极化切换相控阵雷达主瓣抗干扰优化方法

陈斯文,马鹏宇,吕梦琴

(1. 海军装备部驻南京地区第三军事代表室, 江苏 南京 210039)

(2. 南京电子技术研究所, 江苏 南京 210039)

(3. 中国电子科技集团公司第五十五研究所, 江苏 南京 210016)

0 引 言

现代战争电磁环境日趋复杂,雷达作为获取战场信息态势的主要传感器,承担着预警、跟踪、制导、火控等多个关键任务,急需提升在复杂工作环境中的生存和工作能力。相控阵雷达通过对每个通道进行幅度相位加权,可显著提升雷达的抗干扰能力[1]。对于来自副瓣的干扰,可以采取低副瓣电平、副瓣对消以及副瓣消隐等多种技术手段解决[2]。而对于主瓣干扰,则应对手段有限,是目前国内外学者广泛关注的问题。

极化是电磁场的基本特征之一,极化域是继空域、频域、能量域外又一重要的领域[3-5]。可以利用干扰信号和目标回波信号在不同极化分量上投影的差异,进行极化对消,达到减弱甚至消除干扰的目的。20世纪70年代,Nathanson已经开始利用极化信息设计自适应极化滤波器(APC)实现对雨杂波的抑制[6]。国内学者也在20世纪末开始关注雷达极化信息及其应用[7],并提出了不少利用极化信息抗主瓣干扰的设计方法,如交叉极化抗干扰天线阵列设计[8]以及极化抗干扰处理流程设计[7],等等。

为了获取不同极化分量上的信息,常见手段是利用双极化天线,并将后端网络、移相、采样处理通道翻倍,分别独立接收两种正交的极化信号,如垂直极化和水平极化。这种方法导致雷达的成本翻倍,也会使得雷达集成设计难度加大。另一种实现多个极化信息接收的手段则基于天线极化切换技术[9-11],前端天线可以通过开关切换接收不同的极化信号,使得收到的信号极化灵活可变,可根据环境情况自由调整,并且后端处理通道数量保持不变,成本和设计难度不增加。然而,这种方法需要将阵面分为两个部分,分别接收不同的极化信号,会损失一定的信噪比。

本文基于极化切换相控阵雷达,提出三种阵面极化区域划分方法,从理论上分析了不同阵面划分方法极化对消后的信噪比损失,并通过理论计算对比三种情况下的优点和缺点,为极化切换阵面设计及抗干扰策略提供理论参考。

1 均分极化抗主瓣干扰方法

为了推导方便,本文考虑一种基本的受主瓣干扰场景,其他场景可以类比推导转换,具体如下:

(1) 回波信号为垂直极化,在无干扰情况下收到的信号能量为S0。

(2) 噪声信号能量为n0。

(3) 干扰信号能量为I0,在垂直极化上能量分量为cos2(θ)I0,水平极化上能量分量为sin2(θ)I0。

(4) 天线阵面每个通道的极化均可水平垂直切换。

在上述场景中,最直接获取极化信息的方法是将阵面一分为二,一半阵面接收垂直极化信号,一半阵面接收水平极化信号。

对于垂直极化部分,接收到的回波、干扰、噪声能量分别为

(1)

(2)

n1V=n0

(3)

对于水平极化部分,接收到的回波、干扰、噪声能量分别为

S1H=0

(4)

(5)

n1H=n0

(6)

将上述两部分信号进行极化对消,理想的情况是干扰信号被完全消除。此时,剩余的回波信号和噪声信号为

(7)

(8)

对消后信噪比为

(9)

式中:SNR0=S0/n0,为不受干扰情况下的信噪比;sin2(θ)/2为信噪比损失。信噪比损失取决于干扰信号与回波信号的夹角θ。由于sin2(θ)/2恒小于1/2,因此这种方法的信噪比损失至少为3 dB,此时干扰信号与回波信号正交(θ=90°)。当干扰信号与回波信号的夹角为45°时,信噪比损失达到6 dB。当干扰信号为圆极化时,其在水平极化和垂直极化的分量相同,即与θ=45°的情况相同,此时,信噪比损失为6 dB。

2 最优化极化抗主瓣干扰方法

为了解决均分极化抗主瓣干扰方法中信噪比损失至少为3 dB的问题,阵面极化区域划分应当根据干扰回波极化的夹角进行自适应、最优化调整,降低极化对消后的信噪比损失。

考虑垂直极化区域占比为p(0≤p≤1),剩余1-p的区域为水平极化,则对于垂直极化部分,接收到的回波、干扰、噪声能量分别为

S2V=pS0

(10)

I2V=pcos2(θ)I0

(11)

n2V=n0

(12)

对于水平极化部分,接收到的回波、干扰、噪声能量分别为

S2H=0

(13)

I2H=(1-p)sin2(θ)I0

(14)

n2H=n0

(15)

将上述两部分信号进行极化对消,剩余的回波信号和噪声信号为

(16)

(17)

对消后信噪比为

(18)

为了使信噪比最大,将SNR2对p进行微分,即

(19)

当信噪比取得极值时,倒数为0,即

(20)

可求解出比例系数

(21)

将式(21)代入式(18),可以得到最大信噪比为

(22)

由式(22)可知,当干扰信号与雷达信号正交时(θ=90°),信噪比损失为0。这种方法的信噪比损失较少,但比例系数p的选择与夹角θ有关,需要提前测得干扰的极化方向。当干扰信号为圆极化时,其在水平极化和垂直极化的分量相同,即与θ=45°时的情况相同。

3 部分双极化主瓣抗干扰方法

为了节省成本,实现两种极化信号同时接收,也可考虑仅在部分阵面采取双极化设计。

考虑双极化占比为q(0≤q≤1),其余阵面采取垂直极化设计,则对于垂直极化通道,接收到的回波、干扰、噪声能量分别为

S3V=S0

(23)

I3V=cos2(θ)I0

(24)

n3V=n0

(25)

对于水平极化通道,接收到的回波、干扰、噪声能量分别为

S3H=0

(26)

I3H=qsin2(θ)I0

(27)

n3H=n0

(28)

将上述两部分信号进行极化对消,剩余的回波信号和噪声信号为

(29)

(30)

对消后信噪比为

(31)

显然,对消后信噪比损失随着θ、q增大而减小。

4 仿真对比

将三种抗干扰对消方法的信噪比损失进行仿真对比,结果如图1所示。

图1 信噪比损失对比图

由图1可知,最优化设计方案信噪比损失较均分设计方案小,在干扰回波极化夹角较大时信噪比损失的差异较为明显,夹角较小时区别不大;在干扰信号与回波信号正交(θ=90°)时,二者相差3 dB;对于常见的45°斜极化以及圆极化干扰场景,二者的干扰性能相当。整个阵面全双极化(q=1)对消后信噪比损失最小。部分双极化在θ较大时,优势明显,在θ较小时,反而不如最优化方案。对于常见的45°斜极化以及圆极化干扰场景,当q>1/3时,部分双极化方法较最优化方法的信噪比损失小;当q=1/3时,二者均损失6 dB;当q<1/3时,部分双极化方法则不如最优化方法。

综合评估三种方法的信噪比损失、成本以及是否需要测量θ等情况,对比结果如表1所示。

表1 三种方法对比

5 结束语

本文基于极化切换相控阵雷达的主瓣干扰问题,提出了三种不同阵面极化比例分配方法,分别是均分干扰对消方法、最优化干扰对消方法以及部分双极化干扰对消方法。本文通过理论分析及仿真对比,分析出各种阵面划分方法的优劣。均分对消方法适合干扰极化未知,极化方向与回波方向夹角在45°附近的干扰信号对消;最优化设计方法适合干扰极化已知的场景;部分双极化方法适合成本不敏感,且干扰极化方向与回波极化夹角较大的场景。在实际论证、设计雷达的过程中,可以根据实际需求、场景以及成本等因素综合考虑具体的设计方案。