DBF技术在米波雷达中的应用

廉丹

摘要：本文结合米波雷达系统，对DBF技术进行应用研究。采用一种合成宽零陷天线方向图抑制干扰的方法，降低了期望方向图主波束的畸变程度，有利于信号的后续处理。权系数计算是DBF体制雷达的核心。为节省权系数应用期间的系统开销，依据系统及算法自身特点，提出了采用权值修正的方法更新权系数，实现简单且避免了重复求解加权系数。计算机仿真结果表明了本文所述方法的可行性，达到在抗干扰的同时保持主瓣形状的目的。

关键词：方向图合成；抗干扰；宽零陷；权系数

1引言

DBF （Digiatl Beam Forming）技术是一种以数字方法进行加权运算来实现波束形成的技术。权值根据阵元采样数据，运用某种自适应方法进行更新，从而使接收或发射波束具有特定的形状和期望的零点。DBF在基带上保留了天线阵列单元信号的全部信息，因而可以采用先进的数字信号处理技术对其进行处理，以获得优良的波束性能[1]。采用DBF体制的米波雷达， 可实现同时多波束，波束控制灵活方便，有很强电子战能力。此外，该体制雷达易于实现低副瓣波束和自适应零点，从而改善传统体制米波雷达在测量方位精度、抗干扰能力等方面固有的缺点[2]。所以，DBF技术在雷达应用中具有重要意义。

2 DBF技术应用

DBF体制的雷达在抗干扰的同时实现多波束。针对在方位上有一定范围的干扰，采用宽零陷合成算法抑制干扰。当约束的零陷区间宽度足够小时，该算法也可以用来合成单纯零点。当天线存在幅相误差时，只需要对算法中的理想约束矩阵进行相应的修正， 就可以消除幅相误差对零点的不利影响[3]。宽零陷合成算法使得在抑制干扰的同时达到主波束保形。

2.1宽零陷的线性约束算法

假设窄带系统的接收阵列由N个无方向性的阵元组成，其方向函数就应为

（1）

其中，W为波束系数向量， 是与阵列参数和信号波长有关的阵列信号矢量，上标H和T分别表示矩阵或向量的共轭转置和转置。那么θ方向来的单位信号源在该阵列波束形成后的输出功率为

（2）

因此，假设在区间 上连续布满了单位信号源，波束宽零陷的物理意义就是能将某一区间的干扰信号抑制到某一所希望的强度以下， 因此合成具有指定零点的方向图可以视为下式的最优化问题[4]称为约束矩阵；W是一常规的波束系数，它包含了我们对主波束指向以及旁瓣电平的期望； 为功率抑制系数，与期望的干扰抑制后剩余功率的比率相关。

本文直接基于约束矩阵的特征分解导出其数值解法。由于 为Hermite矩阵，因此它能够做如下特征分解为了抑制干扰，我们让W与 个较大特征值对应的特征向量正交， 对于归一化的波束系数， 为了求解W，构造函数：

（3）

则W满足式（3）中最小值时，L对W 的导数应为零，即

（4）

为单位矩阵，上式即为所要求解的波束系数。

2.2 DBF权系数更新处理

权系数计算是整个DBF处理的核心部分。它根据天线阵面上各阵元接收到的回波信号计算权重系数，利用该权重系数对各阵元接收到的回波信号进行权重处理，形成多个独立天线波束的输出。这些天线波束的主瓣对准目标方向，零陷对准干扰方向。因此，DBF处理器需要完成对天线各阵元接收到的回波信号的大量的、实时的信号处理工作。

上述基于特征分解的零陷加宽的波束形成算法，其每次求解权系数都需占用很长时间。为节省时间和系统资源采用下述方法进行权系数更新。

雷达工作时，天线扫描方向改变，而干扰位置一般不变或慢变，因此可以考虑在上次权系数的基础上通过简单修正更新权系数。这样就可以应用很少的运算实现权系数的更新，降低运算量，节省系统开销。分析权系数计算式，该式由两部分组成其中W0与扫描方向有关，而D只与干扰方向有关。故可应用下式更新权系数：

（5）

其中 和 分别更新前后的扫描方向。

3 仿真結果

为验证本文方法的有效性，作以下计算机仿真分析：16阵元的均匀线阵，天线间距与波长比为0.5，零陷的约束区间在40度到50度。期望权值 设为波束指向-10度，旁瓣电平-30dB的Chebyshev波束系数。由图1可以看出约束区间形成较宽的零陷，且能够较好的保持期望方向图的主瓣特性，但在约束区间两边的旁瓣会抬高。图2为采用式（5）进行权系数更新方法合成的宽零陷方向图，更新前天线指向为-10度，更新后为天线指向-20度，更新前后零陷区间未变。

4 结束语

本文结合一种宽零陷方向图的合成方法，阐述了DBF技术在米波雷达中的应用。仿真结果表明了上述算法的可行性。该方法可以在较宽方向上抑制干扰，很大程度上削弱干扰方向扰动对性能影响，同时降低了方向图的畸变程度，成功的保证了主波束形状，有利于后续处理，具有实用意义。工程实际应用中， 采用上述权系数更新方法可以减少计算权系数的时间开销。

参考文献：

[1]张新胜. DBF技术在雷达领域中的应用. 雷达科学与技术，2004，2 （5）：267～269

[2]陶青长，徐成发.米波段DBF体制雷达数字接收机的实现.微计算机信息，2007，23 （9） ： 1～ 3

[3]李高鹏，许荣庆，马子龙.天线单元存在幅相不一致性时的波束零点合成技术.电子学报，2005， 33（6）： 1150～ 1151

[4]庄龙，朱炳元.一种改进的宽零陷天线方向图合成方法. 现代雷达，1990， 26 （12） ： 60 ～ 62