基于数字阵列双差通道的主瓣抗干扰技术

施云飞,赵婵娟,徐安琪,杨文华

(上海航天电子技术研究所,上海,201109)

0 引 言

和差单脉冲测角技术[1]是现代雷达中常用的一种测角技术，但是当和差通道受主瓣噪声干扰时，测角精度会显著下降[2]。在传统和差差三通道基础上发展出来的双差通道测角技术[3]可以避免主瓣噪声干扰的影响，但存在以下两个问题：

a) 和差器数量较多，信噪比损失大；

b) 主瓣内干扰定位困难。

针对抗主瓣干扰问题，王峰提出基于自适应的正交虚拟极化干扰抑制算法，并利用垂直与水平双极化数字阵对该自适应抗主瓣干扰算法进行验证，但该方法在干扰抑制的同时存在信号损失的问题[4]。王建明提出用盲源分离算法抑制主瓣干扰，但该方法没有讨论盲源分离后目标角度的测量问题和盲源分离算法对单脉冲比的影响[5]；苏保伟提出了基于阻塞矩阵的主瓣干扰抑制及波束保形方法，有较好的稳健性，但此方法含有大矩阵求逆等复杂运算，难以工程实现[6，7]。

本文介绍一种基于数字阵列的双差通道测角技术，首先利用多个接收通道数据完成主瓣内干扰的定位，然后利用数字波束形成技术[8]同时得到俯仰差、方位差、双差等多个波束，将波束对准干扰方向，消除干扰对波束的影响，从而得到目标精确的位置信息。

1 模拟阵列的双差波束单脉冲雷达

1.1 和差双通道测角

图1 基于线阵的和差单脉冲测角

单脉冲测角是通过比较两个或多个波束同时接收的目标回波信号来实现对目标角度进行估计的一种技术。图1是基于线阵的和差单脉冲测角示意图。

这里天线是一个N元均匀线阵，阵元间距为d，信号波长为λ，阵元均为各向同性，θ处导向矢量为

(1)

天线和差波束方向图表示为

(2)

为得到低旁瓣，和波束静态权为泰勒(Taylor)权，差波束静态权为贝里斯(Bayliss)权。wΣq=Taylor(N)a(θ0)为和波束权矢量，wΔq=Bayliss(N)a(θ0)为差波束权矢量，和波束方向图Σ(θ)在波束指向θ0处有最大值；差波束方向图Δ(θ)在波束指向θ0处幅度为零。

1.2 双差通道测角

考虑接收阵面为矩形阵列，为构造四个通道，将阵面均匀划分为四个部分，各通道示意图如图2所示。

图2 双差通道单脉冲构成示意图

其中，和通道输出为四个子阵输出之和，方位差通道输出为左边两个子阵与右边两个子阵输出之差，俯仰差通道为上面两个子阵与下面两个子阵输出之差，增加的双差通道为对角线两个子阵输出之差。

图3 模拟阵列双差通道单脉冲雷达前端设计

由此可以得到模拟阵列双差通道单脉冲雷达前端设计，如图3所示。这种前端设计需要大量的和差器来完成，设备量大且幅相校正复杂。

2 基于数字阵列雷达的双差通道单脉冲雷达

图4给出基于M个数字阵列的单脉冲雷达前端设计，阵列首先在俯仰向通过模拟和差网络得到俯仰和差波束，然后将所有和差波束单独送给2M路接收机，下变频后在DBF设备内合成得到需要的各种接收波束。对于数字阵列的俯仰差波束，DBF设备内方位做Taylor加权，就能得到全阵面的和波束，如图5(a)所示；对于数字阵列的俯仰差波束，DBF设备内方位做Taylor加权，就能得到全阵面的俯仰差波束，如图5(b)所示；对于数字阵列的俯仰和波束，DBF设备内方位做Bayliss加权，就能得到全阵面的方位差波束，如图5(c)所示；对于数字阵列的俯仰差波束，DBF设备内方位做Bayliss加权，就能得到全阵面的双差波束，如图5(d)所示。

图4 数字阵列单脉冲雷达前端设计

(a) 和波束 (b) 方位差波束

(c) 俯仰差波束 (d) 双差波束图5 矩形阵列四个通道方向图

3 双差通道单脉冲测角原理

3.1 测角流程

单脉冲测角是利用和差波束来提取角度误差信息，当空间中没有干扰时，利用和差差三通道即可完成角度测量。

当主瓣有噪声干扰存在时，利用双差、俯仰差、俯仰和这三个通道完成角度的测量，为保证这三个差波束不受到主瓣干扰的影响，差波束中心必须对准干扰方向，因此在测角之前首先要确定干扰的波达方向，具体流程如图6所示。

3.2 基于子阵划分的DOA

图6 基于双差通道的测角流程

图7 基于子阵划分的DOA流程图

为降低运算量，在多通道接收数据基础上，利用基于子阵划分的DOA[9]可以实现对接收的噪声干扰信号的方位角度估计，图7为其流程图。

当目标空域的信源数未知时，假设存在P个信源，对其空间协方差矩阵特征分解，即

(3)

式中，∑s=diag{λ1,λ2,…,λP}为大特征值构成的对角阵。由上式可得

(4)

(5)

这样无需进行特征分解也不需要估计信源个数就可以得到噪声子空间。实际应用中，在一定信噪比条件下，m取有限整数就能很好地收敛到噪声子空间，一般高阶次幂m取2～5。所以，得到快速DOA算法为

(6)

最后，根据CAIHOP谱峰的位置来估计信号源的到达方向。

3.3 双差测角

确定干扰方向以后将俯仰差、方位差、双差三个波束方向对准干扰来波方向，利用双差通道单脉冲测角方法，可以根据拟合的单脉冲比曲线，得到目标相对于波束指向的误差角度，从而完成主瓣干扰下的目标角度测量。图8为双差通道与俯仰差通道方向图，图9为相应的单脉冲测角曲线。

图8 双差通道与俯仰差通道

图9 单脉冲测角曲线

4 双差通道单脉冲测角抗主瓣干扰性能仿真

为验证主瓣干扰情况下的双差通道单脉冲测角性能，仿真中采用32×32的矩形阵面，设阵面放置于xoy平面，波长为0.1 m，x和y方向的阵元间距均为半波长，干噪比为30 dB，信噪比为15 dB，干扰的到达方向为(0°，0°)，目标的到达方向为(0.5,0.5)，目标运动速度为200 m/s，分别用三通道和双差通道单脉冲测角方法进行目标角度测量，做1000次重复仿真实验，结果如图10。

(a) 三通道单脉冲测角 (b) 双差通道单脉冲测角图10 三通道与双差通道单脉冲测角结果

图11 三通道与双差通道测角精度与信噪比关系

图10(a)为在主瓣干扰环境中，三通道单脉冲测角方法的结果，可以看到，由于干扰信号较强，掩盖了目标信号，所以传统三通道测角只能检测到干扰的方向(0,0)；图10(b)为采用了双差单脉冲抗主瓣干扰测角方法的结果，测得的角度为(0.5,0.5)，正是目标方向。图11给出不同信噪比下三通道与双差通道测角精度与信噪比的关系，说明本文介绍的方法在主瓣噪声干扰情况下仍然具有很高的测角精度。

当DOA对干扰方向估计出现偏差，比如将(0.1,0.1)位置的干扰估计成(0,0)，双差通道测角精度也会受到影响，如图12所示。

图12 干扰角度估计错误时三通道与双差通道测角精度与信噪比关系

图13 不同目标位置对测角的影响

当干扰位置始终保持(0°,0°)不变，目标位置从(0.1°,0.1°)变化到(2°，2°)时，利用双差通道的测角精度基本没有变化，而利用三通道测角精度急剧恶化，这是因为三通道测角始终得到的是干扰的方向，当目标与干扰间距变大时，其测角精度也就变差。

5 结束语

本文提出一种基于数字阵列的双差通道测角方法，该方法在主瓣存在1个噪声干扰的情况下，仍然具有很高的测角精度。同传统利用和差器方法得到双差波束的办法相比，本方法具有主瓣干扰来波估计精度高、前端信噪比损失低、测角精度高的特点，为地面雷达对抗主瓣干扰提供了一个新的思路。

[1] 甘明. 基于相控阵天线单脉冲测角算法的测角精度研究[J]. 现代电子技术, 2013, 36[7]：89-93.

[2] John B. Hoffman, Brian L.Galebach. Four-Channel Monopulse for Main Beam Nulling and Tracking[C]. Proc. IEEE National Radar Conference, 1997:94-98.

[3] 胡航，张皓，宗成阁等. 子阵级自适应单脉冲的四通道主瓣干扰抑制[J].电波科学报, 2009, 24(5): 820-825.

[4] 王峰，雷志勇，李婧等. 一种自适应正交虚拟极化抗主瓣干扰方法研究[J].中国电子科学研究院学报, 2013, 8(1): 53-55.

[5] 王建明，伍光新，周伟光等. 盲源分离在雷达抗主瓣干扰中的应用研究[J].现代雷达, 2010, 32(10): 46-49.

[6] 苏保伟，王永良, 李荣峰等. 阻塞矩阵方法对消主瓣干扰[J]. 系统工程与电子技术, 2005, 27(11): 1830-1832.

[7] 李荣峰, 王永良, 万山虎. 主瓣干扰下自适应方向图保形方法的研究[J]. 现代雷达, 2002, 24(3): 50-53.

[8] 冯林高. 数字阵列雷达DBF处理器的设计与实现[D]. 南京理工大学. 硕士学位论文. 2013.

[9] 彭巧乐，司锡才，李利等. 一种无特征分解的快速子空间DOA算法[J]. 系统工程与电子技术, 2010, 32(4): 691-693.