基于多方位飽和干擾的STAP對抗技術(shù)研究

胡 平,白 梅

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引言

在現(xiàn)代充斥高技術(shù)的戰(zhàn)場中，空中主動權(quán)的控制仍然是贏得局部戰(zhàn)爭勝利的重要保障，而融合各種傳感器的機(jī)載預(yù)警機(jī)作為“空中帥府”，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因而受到世界各軍事強(qiáng)國的廣泛關(guān)注。近年來，以美國“E-2D”預(yù)警機(jī)為代表的新型預(yù)警機(jī)，其機(jī)載雷達(dá)均采用有源電掃陣列技術(shù)、空時自適應(yīng)信號處理(STAP)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。STAP技術(shù)是目前雷達(dá)最先進(jìn)的信號處理技術(shù)之一，它能夠在強(qiáng)雜波和干擾環(huán)境下對低小慢入侵目標(biāo)進(jìn)行有效探測[1-3]。

STAP的出現(xiàn)給傳統(tǒng)的噪聲壓制支援干擾帶來了巨大挑戰(zhàn)，為了有效地開展軍事行動，必須研究對STAP的干擾技術(shù)。目前，國內(nèi)有很多學(xué)者開展了STAP的干擾技術(shù)研究，如唐孝國等人研究了欺騙干擾[4]的有效性研究。薛冰心等人研究了頻移假目標(biāo)干擾[5]的有效性研究，并進(jìn)行了仿真分析。張昀等人針對密集假目標(biāo)干擾[6]進(jìn)行了仿真研究。諶詩娃等人從場景入手，研究了地形彈射的欺騙干擾[7]。但上述研究存在以下問題：采用噪聲干擾所需的功率大、采用欺騙干擾需要的先驗知識多，并且這些研究均是基于單平臺開展的。隨著分布式協(xié)同干擾技術(shù)的興起，很有必要開展多方位的STAP干擾。

針對上述問題，本文提出采用多方位飽和干擾的方法，并建模和仿真研究了多方位飽和干擾下的干擾效能。

1 STAP技術(shù)的原理

STAP技術(shù)通過設(shè)計一個空時聯(lián)合的濾波器，最大可能地濾除雜波，其本質(zhì)是一維濾波技術(shù)在空時兩維空間的推廣。Brennan等人推導(dǎo)了空時自適應(yīng)處理架構(gòu)，也即“最優(yōu)處理器”[8-9]。

下面以一維線陣進(jìn)行說明，假設(shè)天線陣列數(shù)目為N、陣元之間的間距滿足d=λ/2。機(jī)載雷達(dá)在一個相干處理間隔(CPI)內(nèi)發(fā)射出M個脈沖。信號的重復(fù)間隔為T。那么對距離單元l，對其在時域上進(jìn)行m次快拍采樣，這個天線接收下來的信號為：

Xls(m)=[xl(1,m)xl(2,m) …xl(N,m)]T

(1)

因此，對這個距離單元內(nèi)的信號，在一個CPI內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)為：

Xl=[Xls(1)Xls(2) …Xls(M)]T

(2)

當(dāng)對多個距離單元的信號進(jìn)行采樣，一個CPI中可得到NML個數(shù)據(jù)，稱之為數(shù)據(jù)立方，如圖1所示。

通常將目標(biāo)所處距離單元稱為待檢測距離單元。與它相鄰的幾個距離單元為臨近距離單元，一般作為保護(hù)單元。

X可以表示為以下形式：

(3)

式中，H0為無目標(biāo)、只有雜波和噪聲的假設(shè)，H1為既有目標(biāo)、也有雜波和噪聲的假設(shè)，b為目標(biāo)回波信號的強(qiáng)度；c為雜波信號矢量，n為噪聲矢量，s為信號空時導(dǎo)向矢量。

為此，接收信號采樣數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣可以寫為：

R=E{XXH}

(4)

圖1 數(shù)據(jù)立方示意圖

圖3 不同主瓣干擾功率下STAP處理的結(jié)果

當(dāng)信號、雜波和噪聲三者兩兩相互獨立時，R可分解為：

R=Rs+Rc+Rn

(5)

式中Rs、Rc和Rn分別為信號、雜波和噪聲對應(yīng)的協(xié)方差矩陣。

對X進(jìn)行自適應(yīng)濾波，濾波后的結(jié)果為：

y=wHX

(6)

式中w為權(quán)矢量。

對于既有目標(biāo)、也有雜波和噪聲的假設(shè)H1，濾波后的結(jié)果為：

E{y}=bwHs

(7)

Var{y}=E{|y|2}-|E{y}|2=wHRw

(8)

(9)

圖2為目標(biāo)與雜波的功率譜和最優(yōu)STAP的頻響圖。其中， 陣元數(shù)目為N=16，脈沖數(shù)為K=16，目標(biāo)的方位角為-30°，歸一化頻率為0.2。由圖2可看出，當(dāng)不進(jìn)行STAP處理，信號被強(qiáng)雜波給掩蓋，通過傳統(tǒng)的一維濾波很難提取出目標(biāo)的信息，而STAP處理沿雜波分布形成凹口，并且在信號方向上輸出最強(qiáng)。

圖2 目標(biāo)與雜波的功率譜和最優(yōu)STAP的頻響圖

2 基于多方位飽和干擾的建模和仿真

圖3為采用單點源主瓣干擾，干擾功率分別為0 dB、10 dB、20 dB下的STAP處理算法對目標(biāo)的提取結(jié)果。其中仿真參數(shù)如下：雷達(dá)天線單元16個，相參處理脈沖數(shù)目16個，目標(biāo)回波功率0 dB，方位角為-30°，選取的處理距離單元為50～350，目標(biāo)位于200個距離單元內(nèi)。

由圖3可以看出，在主瓣干擾下，當(dāng)干擾功率為0 dB、10 dB和20 dB時，經(jīng)STAP處理后的信噪比分別為23 dB、14 dB和10 dB，因此，采用單點源的主瓣干擾很難達(dá)到有效干擾。

圖4為采用單點源副瓣干擾，干擾功率分別為0 dB、10 dB、20 dB下的STAP處理算法對目標(biāo)的提取結(jié)果。

由圖4可以看出，在副瓣干擾下，隨著干擾功率的增大，經(jīng)STAP處理后的信噪比的變化不明顯，均大于22 dB，因此，采用單點源的副瓣干擾也很難達(dá)到有效干擾。

圖4 不同副瓣干擾功率下STAP處理的結(jié)果

根據(jù)上面的仿真可知，采用單點源干擾很難對STAP形成有效干擾，因此本文提出采用基于多方位飽和干擾，并且多個干擾機(jī)可以采用一定的干擾策略進(jìn)行干擾，圖5為多方位飽和干擾示意圖。

圖5 多方位飽和干擾示意圖

為了研究多方位飽和干擾的干擾效果，首先對5個干擾機(jī)在波束指向角-30°±10°和-30°±20°范圍內(nèi)隨機(jī)分布的情況進(jìn)行仿真，干擾功率為0 dB、10 dB、20 dB下的STAP處理算法對目標(biāo)的提取結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

由圖6～7可以看出，隨著干擾功率的增大，STAP處理后距離副瓣逐漸增大，也即虛警概率增大。另一方面，當(dāng)干擾機(jī)分布角度擴(kuò)大時，STAP處理后的信噪比增大，也即干擾效能下降。

當(dāng)干擾機(jī)數(shù)目為10個，在波束指向角-30°±10°和-30°±20°范圍內(nèi)隨機(jī)分布時，干擾功率為0 dB、10 dB、20 dB下的STAP處理算法對目標(biāo)的提取結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖6 5個干擾機(jī)-30°±10°范圍內(nèi)隨機(jī)分布下不同干擾功率下STAP處理的結(jié)果

圖7 5個干擾機(jī)-30°±20°范圍內(nèi)隨機(jī)分布下不同干擾功率下STAP處理的結(jié)果

圖8 10個干擾機(jī)-30°±10°范圍內(nèi)隨機(jī)分布下不同干擾功率下STAP處理的結(jié)果

圖9 10個干擾機(jī)-30°±20°范圍內(nèi)隨機(jī)分布下不同干擾功率下STAP處理的結(jié)果

由圖8～9可以看出，在10個干擾機(jī)的協(xié)同干擾下，隨著干擾功率的增大，STAP處理后距離副瓣逐漸增大，并在多處出現(xiàn)多個假目標(biāo)群。當(dāng)干擾機(jī)在-30°±10°范圍內(nèi)隨機(jī)分布時，在距離單元為100、150、200、300附近出現(xiàn)多個假目標(biāo)群，假目標(biāo)的功率在干擾功率為20dB時，超過真目標(biāo)的功率。當(dāng)干擾機(jī)在-30°±20°范圍內(nèi)隨機(jī)分布時，在距離單元為100、200、300附近出現(xiàn)多個假目標(biāo)群，假目標(biāo)的功率在干擾功率為20dB時，接近真目標(biāo)的功率。因此，可以獲得對STAP處理的有效干擾。

4 結(jié)束語

本文針對目前STAP干擾存在的噪聲干擾所需功率大、欺騙干擾需要先驗知識多等問題，提出采用多站協(xié)同的STAP干擾的方法，并建模和仿真研究了多站協(xié)同干擾下的干擾效能。結(jié)果表明，隨著干擾機(jī)數(shù)目的增加，STAP處理后在距離維出現(xiàn)多個假目標(biāo)群，這些假目標(biāo)群的功率會隨著干擾功率的增大而增大，最后超過真目標(biāo)，另外，隨著干擾機(jī)在波束指向角附近角度的縮小，距離維假目標(biāo)群的數(shù)目會增加。