基于相控阵雷达自适应波束形成的抗干扰技术

第18卷第5期 2006年lO月 军械工程学院学报 JoumalofOrdnanceEn舀neeringCollege V01．18No．5 0ct．．2006 文章编号：1008—2956(2006)05一0008—04 基于相控阵雷达自适应波束形成的抗干扰技术 花良发1， (1．空军雷达学院预警探测装备系，湖北武汉 倪海1，齐京礼2 430019，2．军械工程学院训练部，河北石家庄050003) 摘要：基于相控阵雷达自适应多波束，研究了相控阵雷达抗干扰的新方法，该方法把自适应波束调零控制技术、 副瓣对消技术和极化选择抗干扰技术综合应用于相控阵接收多波束形成中，使相控阵雷达具有良好的抗干扰性 能。 关键词：电子抗干扰；相控阵雷达；相位加权；自适应数字波束形成；旁瓣对消 中图分类号：TN958．92 文献标识码：A ECCMBasedonAdaptiVeBeam—fb珊ingf10rPhasedArrayRadar HUALiang—fal，NIHail，QIJing—li2 (1． DepartmentofEarlyW栅ingDetectionEquipment，AFRA，Wuhan430019，China； 2．Department0fTraining，0rdnanceEn萄ne两ngCollege，Shijiazhuang050003，China) Abstract：BasedonadaptiVedigitalbeam—fomingI-orphasedaITayradar，anewmethodofECCMis presentedinthispaper，theadaptiVepattemnullingtechnique，side—lobecancellertechniqueandpo— larizationselectionanti—jammingtechniqueareusedforphaseda啪yradarinordertoobtainbetterpe卜 fomlanceofECCM． Keywords：ECCM；phaseda珊ymdar；phaseweight；adaptiVedigitalbeam—fonning；side—lobe c日nce¨er 相控阵雷达的抗干扰技术是其领域内的重要研 究内容。为了抑制各种外来的干扰对雷达的影响， 可采用各种技术和方法，包括自适应波束调零技术、 副瓣对消、极化分集以及各种自适应波束形成的算 法等，并都取得了较好的抗干扰效果⋯。目前，研 究这些技术中某个单一技术的文献比较多，而将其 综合应用于相控阵雷达，还鲜有见到。笔者从工程 应用的角度出发，将自适应波束调零、副瓣对消和极 化选择技术综合应用于相控阵接收多波束形成中， 使相控阵雷达具有良好的抗干扰性能∞j。 1多波束 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 思想 数字波束形成(DBF)技术是在天线波束形成原 理的基础上，引入先进的数字信号处理方法而建立 起来的一门新技术，它处理从天线接收回的波信号， 收稿日期：2006一06—07；修回日期：2006—09一02 作者简介：花良发(197l一)，男，硕士，讲师． 并将从天线口径上接收的射频回波信号以兆赫的速 率变换成复数的形式，然后在高速的数字波束形成 器中处理这些以数字形式 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示的接收信号，产生密 集的多个波束，可获得较高的分辨率，易实现自校准 和超低副瓣，并且在干扰源方向容易实现波束自适 应零点控制，以达到抗干扰目的。为了获得较强的 抗干扰能力，笔者采用如图1所示的平面阵列天线， 图l 平面阵列天线外形 万方数据 第5期 花良发等：基于相控阵雷达自适应波束形成的抗干扰技术 9 该天线由Ⅳ个天线单元组成，每个天线单元由M个 十字形天线振子构成，如图2所示，十字形天线振子 图2 模块的结构 分别产生水平极化和垂直极化波。该阵列天线可以 产生多个接收波束，为了论述的方便，此处假设产生 如图3所示的6个波束。阵列天线中间的8个天线 ——垂直极化 ⋯-水平极化 图3 6个接收波束 1>-叫基整．卜1堡．塑． MH恒困咂 l冲压圈咂 MH遁蛩1殛 ； ； lH恒困咂 M>_厢丽●俩 单元(阴影部分)产生波束5，主要确定干扰的进入 方向；波束6是由阵面下端2个副瓣天线单元(阴影 部分)产生，其特点是波束较宽，增益相等，略比主 天线副瓣电平要高，主要用来实现副瓣对消。波束 1—4由阵列天线阵面上其他天线单元产生，其特点 是波束较窄，增益高，副瓣低，其目的是充分利用发 射波束的能量，提高相控阵雷达的搜索和跟踪数据 率，并能提高雷达的测角分辨率、测角精度和抗干扰 能力。上述6个波束的相位变化和幅度变化由计算 机来控制，实现波束零点的自适应调整，即对干扰源 自适应置零。由于十字形天线阵子采用水平极化和 垂直极化2种方式，因此，产生的多波束也具有这2 种极化方式，图3中实线表示垂直极化方式，虚线表 示水平极化方式。由此可以看出，图3所示的接收 多波束具有多极化、副瓣对消和自适应波束零点控 制等功能，具有较强的抗干扰能力。 2多波束的实现 数字波束形成(DBF)一般包括接收阵列天线、 接收机、模数变换器(ADC)、数字波束形成器、控制 器和校正单元，如图4所示。其中，接收机的结构大 致相同，包括接收馈线、低噪声放大器、混频器、中频 放大器、L／Q两路正交双通道和滤波器等。但是，不 同之处就是相控阵雷达接收机一般由多个接收通道 组成，每个通道均由低噪声放大器、混频器、中频放 大器、L／Q两路正交双通道和滤波器等构成∞j。 中放 中放 中放 塑焦鳖型矍l 图4 数字波束形成结构框图 对于上述的平面阵列天线取M个十字形天线 振子组成一个接收子阵，构成(Ⅳ一8)个接收通道， 由馈线将天线接收的目标回波信号x送到接收机， 经过高频放大器进行放大，由混频器混频产生中频 校正 D B F 波束控 信号，再经过移相器改变信号的相位，送至相加器进 行信号合成，然后经过中频放大器以及A／D变换 器，将模拟信号变换为正交的数字信号墨=(xn， ％，⋯，x，Ⅳ)和＆=(‰t，xQ2，⋯，x洲)，并送到数 扯骓弘H二三；=一一一一一一一一一一一一一一一一 万方数据 10 军械工程学院学报 字波束形成器，由波束控制器选择权函数w，= (％，％，⋯，％)和wQ=(彬口1，％，⋯，形QⅣ)，I司 时在数字波束形成器中进行求和，产生多波束M。。 在数字波束形成器里，对接收通道送来的信号进行 求和，公式如下： s=[(m蜀一％K)2+(m‰一％x，)2r。(1) 一般采用快速傅立叶变换(FFT)或者是离散傅 立叶变换(D丌)对信号进行变换。由于离散傅立叶 变换算法提供了最大的灵活性，对形成少数的波束， 要求设备量最少，所以此处采用离散傅立叶变换，实 现的框图如图5所示。每个波束由一组单独而又相 同的设备来实现，输入信号送给每个波束形成器，波 束控制器对每个波束形成器提供一个加权矢量。加 权矢量和每个接收信号的矢量卷积送到加法器相 加，形成一个或多个接收波束"o。波束5、6的形成 方法与此类似，不在赘述。 数据 总线 波束形 成加权 加法器 l 2 3 ⋯ 5Ⅳ—m ：j：：：丰：：j：：：≯⋯～{：：：#：；：：：；==⋯⋯～卓：：：}=l车：：罕：：：： 忡荆蝌州料州 ∑ ∑ ∑ 图5 数字波束形成器的D门实现 3波束自适应零点控制 在完成波束自适应零点控制时，由波束5对干 扰源进行谱分析，判断干扰源的方向，然后在干扰源 方向增加一权函数，在约束主波束的条件下，在干扰 方向实现波束零点控制。自适应波束零点控制技术 通常用于调整阵列权函数的幅度和相位，包括最小 二乘法、采样矩阵求逆法以及Gr籼一Schmidt正交 法等。相位加权技术在接收通道中加装移相器，如 图4所示。每个移相器的相位变化受相位控制器控 制，该方法可充分地利用移相器，以便实现波束自适 应零点控制，并且有利于工程的实现。但是，利用该 方法较难控制副瓣，损耗高，缺乏独立的波束形状控 制，且结构复杂，设备量较大。因此，笔者设计的接 收多波束形成采用相位加权与幅度加权2种方法联 合使用。幅度加权采用Gram—schmidt正交法，提 高了运算的速度¨j。其基本思路见文献[3]，设天 线原加权列矢量为w，欲求的自适应零控权矢量为 w。，x。为DBF收到的干扰信号列矢量。由波束自 适应零点控制的要求，应有： X7Ⅳ％=0， (2) X：X，．，％=(1一篇)w。 (3)ANAN 假定雷达工作频率为某频段，取天线水平方向 相移阵子数为40个，阵子间隔为15mm，相移阵子 尺寸为20mm，垂直方向相移阵子数为50个，阵子 间隔为15mm，相移阵子尺寸20mm，通过仿真模 拟，得到天线阵方向图，如图6所示，天线主波束零 点在12。；改变移相器的相位，并利用式(3)得到天 线方向图，如图7所示，天线主波束零点移到一9。。 由波束零点位置变化可知，当某个方位存在干扰源 时，可以通过相位和波束控制器，根据实际需求任意 改变相控阵雷达的移相器相位以及波束加权系数， 使得天线波束在于扰源方向形成较深的“零点”，实 现空间滤波，以达到抗干扰的目的。 ∞ 乏 1斗 罾 谣 燃 螺 嗽 ∞ 乏 融 脚 谣 鲻 《 橄 ， l }{ 蛾 J』 删‘ 《 { 瑚一8000—60—50—40—30一柏一100102030405060708090 角度，(o) 图6 零点调整前天线阵方向图 一90一舳一70—60—50瑚一30—20一100lO2030柏5060708090 角度，(。) 图7 零点调整后天线阵方向图 4超低副瓣的实现 低旁瓣、超低旁瓣能够有效地抑制各种外来的 干扰。理论上来说，采用数字波束形成(DBF)技术 的天线能够获得较低旁瓣或超低旁瓣，然而由于阵 万方数据 第5期 花良发等：基于相控阵雷达自适应波束形成的抗干扰技术 列天线各通道幅相误差对波束副瓣电平的影响较 大，或者由于加工、装配等因素产生的误差，使天线 波束产生随机旁瓣，从而限制了实际旁瓣电平的降 低161。由阵列天线各通道幅相误差引起的副瓣电 平升高，采用幅相误差校正技术是DBF实现低副瓣 的关键，其方法是将采集的各通道数据，选择一路作 为标准通道，求出信号的幅度和相位，而将其它通道 信号的幅度和相位与标准通道的幅度和相位进行比 较，得到幅度比值和相位差值，用该幅度比值和相位 差值修正加权值，以补偿幅相误差，改善波束副瓣电 平‘7|。 对于其他原因产生的副瓣电平升高，或者是幅 相校正之后，天线副瓣电平不够理想，可采用副瓣对 消(SLC)技术，即在主天线中架装辅助天线，如图8 所示。也就是在图3中的天线阵面下端的2个副瓣 主天线 辅助天线 图8 副瓣对消系统 天线单元(阴影部分)，使其增益接近主天线的副瓣 电平且宽度覆盖空域，自适应地提供一个对干扰源 信号复加权的线性组合，在主波束和辅助波束形成 之后，送入多旁瓣对消系统，以便抵消主天线的副瓣 干扰。对消后的最大剩余低于25dB，在较大的范 围内对消剩余均低于40dB。”1而且采用旁瓣对消 系统之后，各个天线单元的相位和幅度误差是很小 的，采用波束自适应置零电平更为方便。因此，同时 采用sLc、幅相校正技术和波束自适应置零，能够使 雷达天线实现超低副瓣，具有良好的抗干扰能力。 5多极化的影响 雷达天线的方向图由天线的物理特性决定，同 时还与接收信号的极化方向有关，当干扰信号的极 化方向与雷达天线的设计极化方向不同时，干扰不 能进入接收机，从而达到抗干扰的目的。笔者设计 的阵列天线采用十字形天线振子，一路产生水平极 化，另外一路产生垂直极化。从抗干扰的角度来 说，极化对抗又为雷达提供了另一种抗干扰方式。 6结束语 笔者介绍的相控阵雷达抗干扰方法，是基于接 收多波束形成技术，把自适应波束调零技术、副瓣 对消和多极化选择技术应用于相控阵接收多波束形 成中，使相控阵雷达具有良好的抗干扰性能。同 时，产生的多波束既能提高相控阵雷达的搜索和跟 踪的数据率，又能提高雷达的测角分辨率、测角精 度。该相控阵雷达接收多波束形成技术已在国外某 型相控阵雷达中得到运用，并具有良好的抗干扰 性。 参考文献： [1]高铁，郭燕昌，方能航．相控阵天线波瓣置零综合的 相位加权闭环实数算法[J]．电子学报，1995，23 (6)：6—10． [2]x扣刀矗H∞．Pa3pa60TKacrp弘TypblK柏觚a06Hapy米蹦HⅡ H coⅡpoBo砌eH瑚IIeJI曲皿期paAH彻oK姐HoHHo兹 锄咀u朋脚bHero06Hapy强ceH觚(PnC皿0)[D]． )壬GfToMHp：)|勺mMHpcKlf露BoeHHM盘HHcll砷【yT Pa珏Mo明eKTpoHHKM，2004． [3]张光义．相控阵雷达系统[M]．第4版．北京：国防 工业出版社，2001．134一135． [4]杨荣熙．一个用于双基地雷达R站的数字波束形成系 统[R]．南京：机电部十四所，1992． [5]童勤勋．多波束天线的数字波束形成处理器[A]． 见：相控阵雷达技术文集第三集[c]．南京：机电部 十四所，1991．157一190． [6]张林让，保铮，张玉洪．通道响应失配对DBF天线旁 瓣的影响[J]．电子科学学刊，1995，17(3)：268 —275． [7]朱荣新，周杰．雷达数字波束形成器性能的实验验证 [J]．空军工程大学学报(自然科学版)，2000，11 (3)：83—86． [8]尹以新，何明浩．～种基于数字波束形成的副瓣对消 新技术[J]．雷达与对抗，2000，(1)：22—25． (责任编辑：韩红艳) 年墼 万方数据 基于相控阵雷达自适应波束形成的抗干扰技术 作者： 花良发， 倪海， 齐京礼， HUA Liang-fa， NI Hai， QI Jing-li 作者单位： 花良发,倪海,HUA Liang-fa,NI Hai(空军雷达学院预警探测装备系,湖北,武汉,430019)， 齐京礼,QI Jing-li(军械工程学院训练部,河北,石家庄,050003) 刊名： 军械工程学院学报 英文刊名： JOURNAL OF ORDNANCE ENGINEERING COLLEGE 年，卷(期)： 2006，18(5) 引用次数： 1次 参考文献(8条) 1.高铁.郭燕昌.方能航 相控阵天线波瓣置零综合的相位加权闭环实数算法[期刊论文]-电子学报 1995(6) 2.ХуаЛянфа Разработкаструктурыканалаобнаруженияисопровождения целейддярадиолокационнойстанциидадънегообнаружения (РЛСДО) 2004 3.张光义 相控阵雷达系统 2001 4.杨荣熙 一个用于双基地雷达R站的数字波束形成系统 1992 5.童勤勋 多波束天线的数字波束形成处理器 1991 6.张林让.保铮.张玉洪 通道响应失配对DBF天线旁瓣的影响 1995(3) 7.朱荣新.周杰 雷达数字波束形成器性能的实验验证[期刊论文]-空军工程大学学报（自然科学版） 2000(3) 8.尹以新.何明浩 一种基于数字波束形成的副瓣对消新技术 2000(1) 相似文献(1条) 1.学位论文 张勇 机载相控阵火控雷达系统电子抗干扰技术研究 2006 本文在讨论了基本的电子干扰措施的基础上，研究了各种抗干扰措施。首先给出了传统的机载雷达抗噪声干扰措施，包括频率捷变、对干扰的检测 和角跟踪以及无源测距三种基本技术：接着，讨论了传统的抗欺骗干扰措施，包括抗距离门欺骗措施和抗速度门欺骗措施，抗平台反射干扰，以及抗极 化干扰措施；然后，讨论了先进的ECCM技术，包括旁瓣杂波对消、主瓣杂波对消、增加射频带宽、宽瞬时带宽、传感器融合、攻击型ECCM等技术：最后 讨论了相控阵雷达的基本原理，相控阵雷达的抗干扰措施，包括用于旁瓣消隐的辅助天线、用于旁瓣干扰对消的辅助天线、用于主瓣干扰对消的偏置相 位中心天线以及相控阵雷达自适应抗干扰技术。 对于雷达面临阻塞干扰时的无源测距方法，以及相控阵雷达天线自适应抗干扰算法，都用 Matlab进行了仿真和验证。 最后，对未米电子抗干扰的发展作出了展望。 引证文献(1条) 1.曾祥能.张永顺.金虎兵 宽零陷形成技术在抗ARM攻击中的应用[期刊论文]-雷达科学与技术 2009(1) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgcxyxb200605003.aspx 下载时间：2009年10月21日