自适应多门限副瓣匿影电路设计与仿真*

朱 平

（中国船舶集团有限公司第七二三研究所 扬州 225001）

1 引言

随着电子对抗技术的高速发展，电子战装备可以在全频段、全空域产生大功率、有针对性的强电磁干扰，使得各型雷达面临的战场电磁环境极其恶劣，导致雷达探测性能严重下降。因此对于一部雷达来说，抗干扰性能的高低已经成为一项重要指标，决定了雷达在复杂战场环境下的生命力。

按照干扰信号的生成原理分类，可分为遮盖性干扰、欺骗性干扰以及两者的组合干扰。在雷达抗干扰措施中，副瓣匿影技术是一种有效的消除从雷达天线副瓣进入的密集假目标干扰的有效手段，在现役雷达中获得了广泛应用［1～3］。但是目前常用的典型副瓣匿影电路在微弱小目标检测、密集假目标与真实目标回波时域重合等情况下，会出现真实目标被匿影掉的问题［4～5］。据此，本文在对典型副瓣匿影电路性能分析的基础上，提出了一种自适应多门限判决副瓣匿影电路设计方法，给出了电路结构、判断逻辑，并进行了理论分析和仿真。结果表明：该方法在有效抑制副瓣假目标干扰的同时，能够解决真实目标回波被匿影而导致检测概率下降的问题。

2 典型副瓣匿影电路设计及存在的问题

典型副瓣匿影电路结构如图1所示。

图1 典型副瓣匿影电路结构图

如图所示：采用副瓣匿影电路的雷达系统包括两路接收通道，其中一路为雷达主接收通道，另一路为辅助接收通道，一般辅助通道天线增益比雷达主天线最大副瓣增益高1dB～3dB；两路信号经过相同的接收处理模块，再对相同距离点数据进行幅度比较，以此判断是否进行匿影操作。由于在雷达主天线主瓣进入的目标信号幅度大于辅助通道信号幅度，因此幅度比值大于匿影门限，目标信号可以通过匿影电路；而副瓣假目标干扰在主通道产生的信号幅度小于辅助通道接收到的幅度，因此会被匿影掉，保证了雷达的正常探测［6～7］。

在实际雷达探测时，对于雷达主通道回波存在以下四种情况：1）主瓣没有目标回波信号，副瓣也没有欺骗假目标干扰信号；2）主瓣没有目标回波信号，副瓣有欺骗假目标干扰信号；3）主瓣有目标回波信号，副瓣没有欺骗假目标干扰信号；4）主瓣有目标回波信号，副瓣有欺骗假目标干扰信号。

对于情况1）雷达接收处理电路应无输出，否则会形成虚警；对于情况2）雷达处理电路应使能匿影功能，将副瓣假目标干扰抑制掉；对于情况3）和4）无论副瓣有、无欺骗干扰信号，雷达处理电路都应输出真实目标回波信号，否则就是加入副瓣匿影电路后，雷达的检测概率损失了［8～10］。

但是在实际工作时，由于副瓣匿影电路的存在，会出现以下两种情况：

1）由于主、辅通道的噪声是随机分布的，因此会以有限的概率出现辅助通道噪声幅度大于主通道噪声和微弱小目标信号幅度之和的情况，此时匿影电路启动，会将微弱小目标信号匿影掉，目标检测概率下降；雷达系统在面对噪声和假目标组合干扰时，也会出现上述情况。

设置仿真参数如下：信噪比SNR=-16∶0.5∶0dB，主、辅通道随机产生均值为0，方差为1的高斯白噪声，匿影门限设置为F=0dB，虚警概率设置为Pfa=10-6，仿真次数10000 次，以单脉冲脉压后的信号进行目标检测，如图2所示。

图2 有、无副瓣匿影措施时的检测概率仿真

如图2所示：当信噪比SNR约为-8dB～-2dB区间时，未采用副瓣匿影电路的检测概率，较采用副瓣匿影电路的检测概率明显要高。说明在此区间内由于采用副瓣匿影电路，导致了雷达系统的检测概率降低。

2）当干扰机释放密集假目标干扰时，会以有限的概率出现真实目标和密集假目标在时间上重叠的情况。在这种情况下由于无法判定干扰源的方向，不知道假目标干扰进入主通道的副瓣天线增益，因此会导致检测门限选择不当，从而导致真实目标被匿影掉的情况。

设置仿真参数如下：主天线主瓣增益G0=30dB，副瓣增益Gf=0dB，辅助天线增益Ga=3dB；设置真实目标回波1批，假目标干扰6批，真实目标与其中1 批假目标距离上完全重合，干信比JSR=30dB，主通道信噪比SNR=15dB，主、辅通道噪声信号分布特性一致，均为高斯白噪声；在该场景下检测下：匿影门限分别设置为0dB、3dB 时的匿影处理结果见图3。

图3 真、假目标时域重合时不同门限下的匿影效果

如图3 所示：当副瓣密集假目标信号与真实目标时间上重合，匿影门限设置为0dB 时，可以正常检测出真实目标；但当匿影门限为3dB 时，目标会被匿影掉。因此在该情况下选择一个合适的匿影门限成为关键［11］。

3 多门限联合判决副瓣匿影电路设计及分析

针对上节所分析的典型副瓣匿影电路存在的两个问题，本文对经典副瓣匿影电路进行了改进。在原判决电路基础上：一方面增加了辅助通道恒虚警门限，另一方面对通过主、辅通道恒虚警门限的信号做匿影处理时，采用自适应计算的方法设定匿影门限。主要分析说明如下所述。

3.1 辅助通道匿影门限设置

如第2 节所述，当存在辅助通道噪声幅度大于主通道噪声加微弱小目标信号幅度的情况，以及面对副瓣噪声和假目标组合干扰时，会出现目标检测概率损失的情况。因此在辅助通道同样设置一个恒虚警检测门限，当辅助通道信号大于该检测门限时，说明当前距离单元不仅存在噪声，还有干扰信号，此时才进行后续匿影判决，否则直接输出主通道信号。采用该措施后有助于提高雷达系统的检测灵敏度，提高这种场景下微弱小目标信号的检测概率［12～13］。

以没有外部干扰，仅存在通道噪声时为例，辅助通道检测门限设置为其中：σ2为噪声方差，Pfa为虚警概率。

3.2 自适应判决门限设置

从上一节分析可知，当真实目标距离与假目标距离重合，且匿影门限选择不合适时，会导致真实目标被匿影掉的情况，因此本文提出一种自适应判决门限设置方法。

根据副瓣匿影工作原理可知，一般辅助通道天线增益比主通道第一副瓣天线增益大1dB～3dB。在雷达正常探测时，主、辅通道接收到的信号分别可表示为

式中：XZ表示主通道接收到的信号；XF表示辅助通道接收到的信号；G0为主通道主瓣天线增益；G1为主通道副瓣天线增益；G2为辅助通道天线增益；S为真实目标回波信号；J为密集假目标干扰信号；N1和N2分别为主、辅通道噪声［14～16］。

根据上式，在主、辅通道采用相同的接收处理电路时，主、辅通道接收到的干扰信号比值为

但是在雷达探测时，一般的雷达无法准确的估计干扰源相对雷达的具体方位，因此上式中的G1是未知的，且一般雷达天线的最大副瓣增益与最小副瓣增益相差能够达到20dB 以上［17～18］，所以无法根据主、辅通道的天线增益，来确定匿影门限。

为此我们基于以下两点合理的假设，提出一种匿影门限的自适应估计方法：

1）由于目前大部分雷达均采用低副瓣天线，第一副瓣增益相对主瓣增益可做到-30dB 以下，而辅助天线增益与主天线第一副瓣增益相当，同时一般干扰机释放的假目标干扰幅度要远大于真实目标回波，因此辅助通道接收到的真实目标回波信号可以忽略，认为辅助通道仅接收到假目标干扰信号；

2）若出现密集假目标干扰与真实目标回波干扰时域上完全重合的情况，一般来说当前场景下干扰机释放的假目标个数远远大于真实目标个数。

因此基于上述两点假设，我们将匿影门限设置为

式中XF' 表示辅助通道超过检测门限的信号，mean(XF')即为辅助通道超过检测门限的信号的幅度平均值；mean(XZ')为辅助通道超过检测门限的信号对应距离单元点的主通道信号的幅度平均值。

采用这种自适应门限估计的方法无需知道干扰源的具体方向，仅需对主、辅通道对应的距离单元中通过恒虚警门限后的信号，分别求平均值，再做一次匿影判决即可，实现方法相对简单，可操作性强。

3.3 改进后的副瓣匿影电路结构

结合3.1节和3.2节分析，改进后的副瓣匿影电路结构设计如图4所示。

图4 改进后的副瓣匿影电路

如图4 所示：主、辅通道信号分别进行接收处理，然后进行恒虚警检测；对辅助通道超过恒虚警检测门限的信号，利用对应距离单元点上主、辅通道信号求平均值，计算得到匿影门限，然后进行匿影操作；而对于辅助通道未超过恒虚警检测门限的信号对应的距离单元，则直接输出主通道信号。

图4 中判定真实目标存在的逻辑表达式可表示为

式中：“·”表示逻辑与，“+”表示逻辑或；上式包括两层含义：

“双11”开启当晚，天猫2分零5秒成交额超过100亿元；一小时达到672.6亿元（接近100亿美金）；15小时49分39秒，破2017年11月11日全天交易额；22小时28分37秒，成交额突破2000亿元。2135亿元，是2018年天猫“双11”的最终成交额，相比去年增涨了26.93%。

1）当前距离单元没有外部假目标干扰时，当主通道信号超过恒虚警门限，而辅助通道信号没有超过恒虚警门限时，此时不执行匿影操作，直接输出主通道信号，这样有助于提高微弱目标的检测概率；

2）当前距离单元存在外部假目标干扰时，首先利用主、辅通道信号计算匿影门限F0，然后对主、辅通道超过恒虚警门限的信号采用F0作为匿影门限，这样有助于提高真、假目标时域重合时的目标检测概率。

采用改进后的副瓣匿影电路，判断逻辑见下表1。

表1 改进后的副瓣匿影电路判断逻辑

如表1 所示：Um、Vm和R，这3 个参数中“1”表示当前距离单元信号幅度超过恒虚警门限，“0”表示当前距离单元信号幅度未超过恒虚警门限，“*”表示取任意值；输出信号中“+”表示输出主通道信号；“-”表示主通道信号被匿影掉。表1可解释为

1）当Um=1，Vm=0 时，表示主通道信号超过门限而辅助通道信号未超过门限，直接输出主通道信号；

2）当Um=0，Vm=1 时，表示此时主通道信号未超过门限而辅助通道信号超过门限，说明当前副瓣干扰信号幅度较低，或进入主通道的天线增益很低，此时主通道信号被匿影掉；

3）当Um=1，Vm=1，Um-Vm≥F0时，表示主、辅通道信号均超过检测门限，且两者之差大于匿影门限，则输出主通道信号；

对于该判断逻辑，会在下一节仿真试验中详细说明。

4 仿真试验

针对前两节所述内容，本节通过仿真试验进行对比说明。

仿真试验一：两种副瓣匿影电路针对无干扰状态下，微弱目标的检测概率仿真。

设置参数为主通道信噪比SNR=-16∶0.5∶0dB，主、辅通道随机产生均值为0，方差为1的高斯白噪声；虚警概率设置为Pfa=10-6；循环次数设置为10000 次；同样以单脉冲脉压后的信号进行目标检测［19～20］，常规副瓣匿影电路匿影门限仍然设置为F=0dB，仿真结果如图5所示。

图5 仅存在小目标时的检测概率仿真

如图5 所示当无副瓣假目标干扰而仅存在微弱小目标时，采用改进后的副瓣匿影电路的检测概率与无副瓣匿影电路时的检测概率相当；而当信噪比约为-8dB～-2dB时，则明显高于常规副瓣匿影电路的检测概率。

仿真试验二：信噪比一定情况下，改进的副瓣匿影电路在干信比变化时的检测情况仿真

主天线主瓣增益G0=30dB ；辅助天线增益Ga=3dB；设假目标从主天线的第一副瓣进入，即副瓣增益Gf=0dB；设置真实目标批数3 批，距离分别为15.75km、27.96km、45.75km处，发射脉宽T=10us；设置假目标批数6 批，距离分别为19.96km、23.96km、27.96km、31.96 km、35.96 km、39.96 km处，产生的信号波形与目标回波一致；主通道信噪比SNR=15dB，主、辅通道噪声分布特性一致；外部天线端口输入处干信比JSR分别设置为10dB、20dB、30dB、40dB；仿真结果如图6和图7所示。

图6 干信比为30dB时的主、辅通道信号

图7 干信比分别为10dB、20dB、30dB、40dB时的匿影效果

图6 所示为JSR=30dB 时主、辅通道接收到的信号波形，其中一批真实目标与假目标干扰距离上重合，辅助通道接收到的真实目标回波很弱，在计算时可以忽略不计；图7 所示当JSR=10dB 时，主通道未检测到干扰信号，因此在假目标对应的距离单元处无输出；当干信比JSR分别为20dB、30dB、40dB 时，采用改进后的副瓣匿影电路，匿影门限随着输入干扰信号幅度的变化而自适应调整，因此可以准确地检测出目标回波信号，同时将假目标干扰信号滤除掉；而此时如果采用固定门限，当干信比变化时，则不能保证目标检测概率和假目标干扰匿影概率两个指标同时满足要求。

仿真试验三：信噪比和干信比一定情况下，假目标干扰入射角度变化时的检测情况。

仿真参数：干信比JSR=30dB；假目标干扰入射角度处主天线副瓣增益分别为-20dB、-10dB、-5dB、0dB；其它仿真参数同仿真试验二；仿真结果见图8。

图8 假目标干扰入射角度变化时的匿影效果

如图8 所示：随着假目标入射角度变化，主、辅通道接收到的假目标干扰信号幅度也随之变化，采用自适应匿影门限判决后，可以正确地检测出真实目标回波而将假目标干扰剔除掉。

5 结语

本文在详细分析典型副瓣匿影电路的基础上，针对其存在的两个问题，即微弱小目标检测概率降低问题，真、假目标距离重合时真实目标可能被匿影的问题；提出了一种改进的副瓣匿影电路结构，即增加辅助通道恒虚警门限，和采用自适应匿影门限判决两个措施，并对此进行了理论分析和仿真。仿真结果表明：采用改进后的自适应多门限判决副瓣匿影电路，可以有效提高在微弱小目标检测和面对密集假目标干扰时的检测概率。