CN106154234A - 一种旁瓣对消方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旁瓣对消方法，包括以下步骤：S1：获取最大需要对消的有源干扰的个数及方向；S2：根据所述个数及方向在相控阵阵面上选取需要的若干通道作为辅助通道；S3：根据有源干扰的信号强度设置各辅助通道的权值；S4：控制辅助通道基于开环自适应旁瓣对消原理，完成对不同波位的和、差主通道的对消，以抑制有源干扰或无源干扰。相应地，旁瓣对消系统包括相控阵天线、数字接收机、数字波形形成板及旁瓣对消处理板。该方法选取相控阵面阵的部分阵元作为辅助通道，不需要增加额外的辅助天线，不增加硬件复杂度，节约成本，辅助天线的设置灵活性，系统采用开环自适应旁瓣对消原理，保障了旁瓣对消可以自适应的完成，简化了运算方法。

Description

一种旁瓣对消方法及系统

技术领域

本发明涉及相控阵雷达信号处理技术领域，特别涉及一种旁瓣对消方法及系统。

背景技术

众所周知，雷达既是监视敌方行动的重要手段，同时也是易受敌方干扰打击的主要目标，雷达所面临的电磁环境也越来越复杂，为了在战争中能充分的发挥雷达的作用，要求雷达具有极强的抗干扰能力。

自适应旁瓣对消技术是对付有源干扰的有效方法。利用自适应旁瓣对消系统能够使雷达天线的旁瓣零点自适应的对准干扰的到来方向，最大程度的抑制干扰。从空域滤波的角度看，天线方向图是一个空域滤波器，旁瓣对消器通过自适应改变其辅助天线的权值来改变天线系统的空域滤波特性，使合成的天线方向图在干扰源方向形成空间零点，达到抑制干扰的目的。

旁瓣对消系统的结构主要是闭环和开环两种。闭环法简单易行，其具有自修正特性，但闭环法存在其局限性，即收敛速度的问题。自从1974年Reed等人引入直接矩阵求逆法(DMI)(B.Widrow,S.D.Stearns.Adaptive Signal Processing,Englewood Clifs.NJPrentice-Hill,1988.)，数字开环旁瓣对消系统成为重要的旁瓣对消方式，它通过对信号多次取样平均，并再次距离扫描的一定数量的采样数值计算出加权系数，不需要预先知道参考信号，具有快速的响应时间，不存在收敛速度的问题。随着数字处理技术以及大规模集成电路技术的飞速发展，数字开环旁瓣对消技术得到广泛应用。

以往旁瓣对消都是采用附加的低增益辅助天线来实现对主天线的对消，且辅助通道的数目直接决定了能够对消的有源干扰的数目，需额外增加辅助通道，带来成本的增加，增加了硬件复杂度，同时需要考虑天线结构的设计，主辅天线副相校正，天线之间的影响，给旁瓣对消系统的设计增加了难度。因此，旁瓣对消技术尚有许多工程实现上的问题需要解决，如现有的旁瓣对消技术存在着结构复杂、处理不够灵活、无法及时地自适应对消各个干扰源的问题。

发明内容

本发明的目的在于基于大型面阵，在数字波束形成的基础上，提出了基于部分阵元的相控阵的一种旁瓣对消方法及系统，以解决现有的旁瓣对消系统所存在的结构复杂、处理不够灵活、无法及时地自适应对消各个干扰源的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种旁瓣对消方法，包括以下步骤：

S1：获取最大需要对消的有源干扰的个数及方向；

S2：根据所述个数及方向在相控阵阵面上选取需要的若干通道作为辅助通道；

S3：根据所述有源干扰的信号强度设置各所述辅助通道的权值；

S4：控制所述辅助通道基于开环自适应旁瓣对消原理，完成对不同波位的和、差主通道的对消，以抑制所述有源干扰或无源干扰。

较佳地，选取的所述辅助通道为相控阵阵面上的若干个阵元，选取的不同的辅助通道在所述相控阵阵面上不在同一行或同一列。

较佳地，所述步骤S3具体包括：采用最小均方准则求得各个所述辅助通道的权值。

较佳地，采用浮点数字信号处理方法计算各个所述辅助通道的权值。

较佳地，所述步骤S3中还包括，对包含N个通道的开环自适应的旁瓣对消系统，计算对消输出V_o：

$V_o=X-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{W}_n^{*}{Y}_n=X-W^{H}Y,$

其中，X表示主天线接收的信号；Y₁Y₂…Y_N表示辅助天线接收的信号；W₁W₂…W_N表示加权权值；W＝[W₁ W₂ … W_N]^T，Y＝[Y₁ Y₂ … Y_N]^T，上标*表示共轭不转置，T表示转置，H表示共轭转置，所述开环自适应旁瓣对消原理为根据接收的信号控制加权的权值，使得所述V_o最小。

本发明还提供了一种旁瓣对消系统，包括：

相控阵天线，包括用于接收信标信号的多个阵元天线，该些阵元天线中的一部分被选为辅助天线；

数字接收机，用于获取全部所述阵元天线接收的信号并转换为数字形式；

数字波形形成板，用于选出数字形式的所述辅助天线接收的信号作为辅助通道数据，并将主通道数据及辅助通道数据发送至旁瓣对消处理板；

旁瓣对消处理板，用于设置各所述辅助天线的信号的权值，并基于开环自适应旁瓣对消原理，完成对不同波位的和、差主通道的对消，以抑制所述有源干扰或无源干扰。

较佳地，所述旁瓣对消处理板为一具有旁瓣对消功能的DSP信号处理机，其以浮点数字信号处理的方式执行对不同波位的和、差主通道的对消。

较佳地，所述辅助天线在所述相控阵天线的阵面上不在同一行或同一列。

较佳地，所示旁瓣对消处理板包括最优权值计算单元及信号处理单元，其中，最优权值计算单元用于计算及设置各辅助天线的信号的最优的权值，信号处理单元用于依据计算的最优权值进行信号处理对消，来完成对不同波位的和、差主通道的对消。

本发明提供的旁瓣对消方法及系统具有如下有益效果：

1、解决了大型相控面阵的旁瓣对消的需求，直接选取相控阵内部部分阵元作为辅助通道的旁瓣对消系统设计，不需要增加额外的辅助天线，可以简化硬件结构，不增加硬件复杂度，节约雷达研制成本，辅助天线的位置和数目可以自由选取，灵活性好；

2、具体处理任务由软件编程实现，实时性强，处理灵活，可以自适应的对消各个波位的方位和、差，俯仰和、差通道及各路合成主通道，该方法至少可以对消来自三个不同方向的有源干扰，对消比可以达到20dB以上。

3、系统采用开环自适应旁瓣对消原理，保障了旁瓣对消可以自适应的完成，简化了运算方法，即使在雷达运行时也可以在很短的时间内完成，能够有效的对消干扰。

4、解决了大型面阵相控阵雷达的旁瓣对消系统设计的难题，能够有效地抑制各种无源干扰和有源干扰，整个过程采用DSP信号处理，通用性强，响应实时，达到了自适应旁瓣对消的效果。

附图说明

图1为本发明优选实施例提供的旁瓣对消系统框图；

图2为本发明优选实施例提供的旁瓣对消方法流程图；

图3为本发明优选实施例提供的基于某面阵选取的辅助天线位置；

图4为本发明优选实施例对消前和波束方向图；

图5为本发明优选实施例空域干扰源位置；

图6为本发明优选实施例对消后和波束方向图；

图7为本发明优选实施例对消后和波束方向图空域零点位置。

具体实施方式

为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：

如图1所示，本实施例提供的旁瓣对消系统，包括：

相控阵天线20，包括用于接收信标信号(来自信标10)的多个阵元天线，该些阵元天线中的一部分被选为辅助天线；

数字接收机30，用于获取全部阵元天线接收的信号并转换为数字形式；

数字波形形成板40，用于选出数字形式的辅助天线接收的信号作为辅助通道数据，并将主通道数据及辅助通道数据发送至旁瓣对消处理板50；

旁瓣对消处理板50，用于设置各辅助天线的信号的权值，并基于开环自适应旁瓣对消原理，完成对不同波位的和、差主通道的对消，以抑制所述有源干扰或无源干扰。

具体地，旁瓣对消处理板50为一具有旁瓣对消功能的DSP信号处理机，其以浮点数字信号处理的方式执行对不同波位的和、差主通道的对消。旁瓣对消处理板50进一步包括最优权值计算单元51及信号处理单元52，其中，最优权值计算单元51用于计算及设置各辅助天线的信号的最优的权值，信号处理单元52用于依据计算的最优权值进行信号处理对消，来完成对不同波位的和、差主通道的对消，以抑制所述有源干扰或无源干扰。优选的，辅助天线在所述相控阵天线的阵面上不在同一行或同一列。

旁瓣对消处理板50为一块通用雷达信号处理板，包括高性能的ADSP TS201芯片构成，即每组四片ADSP TS201共享地址、数据总线的多片处理器并行处理系统，支持浮点运算。板内使用点对点链路口互连，可以实现任意两片ADSP TS201的互相通信；采用高速大容量FPGA可对输入信号进行DBF、DPC、FIR等高速实时信号处理，运算频率可达160MHz。

如图2所示，本实施例还提供了一种旁瓣对消方法，包括以下步骤：

S1：获取最大需要对消的有源干扰的个数及方向；

S2：根据所述个数及方向在相控阵阵面上选取需要的若干通道作为辅助通道；

S3：根据所述有源干扰的信号强度设置各所述辅助通道的权值；

S4：控制所述辅助通道基于开环自适应旁瓣对消原理，完成对不同波位的和、差主通道的对消，以抑制所述有源干扰或无源干扰。

其中，选取的辅助通道为相控阵阵面(即相控阵天线的阵面)上的若干个阵元(即阵元天线)，选取的不同的辅助通道在相控阵阵面上不在同一行或同一列。

步骤S1中，最大需要对消的有源干扰个数可在设计雷达时确定，也可由雷达探测决定，通常是在雷达设计时决定。

步骤S2中，首先要选取辅助天线，包括辅助天线的数目和位置，辅助天线与干扰源的数量的关系为：

设辅助天线的数量为n，干扰源数目为r。

当n＝r时，辅助通道数目等于干扰源数目，这是因为利用n个辅助通道在接收方向图的旁瓣上形成了n个独立的凹陷，可以对消从n个方向上来的干扰信号。

当n>r时，辅助通道数目大于干扰源数目，存在对消剩余。

当n<r时，辅助通道的数目小于干扰源的数目，对消效果很差，这是由于滤波器形成的零陷不足以对消所有干扰源的信号。

本实施例中至少要对消三个干扰，在考虑多径效应的因素下，采用六个辅助天线。

辅助天线的位置基于如下原则：

1、将辅助天线置于离主天线相位中心尽可能近的地方，以保证其获得的干扰信号取样与雷达天线副瓣接收的干扰信号相关，即数值上应满足主天线和辅助天线的相位中心间距与光速之比远小于雷达频带及干扰频带两者的小者。

2、辅助天线应置于主天线之中或其周围，一方面以形成与主天线方向图副瓣形状相匹配的方向图，另一方面缩短相位中心的距离，从而大大降低主辅通道内干扰信号之间的非相关性。

3、辅助天线应非规则排列，以避免产生栅瓣。

对于大型面阵，和、差主天线的相位中心位于面阵中心。因此，辅助天线应尽量选取面阵中心天线，且分布在面阵中心周围。同时，辅助天线为主天线中的部分阵元，因此天线方向图与主天线有很好的匹配。为了避免栅瓣，辅助天线非规则排列，不同的辅助天线应不在同一行或同一列。

根据辅助天线的选取要求，针对20行22列共440个阵元的面阵，选取的辅助通道如图3所示，且本实例给出了该旁瓣对消系统的干扰对消比随着干扰入射方向的变化曲线，并与天线方向图进行对比。根据干扰对消比的定义，对消剩余几乎恒定的情况下，对消比的大小由干扰大小来决定。干扰的大小是由其入射方向决定的。这是因为，外来干扰幅度一定，主天线的干扰大小取决于副瓣的增益。因此，对消比随入射角的变化规律与天线方向图相似。

附图1提供的相控阵雷达基于部分阵元的旁瓣对消系统，其包括N个通道，开环自适应旁瓣对消原理为根据接收的信号控制加权的权值，使得对消输出V_o最小。具体地，对包含N个通道的开环自适应的旁瓣对消系统，计算对消输出V_o如下式：

$V_o=X-\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{W}_n^{*}{Y}_n=X-W^{H}Y---\left(1\right)$

其中，X表示主天线接收的信号；Y₁ Y₂ … Y_N表示辅助天线接收的信号；W₁ W₂ …W_N表示加权系数；W＝[W₁ W₂ … W_N]^T，Y＝[Y₁ Y₂ … Y_N]^T，本文中，上标*表示共轭不转置，T表示转置，H表示共轭转置。

式(1)表明对消剩余就是由主天线信号减去权值矢量和辅助天线信号的内积，从而使得对消剩余功率最小。

步骤S3具体还包括：采用最小均方准则求得各个所述辅助通道的权值。采用的最小均方(LMS)准则用统计表示为E{|Vo|²}，即：

P＝E{|Vo|²}＝E{VoVo^*}

＝E{(X-W^HY)(X^*-W^TY^H)}

＝E{(X-W^HY)(X^*-Y^HW)}

＝E{|X|²-XY^HW-W^HYX^*+W^HYY^HW}

＝E|X|²-R^H _YXW-W^HR_YX+W^HR_YYW (2)

其中，E{·}表示统计期望，R_XY表示主通道和辅助通道的互相关函数矩阵，R_YY表示辅助通道的自相关函数矩阵。对于平稳输入，式(2)中的P是权矢量W的二次型函数，因此P～W是一个凹形超抛物体曲面，它具有唯一的极小点。均方误差P的梯度可以由式(2)对权矢量的各W_j进行微分得到，即

$\&dtri;=\frac{\&part;P}{\&part;W}=\{\frac{\&part;P}{\&part;W_1},\frac{\&part;P}{\&part;W_2},\mathrm{...}\frac{\&part;P}{\&part;W_N}\}=-2R_{YX}+2\left(R_{YY}W\right)=0---\left(3\right)$

若▽＝0，就可得到最佳权矢量W_opt，可得到旁瓣对消最优权值W的矩阵为

R_YYW＝R_YX (4)

当式(4)中的自相关矩阵R_YY为非奇异阵时，W可表示为

W_opt＝R^-1 _YY R_YX (5)

这样，对消剩余功率的最小值为

$P_{min}=X-W_{opt}^{H}Y---\left(6\right)$

由此式求出的最优权值，能保证干扰对消的剩余功率最小。

从空域滤波的角度来看，天线方向图是一个空域滤波器，旁瓣对消器通过自适应改变其辅助天线的权值来改变天线系统的空域滤波特性，使合成的天线方向图在干扰源方向上形成空间零点，降低接收的干扰信号的强度，从而抑制干扰。

图3为本实施例的相控阵天线和波束方向图，从空域滤波的角度上进一步分析旁瓣对消的仿真性能。

参数设置：中频240MHz，采样频率为1MHz。如图5所示，主波束方向为(0°，4°)，三个干扰的入射方向(方位，俯仰)为①(0°，25°)②(-20°，10°)③(40°，17°)，干扰是由正态分布的随机噪声产生，带宽0.8MHz。单个阵元干噪比为40dB，信噪比为-20dB。

对消前如图4所示，该面阵的天线方向图呈规则均匀波瓣，对消后如图6所示，对消后不再是规则的均匀波瓣，而是在干扰方向形成了凹口。且如图7所示，对消后可以在三个干扰方向上形成空域零点。

本发明实施例中：使用了一种基于部分阵元的相控阵旁瓣对消系统，解决了大型面阵旁瓣对消系统设计，优化辅助通道选取，采用数字开环旁瓣对消原理，采用DSP软件处理全部过程，运算速度快，分解了各个对消模块，具有移植性，通用性强，可广泛应用于类似的雷达信号处理系统中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种旁瓣对消方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取最大需要对消的有源干扰的个数及方向；

S2：根据所述个数及方向在相控阵阵面上选取需要的若干通道作为辅助通道；

S3：根据所述有源干扰的信号强度设置各所述辅助通道的权值；

S4：控制所述辅助通道基于开环自适应旁瓣对消原理，完成对不同波位的和、差主通道的对消，以抑制所述有源干扰或无源干扰。

2.根据权利要求1所述的旁瓣对消方法，其特征在于，选取的所述辅助通道为相控阵阵面上的若干个阵元，选取的不同的辅助通道在所述相控阵阵面上不在同一行或同一列。

3.根据权利要求1所述的旁瓣对消方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：采用最小均方准则求得各个所述辅助通道的权值。

4.根据权利要求1或3所述的旁瓣对消方法，其特征在于，所述步骤S3中还包括，对包含N个通道的开环自适应的旁瓣对消系统，计算对消输出V_o：

其中，X表示主天线接收的信号；Y₁ Y₂ … Y_N表示辅助天线接收的信号；W₁ W₂ … W_N表示加权权值；W＝[W₁ W₂ … W_N]^T，Y＝[Y₁ Y₂ … Y_N]^T，上标*表示共轭不转置，T表示转置，H表示共轭转置，所述开环自适应旁瓣对消原理为根据接收的信号控制加权的权值，使得所述V_o最小。

5.根据权利要求1或3所述的旁瓣对消方法，其特征在于，采用浮点数字信号处理方法计算各个所述辅助通道的权值。

6.一种旁瓣对消系统，其特征在于，包括：

相控阵天线，包括用于接收信标信号的多个阵元天线，该些阵元天线中的一部分被选为辅助天线；

数字接收机，用于获取全部所述阵元天线接收的信号并转换为数字形式；

数字波形形成板，用于选出数字形式的所述辅助天线接收的信号作为辅助通道数据，并将主通道数据及辅助通道数据发送至旁瓣对消处理板；

旁瓣对消处理板，用于设置各所述辅助天线的信号的权值，并基于开环自适应旁瓣对消原理，完成对不同波位的和、差主通道的对消，以抑制所述有源干扰或无源干扰。

7.根据权利要求6所述的旁瓣对消系统，其特征在于，所述旁瓣对消处理板为一具有旁瓣对消功能的DSP信号处理机，其以浮点数字信号处理的方式执行对不同波位的和、差主通道的对消。

8.根据权利要求6所述的旁瓣对消系统，其特征在于，所述辅助天线在所述相控阵天线的阵面上不在同一行或同一列。

9.根据权利要求6所述的旁瓣对消系统，其特征在于，所示旁瓣对消处理板包括最优权值计算单元及信号处理单元，其中，最优权值计算单元用于计算及设置各辅助天线的信号的最优的权值，信号处理单元用于依据计算的最优 权值进行信号处理对消，来完成对不同波位的和、差主通道的对消。