对自适应调零技术的抑制零陷方法研究∗

尤 逸 盛骥松

（1.江苏科技大学电子信息工程学院 镇江 212003）

（2.中国船舶重工集团公司第七二三研究所 扬州 225001）

1 引言

相控阵列天线是由一个个小型的收发天线单元组成的一个整体的天线，每个小型的天线单元通过对信号进行加权来形成完整的天线方向图函数。阵列天线接收信号的过程实际就是一个空域滤波的过程，每个天线单元和子阵相当于一个空域滤波器。通过对干扰信号来波方向的估计，自适应的改变子阵的权值，使空间滤波器在干扰方向上具有更低的响应，在信号来波方向有良好的响应，这一过程就是所谓的自适应调零的过程。自适应调零技术是相控阵雷达发展过程中发展出的一种抗干扰技术，通过在干扰信号方向改变权值，产生零陷抑制干扰信号的进入来减少干扰信号对实际信号所带信息判断的影响［13］。

自适应调零技术的研究通常是基于实验室的理想环境下进行的研究，在实际过程中未考虑实际环境情况影响［1］。经典的自适应波束形成算法假设目标信号、干扰信号、噪声信号之间相互独立，不相干。由于数字储频技术的发展，干扰信号能够快速、高保真的复制、转发雷达信号，这对波束自适应形成在干扰方向产生零陷的过程有一定的影响。本文以线性调频信号为期望信号，对线性调频信号进行间歇性采样以及前沿复制两种干扰信号样式从用相干信号以及不相干信号两个情况出发，对自适应调零算法进行干扰研究分析［4］。

2 自适应波束形成

数字波束形成是有目的性的在某一方向上形成一定的波束以通过所需要的信号，同时降低旁瓣抑制其他方向的干扰信号进入。通过采用适当的权值对各个子阵输出进行加权，来在期望方向上进行叠加进而形成一个性能较为良好的主瓣波束并减少旁瓣响应抑制干扰信号从旁瓣进入雷达进行干扰。自适应波束形成是采用一定准则，在此准则下通过算法自适应的产生最优的权向量来适应变换的环境情况［11～12］。

自适应波束形成的关键之处在于选用不同的准则来确定自适应的权值。主要常用的准则有：线性最小方差（linearly constraint minimum variance criterion，LCMV）准则、最小均方误差（mean square error，MSE）准则、最大信噪比（signal noise ratio，SNR）准则、最大似然比（likelihood ratio，LH）准则、最小噪声方差（noise variance，NV）准则等。在一定条件下，它们是等价的［9］。

3 干扰信号样式分析

线性调频信号［2～3］是雷达中较为常见的雷达信号，其数学表达式为

图1 （a）K＞0，（b）K＜0

3.1 间歇性采样干扰信号分析

间歇性采样信号即对一个信号进行固定时间间歇采样而产生的一种新的信号形式的方法［6～8］。令线性调频信号（LFM），脉冲宽度为T，每隔Ts时间（Ts＜T）对LFM信号进行间歇性采样，采样时长为τ（τ＜Ts），最终得到N个LFM信号的窄脉冲。N=［T/Ts］，“［］”为取整符号，表示N为对T/Ts进行取整。若T/Ts为整数则N=T/Ts若T/Ts不是整数则N=T/Ts+1。图2为一个T=100μs的LFM信号在Ts=10μs、τ=2.5μs的间歇采样后得到的信号波形，其共有N=10个脉冲。

图2 LFM信号经间歇采样后的信号

3.2 前沿复制干扰信号分析

前沿复制信号是将一个信号起始部分进行复制并加以组合成为一种新的信号形式［5，10］。取一个线性调频信号，脉冲宽度为T，取整个信号的前Ts时间长度（Ts＜T）进行复制。复制N次后将N个信号组成一个新的信号，N=［T/Ts］，“［］”为取整符号，表示N为对T/Ts进行取整。若T/Ts为整数则N=T/Ts若T/Ts不是整数则N=T/Ts+1。图3为一个T=100μs的LFM信号，对信号前Ts=10μs部分进行复制N=10次并重新组成的新的信号波形。

4 两种干扰信号干扰效果仿真分析

4.1 间歇采样干扰

间歇采样干扰即使用间歇采样信号作为干扰信号，线性调频信号（LFM）作为回波信号进行自适应波束形成，波束形成算法采用了线性最小方差（LCMV）算法，在干扰信号方向产生自适应的零陷。为便于分析，我们取脉冲宽度T为采样频率Ts的整数倍，因此，N=T/Ts为整数。仿真参数设置如下：目标方向为10°，干扰方向为-30°。回波信号为线性调频（LFM）信号，脉冲宽度为100μs，带宽为20MHz，反射面积（RCS）为0.51。干扰信号为间歇采样信号，采样信号也为线性调频（LFM）信号，脉冲宽度为100μs，带宽为20MHz信号进行仿真分析，反射面积（RCS）为0.8。采样频率Ts为10μs，采样时长τ为2.5μs，信号形式如图2所示。最终仿真结果如图4所示此时干扰信号为间歇采样信号，其带宽为20MHz，此时干扰信号与回波信号为相参信号但干扰信号RCS较回波信号大。

图3 LFM信号经前沿复制后的信号

图4 干扰信号带宽为20MHz时间歇采样干扰仿真图

4.2 前沿复制干扰

前沿复制干扰即使用前沿复制信号作为干扰信号，线性调频信号（LFM）作为回波信号进行自适应波束形成，波束形成算法仍然采用线性最小方差（LCMV）算法，在干扰信号方向产生自适应的零陷。方便分析，我们取脉冲宽度T为复制时长Ts的整数倍。这样，干扰信号脉冲宽度就与原信号相同。具体仿真参数如下：目标方向为10°，干扰方向为-30°。回波信号与上述信号相同为线性调频（LFM）信号，脉冲宽度为100μs，带宽为20MHz，反射面积（RCS）为0.51。干扰信号为前沿复制信号，其所复制原信号也为线性调频（LFM）信号，其脉冲宽度为100μs，带宽为20MHz、100MHz两种信号分别进行仿真分析，反射面积（RCS）为0.8。复制时长Ts为10μs，复制次数N=10，信号形式如图3所示。最终仿真结果图如图5所示，其中，图（a）为前沿复制干扰信号带宽为100MHz时的仿真图，图（b）为前沿复制信号为20MHz时的仿真图。

图5 干扰信号带宽为20MHz时前沿复制干扰仿真图

4.3 仿真结果分析

图6为经典的最小方差（LCMV）算法自适应波束形成仿真图。其中，回波信号为线性调频（LFM）信号，干扰信号为随机噪声信号。具体参数为：目标方向为10°，干扰方向为-30°。回波信号脉冲宽度为 100μs，带宽为 20MHz，反射面积（RCS）为0.51。

图6 经典LCMV波束形成算法仿真图

综合图4、5、6进行分析，经典的LCMV波束形成算法在10°方向形成了主瓣波束，并在-30°方向形成了较深的零陷。当干扰信号为间歇采样信号时，在10°方向依然能够产生主瓣波束，但是在-30°干扰方向并未形成良好的零陷；同理，当干扰信号为前沿复制信号时，在-30°干扰方向也未能够形成零陷。我们将间歇采样干扰信号与前沿复制干扰信号所形成的波束仿真图进行对比发现，在-30°的干扰信号方向上，间歇采样干扰信号相较于前沿复制干扰信号均有更高的波束增益，因此，相比而言前沿复制信号作为干扰信号可能比间歇采样信号有更好的干扰效果。定量分析具体数据比较如表1所示。

表1 三种干扰信号类型在干扰方向上的波束增益比较

5 结语

在电子对抗中，自适应波束形成技术使得对雷达的干扰难度大大增加，且在进一步研究抗干扰能力的过程中不断发展。本文首先介绍了间歇采样和前沿复制两种干扰信号的形式，并进一步对两种干扰信号形式进行了仿真分析。由仿真图可以看出，间歇采样干扰信号与前沿复制干扰信号均对自适应波束形成有一定的干扰效果，且前沿复制干扰信号对自适应调零过程一职零陷的产生效果更为良好，对如何抑制自适应调零过程产生零陷有一定的参考价值。