自适应波束形成与旁瓣干扰抑制

自适应波束形成与旁瓣干扰抑制

0自适应旁瓣在单脉冲旋回收率测定中的应用在干扰情况下，雷达通常使用自适应侧瓣对消、自适应波束形成（adbf）和空时二维处理器（stap）等技术来抑制干扰。ADBF和STAP处理扰乱了和、差波束的权,给单脉冲测角带来误差;而自适应旁瓣对消算法由于自适应权是加在辅助天线上的,对主天线的和、差波束影响较小,因此能够得到较高的测角精度。本文系统地研究了自适应旁瓣对消测角算法及其在工程中的应用。1辅助天线的输入信号自适应旁瓣对消是一种部分自适应波束形成技术,利用辅助天线对消主天线中的干扰,是一种抑制旁瓣有源干扰的主要措施。下面以一个辅助天线、一个干扰为例说明旁瓣对消在单脉冲测角中的应用。假设目标的角度为θt,一个干扰位于θj。在不考虑噪声的情况下,主天线和、差通道输入为{xΣ=b⋅GΣ(θt)+bj⋅GΣ(θj)xΔ=b⋅GΔ(θt)+bj⋅GΔ(θj)(1){xΣ=b⋅GΣ(θt)+bj⋅GΣ(θj)xΔ=b⋅GΔ(θt)+bj⋅GΔ(θj)(1)GΣ(θt)、GΣ(θj)、GΔ(θt)、GΔ(θj)分别为和、差波束在目标和干扰方向上的增益。b、bj分别为目标和干扰的复增益。辅助天线的输入信号为x1=b·G1(θt)+bj·G1(θj)(2)G1(θt)、G1(θj)分别为辅助天线在目标和干扰方向上的增益。那么R=|G1(θj)|2·|bj|2(3)rΣa=GΣ(θj)·G1(θj)·|bj|2(4)rΔa=GΔ(θj)·G1(θj)·|bj|2(5)可以计算出和、差波束辅助天线的权矢量为{wΣgsc=GΣ(θj)G1(θj)wΔgsc=GΔ(θj)G1(θj)(6)⎧⎩⎨⎪⎪wΣgsc=GΣ(θj)G1(θj)wΔgsc=GΔ(θj)G1(θj)(6)旁瓣对消后的和、差通道的输出分别为{yΣ=xΣ-wΗΣgscx1=b⋅GΣ(θt)-b⋅GΣ(θj)⋅G1(θt)G1(θj)yΔ=xΔ-wΗΔgscx1=b⋅GΔ(θt)-b⋅GΔ(θj)⋅G1(θt)G1(θj)(7)⎧⎩⎨⎪⎪yΣ=xΣ−wHΣgscx1=b⋅GΣ(θt)−b⋅GΣ(θj)⋅G1(θt)G1(θj)yΔ=xΔ−wHΔgscx1=b⋅GΔ(θt)−b⋅GΔ(θj)⋅G1(θt)G1(θj)(7)旁瓣对消后鉴角曲线为ˆΚ(θ)=yΔyΣ=GΔ(θt)-GΔ(θj)⋅G1(θt)G1(θj)GΣ(θt)-GΣ(θj)⋅G1(θt)G1(θj)(8)Kˆ(θ)=yΔyΣ=GΔ(θt)−GΔ(θj)⋅G1(θt)G1(θj)GΣ(θt)−GΣ(θj)⋅G1(θt)G1(θj)(8)2瓣指向角的确定理想鉴角曲线为Κ(θ)=GΔ(θt)GΣ(θt)(9)旁瓣对消后鉴角曲线与理想鉴角曲线的差异为ΔΚ=|ˆΚ(θ)-Κ(θ)|=|G1(θt)GΣ(θt)⋅GΣ(θj)⋅GΔ(θt)-GΣ(θt)⋅GΔ(θj)GΣ(θt)⋅G1(θj)-GΣ(θj)⋅G1(θt)|(10)下面分两种情况进行讨论:θt=θ0和θt≠θ0,θ0为主瓣指向角。1t的误差ΔΚ=G1(θt)GΣ(θt)⋅GΣ(θt)⋅GΔ(θj)GΣ(θt)⋅G1(θj)-GΣ(θj)⋅G1(θt)=G1(θt)⋅GΔ(θj)GΣ(θt)⋅G1(θj)-GΣ(θj)⋅G1(θt)<G1(θt)⋅GΔ(θj)GΣ(θt)⋅G1(θj)(11)通常辅助天线的增益与主天线副瓣的增益大体相当,因此有G1(θj)≈GΔ(θj),所以当θt=θ0时,ΔK的误差主要来自于辅助天线中的目标信号,误差的上限为辅助天线与主天线在目标信号方向的增益差。2t间距的影响ΔΚ=|G1(θt)GΣ(θt)⋅GΣ(θj)⋅GΔ(θt)-GΣ(θt)⋅GΔ(θj)GΣ(θt)⋅G1(θj)-GΣ(θj)⋅G1(θt)|=|1GΣ(θt)⋅GΣ(θj)⋅GΔ(θt)-GΣ(θt)⋅GΔ(θj)GΣ(θt)⋅G1(θj)G1(θt)-GΣ(θj)|<|1GΣ(θt)⋅GΣ(θj)⋅GΔ(θt)-GΣ(θt)⋅GΔ(θj)GΣ(θt)⋅G1(θj)G1(θt)|=|G1(θt)GΣ(θt)⋅GΣ(θj)⋅GΔ(θt)-GΣ(θt)⋅GΔ(θj)GΣ(θt)G1(θj)|(12)从式(12)可知,GΔ(θt)随着通常θt偏离θ0而逐渐增大,G1(θt)GΣ(θt)GΣ(θj)⋅GΔ(θt)-GΣ(θt)⋅GΔ(θj)GΣ(θt)G1(θj)逐渐趋尽于零,因此ΔK是个很小的值,即当θt偏离θ0时,辅助天线中的目标信号引入的误差对测角的影响很小。综上所述,当目标处于主波束中心点时,由于辅助天线中的目标信号而引入了测角误差,当目标偏离波束中心点时,旁瓣对消测角的精度与和差波束测角的精度相当。3矛盾群价值树由以上分析可见,在采用旁瓣对消抑制干扰并单脉冲测角时,如果辅助天线中没有目标信号进来,那么辅助天线的权能够完全对消掉主天线中的干扰,并且不会对测角产生任何影响。假设辅助天线有Na个阵元,位于θt方位的辅助天线的目标信号的导向矢量为v(θt)=[1,ej⋅2π⋅d⋅sinθtλ,⋯,ej2π⋅d(Νa-1)sinθtλ]Τ(13)让辅助天线接收到的回波(目标信号、干扰)通过一个阻塞矩阵,阻塞矩阵的作用为阻塞目标信号,使得通过阻塞矩阵的输出信号不再包含目标信号,显然阻塞矩阵(B)应满足条件:B·v(θt)=0。这里介绍一种最简单的阻塞矩阵的构造方法。通过观察v(θt)可以发现,相邻两阵元之间相差一个固定的相位差。因此可以采用空域两阵元相消法构成一个(Na-1)×Na维阻塞矩阵,其元素满足B(i,j)={1j=i-exp(j2πdλsinθt)j=i+1,i=1,2,⋯,Νa-10其他j(14)即B=(1-exp(j2πdλsinθt)00⋯001-exp(j2πdλsinθt)0⋯0⋮⋮⋮⋮⋮⋮00⋯01-exp(j2πdλsin(θt))(Νa-1)×Νa(15)显然B满足B·v(θt)=0(16)4干扰方向进入仿真仿真参数设置如下:30个阵元的线阵;主瓣指向法线方位;和波束加30dBTaylor权;差波束加30dBBayliss权;辅助天线取两个阵元;阵元之间存在存在5%的幅度误差和5°的相位误差;辅助天线相对于和波束增益为-20dB;信号从主瓣方向(-3dB～+3dB)进入,SNR为25dB;干扰从60°方向进入,CNR为40dB;蒙特卡罗仿真次数为150。图1和差波束、辅助天线方向图;图2为辅助天线存在和不存在目标时和差通道的对消输出;图3、图4为辅助天线存在和不存在目标时旁瓣对消测量角度值与实际目标角度值的关系图。由图2可以看出,辅助天线存在和不存在目标时,和波束的对消输出基本一致;辅助天线不存在目标时,在法线方位的差波束的对消输出较辅助天线存在目标时性能改善5dB。由图3可以看出,辅助天线中存在目标信号时,测角误差较大的角域与辅助天线的增益大于差波束增益的角域几乎一致。由图4可以看出,在主瓣中心处,辅助天线中的目标信号引入的测角误差较大,而离主瓣中心越远,辅助天线中的目标信号引入的测角误差越小。消除了辅助天线中的目标信号后测角误差明显减少,测角精度提高10%。5波束侧积比的确定本文针对自适应旁瓣对消算法,研究了其在和、差单脉冲测角中的应用,重点分析