0 引　言

在现代海战场作战中，电子侦察设备面临的电磁信号环境密集性和信号复杂性挑战越来越严重。作为舰载电子侦察设备，复杂背景信号包括近海作战环境下，海岸、岛屿等形成的大量反射信号；编队作战中相邻舰船之间形成的大量反射信号；雷达在复杂海情下海浪引起的反射信号等；以及来自安装平台、桅杆、护栏、甲板等近距离反射引起的多径效应。而侦察测向一直是舰载电子侦察设备一个非常重要的组成部分和关键技术，能够辅助对海上辐射源信号的分选和识别，同时可进行威胁告警并指明威胁方向。

随着海战场电磁环境的日益恶化，海上目标数量逐渐增加，同时舰体体积的增大，加剧了围栏、甲板等部件的多径反射，对舰载电子侦察设备，尤其是测向系统提出了更高的要求^{[1 - 3]}。在现有的测向体制中，比幅测向具有精度高、结构简单的优点，广泛应用于多种舰载电子侦察设备中^[4]。基于方位扫描的比幅测向系统是对比幅测向的一种改进应用，它能对目标信号进行快速定位，具有较高的侦察灵敏度。

比幅测向的测向精度很大程度上依赖于测向天线的一致性和低副瓣增益^{[5 - 6]}。对于基于方位扫描的比幅测向系统，当接收到辐射信号时，方位扫描过程中测向天线副瓣会测出副瓣干扰方位。为降低测向天线副瓣对测向结果的影响，通常会利用辅助天线进行副瓣抑制处理。

由于测向天线的副瓣增益不理想以及辅助天线增益随频率变化曲线复杂等原因，目前常用的副瓣抑制处理方法不仅会降低目标的侦察概率^{[7 - 9]}，而且不能完全抑制掉测向天线副瓣带来的影响^[10]。为此，针对舰载比幅测向系统，本文提出了一种比幅测向系统自适应副瓣抑制补偿方法，不仅能提高海上目标的侦察概率，而且能有效提升副瓣抑制效果，大大降低测向天线副瓣对基于方位扫描的比幅测向系统的干扰影响，从而提升舰船电子侦察的精确度。

1 基于方位扫描的比幅测向系统介绍 1.1 系统组成

基于方位扫描的比幅测向系统由天线、微波、接收机3个部分组成。其采用M个相同且互相独立的天线均匀布设在360°方位内，每个天线接收到空间内的目标信号后传输给微波进行放大、滤波。接收机单次扫描N个波束（N<M），根据设置的扫描方位范围切换不同的中心波束，并实时发送给微波。微波根据中心波束号选取相邻N个通道的信号，然后通过视频对数放大器（DLVA）输出给接收机，接收机根据接收到的通道幅度以及中心波束号进行方位解算。其系统组成如图1所示。

1.2 比幅测向原理

可知，基于方位扫描的比幅测向系统在0～360°圆周上等间距地排列着M个相同波束的喇叭天线，各波束指向为$ {\theta _0} $、$ 2{\theta _0} $、$ 3{\theta _0} $、…$ M{\theta _0} $。式中$ {\theta _0} = 360/M $，$ M $为波束总数。比幅测向的原理是利用相邻波束接收同一个信号的相对幅度来测量目标信号的方位^[3]，其原理如图2所示。

基于方位扫描的比幅测向接收机是以测得的N个通道幅度最大值对应的波束号为信号入射波束号进行比幅测向的，根据方位扫描的中心波束号以及最大通道幅度对应的通道号可以很容易得到信号入射的波束号。设各天线增益相同，其3 dB波束宽度均为$ {\theta _B} $。假设信号入射的方位角$ \theta $处于第m个天线轴线附近，由于天线的方向图在偏离轴线$ \pm {\theta _B} $的角度范围内通常可以认为是高斯型，因此第m个天线接收到的入射方位角为$ \theta $的信号幅度$ {A_m}(\theta ) $为：

$ {A_m}(\theta ) \approx {A_0}{e^{ - k{{(\theta - m{\theta _0})}^2}}}。$

(1)

式中：$ {A_0} $为信号入射在波束中心处的幅度（此处$ {A_m}(\theta ) $、$ {A_0} $表示的信号幅度为线性值）；$ {\theta _0} = 360/M $为波束宽度（$ M $为天线总数）；$ k = {2.77}/{{\theta _B}^2} $为常量。

假定第m个波束为信号入射波束，只考虑第m个波束及其左右各一个波束，m–1号及m+1号波束接收到的信号幅度。将式(1)两边取对数，稍加整理得到：

$ {A_{m - 1}} - {A_0} = - k{\left( {\theta - \left( {m - 1} \right){\theta _0}} \right)^2}，$

(2)

$ {A_m} - {A_0} = - k{\left( {\theta - m{\theta _0}} \right)^2}，$

(3)

$ {A_{m + 1}} - {A_0} = - k{\left( {\theta - \left( {m + 1} \right){\theta _0}} \right)^2}。$

(4)

式中：$ {A_0} $为信号入射在波束中心处的幅度；$ {A_{m - 1}} $、$ {A_m} $、$ {A_{m + 1}} $分别为第m–1、第m和第m+1个波束接收到的信号幅度（此处$ {A_0} $、$ {A_m} $、$ {A_{m - 1}} $、$ {A_{m + 1}} $表示的信号幅度为dB值）。

式(3)–式(2)，可得：

$ \theta = - 0.5{\theta _0} + \frac{{{A_m} - {A_{m - 1}}}}{{2k{\theta _0}}} + m{\theta _0}。$

(5)

式(3)–式(4)，可得：

$ \theta = 0.5{\theta _0} - \frac{{{A_m} - {A_{m + 1}}}}{{2k{\theta _0}}} + m{\theta _0}。$

(6)

将式(5)和式(6)相加除以2得到：

$ \theta = \frac{{{A_{m + 1}} - {A_{m - 1}}}}{{4k{\theta _0}}} + m{\theta _0}。$

(7)

将式(5)和式(6)相减，在理想状态下左右两边的计算结果应该相同，故令两式相减的结果为0。即$ 0 = - {\theta _0} + \left( {2{A_m} - \left( {{A_{m + 1}} + {A_{m - 1}}} \right)} \right)/2k{\theta _0} $。

得到$ \dfrac{1}{{2k{\theta _0}}} = \dfrac{{{\theta _0}}}{{2{A_m} - \left( {{A_{m + 1}} + {A_{m - 1}}} \right)}} $，代入式(7)可得：

$ \theta = \frac{{{\theta _0}}}{2} \times \frac{{{A_{m + 1}} - {A_{m - 1}}}}{{2{A_m} - \left( {{A_{m + 1}} + {A_{m - 1}}} \right)}} + m{\theta _0}。$

(8)

式(8)即为三波束比幅测向的计算公式，$ {A_{m - 1}} $、$ {A_m} $、$ {A_{m + 1}} $均为比幅测向的通道幅度。其中，$ {\theta _0} $为波束宽度，$ m{\theta _0} $为信号入射中心波束的波束指向，均为已知信息。由此，比幅测向接收机可以根据测得的通道幅度计算出信号方位。

2 副瓣抑制原理

对于基于方位扫描的比幅测向系统，当接收机进行方位扫描时，扫描的波束会实时切换，在波束切换过程中必定会有天线副瓣测得的信号幅度为通道幅度最大值，从而测出副瓣方位，进而影响测向结果的准确性。副瓣抑制就是为了抑制天线副瓣对比幅测向结果带来的不利影响。

副瓣抑制系统包含测向天线阵和辅助天线阵，测向天线的幅度增益高、波束宽度窄，辅助天线的幅度增益低、波束宽度宽，其幅度增益通常比测向天线的第一副瓣增益略高1～3 dB^[11]。在实际应用中，通常会在辅助天线的幅度增益基础上加一个固定补偿值，形成一个副瓣抑制门限。理想情况下，当有信号入射时，测向天线主瓣测得信号幅度比副瓣抑制门限大，而副瓣的信号幅度比副瓣抑制门限小，以此保证参与测向的信号数据由测向天线主瓣获得。副瓣抑制原理示意图如图3所示。

实际舰载电子侦察测向应用中，由于天线的不一致性、侦察背景信号复杂等原因，很大可能在某些频段某些波束指向上，测向天线副瓣测得的信号幅度大于副瓣抑制门限，从而测出副瓣方位，进而影响舰船电子侦察的精确度。同时还可能出现测向天线主瓣测得的信号幅度小于副瓣抑制门限的情况，致使真实信号被抑制掉，降低海上目标的侦察概率。这些在实际舰船电子侦察中都是不被允许的。

以某舰船项目的基于方位扫描的比幅测向系统进行副瓣抑制工程试验，辐射一个频率为10 GHz的单载频脉冲信号，信号方位从0°～360°以10°为步进递增，比较采用副瓣抑制和不采用副瓣抑制情况下的比幅测向结果。试验结果如图4和图5所示。可以看出对比幅测向结果进行副瓣抑制处理后，副瓣方位明显减少，但不能完全抑制掉，仍能测出很多副瓣方位，副瓣抑制效果未能达到预期目标。同时可以看出，在某些方位上，采用副瓣抑制处理后测不出信号真实方位，降低了舰船电子侦察设备对海上目标的侦察概率。

3 自适应副瓣抑制补偿原理

自适应副瓣抑制补偿是一种有效提升副瓣抑制效果并能提高目标侦察概率的方法。其基本原理是通过设置副瓣抑制补偿值对辅助天线测得的信号幅度进行自适应地增加或减小。补偿前设置默认副瓣抑制补偿值为0，补偿完成后形成一张副瓣抑制补偿表，该表的大小为补偿频点数×测向天线数，接收机工作时可根据频率和信号入射波束号进行副瓣抑制补偿值的调用。副瓣抑制补偿的具体实现步骤如下：

步骤1　设备工作频段内，以固定频率间隔为一个步进（可根据不同项目设定不同值），划分不同的副瓣补偿频率点，针对每个频率点进行以下操作，每个频率点的副瓣抑制补偿步骤都一致。

步骤2　信号源辐射一个信号，转动测向天线转台，改变信号入射方位，将真实信号方位输入到接收机作为副瓣抑制补偿参考方位。

步骤3　设置接收机的方位扫描范围为0°～360°，每个信号入射方位下，对360°范围内进行方位扫描。

步骤4　比较接收机在每个信号入射方位下比幅测向测出的方位与参考方位，理想情况下扫描360°方位内应当只测得信号入射天线主瓣测出的一个真实方位，如若测出副瓣方位或者测不出真实方位，进行副瓣抑制补偿表的自适应更新。

副瓣抑制补偿的示意图如图6所示，其具体补偿流程如图7所示。

比较接收机在每个信号入射方位下扫描0°～360°方位内测出的方位与参考方位，由副瓣抑制原理可知，测向结果可能出现以下4种情况：1）测出副瓣方位；2）未测出副瓣方位；3）测出真实方位；4）未测出真实方位。

如图7所示，对于情况2和情况3，接收机无需改变相应波束号的副瓣抑制补偿值；对于情况1，此时辅助天线的信号幅度小于测向天线副瓣信号幅度，接收机需增大副瓣方位对应波束号的副瓣抑制补偿值，从而抑制掉副瓣方位；对于情况4，此时辅助天线的信号幅度大于测向天线主瓣信号幅度，接收机需减小该频点下真实方位对应波束号的副瓣抑制补偿值，从而释放出真实方位。

设真实参考方位为$ {\theta _c} $，比幅测向测出的方位为$ \theta $，允许方位误差为$ {\theta _m} $（$ {\theta _m} $根据不同项目要求设置不同的值）。若$ \left| {{\theta _c} - \theta } \right| < {\theta _m} $，认为比幅测向测出的方位为真实方位，否则为副瓣方位。

设比幅测向测出的真实方位为$ {\theta _t} $，真实方位的信号幅度为$ {A_t} $；副瓣方位为$ {\theta _f} $，副瓣方位的信号幅度为$ {A_f} $；辅助天线测得的信号幅度为$ {A_q} $。

若出现上述情况1，首先确定副瓣方位对应的波束号m为：

$ m = \left\lceil {\frac{{{\theta _f}}}{{{\theta _0}}}} \right\rceil。$

(9)

式中：$ {\theta _0} $为测向天线波束宽度。

根据式(9)，接收机对计算出的副瓣方位波束号进行副瓣抑制补偿，增加的补偿值$ {A_{fb}} $为：

$ {A_{fb}} = {A_f} - {A_q} + a。$

(10)

式中：$ a $为副瓣抑制固定补偿值，且$ 0 < a < {A_t} - {A_f} $，可根据不同项目设置不同值。

副瓣抑制补偿后的辅助天线信号幅度$ A_{q1}^{'} $为：

$ A_{q1}^{'} = {A_q} + {A_{fb}} = {A_f} + a。$

(11)

可以看出，经过补偿后的辅助天线信号幅度$ A_{q1}^{'} $大于副瓣方位的信号幅度$ {A_f} $。由副瓣抑制原理可知，该方位的副瓣信号可以被抑制掉。

若出现上述情况4，首先根据式(9)确定真实方位对应的波束号，接收机对计算出的真实方位波束号进行副瓣抑制补偿，减小的补偿值$ {A_{tb}} $为：

$ {A_{tb}} = {A_q} - {A_t} + a。$

(12)

副瓣抑制补偿后的辅助天线信号幅度$ A_{q4}^{'} $为：

$ A_{q4}^{'} = {A_q} - {A_{tb}} = {A_t} - a。$

(13)

可以看出，经过补偿后的辅助天线信号幅度$ A_{q4}^{'} $小于真实方位的信号幅度$ {A_t} $，由副瓣抑制原理可知，此时真实方位可以被测出。

可知，自适应副瓣抑制补偿方法可以根据参考方位对辅助天线信号幅度进行自适应的调整，能很好地抑制副瓣方位并释放被抑制的真实方位。

4 实验分析 4.1 仿真实验

针对第3节所述情况1和情况4共进行2组仿真试验，设置波束宽度$ {\theta _0} $=3.75°，参考方位$ {\theta _c} $=36°，参考方位幅度$ {A_{\text{c}}} $=50 dB，假设补偿前的辅助天线信号幅度为恒定值$ {A_q} $=28 dB，允许方位误差为$ {\theta _m} $=1°。其余仿真参数见表1和表2，其中$ {A_{m - 1}} $、$ {A_m} $、$ {A_{m + 1}} $为比幅测向的通道幅度，m为信号入射中心波束的波束号。

情况1的仿真结果见图8，可以看出，副瓣抑制补偿前，副瓣信号2的幅度大于辅助天线信号幅度，此时能测出真实方位和副瓣方位2。经过副瓣抑制补偿后，辅助天线信号幅度比副瓣信号2的幅度大，副瓣信号2被抑制掉，只输出真实信号方位。

情况4的仿真结果见图9，可以看出，副瓣抑制补偿前，真实方位的信号幅度小于辅助天线信号幅度，此时测不出真实方位。经过副瓣抑制补偿后，真实方位的信号幅度大于辅助天线信号幅度，能测出真实信号方位。

因此，可以看出本文提出的自适应副瓣抑制补偿方法对副瓣方位有着很好的抑制效果，且能释放出被抑制掉的真实方位。

4.2 工程实验

以某舰船项目的基于方位扫描的比幅测向系统进行自适应副瓣抑制补偿方法的工程对比实验，辐射一个频率为15 GHz的单载频脉冲信号，信号方位从0°～360°以10°为步进递增，信号参数设置见表3。

比较副瓣抑制补偿前后的比幅测向结果。实验结果见图10，可以看出，经过副瓣抑制补偿后，比幅测向接收机在测试点上只测出真实方位，未测出副瓣方位，且所有目标信号均能被测出。

可以看出，本文提出的方法在实际舰载电子侦察测向应用中的效果明显，能有效提升舰船电子侦察的精确度且能提高海上目标的侦察概率，具有很高的工程应用价值。

5 结　语

本文提出一种比幅测向系统自适应副瓣抑制补偿方法。该方法对辅助天线测得的信号幅度进行自适应补偿，本文详细阐述了其补偿过程。通过仿真和工程实验验证了该补偿方法能有效抑制比幅测向过程中测出的副瓣干扰信号，有效提升了副瓣抑制效果，大大降低了测向天线副瓣对比幅测向系统的不利影响；同时验证了该方法能有效解决副瓣抑制所带来的降低目标侦察概率的问题。本文提出的方法解决了基于方位扫描的比幅测向系统在实际舰载电子侦察应用中急需解决的难题，有效提升了舰船电子侦察的精确度和海上目标的侦察概率，具有很强的工程应用价值。