基于自适应DPCA的机载雷达杂波和干扰抑制的研究

王　斌，张　昀，黄乐天，刘　禹

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

基于自适应DPCA的机载雷达杂波和干扰抑制的研究

王斌，张昀，黄乐天，刘禹

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

摘要：分析了机载雷达相位中心偏置天线(DPCA)和自适应相位中心偏置天线(ADPCA)处理算法，对机载雷达DPCA的杂波和干扰抑制等进行了数值仿真。仿真结果表明，通过DPCA可以将淹没在强杂波背景中-47 dB信噪比的目标提高到6.3 dB；但当存在干扰或者机载雷达不满足DPCA的理想条件时，信噪比恶化非常严重；当干扰有效辐射功率(ERP)增大到1 W时，信噪比变为-15 dB；当采用ADPCA处理后，即使在干扰ERP为400 W时，处理后的信噪比仍超过6 dB。

关键词：相位中心偏置天线；自适应相位中心偏置天线；机载雷达杂波；干扰抑制

0引言

制空权的掌握是战争制胜的关键，而机载雷达在制空权的争夺中扮演着重要的角色。机载雷达具有突破地基雷达视距限制的优势，因而备受世界各国的关注。不过，它也存在一些需要攻克的难题。对于机载雷达来说，其杂波分布广泛，强度大，并且由于平台的运动导致杂波谱展宽,使得慢速运动目标常常被淹没在强杂波中，这给机载雷达的检测带来巨大困难。

此外，战场复杂电磁环境中往往充斥着各种形式的干扰，这也给机载雷达对目标的检测带来了巨大挑战。只有有效地抑制杂波和干扰，才能实现对淹没在杂波和干扰背景下目标的检测。

最初人们采用相位中心偏置天线(DPCA)技术来抑制雷达杂波，该方法非常简单，并已被部分现役雷达所采用。但是它要求相位中心间距、脉冲重复频率和载机速度必须满足严格的限制条件，并且无法抑制干扰，因而很大程度上限制了它的使用。采用空时自适应处理(STAP)[1-2]尽管可以非常好地滤除干扰和杂波，但STAP数据处理量非常大，超出了目前的硬件水平。

本文结合这2种处理手段的优点，对自适应DPCA的杂波和干扰抑制进行了研究，分析了自适应DPCA的杂波和干扰抑制性能。

1自适应DPCA技术

假设雷达平台沿Y轴方向运动，以Y轴为零方位角，方位角为φ，俯仰角为θ，平台速度为V，杂波单元距雷达天线斜距为R，如图1所示。

图1　机载雷达与杂波的几何示意图

假设来自不同杂波散射体的回波互相独立，对于一个N元的均匀线阵(ULA)，在一个相干处理时间间隔(CPI)内，对于给定的距离单元做M次快拍,获得采样输出为x，x=[x(0),x(1),…,x(M-1)]′，其中第i个单元为：

x(i)=a(θ)ejωi+ec(i)+ej(i)+en(i)

(1)

假设杂波、干扰和噪声的协方差矩阵分别为：Qc、Qj和Qn，且互不相关，则总的协方差矩阵为：

(2)

对于最优滤波器，其最优波束形成的输出为：

(3)

式中：γ为任意系数。

对于DPCA，根据文献[3]，其权矢量可以写为：

(4)

式中：s1=[0,1,…,1]′;s2=[1,1,…,0]′。

DPCA技术的使用有很多限制条件，因此其工程化相当困难，为了达到对消杂波和干扰的目的，可以将DPCA和自适应滤波结合起来，按照一定的准则，可以自适应地校正这些变化带来的相位差。根据文献[3]，对于自适应DPCA，权矢量可以写为：

(5)

式中：R为通过对ec(i)+ej(i)+en(i)的估计得出的协方差矩阵。

因而，自适应DPCA不但能抑制杂波还能很好地抑制干扰。

2DPCA对杂波和干扰的抑制性研究

图2　DPCA处理前后的接收信号

图2为DPCA处理前后接收到的信号，由图可以看出，在10km的距离存在很强的回波，这是由于高度杂波带来的影响，而位于100km处的目标完全被杂波掩盖，此时的信噪比为-47dB，而采用DPCA处理后，杂波得到了很好的抑制，100km处的目标得到凸显，此时信噪比为6.3，信噪比改善了53dB。由此可见，DPCA具有非常强的抑制地杂波的能力。图3(a)为干扰有效辐射功率(ERP)为1W情况下，DPCA处理后的结果。由图可以看出，目标被淹没在强噪声干扰之下，根本无法辨认目标所在的位置。图3(b)为干扰ERP从0增大到120W时目标信噪比的变化曲线。由该曲线可以看出当注入干扰时，目标信号的信噪比迅速下降，恶化得非常严重；当干扰ERP增大到10W时，目标信号的信噪比下降超过20dB；当干扰ERP达到120W时，目标信号的信噪比已经下降至-24.5dB。

图3　存在干扰时，DPCA处理后的结果

在进行DPCA处理时，根据文献[4]，其必须满足：

d=2vT

(6)

对上变形，令：

(7)

理想情况下，β=1。然而在实际情况下，由于天线单元间的幅相不一致、载机机身抖动、载机偏航、载机重频、载频变化等导致β≠1。图4为β的变化对DPCA处理结果的影响。

图4　β的变化对DPCA性能的影响曲线

由图4可以看出，β的微小变化都会带来信噪比的严重恶化，当β仅发生1%的变化时，信噪比的恶化已经超过30dB。

由此可见，DPCA的使用非常受限，其对平台以及载机重频、载频等的稳定性要求非常高，并且对于存在干扰的电磁环境，DPCA也无能为力。这也可以通过对式(1)和式(6)的分析得出，当采用DPCA进行处理时，对于所有的方位角φ，俯仰角θ，只有杂波带来的影响ec(i)得到了对消，而ej(i)和en(i)不满足对消的条件，因而适应存在干扰的电磁环境。而且当β≠1时，也即载机速度、雷达载频、重频发生变化时，都不满足DPCA条件。因此，将自适应处理与DPCA相结合是一件非常有意义的事情。

3自适应DPCA杂波和干扰抑制性能研究

图5　存在干扰时，ADPCA处理后的结果

在ADPCA的仿真中，选用的训练样本单元为180个，保护单元个数为10个，其它仿真参数不变。图5为存在干扰时，ADPCA处理前后的结果。在不存在干扰时，ADPCA的处理结果与DPCA差不多，处理后的信噪比变为6.88；而当存在干扰时，干扰对ADPCA的影响非常小，即使干扰的ERP达到400W时，ADPCA处理后的信噪比仍超过6dB。图6为β的变化对ADPCA处理结果的影响。由图6可以看出，ADPCA处理的结果受β变化的影响也非常小。在β变化25%时，ADPCA处理后的信噪比也是仍超过6dB。

图6　β的变化对ADPCA处理的影响

因此，得益于自适应处理技术，使得ADPCA对平台以及载机重频、载频等的稳定性要求放宽，并且ADPCA还具有很好的抗干扰能力。这也可以通过对式(1)和式(5)的分析得出，当采用ADPCA进行处理时，对于所有的方位角φ、俯仰角θ，不仅杂波带来的影响ec(i)得到了对消，而且ej(i)和en(i)也满足对消的条件，因而能够适应存在干扰的电磁环境。而且当β≠1时，也即载机速度、雷达载频、重频发生变化时，都不影响ADPCA的处理。

4结束语

本文通过仿真研究了机载雷达DPCA的杂波抑制效果，并对干扰和非理想情况下的DPCA处理结果进行了研究，分析了其局限性的原因。然后对ADPCA进行了仿真研究，仿真结果表明，即使存在干扰或外部环境发生变化时，ADPCA处理后的目标仍能获得非常理想的信噪比。

参考文献

[1]KlemmRK.PrinciplesofSpace-timeAdaptiveProcessing[M].London:TheInstitutionofElectricalEngineers,2002．

[2]王永良,彭应宁.空时自适应信号处理[M].北京:清华大学出版社，2000.

[3]GuerciJR.Space-TimeAdaptiveProcessingforRadar[M].Norwood,MA:ArtechHoude,2003.

[4]薛冰心,张友益.基于频移假目标对机载雷达SATP技术干扰效果的研究[J].舰船电子对抗，2012,35(1):11- 59.

Research into Airborne Radar Clutter and Interference Suppression

Based on Adaptive DPCA

WANG Bin,ZHANG Yun,HUANG Le-tian,LIU Yu

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

Abstract:This paper analyzes the processing algorithms of airborne radar displaced phase centre antenna (DPCA) and adaptive displaced phase centre antenna (ADPCA),simulates the airborne radar DPCA clutter and interference suppression based on numerical value.The simulation results indicate:the signal noise ratio (SNR) of the target submerged in the background of strong clutter is increased from -47 dB to 6.3 dB by means of DPCA,but when the interference exists or the airborne radar can't satisfy the ideal conditions of DPCA,the SNR deteriorates very seriously;when the interference effective radiated power (ERP) reaches to 1 W,the SNR becomes -15 dB;when ADPCA processing is performed,even if the interference ERP is 400 W,the processed SNR still exceeds 6 dB.

Key words:displaced phase centre antenna;adaptive displaced phase centre antenna;airborne radar clutter;interference suppression

收稿日期:2014-11-21

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.006

中图分类号：TN957.54

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0019-04