本發(fā)明涉及相控陣?yán)走_(dá)信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種旁瓣對消方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

眾所周知，雷達(dá)既是監(jiān)視敵方行動的重要手段，同時(shí)也是易受敵方干擾打擊的主要目標(biāo)，雷達(dá)所面臨的電磁環(huán)境也越來越復(fù)雜，為了在戰(zhàn)爭中能充分的發(fā)揮雷達(dá)的作用，要求雷達(dá)具有極強(qiáng)的抗干擾能力。

自適應(yīng)旁瓣對消技術(shù)是對付有源干擾的有效方法。利用自適應(yīng)旁瓣對消系統(tǒng)能夠使雷達(dá)天線的旁瓣零點(diǎn)自適應(yīng)的對準(zhǔn)干擾的到來方向，最大程度的抑制干擾。從空域?yàn)V波的角度看，天線方向圖是一個(gè)空域?yàn)V波器，旁瓣對消器通過自適應(yīng)改變其輔助天線的權(quán)值來改變天線系統(tǒng)的空域?yàn)V波特性，使合成的天線方向圖在干擾源方向形成空間零點(diǎn)，達(dá)到抑制干擾的目的。

旁瓣對消系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是閉環(huán)和開環(huán)兩種。閉環(huán)法簡單易行，其具有自修正特性，但閉環(huán)法存在其局限性，即收斂速度的問題。自從1974年Reed等人引入直接矩陣求逆法(DMI)(B.Widrow,S.D.Stearns.Adaptive Signal Processing,Englewood Clifs.NJ Prentice-Hill,1988.)，數(shù)字開環(huán)旁瓣對消系統(tǒng)成為重要的旁瓣對消方式，它通過對信號多次取樣平均，并再次距離掃描的一定數(shù)量的采樣數(shù)值計(jì)算出加權(quán)系數(shù)，不需要預(yù)先知道參考信號，具有快速的響應(yīng)時(shí)間，不存在收斂速度的問題。隨著數(shù)字處理技術(shù)以及大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字開環(huán)旁瓣對消技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

以往旁瓣對消都是采用附加的低增益輔助天線來實(shí)現(xiàn)對主天線的對消，且輔助通道的數(shù)目直接決定了能夠?qū)ο挠性锤蓴_的數(shù)目，需額外增加輔助通道，帶來成本的增加，增加了硬件復(fù)雜度，同時(shí)需要考慮天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主輔天線副相校正，天線之間的影響，給旁瓣對消系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了難度。因此，旁瓣對消技術(shù)尚有許多工程實(shí)現(xiàn)上的問題需要解決，如現(xiàn)有的旁瓣對消技術(shù)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、處理不夠靈活、無法及時(shí)地自適應(yīng)對消各個(gè)干擾源的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于基于大型面陣，在數(shù)字波束形成的基礎(chǔ)上，提出了基于部分陣元的相控陣的一種旁瓣對消方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的旁瓣對消系統(tǒng)所存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、處理不夠靈活、無法及時(shí)地自適應(yīng)對消各個(gè)干擾源的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種旁瓣對消方法，包括以下步驟：

S1：獲取最大需要對消的有源干擾的個(gè)數(shù)及方向；

S2：根據(jù)所述個(gè)數(shù)及方向在相控陣陣面上選取需要的若干通道作為輔助通道；

S3：根據(jù)所述有源干擾的信號強(qiáng)度設(shè)置各所述輔助通道的權(quán)值；

S4：控制所述輔助通道基于開環(huán)自適應(yīng)旁瓣對消原理，完成對不同波位的和、差主通道的對消，以抑制所述有源干擾或無源干擾。

較佳地，選取的所述輔助通道為相控陣陣面上的若干個(gè)陣元，選取的不同的輔助通道在所述相控陣陣面上不在同一行或同一列。

較佳地，所述步驟S3具體包括：采用最小均方準(zhǔn)則求得各個(gè)所述輔助通道的權(quán)值。

較佳地，采用浮點(diǎn)數(shù)字信號處理方法計(jì)算各個(gè)所述輔助通道的權(quán)值。

較佳地，所述步驟S3中還包括，對包含N個(gè)通道的開環(huán)自適應(yīng)的旁瓣對消系統(tǒng)，計(jì)算對消輸出V_o：

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

其中，X表示主天線接收的信號；Y₁Y₂…Y_N表示輔助天線接收的信號；W₁W₂…W_N表示加權(quán)權(quán)值；W＝[W₁ W₂ … W_N]^T，Y＝[Y₁ Y₂ … Y_N]^T，上標(biāo)*表示共軛不轉(zhuǎn)置，T表示轉(zhuǎn)置，H表示共軛轉(zhuǎn)置，所述開環(huán)自適應(yīng)旁瓣對消原理為根據(jù)接收的信號控制加權(quán)的權(quán)值，使得所述V_o最小。

本發(fā)明還提供了一種旁瓣對消系統(tǒng)，包括：

相控陣天線，包括用于接收信標(biāo)信號的多個(gè)陣元天線，該些陣元天線中的一部分被選為輔助天線；

數(shù)字接收機(jī)，用于獲取全部所述陣元天線接收的信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；

數(shù)字波形形成板，用于選出數(shù)字形式的所述輔助天線接收的信號作為輔助通道數(shù)據(jù)，并將主通道數(shù)據(jù)及輔助通道數(shù)據(jù)發(fā)送至旁瓣對消處理板；

旁瓣對消處理板，用于設(shè)置各所述輔助天線的信號的權(quán)值，并基于開環(huán)自適應(yīng)旁瓣對消原理，完成對不同波位的和、差主通道的對消，以抑制所述有源干擾或無源干擾。

較佳地，所述旁瓣對消處理板為一具有旁瓣對消功能的DSP信號處理機(jī)，其以浮點(diǎn)數(shù)字信號處理的方式執(zhí)行對不同波位的和、差主通道的對消。

較佳地，所述輔助天線在所述相控陣天線的陣面上不在同一行或同一列。

較佳地，所示旁瓣對消處理板包括最優(yōu)權(quán)值計(jì)算單元及信號處理單元，其中，最優(yōu)權(quán)值計(jì)算單元用于計(jì)算及設(shè)置各輔助天線的信號的最優(yōu)的權(quán)值，信號處理單元用于依據(jù)計(jì)算的最優(yōu)權(quán)值進(jìn)行信號處理對消，來完成對不同波位的和、差主通道的對消。

本發(fā)明提供的旁瓣對消方法及系統(tǒng)具有如下有益效果：

1、解決了大型相控面陣的旁瓣對消的需求，直接選取相控陣內(nèi)部部分陣元作為輔助通道的旁瓣對消系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不需要增加額外的輔助天線，可以簡化硬件結(jié)構(gòu)，不增加硬件復(fù)雜度，節(jié)約雷達(dá)研制成本，輔助天線的位置和數(shù)目可以自由選取，靈活性好；

2、具體處理任務(wù)由軟件編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，處理靈活，可以自適應(yīng)的對消各個(gè)波位的方位和、差，俯仰和、差通道及各路合成主通道，該方法至少可以對消來自三個(gè)不同方向的有源干擾，對消比可以達(dá)到20dB以上。

3、系統(tǒng)采用開環(huán)自適應(yīng)旁瓣對消原理，保障了旁瓣對消可以自適應(yīng)的完成，簡化了運(yùn)算方法，即使在雷達(dá)運(yùn)行時(shí)也可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，能夠有效的對消干擾。

4、解決了大型面陣相控陣?yán)走_(dá)的旁瓣對消系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難題，能夠有效地抑制各種無源干擾和有源干擾，整個(gè)過程采用DSP信號處理，通用性強(qiáng)，響應(yīng)實(shí)時(shí)，達(dá)到了自適應(yīng)旁瓣對消的效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的旁瓣對消系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的旁瓣對消方法流程圖；

圖3為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的基于某面陣選取的輔助天線位置；

圖4為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例對消前和波束方向圖；

圖5為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例空域干擾源位置；

圖6為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例對消后和波束方向圖；

圖7為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例對消后和波束方向圖空域零點(diǎn)位置。

具體實(shí)施方式

為更好地說明本發(fā)明，茲以一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明，具體如下：

如圖1所示，本實(shí)施例提供的旁瓣對消系統(tǒng)，包括：

相控陣天線20，包括用于接收信標(biāo)信號(來自信標(biāo)10)的多個(gè)陣元天線，該些陣元天線中的一部分被選為輔助天線；

數(shù)字接收機(jī)30，用于獲取全部陣元天線接收的信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；

數(shù)字波形形成板40，用于選出數(shù)字形式的輔助天線接收的信號作為輔助通道數(shù)據(jù)，并將主通道數(shù)據(jù)及輔助通道數(shù)據(jù)發(fā)送至旁瓣對消處理板50；

旁瓣對消處理板50，用于設(shè)置各輔助天線的信號的權(quán)值，并基于開環(huán)自適應(yīng)旁瓣對消原理，完成對不同波位的和、差主通道的對消，以抑制所述有源干擾或無源干擾。

具體地，旁瓣對消處理板50為一具有旁瓣對消功能的DSP信號處理機(jī)，其以浮點(diǎn)數(shù)字信號處理的方式執(zhí)行對不同波位的和、差主通道的對消。旁瓣對消處理板50進(jìn)一步包括最優(yōu)權(quán)值計(jì)算單元51及信號處理單元52，其中，最優(yōu)權(quán)值計(jì)算單元51用于計(jì)算及設(shè)置各輔助天線的信號的最優(yōu)的權(quán)值，信號處理單元52用于依據(jù)計(jì)算的最優(yōu)權(quán)值進(jìn)行信號處理對消，來完成對不同波位的和、差主通道的對消，以抑制所述有源干擾或無源干擾。優(yōu)選的，輔助天線在所述相控陣天線的陣面上不在同一行或同一列。

旁瓣對消處理板50為一塊通用雷達(dá)信號處理板，包括高性能的ADSP TS201芯片構(gòu)成，即每組四片ADSP TS201共享地址、數(shù)據(jù)總線的多片處理器并行處理系統(tǒng)，支持浮點(diǎn)運(yùn)算。板內(nèi)使用點(diǎn)對點(diǎn)鏈路口互連，可以實(shí)現(xiàn)任意兩片ADSP TS201的互相通信；采用高速大容量FPGA可對輸入信號進(jìn)行DBF、DPC、FIR等高速實(shí)時(shí)信號處理，運(yùn)算頻率可達(dá)160MHz。

如圖2所示，本實(shí)施例還提供了一種旁瓣對消方法，包括以下步驟：

S1：獲取最大需要對消的有源干擾的個(gè)數(shù)及方向；

S2：根據(jù)所述個(gè)數(shù)及方向在相控陣陣面上選取需要的若干通道作為輔助通道；

S3：根據(jù)所述有源干擾的信號強(qiáng)度設(shè)置各所述輔助通道的權(quán)值；

S4：控制所述輔助通道基于開環(huán)自適應(yīng)旁瓣對消原理，完成對不同波位的和、差主通道的對消，以抑制所述有源干擾或無源干擾。

其中，選取的輔助通道為相控陣陣面(即相控陣天線的陣面)上的若干個(gè)陣元(即陣元天線)，選取的不同的輔助通道在相控陣陣面上不在同一行或同一列。

步驟S1中，最大需要對消的有源干擾個(gè)數(shù)可在設(shè)計(jì)雷達(dá)時(shí)確定，也可由雷達(dá)探測決定，通常是在雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)決定。

步驟S2中，首先要選取輔助天線，包括輔助天線的數(shù)目和位置，輔助天線與干擾源的數(shù)量的關(guān)系為：

設(shè)輔助天線的數(shù)量為n，干擾源數(shù)目為r。

當(dāng)n＝r時(shí)，輔助通道數(shù)目等于干擾源數(shù)目，這是因?yàn)槔胣個(gè)輔助通道在接收方向圖的旁瓣上形成了n個(gè)獨(dú)立的凹陷，可以對消從n個(gè)方向上來的干擾信號。

當(dāng)n>r時(shí)，輔助通道數(shù)目大于干擾源數(shù)目，存在對消剩余。

當(dāng)n<r時(shí)，輔助通道的數(shù)目小于干擾源的數(shù)目，對消效果很差，這是由于濾波器形成的零陷不足以對消所有干擾源的信號。

本實(shí)施例中至少要對消三個(gè)干擾，在考慮多徑效應(yīng)的因素下，采用六個(gè)輔助天線。

輔助天線的位置基于如下原則：

1、將輔助天線置于離主天線相位中心盡可能近的地方，以保證其獲得的干擾信號取樣與雷達(dá)天線副瓣接收的干擾信號相關(guān)，即數(shù)值上應(yīng)滿足主天線和輔助天線的相位中心間距與光速之比遠(yuǎn)小于雷達(dá)頻帶及干擾頻帶兩者的小者。

2、輔助天線應(yīng)置于主天線之中或其周圍，一方面以形成與主天線方向圖副瓣形狀相匹配的方向圖，另一方面縮短相位中心的距離，從而大大降低主輔通道內(nèi)干擾信號之間的非相關(guān)性。

3、輔助天線應(yīng)非規(guī)則排列，以避免產(chǎn)生柵瓣。

對于大型面陣，和、差主天線的相位中心位于面陣中心。因此，輔助天線應(yīng)盡量選取面陣中心天線，且分布在面陣中心周圍。同時(shí)，輔助天線為主天線中的部分陣元，因此天線方向圖與主天線有很好的匹配。為了避免柵瓣，輔助天線非規(guī)則排列，不同的輔助天線應(yīng)不在同一行或同一列。

根據(jù)輔助天線的選取要求，針對20行22列共440個(gè)陣元的面陣，選取的輔助通道如圖3所示，且本實(shí)例給出了該旁瓣對消系統(tǒng)的干擾對消比隨著干擾入射方向的變化曲線，并與天線方向圖進(jìn)行對比。根據(jù)干擾對消比的定義，對消剩余幾乎恒定的情況下，對消比的大小由干擾大小來決定。干擾的大小是由其入射方向決定的。這是因?yàn)?，外來干擾幅度一定，主天線的干擾大小取決于副瓣的增益。因此，對消比隨入射角的變化規(guī)律與天線方向圖相似。

附圖1提供的相控陣?yán)走_(dá)基于部分陣元的旁瓣對消系統(tǒng)，其包括N個(gè)通道，開環(huán)自適應(yīng)旁瓣對消原理為根據(jù)接收的信號控制加權(quán)的權(quán)值，使得對消輸出V_o最小。具體地，對包含N個(gè)通道的開環(huán)自適應(yīng)的旁瓣對消系統(tǒng)，計(jì)算對消輸出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表示主天線接收的信號；Y₁ Y₂ … Y_N表示輔助天線接收的信號；W₁ W₂ … W_N表示加權(quán)系數(shù)；W＝[W₁ W₂ … W_N]^T，Y＝[Y₁ Y₂ … Y_N]^T，本文中，上標(biāo)*表示共軛不轉(zhuǎn)置，T表示轉(zhuǎn)置，H表示共軛轉(zhuǎn)置。

式(1)表明對消剩余就是由主天線信號減去權(quán)值矢量和輔助天線信號的內(nèi)積，從而使得對消剩余功率最小。

步驟S3具體還包括：采用最小均方準(zhǔn)則求得各個(gè)所述輔助通道的權(quán)值。采用的最小均方(LMS)準(zhǔn)則用統(tǒng)計(jì)表示為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{·}表示統(tǒng)計(jì)期望，R_XY表示主通道和輔助通道的互相關(guān)函數(shù)矩陣，R_YY表示輔助通道的自相關(guān)函數(shù)矩陣。對于平穩(wěn)輸入，式(2)中的P是權(quán)矢量W的二次型函數(shù)，因此P～W是一個(gè)凹形超拋物體曲面，它具有唯一的極小點(diǎn)。均方誤差P的梯度可以由式(2)對權(quán)矢量的各W_j進(jìn)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，就可得到最佳權(quán)矢量W_opt，可得到旁瓣對消最優(yōu)權(quán)值W的矩陣為

R_YYW＝R_YX (4)

當(dāng)式(4)中的自相關(guān)矩陣R_YY為非奇異陣時(shí)，W可表示為

W_opt＝R^-1_YY R_YX (5)

這樣，對消剩余功率的最小值為

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

由此式求出的最優(yōu)權(quán)值，能保證干擾對消的剩余功率最小。

從空域?yàn)V波的角度來看，天線方向圖是一個(gè)空域?yàn)V波器，旁瓣對消器通過自適應(yīng)改變其輔助天線的權(quán)值來改變天線系統(tǒng)的空域?yàn)V波特性，使合成的天線方向圖在干擾源方向上形成空間零點(diǎn)，降低接收的干擾信號的強(qiáng)度，從而抑制干擾。

圖3為本實(shí)施例的相控陣天線和波束方向圖，從空域?yàn)V波的角度上進(jìn)一步分析旁瓣對消的仿真性能。

參數(shù)設(shè)置：中頻240MHz，采樣頻率為1MHz。如圖5所示，主波束方向?yàn)?0°，4°)，三個(gè)干擾的入射方向(方位，俯仰)為①(0°，25°)②(-20°，10°)③(40°，17°)，干擾是由正態(tài)分布的隨機(jī)噪聲產(chǎn)生，帶寬0.8MHz。單個(gè)陣元干噪比為40dB，信噪比為-20dB。

對消前如圖4所示，該面陣的天線方向圖呈規(guī)則均勻波瓣，對消后如圖6所示，對消后不再是規(guī)則的均勻波瓣，而是在干擾方向形成了凹口。且如圖7所示，對消后可以在三個(gè)干擾方向上形成空域零點(diǎn)。

本發(fā)明實(shí)施例中：使用了一種基于部分陣元的相控陣旁瓣對消系統(tǒng)，解決了大型面陣旁瓣對消系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化輔助通道選取，采用數(shù)字開環(huán)旁瓣對消原理，采用DSP軟件處理全部過程，運(yùn)算速度快，分解了各個(gè)對消模塊，具有移植性，通用性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于類似的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)中。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明所做的變形或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述的權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。