了6.01 dB。從濾波后干擾輸出剩余進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋瑢r(shí)域?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理如圖5所示，與圖4中濾波后對(duì)消的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，前者干擾輸出為67.66 dB，比后者優(yōu)化6.26 dB，與對(duì)消比優(yōu)化結(jié)果一致，可見(jiàn)在該弱雜波情況下選用時(shí)域?qū)ο梢匀〉酶玫慕Y(jié)果。

圖3 弱雜波環(huán)境時(shí)域?qū)οY(jié)果

圖4 弱雜波環(huán)境頻域?qū)οY(jié)果

圖5 弱雜波環(huán)境時(shí)域?qū)ο鬄V波處理結(jié)果

2.2 強(qiáng)雜波環(huán)境試驗(yàn)分析

當(dāng)方位指向祁連山脈區(qū)域時(shí)，由于工作模式作用距離短，回波數(shù)據(jù)幾乎完全被雜波覆蓋，很難提取到合適的干擾樣本，如圖6所示；此時(shí)計(jì)算得到時(shí)域相關(guān)系數(shù)很低，為0.367 0，而此時(shí)如果采用時(shí)域數(shù)據(jù)直接進(jìn)行對(duì)消處理，則對(duì)消效果很差，對(duì)消比僅為5.68 dB。采用本文方法，由于時(shí)域相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到閾值要求，系統(tǒng)在濾波后再次進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到中心頻道相關(guān)系數(shù)為0.997 5，滿足閾值要求，所以在頻域進(jìn)行對(duì)消處理，結(jié)果如圖7所示；由于區(qū)分雜波頻道和清潔頻道進(jìn)行處理，清潔頻道得到了較好的對(duì)消效果，干擾輸出由91.52 dB下降到了 60.60 dB，對(duì)消比為30.92 dB。從濾波后干擾輸出剩余方面進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋瑢r(shí)域?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理如圖8所示，與圖7中濾波后對(duì)消的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，前者干擾沒(méi)有得到有效的對(duì)消抑制，輸出約為94.72 dB，比后者惡化34.12 dB，與對(duì)消比結(jié)果一致，可見(jiàn)在強(qiáng)雜波環(huán)境下選用頻域?yàn)V波仍然可以有效地對(duì)干擾進(jìn)行對(duì)消。

圖6 強(qiáng)雜波環(huán)境時(shí)域?qū)οY(jié)果

圖7 強(qiáng)雜波環(huán)境頻域?qū)οY(jié)果

圖8 強(qiáng)雜波環(huán)境時(shí)域?qū)ο鬄V波處理結(jié)果

2.3 全方位數(shù)據(jù)對(duì)比分析

進(jìn)行多次較長(zhǎng)時(shí)間工作，采集多次同時(shí)包含強(qiáng)雜波和弱雜波環(huán)境的全方位回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?；夭〝?shù)據(jù)中方位角度-45°～-17.3°為強(qiáng)雜波山區(qū)，-17.3°～45°為弱雜波沙漠戈壁。對(duì)比本文方法與單獨(dú)采用時(shí)域?qū)ο幚?、單?dú)采用頻域?qū)ο幚淼慕Y(jié)果，如表1所示(頻域?qū)ο葍H統(tǒng)計(jì)清潔頻道)，本文方法相比單獨(dú)采用時(shí)域或頻域?qū)ο加懈玫谋憩F(xiàn)。

表1 全方位數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.4 目標(biāo)檢測(cè)情況分析

抗干擾方法在對(duì)干擾信息進(jìn)行有效抑制的同時(shí)，不能削弱所需檢測(cè)的目標(biāo)能量，對(duì)干擾信息的抑制優(yōu)勢(shì)應(yīng)體現(xiàn)在目標(biāo)信噪比的提高上，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)本文方法目標(biāo)檢測(cè)性能進(jìn)行分析。試驗(yàn)中某方位數(shù)據(jù)根據(jù)本文方法自動(dòng)選擇為時(shí)域?qū)ο幚恚@里將根據(jù)本文方法時(shí)域后對(duì)消而后進(jìn)行濾波的結(jié)果與先濾波而后在頻域?qū)ο慕Y(jié)果進(jìn)行比較，如圖9、圖10所示。二者都是濾波后結(jié)果，噪底分別為67.66 dB和73.97 dB，計(jì)算得到目標(biāo)信噪比分別為37.24 dB和31.33 dB，本文方法相比直接采用濾波后對(duì)消改善了5.91 dB。

圖9 本文方法目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

圖10 直接濾波后對(duì)消目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適用于作用距離較短、復(fù)雜雜波環(huán)境的自適應(yīng)對(duì)消方法。由于這種情況下某些強(qiáng)雜波環(huán)境時(shí)域采集干擾樣本困難，本文通過(guò)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)自動(dòng)選擇頻域?qū)ο幚恚梢杂行б?guī)避強(qiáng)雜波干擾；而在弱雜波環(huán)境自動(dòng)切換到時(shí)域?qū)ο幚?，以避免干擾能量在頻道間分散導(dǎo)致對(duì)消比下降情況，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)方法有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。本文僅考慮了較為單一的噪聲有源壓制干擾情況，另外僅針對(duì)復(fù)雜山區(qū)環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)分析，對(duì)于壓制、轉(zhuǎn)發(fā)干擾組合的復(fù)雜干擾及海雜波、氣象雜波復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用是進(jìn)一步的發(fā)展方向。