近场条件下数字阵列雷达自适应波束形成技术研究_张涛.pdf

张涛，袁涛，陈峰峰，等.近场条件下数字阵列雷达自适应波束形成技术研究J.电波科学学报，2023，38（1）：152-158.DOI:10.12265/j.cjors.2021231ZHANG T,YUAN T,CHEN F F,et al.Adaptive beamforming of digital array radar in the presence of near-fieldJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：152-158.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2021231近场条件下数字阵列雷达自适应波束形成技术研究张涛1，2*袁涛1，2陈峰峰1，2张广磊1，2路成军1，2（1.中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所,无锡 214063；2.航空电子系统射频综合仿真航空科技重点实验室,无锡 214063）摘要 针对近场条件下数字阵列雷达导向矢量幅相非一致性对自适应波束形成（adaptive beamforming,ADBF）算法性能的影响，通过构建近场多通道数字阵列雷达回波信号模型，分析近场多通道信号二维频谱，发现在近场条件下带限干扰信号的频谱会出现非均匀分布，呈现周期性栅格分布特征，造成算法性能下降.本文提出一种具有全新干扰样本选择策略的近场 ADBF（near field ADBF,NF-ADBF）算法，通过寻优干扰信号频谱栅格边界，在栅格区间进行多门限样本筛选，离散提取干扰信号样本，构建完备的干扰信号协方差矩阵，提升近场条件下的自适应处理性能.通过在地面搭建仿真试验环境，模拟典型的数字阵列近场工作环境，通过录取试验数据分析并与理论仿真进行对比，验证了近场干扰样本筛选策略和 NF-ADBF 算法模型的有效性.关键词近场；自适应波束形成(ADBF)；数字阵列；干扰；样本中图分类号TN911文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0152-07DOI 10.12265/j.cjors.2021231Adaptive beamforming of digital array radar in the presence of near-fieldZHANG Tao1,2*YUAN Tao1,2CHEN Fengfeng1,2ZHANG Guanglei1,2LU Chengjun1,2（1.Leihua Electronic Technology Research Institute,AVIC,Wuxi 214063,China；2.Aviation Key Laboratory of Science andTechnology on AISSS,Wuxi 214063,China）AbstractDue to the non-uniformity of the wave-front in the presence of near-field,the performance of theadaptive beamforming algorithm has suffered degradation.On the analysis of the multi-channel radar returning signalmode and frequency spectrum in the presence of near-field,an interesting phenomenon has been found that thespectrum of the near-field return signal undergo distortion“chromatic dispersion”resulting from the frequencyvariation.Furthermore,the interference sample selection would be so insufficient that the completed sample covariancematrix does induce the inhomogeneous spectrum partition,resulting in the effectiveness of the adaptive digitalbeamforming(ADBF)algorithm.Based on the characteristic of special spectrum,a new near-field ADBF(NF-ADBF)algorithm is proposed with different sample division strategy and hierarchical threshold set in the grid region to increasethe corrosion property of adaptive processing.Through constructing ground simulation test environment to accomplishdata acquisition,the proposed NF-ADBF method and novel sample recombination tactics are proved.Keywordsnear-field；adaptive beamforming(ADBF)；digital array；interference；sample 引言近场效应在实际的工程应用中广泛存在，尤其是在声呐探测系统1-2、麦克风阵列系统3以及某型特殊雷达系统的应用场景中十分普遍4.如分布式孔径雷达通常由于阵列孔径较大，使得目标或者干扰处于阵列近场范围内；机翼的二次散射效应也会引起较强的近场干扰效应，对雷达应用时造成近场干扰5.当目标或干扰处于阵列近场范围内时，回波信 收稿日期：2021-08-24资助项目：国防基金（61404130114）；航空科学基金（20172007002）通信作者：张涛 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 号模型不能使用传统的远场理论来建模6-8，如自适应波束形成(adaptive beamforming,ADBF)等自适应阵列处理流程不能完全采用经典的处理架构9.近场电磁波波前不是理想的平面波，各阵元接收信号的幅度和相位均呈现非一致性，传统的 ADBF 基于理想空间导向矢量假设的算法架构不适应近场环境，存在导向矢量失配，引起波束形成稳健性下降10-12.同时在近场导向矢量失配也会进一步引起多通道数字阵列雷达接收信号频谱的非均匀栅格起伏，严重影响 ADBF 算法干扰样本选取的完备性，使得传统的 ADBF 算法样本选择策略无法有效满足近场干扰抑制需求，尤其在宽带模式下13-14，需要开展有针对性的稳健性提升研究15.常 规 的 雷 达 近 场 ADBF(near field ADBF,NF-ADBF)技术研究主要依赖计算机模拟仿真，缺乏基于实测录取数据的近场回波信号特征分析和算法模型的优化设计.本文利用多通道数字阵列雷达在地面暗室构建类近场工作环境，通过辐射器(喇叭天线)空馈模拟数字阵列雷达的空域干扰信号，使用记录仪录取试验数据，对近场条件下的干扰信号频谱特征进行分析，设计并验证了全新的干扰样本选择策略，提升了 NF-ADBF 算法稳健性.1 近场信号导向矢量模型rk(1 k K)31rkln(1 n N)31dn,kdn,k=lnrkdn,k为简化起见，以 M 个阵元的均匀直线阵为例(见图 1)，假定外部存在 K 个近场信号源，其中为干扰信号维位置列矢量，其幅值为；为阵元位置维位置列矢量；为第n 个阵元和第 k 个干扰信号之间的相对位置向量，其幅值为.根据经典的电磁场传播理论，近场条件下电磁波不满足远场平面波传播特征，同一个信号源在近场范围内传播到雷达阵列的幅度和相位均不一致.XZ123YONlnrkdn,kn干扰方位图 1 广义近场干扰与阵元相对位置示意图Fig.1 The generalized near-field interference and relativeelement position Sn(rk,t)第 n 个阵元接收的信号总和为Sn(rk,t)=Kk=1Akdn,kexp(j(ktkdn,k).（1）Akkkk=kuk/cuk=sin kcos k,sin ksin k,cos kTkk式中：“”为两个向量内积运算符；、和分别为第 k 个接收信号幅度、频率和波数向量；波数向量，c 为电磁波在介质中的传播速度,为三维坐标系下的单位向量，和分别为第 k 个接收信号的入射俯仰角和方位角.X(t)根据式(1)得全局阵列接收数据向量为X(t)=A(r,)S(t)+N(t).（2）S(t)N(t)A(r,)式中：为信号和干扰分量；为噪声分量；为阵列导向矢量，A(r,)=a(r1,1,1),a(rk,k,k),a(rK,K,K),（3）a(rk,k,k)=A1d1,kexp(jd1,k)，A2d2,kexp(jd2,k)，,ANdN,kexp(jdN,k)T.（4）假设以第一个阵元为参考单元，则a(rk,k,k)=1,d1,kd2,kexp(j(d2,kd1,k),d1,kdN,kexp(j(dN,kd1,k)T.（5）Od1,k=rk并假设坐标原点设置在第一个阵元处，有，则近场导向矢量可以更新为a(rk,k,k)=1，rkd2,kexp(j(d2,krk)，,d1,kdN,kexp(j(dN,krk)T.（6）=2/1,2=/ca(rk,k,k)在点频模式下，波数是一个常数，为信号工作频点波长.在带限模式下，阵列接收的信号是一个含有多种频率成分的宽带信号，不是一个常数，定义带限信号频率范围为，有，则空域导向矢量可以更新为a(rk,k,k)=1,rkd2,kexp(j(d2,krk)/c),d1,kdN,kexp(j(dN,krk)/c)T.（7）通过式(7)可以发现，近场各阵元回波信号波前的幅度和相位均不一致，因此近场波束形成需要同时实现幅度和相位双重补偿，才能获得最大输出信号增益.2 近场环境下信号频谱非均匀性分析带限信号条件模式下，阵列导向矢量在一定频带范围内呈现非线性变化，借鉴电波传播理论中的第 1 期张涛，等：近场条件下数字阵列雷达自适应波束形成技术研究153 (s,s)(n+1)1色散理论，可以理解为带限信号阵列导向矢量的一种“色散现象”，无论是传统相控阵还是数字阵列雷达，均采用延迟相加(delay-sum,DAS)获得模拟或者数字和通道最大增益输出.该架构在宽带模式下，难以在整个频带内获得均匀的输出增益.定义为期望目标方位，第 1 个阵元为参考阵元，为第n 个阵元相对于参考阵元的相位波程差，则理想条件下的远场第 k 个目标导向矢量为as(s,s)=1,exp(jk21),exp(jk(n+1)1),exp(jkN1)T.（8）k(n+1)1=s(dn+1,kdn,k)sdn,kdn+1,k式中：，为理想的期望信号远场波数向量，和分别为第 n 和 n+1 个阵元相对于第 k 个信号源的位置向量.a(rk,k,k)为近场条件下雷达阵列导向矢量：a(rk,k,k)=1，rkd2,kexp(j(d2,krk)，,d1,kdN,kexp(j(dN,krk)T.（9）WDAS=as(s,s)式中，为近场条件下的波数向量.基于 DAS 向量获得和通道增益：G(w)=WHDASa(rk,k,k)=Nn=1rkdi,kexp(j(s)(dn,krk)/c).（10）GsG近场合成条件下，由于近场导向矢量各分量幅度非一致性，使得近场导向矢量与期望的远场导向矢量之间存在失配，造成大近场条件下