極化切換相控陣雷達主瓣抗干擾優化方法

陳斯文,馬鵬宇,呂夢琴

(1. 海軍裝備部駐南京地區第三軍事代表室, 江蘇 南京 210039)

(2. 南京電子技術研究所, 江蘇 南京 210039)

(3. 中國電子科技集團公司第五十五研究所, 江蘇 南京 210016)

0 引 言

現代戰爭電磁環境日趨復雜,雷達作為獲取戰場信息態勢的主要傳感器,承擔著預警、跟蹤、制導、火控等多個關鍵任務,急需提升在復雜工作環境中的生存和工作能力。相控陣雷達通過對每個通道進行幅度相位加權,可顯著提升雷達的抗干擾能力[1]。對于來自副瓣的干擾,可以采取低副瓣電平、副瓣對消以及副瓣消隱等多種技術手段解決[2]。而對于主瓣干擾,則應對手段有限,是目前國內外學者廣泛關注的問題。

極化是電磁場的基本特征之一,極化域是繼空域、頻域、能量域外又一重要的領域[3-5]?？梢岳酶蓴_信號和目標回波信號在不同極化分量上投影的差異,進行極化對消,達到減弱甚至消除干擾的目的。20世紀70年代,Nathanson已經開始利用極化信息設計自適應極化濾波器(APC)實現對雨雜波的抑制[6]。國內學者也在20世紀末開始關注雷達極化信息及其應用[7],并提出了不少利用極化信息抗主瓣干擾的設計方法,如交叉極化抗干擾天線陣列設計[8]以及極化抗干擾處理流程設計[7],等等。

為了獲取不同極化分量上的信息,常見手段是利用雙極化天線,并將后端網絡、移相、采樣處理通道翻倍,分別獨立接收兩種正交的極化信號,如垂直極化和水平極化。這種方法導致雷達的成本翻倍,也會使得雷達集成設計難度加大。另一種實現多個極化信息接收的手段則基于天線極化切換技術[9-11],前端天線可以通過開關切換接收不同的極化信號,使得收到的信號極化靈活可變,可根據環境情況自由調整,并且后端處理通道數量保持不變,成本和設計難度不增加。然而,這種方法需要將陣面分為兩個部分,分別接收不同的極化信號,會損失一定的信噪比。

本文基于極化切換相控陣雷達,提出三種陣面極化區域劃分方法,從理論上分析了不同陣面劃分方法極化對消后的信噪比損失,并通過理論計算對比三種情況下的優點和缺點,為極化切換陣面設計及抗干擾策略提供理論參考。

1 均分極化抗主瓣干擾方法

為了推導方便,本文考慮一種基本的受主瓣干擾場景,其他場景可以類比推導轉換,具體如下:

(1) 回波信號為垂直極化,在無干擾情況下收到的信號能量為S0。

(2) 噪聲信號能量為n0。

(3) 干擾信號能量為I0,在垂直極化上能量分量為cos2(θ)I0,水平極化上能量分量為sin2(θ)I0。

(4) 天線陣面每個通道的極化均可水平垂直切換。

在上述場景中,最直接獲取極化信息的方法是將陣面一分為二,一半陣面接收垂直極化信號,一半陣面接收水平極化信號。

對于垂直極化部分,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

(1)

(2)

n1V=n0

(3)

對于水平極化部分,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S1H=0

(4)

(5)

n1H=n0

(6)

將上述兩部分信號進行極化對消,理想的情況是干擾信號被完全消除。此時,剩余的回波信號和噪聲信號為

(7)

(8)

對消后信噪比為

(9)

式中:SNR0=S0/n0,為不受干擾情況下的信噪比;sin2(θ)/2為信噪比損失。信噪比損失取決于干擾信號與回波信號的夾角θ。由于sin2(θ)/2恒小于1/2,因此這種方法的信噪比損失至少為3 dB,此時干擾信號與回波信號正交(θ=90°)。當干擾信號與回波信號的夾角為45°時,信噪比損失達到6 dB。當干擾信號為圓極化時,其在水平極化和垂直極化的分量相同,即與θ=45°的情況相同,此時,信噪比損失為6 dB。

2 最優化極化抗主瓣干擾方法

為了解決均分極化抗主瓣干擾方法中信噪比損失至少為3 dB的問題,陣面極化區域劃分應當根據干擾回波極化的夾角進行自適應、最優化調整,降低極化對消后的信噪比損失。

考慮垂直極化區域占比為p(0≤p≤1),剩余1-p的區域為水平極化,則對于垂直極化部分,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S2V=pS0

(10)

I2V=pcos2(θ)I0

(11)

n2V=n0

(12)

對于水平極化部分,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S2H=0

(13)

I2H=(1-p)sin2(θ)I0

(14)

n2H=n0

(15)

將上述兩部分信號進行極化對消,剩余的回波信號和噪聲信號為

(16)

(17)

對消后信噪比為

(18)

為了使信噪比最大,將SNR2對p進行微分,即

(19)

當信噪比取得極值時,倒數為0,即

(20)

可求解出比例系數

(21)

將式(21)代入式(18),可以得到最大信噪比為

(22)

由式(22)可知,當干擾信號與雷達信號正交時(θ=90°),信噪比損失為0。這種方法的信噪比損失較少,但比例系數p的選擇與夾角θ有關,需要提前測得干擾的極化方向。當干擾信號為圓極化時,其在水平極化和垂直極化的分量相同,即與θ=45°時的情況相同。

3 部分雙極化主瓣抗干擾方法

為了節省成本,實現兩種極化信號同時接收,也可考慮僅在部分陣面采取雙極化設計。

考慮雙極化占比為q(0≤q≤1),其余陣面采取垂直極化設計,則對于垂直極化通道,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S3V=S0

(23)

I3V=cos2(θ)I0

(24)

n3V=n0

(25)

對于水平極化通道,接收到的回波、干擾、噪聲能量分別為

S3H=0

(26)

I3H=qsin2(θ)I0

(27)

n3H=n0

(28)

將上述兩部分信號進行極化對消,剩余的回波信號和噪聲信號為

(29)

(30)

對消后信噪比為

(31)

顯然,對消后信噪比損失隨著θ、q增大而減小。

4 仿真對比

將三種抗干擾對消方法的信噪比損失進行仿真對比,結果如圖1所示。

圖1 信噪比損失對比圖

由圖1可知,最優化設計方案信噪比損失較均分設計方案小,在干擾回波極化夾角較大時信噪比損失的差異較為明顯,夾角較小時區別不大;在干擾信號與回波信號正交(θ=90°)時,二者相差3 dB;對于常見的45°斜極化以及圓極化干擾場景,二者的干擾性能相當。整個陣面全雙極化(q=1)對消后信噪比損失最小。部分雙極化在θ較大時,優勢明顯,在θ較小時,反而不如最優化方案。對于常見的45°斜極化以及圓極化干擾場景,當q>1/3時,部分雙極化方法較最優化方法的信噪比損失小;當q=1/3時,二者均損失6 dB;當q<1/3時,部分雙極化方法則不如最優化方法。

綜合評估三種方法的信噪比損失、成本以及是否需要測量θ等情況,對比結果如表1所示。

表1 三種方法對比

5 結束語

本文基于極化切換相控陣雷達的主瓣干擾問題,提出了三種不同陣面極化比例分配方法,分別是均分干擾對消方法、最優化干擾對消方法以及部分雙極化干擾對消方法。本文通過理論分析及仿真對比,分析出各種陣面劃分方法的優劣。均分對消方法適合干擾極化未知,極化方向與回波方向夾角在45°附近的干擾信號對消;最優化設計方法適合干擾極化已知的場景;部分雙極化方法適合成本不敏感,且干擾極化方向與回波極化夾角較大的場景。在實際論證、設計雷達的過程中,可以根據實際需求、場景以及成本等因素綜合考慮具體的設計方案。