双基地机载雷达杂波和主瓣压制干扰抑制方法_王安安.pdf

第 卷第期 年月系统工程与电子技术 文章编号：（）网址：收稿日期：；修回日期：；网络优先出版日期：。网络优先出版地址：基金项目：国防科技卓越青年科学基金（）资助课题通讯作者引用格式：王安安，谢文冲，陈威，等双基地机载雷达杂波和主瓣压制干扰抑制方法系统工程与电子技术，（）：，（）：双基地机载雷达杂波和主瓣压制干扰抑制方法王安安，谢文冲，陈威，熊元燚，王永良（空军预警学院雷达兵器运用工程重点实验室，湖北 武汉 ；国防科技大学电子科学学院，湖南 长沙 ）摘要：当干扰从雷达波束主瓣进入时，传统的空域抗干扰方法不仅无法抑制主瓣干扰，还会引发主瓣畸变、旁瓣抬升等问题，严重影响机载雷达目标检测性能。针对该问题，提出了一种基于双基地配置的机载雷达杂波和主瓣压制干扰抑制方法。该方法首先针对主、辅雷达分别形成多个相邻空域波束；然后，对波束形成后的数据进行脉冲多普勒（，）处理，并在距离 多普勒域对主、辅雷达的干扰信号进行配对处理。在此基础上，在主、辅雷达对应的多普勒通道通过时域自适应滤波抑制干扰；最后，联合相邻波束的数据通过降维空时自适应处理（，）抑制剩余的杂波。仿真结果表明，所提方法能够有效抑制杂波和主瓣压制干扰，与传统采样矩阵求逆（，）方法和局域联合处理（，）方法相比，对信干噪比性能分别改善了约 和 。关键词：双基地机载雷达；主瓣压制干扰；杂波抑制；干扰配对中图分类号：文献标志码：，（.，；.，）：，（），（）（）（），：；系统工程与电子技术第 卷引言利用地海杂波的空时耦合性，机载雷达通过空时自适应处理（，）技术 能够在抑制强杂波的同时，实现对传统旁瓣压制干扰的有效对抗。但是，随着电磁环境的日益复杂和干扰技术的不断发展，机载雷达不仅面临强杂波，还面临大量无意干扰和敌方有意干扰的威胁 ，特别是当干扰从雷达波束主瓣进入时，干扰将严重影响机载雷达的探测性能。本文将对机载雷达如何抗自卫式压制干扰展开研究，下文中主瓣压制干扰特指自卫式压制干扰。对于单基地雷达，最大信干噪比（，）准则下的空域自适应数字波束形成（，）能够很好地抑制旁瓣干扰，但在存在主瓣干扰时会导致主瓣畸变和旁瓣抬升，造成目标信噪比损失和测角精度下降。阻塞 矩 阵 预 处 理（，）法、特征投影矩阵预处理（，）法、和差波束法 及其衍生方法能够在目标与干扰相差一定角度的情况下抑制主瓣干扰，避免主瓣畸 变，但 从 输 出 信 干 噪 比（，）的角度而言，这些方法的干扰抑制性能弱于 方法。针对单基地雷达无法很好地抑制主瓣压制干扰的问题，双、多基地雷达主要利用目标和干扰信号的回波特性不同，来抑制主瓣压制干扰，从而避免主瓣畸变等问题。当两部或多部雷达的空间设置满足一定条件时，各雷达接收到的目标回波信号弱相关，而接收到的干扰信号强相关。针对双、多基地地基雷达对抗主瓣压制干扰的问题，国内外学者提出了诸如基于时域自适应滤波的干扰对消 、基于噪声子空间投影的干扰抑制、基于幅度比特征的干扰抑制 等众多方法 。在机载雷达背景下，强杂波信号滤除问题不可避免，目前的研究主要包括双基地机载雷达杂波建模 、杂波抑制 等。但是，现有公开文献尚未涉及强杂波背景下的双基地机载雷达抗主瓣压制干扰问题。当同时存在杂波和主瓣压制干扰时，目标在快时间域、空域、多普勒域、空 时（多普勒）域等均被杂波或干扰所湮没，无法有效分离和检测。针对单部机载雷达难以同时抑制杂波和主瓣压制干扰的问题，本文提出了一种联合多波束匹配相消（，）级联空时自适应处理的双基地机载雷达杂波和主瓣压制干扰抑制方法。仿真结果表明，该方法能够有效抑制杂波和主瓣压制干扰，提高 。双基地机载雷达回波信号模型与传统双基地雷达在工作时“一发一收”不同，本文构建的双基地机载雷达模型同时具备单基和双基模式，具有“一发两收”的功能。将同时具有收、发功能的载机记为主机，将只有接收功能的载机记为辅机，分别用 和 表示。假设主、辅机的雷达天线均为正侧视放置的行列平面相控阵天线，阵元间距为，雷达工作波长为，脉冲重复频率为，一个相干处理间隔（，）内的脉冲数为。以辅雷达为原点构建直角坐标系，如图所示。红实线和蓝实线分别表示发射波束和接收波束，目标位于主、辅雷达的波束指向，灰色区域表示干扰的波束主瓣能够覆盖的空域。图双基地机载雷达几何示意图 图中，为基线长度；和分别为主、辅机的飞行速度；和分别为主、辅机飞行方向相对基线方向的方位角；和分别为主、辅机的飞行高度；和分别为主、辅雷达到杂波散射体的距离；和分别为相对主、辅雷达的方位角；和分别为相对主、辅雷达天线轴向的俯仰角。下文用下标来区分主、辅雷达，表示主雷达；表示辅雷达。目标模型在窄带远场条件下，目标回波信号可表示为，（，）（）式中：，表示目标复幅度，同时受到雷达发射功率、天线增益、目标散射特性和传播路径等因素的影响。假设目标复幅度在一个 内保持不变。（，）为目标的空时导向矢量，可表示为（，）（，）（，）（）式中：表示 积；（，）和（，）分别表示目标的时域导向矢量和空域导向矢量。且有（，），（），（）（，），（），（）式中：，和，分别表示目标的归一化多普勒频率和空间频率，且有，；，表示目标的径向速度；，（，），（，）表示雷达的波束指向，。复杂外形目标 的雷达散射截面（，）随观测角度的变化而存在明显差异，这时需要考虑目第期王安安等：双基地机载雷达杂波和主瓣压制干扰抑制方法 标复幅度与观测角度的关系。把目标定义为一个由大量、各向同性的独立散射体构成的复杂点目标，各散射体位于同一个距离分辨单元内，那么根据中心极限定理，目标在各个角度上的回波复幅度服从零均值复高斯分布。当满足 （）条件时，这两个角度上的目标回波复幅度相互独立。其中，和分别为目标相对于主雷达和辅雷达的方位角度，为目标尺寸。杂波模型假设不存在距离模糊，则第个距离单元的杂波回波信号可表示为，（，）（）式中：，表示第个距离单元划分的杂波块个数；，表示第个杂波块的回波复幅度；（，）表示第个杂波块对应的空时导向矢量。对于主雷达，第个杂波块的归一化多普勒频率可表示为，（），（）（）对于辅雷达，第个杂波块的归一化多普勒频率可表示为，（，），（，）（）干扰模型本文考虑自卫式干扰场景下的干扰信号模型，即目标携带干扰吊舱对雷达实施干扰，干扰类型为压制式噪声干扰。假设干扰的波束主瓣能够同时覆盖主、辅雷达所在空域，并且主、辅雷达处的干扰功率谱密度相等。由于干扰来向与波束指向重合，因此，干扰源施放的干扰对主、辅雷达而言均为主瓣干扰。第个距离单元的干扰回波信号可表示为，（，）（）式中：，表示干扰的复幅度，受干扰机发射功率、雷达天线增益和传播路径等因素的影响；（，）为干扰的空时导向矢量，其表达式为（，），（，）（）式中：，和（，）分别表示干扰的时域导向矢量和空域导向矢量。且有，（，）（）（，），（），（）式中：表示 积。因为压制式噪声干扰在脉冲间不相关，所以，为满足高斯分布的复随机矢量；，表示由干扰源与载机相对运动导致的多普勒频率，由于干扰信号单程传播，因此，；，表示干扰的空间频率，（，），。假设干扰源在某一时刻发出的干扰位于主雷达接收数据的第个距离单元，若干扰源到辅雷达的距离较主雷达远，则同一干扰信号位于辅雷达的第个距离单元，表示由同一干扰信号到主、辅雷达的时延差折算的距离单元差。对于同一干扰信号，有，（）那么主、辅雷达干扰的时域导向矢量之间的关系可表示为，（）（）式中：，表示主、辅雷达干扰信号的多普勒频率差。因此，主、辅雷达第个距离单元的空时采样信号可表示为，有目标，无目标（）式中：表示主、辅雷达的接收机噪声，满足相互独立的零均值复高斯分布。方法针对杂波背景下机载雷达抗主瓣压制干扰问题，本文提出了一种基于双基地配置的机载雷达杂波和主瓣压制干扰抑制方法。该方法首先在空域形成多个相邻波束，然后分别在多个相邻波束进行脉冲多普勒（，）处理，将主、辅雷达的干扰信号在距离和多普勒通道配对后，再通过时域自适应滤波抑制干扰，最后联合多个相邻波束的数据进行 ，以抑制剩余的杂波。为方便起见，将本文方法记为 。该方法处理流程图如图所示，具体步骤如下。步骤相邻波束形成和 处理假设空域波束形成时共得到 个波束，第（）个波束对应的权值为，其表达式为，（），（）式中：，表示第个波束对应的空间频率。经过 处理后的第个波束的第（）个多普勒通道的第个距离单元的输出信号可表示为，（）（，）（）式中：表示时域的锥销权矢量；表示第个多普勒通道对应的权矢量。为减小杂波对后续干扰配对的影响，通常在时域进行深加权；（）表示共轭转置。步骤距离 多普勒域干扰配对由于干扰源在主、辅雷达之间存在多普勒频率差和距离差，同一干扰信号被接收后，分别位于主、辅雷达不同的多普勒通道和不同的距离单元，所以必须先将干扰信号在距离多普勒域上配对后才能实现对消。由于距离差的存在，在同一帧数据中，主、辅雷达的干扰只有部分匹配。当距离差较大时，干扰甚至完全不匹配，这时需要利用辅雷达的两帧或多帧数据才能匹配主雷达的干扰。本文以主雷达数据中的干扰需要两帧辅雷达数据才能匹配为例，进行说明。系统工程与电子技术第 卷图 方法流程 主、辅雷达的同一帧数据经过步骤处理后，第个波束的第个多普勒通道的输出信号可表示为，（）式中：表示距离单元个数。假设相邻两帧数据的第个波束的第个多普勒通道的输出信号分别为，和，将两者沿距离向拼接后的数据为，该数据维数为。选取主雷达某一个多普勒通道的输出信号作为基准信号，将其与辅雷达所有多普勒通道的输出信号分别求互相关，可在峰值处经估计得到该多普勒通道对应的多普勒偏差?和距离偏差?，即（?，?）（，（：），）（）式中：（）表示互相关函数；，（：）表示辅雷达对应的以长度为沿距离向进行滑窗后的数据矢量。为避免杂波对估计的影响，基准信号对应的多普勒通道应尽可能远离主瓣杂波。步骤主、辅雷达干扰对消将主、辅雷达数据中的干扰配对后，利用两雷达接收到的干扰的相关性，可用经辅雷达 处理后输出信号中的干扰信号来对消主雷达中的干扰信号。对于主、辅雷达的主波束，假设配对成功后的两个分辨单元分别为（，）和（，），则其对应的干扰信号为，（）（，），（），（），（）（，），（），（）（，（），（），（）从式（）和式（）可以看出，配对后的干扰信号在距离 多普勒域上存在固定的幅度差异，而与距离 多普勒单元的位置无关。辅助波束的推导结果与主波束类似，此处不再赘述。因此，对于某一个波束，仅需一个权值即可实现对所有距离 多普勒单元干扰的抑制。为了避免主瓣强杂波的影响，本文方法将对消权值求取对应的多普勒通道选在旁瓣杂波区。则第个波束对应的干扰对消权值为 ，（）其中，?，?：?（，?，?：?），?，?：?（，）（）式中：，?，?：?表示干扰配对成功后辅雷达对应的数据矢量，其维数为。那么干扰对消后的第个波束的第个多普勒通道的输出信号可表示为，?，?：?（）式中：（）表示共轭操作。步骤降维 本方法采用局域联合的方式进行 处理，即参与自适应处理的数据位于波束 多普勒域上预设目标周围的一个矩形区域。其中，空域波束为步骤形成的 个波束，多普勒通道数为 个。经过降维 后的第个多普勒通道的第个距离单元的输出信号可表示为，（）式中：，表示降维空时自适应权矢量；，表示降维后的空时数据，其表达式为第期王安安等：双基地机载雷达杂波和主瓣压制干扰抑制方法 ，（），（），（），（），（），（），（）仿真分析本节通过仿真实验来验证所提方法的有效性。双基地雷达由主、辅两部雷达组成，两雷达系统参数一致，如表所示。主、辅机飞行高度均为，飞行方向相对基线方向的方位角分别为、，飞行速度均为，基线长度为 ，主、辅雷达的波束指向分别为（，）、（，）。目标位于主雷达的第 个距离单元，归一化多普勒频率为，信噪比为；目标位于辅雷达的第 个距离单元，归一化多普勒频率为，信噪比为。主、辅雷达的干噪比分别为 和 。在本节仿真参数下，杂波和干扰均不存在距离模糊。表雷达系统参数 物理量取值行阵元数个 列阵元数个 脉冲数个 脉冲重复频率 波长 阵元间距 发射峰值功率 脉冲宽度 接收机带宽 实验常规 处理图分别给出了主、辅雷达的主波束经过 处理后的距离 多普勒谱，其中在 处