收发分置相控阵雷达直达波抑制技术

曹金坤,孙 涛,李 琨

(1.盲信号处理重点实验室,成都 610041;2.西南电子电信技术研究所,成都 610041)

1 引 言

随着世界各国空间活动的不断增加,空间碎片日益增多,对航天器的威胁日益严重,空间碎片的监测和编目引起各国的高度重视。由于空间碎片数量多、分布广、速度快,探测系统必须具备灵活的多波束、高效的多功能、良好的抗干扰以及多种自适应能力。根据数字阵列相控阵雷达的优越特点[1-2],将其应用到空间碎片探测中势在必行。另外,为了探测远距离目标,在雷达发射峰值功率难以提升的情况下,采用大时宽信号进行探测是可行办法,但对于收发一体雷达势必带来巨大的雷达盲区,同时为了提高雷达探测效率,充分利用雷达资源,采用收发分置的体制是一种必然选择。

采用收发分置的数字阵列相控阵雷达进行探测时,雷达功率较高,且收发间距较近时,直达波干扰问题是影响雷达正常工作的重要因素。目前,国内外很多学者开展了直达波抑制技术研究并取得了一定成果,他们的研究对象主要是基于机会辐射源的无源雷达中的直达波抑制方法[3-12],其中有两种比较有代表性的方法:一是空域抑制技术[3,10-11],主要是基于波束形成零点技术;二是时域抑制技术[4-5,8,12],利用双通道信号基于延迟估计的直达波对消技术。上述两种抑制技术在基于机会辐射源的无源雷达应用中性能基本满足系统要求,但对于抑制收发分置的数字阵列相控阵雷达探测空间碎片时的直达波干扰,还远远不能满足系统使用要求。虽然数字雷达获得的是数字信号,波束形成零点技术的直达波抑制性能会优于无源雷达中的应用,但是仅仅靠波束形成零点技术还无法解决接收阵列接收回波信号时直达波干扰的影响;而基于延迟估计的直达波抑制技术,在多径严重以及低信噪比情况下其性能将下降。本文将针对收发分置的数字阵列相控阵雷达空间碎片探测的实际应用,从系统设计的角度,在其工作流程的各个环节采用多种方法来对直达波进行抑制,降低直达波干扰对雷达探测目标回波检测的影响。

文章后续内容安排如下:第二部分对收发分置数字阵列相控阵雷达中的直达波干扰进行分析;第三部分针对雷达的工作模式、信号处理流程以及实际应用中多个环节给出不同直达波抑制方法并分析其直达波抑制能力;第四部分主要研究基于自适应滤波的直达波抑制方法,分析比较了两种自适应滤波方法的性能;最后给出本文的总结。

2 收发分置数字阵列相控阵雷达中直达波干扰分析

数字阵列相控阵雷达为了能够解决雷达盲区问题并提高探测效率,雷达采用收发分置体制。但为了保证收发系统探测目标的空间同步,收发系统不能距离太远,对于每个发射脉冲其收发波束空间关系基本与单基地雷达相同。雷达系统探测示意图如图1所示。

图1 收发分置的数字阵列相控阵雷达的直达波干扰示意图Fig.1 Direct interference of bistatic digital array radar sketchmap

2.1 直达波干扰分析

直达波干扰是否会影响回波检测,取决于直达波抑制后直达波和回波功率比。下面首先计算直达波功率。直达波功率计算公式如下:

式中,λ为信号波长,Pt是雷达发射功率,和分别是雷达天线发射副瓣增益和接收阵元副瓣增益,L是收发间距,Ls是雷达系统损耗,La是收发隔离损耗。

目标回波功率计算公式如下:

式中,λ、Pt同上,和分别是雷达天线发射主瓣增益和接收阵元主瓣增益,σ是目标RCS,Rm是目标距离,Ls是雷达系统损耗。

根据公式(1)和(2)计算得到直达波回波功率比表达式:

其中,K表达式如下:

根据雷达距离方程:

式中,τ是雷达发射脉宽,Dm是雷达最小可检测因子。

根据公式(5)可以计算得到

可以发现,K是一个仅和雷达设计指标有关的常数。根据空间碎片监视能力对雷达各种参数的要求,K值约为200～300 dB。

对于收发分置数字阵列相控阵雷达来说,在如此强的直达波干扰环境下,仅借助天线的波束形成零点技术抑制直达波干扰是不可能的。针对以上问题,本文根据雷达的工作模式、信号处理流程以及具体应用分析各种直达波抑制方法及其能力。

2.2 直达波干扰形成

直达波对回波信号的接收处理产生的干扰可以分成同波位干扰和异波位干扰两类。

(1)同波位干扰

如图2所示,当脉宽较宽时,同一波位的发射信号所产生的直达波信号与目标回波信号在时间上交叠,对回波信号产生干扰。

图2 直达波同波位干扰示意图Fig.2 Direct interference of same beam position

由于同一发射脉冲所产生的直达波时延远小于回波,因此该情况下回波脉压主瓣将会落在直达波脉压旁瓣上。由于直达波旁瓣的干扰,回波检测受到影响。

(2)异波位干扰

如图3所示,发射脉冲2所产生的直达波信号与发射脉冲1所产生的回波信号在时间上交叠,对回波信号1产生干扰。

图3 直达波异波位干扰示意图Fig.3 Direct Interference of different beam position

由于回波时延的随机性,回波脉压主瓣可能落在直达波脉压结果的任意位置,因此直达波脉压的主瓣和旁瓣均会影响回波的检测。

3 直达波抑制方法及其性能

根据收发分置数字阵列相控阵雷达的工作方式、信号处理流程等特点以及雷达的实际应用,可采用收发隔离、数字波束形成零点抑制、异频滤波、自适应对消及脉冲压缩增益6个环节进行直达波抑制,如图4所示。

图4 直达波和回波传播及处理流程Fig.4 Processing flow of direct interference and echo

3.1 收发隔离方法及能力

为抑制直达波干扰,在发射阵面和接收阵面中间引入隔离体,隔断直达波的直射路径。此时,直达波通过绕射路径到达接收阵面,如图5所示。

图5 发射和接收遮蔽角定义Fig.5 Cloak of the transmit antenna and receiving antenna

为分析直达波的隔离效果,计算直达波绕射路径与直射路径间的功率衰减,可采用典型的单刃峰、多刃峰和圆顶峰三类隔离体的绕射模型,其中单刃峰可与多刃峰等效。图6给出了单刃峰和多刃峰等效示意图,其中中间大隔离体与采用同时两个小隔离体具有同样的隔离效果。图7给出了圆顶峰几何模型示意图。

图6 单刃峰等效模型Fig.6 Equivalent model of single edge peak

图7 圆顶峰几何模型Fig.7 Equivalent model of dome peak

单刃峰的隔离效果可采用如下计算公式[13]:

对于圆顶障碍物可以当作圆柱体来处理。用以下公式进行计算[13]:

式中,J(v)是单刃峰的绕射损耗,单刃峰高度和位置与圆顶峰值相同,T(ρ)是顶部曲率引起的附加损耗,Q(χ)是前两项的耦合项。计算公式如下:

其中:

当隔离距离达到几公里、雷达遮蔽角满足一定条件时,采用单刃峰或等效的多刃峰,对直达波的抑制可达50 dB以上;在同样的参数下,采用圆顶障碍物对直达波抑制可达70 dB以上。

3.2 数字波束形成零点技术

对于收发分置的数字阵列相控阵雷达来说,发射天线数字波束形成较低副瓣。图8给出了某参数条件下发射天线方向图,由图可见,副瓣比主瓣低50 dB以上。

图8 天线方向图Fig.8 Antenna pattern

数字阵列相控阵雷达天线副瓣零点位置可自适应调整,将副瓣零点对直达波方向,会大幅提高雷达的直达波抑制能力。

设阵元数为 N,阵元间距为d,波长为 λ,波束指向为θ0,直达波方向为 θ1,阵列接收数据矢量为X(k)可表示为

阵列干扰噪声协方差矩阵为

式中,p为直达波功率,σ2为噪声功率,I为单位矩阵。自适应处理权为

式中,V=(v1,v2,…,vN)T为窗函数矢量,用以降低天线方向图旁瓣,例如Chebyshev窗、Talor窗等,符号“·”表示Hadmad积。

图9给出了对80°方向进行零点抑制的接收方向图。

图9 数字波束零点抑制图Fig.9 Digital beam adaptive null forming

由图可以发现,经过零点抑制,直达波方向接收增益相比主瓣增益低于70 dB。

3.3 自适应对消技术

由于直达波信号形式已知,可采用自适应滤波技术手段进行对消抑制。自适应对消原理框图见图10。

图10 自适应对消原理框图Fig.10 Adaptive cancellation principle diagram

如图10所示,参考信号经过可变系数滤波器对接收信号中直达波进行估计,滤波器输出与接收信号相减得到残差,根据残差和更新权值,进而对滤波器进行修正,滤波器估计残差为自适应对消结果。基本原理是:

滤波输出

估计误差或误差信号

采用一定的权值更新方法,使得误差(各种定义)最小,即提取了接收信号中直达波信号,从而得到含有噪声(包括系统噪声和对消误差噪声)的回波信号。图11给出了采用RLS算法进行直达波对消的结果,从图中可以看出,直达波抑制能力达到60 dB左右。

图11 自适应对消性能Fig.11 Adaptive cancellation algorithm performance

3.4 异频滤波与脉压增益直达波抑制

为了有效抑制异波位直达波干扰,雷达在不同波位采用不同的发射频率。因此,不同波位直达波将经过异频滤波抑制,减小对附近波位回波的干扰。一般工程实践上,异频滤波对异波位直达波的抑制能力可达30 dB。需要说明的是,异频滤波无法抑制同波位直达波干扰。

对于同波位直达波来说,其信号与回波信号形式相同,无法通过脉压失配对直达波进行抑制。由上文分析可知,干扰来自直达波旁瓣,因此同波位干扰的脉压增益为旁瓣脉压增益。由上文天线方向图可知,对于给定雷达参数同波位直达波脉压增益抑制可达到50 dB。

异波位干扰可能来自直达波脉压的主瓣,因此必须采取有效措施对其进行抑制。由于直达波来自不同的发射信号,因此可以采用脉压失配的方法对直达波进行抑制。由于异波位直达波与所干扰波位的参考信号失配,所以该种情况下干扰信号的脉压增益为0 dB。

3.5 直达波抑制综合能力分析

在雷达工作过程中,综合利用收发隔离、数字波束形成零点抑制、异频滤波、自适应对消及脉冲压缩增益6个手段进行直达波抑制,能大大降低直达波对目标检测的干扰,有效解决收发分置数字阵列相控阵雷达中的直达波问题。

4 结 论

本文主要针对收发分置数字阵列相控阵雷达在空间碎片监视的应用,分析了收发分置的数字阵列相控阵雷达中直达波干扰问题,然后根据雷达的特点及信号处理流程,从系统设计角度分析了雷达工作中各种环节可采用的直达波抑制方法并给出了直达波抑制能力,根据仿真分析结果可知,直达波抑制能力达到200 dB以上,解决了收发分置的相控阵雷达阵列雷达用于空间目标探测应用中直达波干扰问题。

[1] 吴曼青.数字阵列雷达的发展与构想[J].雷达科学与技术,2008,6(6):401-405.WU Man-qing.Development and Future Design of Digital Array Radar[J].Radar Science and Technology,2008,6(6):401-405.(in Chinese)

[2] Cantrell B.Development of a Digital Array Radar(DAR)[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,2002,17(3):22-26.

[3] 吴海洲,陶然,单涛.基于DTTB照射源的无源雷达直达波干扰抑制[J].电子与信息学报,2009,31(9):2033-2038.WU Hai-zhou,TAO Ran,SHAN Tao.Direct-path Interference Suppression for Passive Radar Based on DTTB Illuminator[J].Journal of Electronics&Information Technology,2009,31(9):2033-2038.(in Chinese)

[4] 朱家兵,徐德刚,洪一.基于外辐射源的双基地雷达直达波干扰对消研究[J].中国电子科学研究院学报,2007,2(1):62-65.ZHU Jia-bing,XU De-gang,HONG Yi.Research on Direct-path Interference Cancellation for Bistatic Radar Based on Extra Illuminator[J].Journal of China Academy of Electronics and Information T echnology,2007,2(1):62-65.(in Chinese)

[5] 朱家兵,洪一,陶亮,等.基于自适应分数延迟估计的FM广播辐射源雷达直达波对消[J].电子与信息学报,2007,29(7):1674-1677.ZHU Jia-bing,HONG Yi,T AO Liang,et al.Direct-PathCancellationto FM Broadcast Transmitter Radar Based on Adaptive Fractional Delay Estimation[J].Journal of Electronics&Information Technology,2007,29(7):1674-1677.(in Chinese)

[6] 何国强,张仕元,李明.外辐射源雷达抗直达波干扰技术研究[J].现代雷达,2009,3l(11):32-35.HE Guo-qiang,ZHANG Shi-yuan,LI Ming.A Study on Antidirect Path Interference Technology in Radar System Based on Opportunity Illuminator[J].Modern Radar,2009,31(11):32-35.(in Chinese)

[7] 赵旦峰,许聪,兰海燕,等.无源探测中的直达波提纯[J].中国雷达,2009(2):30-32.ZHAO Dan-feng,XU Cong,LAN Hai-yan,et al.Directpath-wave Purified in Passive Detection[J].Chinese Radar,2009(2):30-32.(in Chinese)

[8] 王俊,水鹏朗,保铮,等.基于分数迟延估计的外辐射源雷达杂波相消算法[J].西安电子科技大学学报,2005,32(3):378-382.WANG Jun,SHUI Peng-lang,BAO Zheng,et al.Externalilluminator based continuous wave radar clutter canceling algorithm using arrival time estimation by fractional interpolation[J].Journal of Xidian University,2005,32(3):378-382.(in Chinese)

[9] Zhang Yimin,Amin M G,Frazer G J.An New Approach to FM Jammer Suppression for Digital Communications[C]//Proceedings of 2002 IEEE Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop.Rosslyn,VA,USA:IEEE,2002:264-268.

[10] Guner A,Temple M A,Clayppoole R L.Direct Path Filtering ofDAB Waveform from PCL Receiver Target Channel[J].Electronics Letters,2003,39(1):118-119.

[11] Saini R,Cherniakov M,Lenive V.Direct Path Interference Suppression in Bistatic System:DTV Based Radar[C]//Proceedings of 2003 IEEE International Radar Conference.Huntsville,Alabama,USA:IEEE,2003:309-314.

[12] Howland P E,Maksimiuk D,Reitsma G.FM radio based bistatic radar[J].IEE Proceedings of Radar Sonar Navigation,2005,152(3):107-115.

[13] 焦培南,张忠治.雷达环境与电波传播特性[M].北京:电子工业出版社,2007:96-101.JIAO Pei-nan,ZHANG Zhong-zhi.Radar Environment and Electro-wave propagation characteristics[M].Beijing:Publishing House of Electronic Industry,2007:96-101.(in Chinese)