李東海，李杰然

(中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001)

0 引言

在電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)、雷達(dá)偵察、通信偵察和陣列天線等領(lǐng)域中，信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)(DOA)是一項(xiàng)重要任務(wù)。有關(guān)信號(hào)波達(dá)方向的研究很多，主要有振幅法測(cè)向、相位干涉儀測(cè)向以及空間譜估計(jì)等方法[1]。針對(duì)高分辨波達(dá)方向估計(jì)，陣列信號(hào)的空間譜估計(jì)方法引起了廣泛的重視[2]。最大似然法[3](ML)、多重信號(hào)分類法[4](MUSIC)和旋轉(zhuǎn)不變子空間算法[5](ESPRIT)相繼提出，促進(jìn)了陣列信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)的發(fā)展。為適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下可能存在信號(hào)源相關(guān)的情況，專家們又提出了矩陣降維[6]和空間平滑[7]等方法，一定程度上解決了相關(guān)信號(hào)源的DOA估計(jì)，但存在運(yùn)算量較大、工程實(shí)現(xiàn)困難的問題[8]。艦載平臺(tái)電磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)向存在多徑現(xiàn)象，給實(shí)際信號(hào)DOA 估計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。面對(duì)多徑信號(hào)DOA估計(jì)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了大量工作。文獻(xiàn)[2]利用頻域譜峰3 dB內(nèi)的數(shù)據(jù)作快拍，提出加權(quán)子空間投影實(shí)現(xiàn)對(duì)譜峰存多信源時(shí)到達(dá)角估計(jì)的方法。文獻(xiàn)[3]針對(duì)多徑環(huán)境提出了自適應(yīng)波束形成的方法克服非期望方向信號(hào)的影響。雖然有了許多研究成果，但真正應(yīng)用到實(shí)際工程算例較少。本文針對(duì)艦載平臺(tái)環(huán)境，提出了可用于工程實(shí)際的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向方法。艦載平臺(tái)下的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)向面臨如下難點(diǎn)：① 由于艦體上裝備系統(tǒng)繁多，存在同頻段干擾信號(hào)和艦體反射信號(hào)，若不抑制則嚴(yán)重影響對(duì)信號(hào)的測(cè)向監(jiān)測(cè)；② 由于不同海況與海浪運(yùn)動(dòng)，造成時(shí)變的多徑環(huán)境，從時(shí)變多徑環(huán)境中提取直達(dá)波的來波方向?qū)O其困難；③ 由于發(fā)射功率差異以及輻射源遠(yuǎn)近效應(yīng)，造成某些頻帶上強(qiáng)弱信號(hào)并存，同一子帶的強(qiáng)信號(hào)影響弱信號(hào)測(cè)向，導(dǎo)致測(cè)向精度下降甚至失效。為克服以上測(cè)向面臨的難點(diǎn)，擬采用數(shù)字自適應(yīng)波束形成的方式，抑制非期望干擾信號(hào)，采用頻域快拍技術(shù)，結(jié)合MUSIC算法，提出了加權(quán)頻域多目標(biāo)分辨算法，該算法避免了譜峰搜索，便于工程實(shí)現(xiàn)。

1 數(shù)字波束賦形測(cè)向

復(fù)雜電磁環(huán)境下的艦載目標(biāo)信號(hào)測(cè)向面臨以下難題：艦體上裝備系統(tǒng)繁多，同頻段的干擾信號(hào)及其艦體反射，若不抑制則嚴(yán)重影響窄帶測(cè)向接收機(jī)對(duì)雷達(dá)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)。針對(duì)此問題，采用基于人工注入功率方向圖綜合的波束賦形方法[9-10]，即波束形成(Digital Beam Forming，DBF)類測(cè)向方法[11-12]。根據(jù)不同艦載平臺(tái)以及安裝位置，以及測(cè)量獲得的干擾來波方向先驗(yàn)信息，對(duì)干擾方向形成零陷，對(duì)測(cè)向范圍內(nèi)感興趣的方向形成主瓣[13-14]。該方法能夠根據(jù)干擾功率大小、分布情況設(shè)計(jì)方向圖模板，通過人工注入功率的方式優(yōu)化出各指向的波束賦形權(quán)值并存儲(chǔ)，在工作模式下調(diào)用波束賦形權(quán)值。

考慮到艦載環(huán)境的復(fù)雜性，裝備上艦后一段時(shí)間內(nèi)錄取艦載己方設(shè)備的電磁環(huán)境，結(jié)合干擾的先驗(yàn)信息庫(kù)，通過自適應(yīng)功率控制獲得抗干擾的波束賦形權(quán)[15-16]。波束賦形權(quán)的優(yōu)化通過如下自適應(yīng)功率控制的方式：

(1)

采用8元圓形陣列，做仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 方向圖對(duì)比

圖1中，+代表干擾方向；*表示期望方向。虛線代表常規(guī)波束形成的方向圖，實(shí)線代表波束賦形的方向圖。對(duì)比可見，自適應(yīng)功率控制的波束賦形方向圖，干擾零陷深且寬，相比常規(guī)波束形成的方向圖，具有更好的干擾抑制性能。

傳統(tǒng)的干涉儀測(cè)向與波束形成測(cè)向的性能差異如圖2和圖3所示。其中干涉儀測(cè)向解模糊采取3種方案：直接干涉空間解模糊；特征矢量空間解模糊；陣元去噪空間解模糊。波束形成采取3種方案：相關(guān)矩陣匹配波束形成；時(shí)域去噪匹配波束形成；特征矢量匹配波束形成。

圖2 2種測(cè)向方法測(cè)向精度隨相位誤差的變化

圖3 2種測(cè)向方法測(cè)向精度隨位置誤差的變化

從圖2和圖3可見，隨著最大相位誤差的加大，干涉儀測(cè)向誤差在相位誤差大于5°或位置誤差大于4 mm后明顯增大，而波束形成測(cè)向則對(duì)相位誤差與位置誤差具有更好的魯棒性。

由于干涉儀通常為兩單元間的比幅(利用幅度信息)或比相(利用相位信息)，DBF測(cè)向方法聯(lián)合利用多天線單元的幅度與相位信息，因此DBF測(cè)向方法性能對(duì)幅相誤差與位置誤差更魯棒。

2 多目標(biāo)分辨技術(shù)

在多徑或突發(fā)同頻帶干擾情況下，需要采用多目標(biāo)分辨測(cè)向方法[17-18]。為此采用譜峰快拍的超分辨測(cè)向方法[19-20]，具體步驟如下：對(duì)時(shí)域有效樣本采用快速傅里葉變換，獲取頻域峰值快拍，利用下式估計(jì)多目標(biāo)的波達(dá)方向(Direction of Arrival，DOA)，即

(2)

式中，θi∈Θ，Θ為搜索角度范圍。

搜索導(dǎo)向矢量的投影矩陣表示為：

(3)

投影正交補(bǔ)矩陣表示為：

(4)

式中，IL為L(zhǎng)維單位陣。

采用8元圓形陣列，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 小樣本情況下8元陣多目標(biāo)分辨

由于小樣本情況(仿真中只有12次快拍)以及通道間存在隨機(jī)幅相誤差，MUSIC的空間3個(gè)譜峰不明顯，而采用譜峰快拍測(cè)向方法，3個(gè)信源的空間譜峰突出明顯。波達(dá)方向估計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 波達(dá)方向估計(jì)結(jié)果 (°)

測(cè)向結(jié)果表明，MUSIC法的測(cè)角誤差偏大，譜峰快拍測(cè)向方法的測(cè)角誤差小于0.5°。

3 結(jié)束語

在艦載平臺(tái)環(huán)境下，采用數(shù)字波束形成測(cè)向方法可有效抑制同頻干擾和反射干擾，采用頻域取樣的譜峰快拍測(cè)向方法能夠有效地分辨多目標(biāo)，并能有效克服幅相誤差影響。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，采用8元圓形陣列，在小樣本快拍采樣條件下，測(cè)角誤差小于0.5°，優(yōu)于傳統(tǒng)MUSIC方法，便于工程實(shí)際應(yīng)用。