HPRF PD 末制導(dǎo)雷達(dá)解距離模糊方法設(shè)計

王 瑩,蘇宏艷,朱淮城,袁 起

(1.中國航天科工集團二院 二十五所, 北京100854;2.中國航天科工集團第二研究院,北京100854)

1 引 言

距離模糊問題是高重頻脈沖多普勒(HPRF PD)末制導(dǎo)雷達(dá)的固有問題,當(dāng)目標(biāo)的回波延遲時間大于發(fā)射脈沖的重復(fù)周期時,會產(chǎn)生距離模糊。目前,解決距離模糊的方法主要采用多脈沖重復(fù)頻率測距法。該方法測距精度高,在雜波附近的目標(biāo)檢測能力強[1]。距離遮擋問題是HPRF PD 末制導(dǎo)雷達(dá)的另一固有問題,PD 體制末制導(dǎo)雷達(dá)通過“時分”的方法發(fā)射和接收信號[2]。在發(fā)射機發(fā)射脈沖期間接收機必須關(guān)機。如果目標(biāo)回波到達(dá)末制導(dǎo)雷達(dá)的時候正趕上發(fā)射機發(fā)射脈沖,末制導(dǎo)雷達(dá)不能接收到目標(biāo)回波信號而處于“遮擋區(qū)”。隨彈目距離接近,距離遮擋周期性變化?？梢愿窘鉀Q“距離遮擋”問題的方法是多重PRF 切換法。切換PRF 的最可靠依據(jù)是在彈目交會過程中測得準(zhǔn)確的彈目距離R[3]。

通過對PD 體制下“距離模糊”及“距離遮擋”問題進行分析,可以看出兩者是相互制約的。要從根本上解決遮擋問題,必須提前測得彈目距離R,而在HPRF PD 體制下,測得彈目距離需要利用多重PRF法解距離模糊,在解模糊時發(fā)射的多重PRF 信號極有可能由于處于“遮擋區(qū)”而無法檢測到目標(biāo)回波,造成解距離模糊失敗。眾多學(xué)者對于解距離模糊和抗距離遮擋問題分別進行了大量的研究[4-6],但對同時解決兩種問題的方法卻研究較少。針對以上情況,如何解決HPRF PD 末制導(dǎo)雷達(dá)在距離遮擋環(huán)境下的解距離模糊問題有待研究。本文對于發(fā)射機發(fā)射的多重PRF 信號進行設(shè)計,從而保證發(fā)射信號的遮擋區(qū)相互交替,確保了在末制導(dǎo)雷達(dá)作用距離范圍內(nèi)除彈目相遇段以外的任意距離段均可接收到至少N(N ≥3)個重頻的回波信號,即可用接收到的回波信號解模糊,再利用測得的彈目距離完成抗遮擋重頻切換并進行目標(biāo)跟蹤。

2 無距離遮擋影響的多PRF 法解距離模糊的參數(shù)設(shè)計

現(xiàn)階段利用多PRF 法解模糊發(fā)射信號的參數(shù)設(shè)計關(guān)系可表示為

式中, PRTi表示各發(fā)射信號的脈沖重復(fù)周期;mi表示各脈沖重復(fù)周期間的比值;T0表示各脈沖重復(fù)周期的最大公約數(shù),稱為基準(zhǔn)重頻脈沖重復(fù)周期[7]。

對于末制導(dǎo)雷達(dá)解模糊發(fā)射信號脈沖重復(fù)頻率的選取要求總結(jié)如下:

(1)發(fā)射信號脈沖重復(fù)頻率的選取決定了該脈沖重復(fù)頻率發(fā)射信號測距、測速的不模糊范圍、遮擋區(qū)的分布,應(yīng)當(dāng)根據(jù)末制導(dǎo)雷達(dá)的具體要求綜合考慮確定;

(2)發(fā)射信號脈沖重復(fù)頻率的選取還應(yīng)當(dāng)滿足:在脈沖寬度τ確定時,經(jīng)過相參積累、非相參積累后,該發(fā)射信號的最大作用距離R 應(yīng)當(dāng)大于末制導(dǎo)距離Rmax;

(3)在利用多個脈沖重復(fù)周期的發(fā)射信號解模糊時,還要求接收到的任意N 個脈沖重復(fù)周期回波信號的最大解模糊范圍大于末制導(dǎo)距離Rmax。

以上參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則是在不考慮距離遮擋現(xiàn)象的影響前提下提出的多重PRF 解模糊時的發(fā)射信號設(shè)計準(zhǔn)則,當(dāng)存在距離遮擋時,以上參數(shù)設(shè)計原則需要重新修正。

3 遮擋環(huán)境下多重PRF 法解距離模糊的參數(shù)設(shè)計

本文對于距離遮擋環(huán)境下多重PRF 法解模糊時的發(fā)射信號進行設(shè)計,設(shè)計準(zhǔn)則如下。

3.1 遮擋環(huán)境下多重PRF 法解模糊發(fā)射信號基準(zhǔn)重頻T0 的設(shè)計

在遮擋環(huán)境下解模糊時,應(yīng)當(dāng)避免目標(biāo)在解模糊發(fā)射的所有脈沖串上均被遮擋的情況[4]。假設(shè)發(fā)射兩個脈沖串解模糊,脈沖串的重復(fù)周期分別為:PRT1=m1T0, PRT2=m2T0,其中m1、m 2 互素。顯然,目標(biāo)時延的不模糊范圍是0 ～m1m2T0。假設(shè)目標(biāo)時延為t(0 ≤t

式中,x1、x2 表示兩個PRF 信號歸一化后的模糊距離。

圖1 回波脈沖不可見的情況Fig.1 Situation that return signal can′t be received

則目標(biāo)在每個脈沖串上均不可見的情況可以表示為

此時有兩種可能:

(1)若τ

此時:

即當(dāng)模糊度k1、k 2 滿足時,才會出現(xiàn)目標(biāo)在所有回波脈沖均不可見的情況。當(dāng)解模糊脈沖數(shù)大于2 時,目標(biāo)完全被遮擋的可能性更小;

(2)若τ>T0,則mτ>1,此時會導(dǎo)致[ x1] 、[ x2]可以取多值,目標(biāo)遮擋區(qū)擴散。此情況對于目標(biāo)抗遮擋、解模糊性能會產(chǎn)生較大的影響。

本文通過計算機仿真對以上分析進行了驗證。選擇兩組三重脈沖重復(fù)周期的發(fā)射信號,兩組信號脈沖重復(fù)周期比值相同,均為:PRT1∶PRT2∶PRT3=4T0∶5T0∶7T0,令發(fā)射信號脈沖寬度τ=0.5 μs。在第一組信號中取T0=0.4 μs,T0<τ。在第二組信號中取T0=0.5 μs, T0=τ。在末制導(dǎo)距離不斷減小的過程中,則兩組發(fā)射信號的遮擋區(qū)分布圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 基準(zhǔn)重頻T 0<τ時的遮擋區(qū)分布Fig.2 Distribution of eclipse area when reference PRT T0<τ

圖3 基準(zhǔn)重頻T 0=τ時的遮擋區(qū)分布Fig.3 Distribution of eclipse area when reference PRT T0=τ

通過仿真分析可以看出,當(dāng)基準(zhǔn)重頻T0≥τ時,有效地抑制了遮擋區(qū)擴散,避免了回波信號同時被遮擋的現(xiàn)象發(fā)生。因此,在設(shè)計參數(shù)時應(yīng)當(dāng)令基準(zhǔn)重頻T 0 滿足T0 ≥τ,在此參數(shù)設(shè)定條件下,發(fā)射信號全部被遮擋的概率極小。

3.2 遮擋環(huán)境下脈沖重復(fù)周期間比值mi 的選取

下面分析在距離遮擋的影響下,發(fā)射信號脈沖重復(fù)周期間比值mi 應(yīng)當(dāng)如何選取。

當(dāng)多重PRF 法中發(fā)射信號脈沖重復(fù)周期間的比值mi不互素時,同樣可以完成解模糊。但是,此種情況使各信號脈沖重復(fù)周期的最小公倍數(shù)減小,產(chǎn)生相同余數(shù)的情況大大增加。例如PRT1∶PRT2∶PRT3=4T0∶6T0∶8T0,當(dāng)目標(biāo)回波時延t ∈(12T0～16T0),PRT1、PRT2兩個回波信號具有相同的余數(shù),即模糊距離測量值相同。在距離遮擋的影響下,兩個回波信號將同時落入遮擋區(qū)或非遮擋區(qū)。當(dāng)目標(biāo)回波時延t ∈(8T0～12T0),PRT1、PRT3產(chǎn)生相同的余數(shù),兩個回波信號同時進入遮擋區(qū)或非遮擋區(qū)。當(dāng)目標(biāo)回波時延t ∈(24T0～28T0), PRT1、PRT2、PRT3產(chǎn)生相同的余數(shù),則3 個回波信號同時進入遮擋區(qū)或非遮擋區(qū)。從發(fā)射多脈沖重復(fù)頻率信號抗遮擋的策略出發(fā),應(yīng)當(dāng)使各脈沖重復(fù)頻率的回波信號的遮擋區(qū)相互交替。因此,減小回波信號同時進入遮擋區(qū)的情況,應(yīng)當(dāng)盡量增大任意兩脈沖重復(fù)周期信號的最小公倍數(shù),選擇任意兩脈沖重復(fù)周期間比值互素的發(fā)射信號。例如:PRT1∶PRT2∶PRT 3 =4T0∶5T0∶7T0,當(dāng)目標(biāo)回波時延t ∈(20T0～24T0),PRT1、PRT2 兩個回波信號產(chǎn)生相同的余數(shù),則兩回波信號同時落入遮擋區(qū)或非遮擋區(qū)。當(dāng)目標(biāo)回波時延t ∈(35T0～39T0),PRT1、PRT 3 產(chǎn)生相同的余數(shù),兩回波信號同時進入遮擋區(qū)或非遮擋區(qū)。當(dāng)目標(biāo)回波時延t ∈(140T0～144T0),PRT1、PRT2、PRT3產(chǎn)生相同的余數(shù),則三回波信號同時進入遮擋區(qū)或非遮擋區(qū)。

本文通過計算機仿真對以上分析進行了驗證。分別選擇兩組三重脈沖重復(fù)周期的發(fā)射信號,第一組各脈沖重復(fù)周期間的關(guān)系為:PRT1∶PRT2∶PRT3=4T0∶6T0∶8T0,第二組各脈沖重復(fù)周期間的關(guān)系為:PRT1∶PRT2∶PRT3=4T0∶5T0∶7T0。第一組發(fā)射的信號中3 個發(fā)射信號間的脈沖重復(fù)周期比值非互素,第二組發(fā)射信號中3 個發(fā)射信號間脈沖重復(fù)周期的比值互素。在末制導(dǎo)距離不斷減小的過程中,兩組發(fā)射信號的遮擋區(qū)分布如圖4 和圖5 所示。

圖4 脈沖重復(fù)周期比值非互素的遮擋區(qū)分布Fig.4 Distribution of eclipse area when the ratio of PRT is even

圖5 脈沖重復(fù)周期比值互素的遮擋區(qū)分布Fig.5 Distribution of eclipse area when the ratio of PRT is prime

觀察仿真結(jié)果可以看出,由于非互素的脈沖重復(fù)周期信號同時被遮擋或未被遮擋的情況明顯多于互素的脈沖重復(fù)周期信號,因此選擇發(fā)射信號脈沖重復(fù)周期比值互素的信號可以增大任意兩發(fā)射信號的最小公倍數(shù),減小使各發(fā)射信號得到相同余數(shù)的距離段,大大減小回波信號同時被遮擋的概率?；谠诰嚯x遮擋的環(huán)境下解模糊的指導(dǎo)思想是在末制導(dǎo)過程中的任意距離段均可收到回波信號,因此,在距離遮擋環(huán)境下不論采用哪種多重PRF 法解模糊均應(yīng)選擇脈沖重復(fù)周期比值互素的發(fā)射信號進行解模糊。

4 仿真驗證

對于參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則進行仿真驗證,發(fā)射信號脈沖寬度τ=0.5 μs,考慮距離遮擋的影響,測距時發(fā)射5 種PRF 信號,根據(jù)上文的參數(shù)設(shè)計方法,對發(fā)射信號脈沖重復(fù)周期進行設(shè)計:

(1)要求T0≥τ,應(yīng)令T 0 ≥0.5 μs,這里取T0=0.5 μs;

(2)PRT1∶PRT2∶…∶PRT 5 =m1T0∶m2T0∶…∶m5T0,要求m1,m2, …,m5互素?？闪?

或令

然而,當(dāng)m1∶m2∶…∶m5=1∶3∶4∶5∶7 時,在僅接收到PRT1∶PRT2∶PRT3=1T0∶3T0∶4T0 三重回波信號的距離段內(nèi),這3 個PRF 信號的最大解模糊距離為:R=(c/2)·m1m2m3T0≤Rmax,因此應(yīng)當(dāng)選擇:m1∶m2∶…∶m5=4∶5∶7∶9∶11,滿足任意3 個PRF 信號的最大解模糊距離大于Rmax的要求。

將設(shè)計后的T0 及mi 代入,得到五重PRF 解模糊信號的脈沖重復(fù)周期分別是:PRT1=2 μs, PRT2=2.5 μs, PRT3=3.5 μs, PRT4=4.5 μs, PRT5=5.5 μs。對這5 個PRF 信號在末制導(dǎo)過程中的距離遮擋情況進行仿真,距離遮擋圖如圖6 所示。

圖6 利用遮擋環(huán)境下解模糊參數(shù)設(shè)計方法設(shè)計的PRF 信號遮擋區(qū)分布圖Fig.6 Distribution of transmitting signals eclipse area which is designed with rule of range ambiguity resolving in the condition of range eclipse

觀察信號遮擋區(qū)分布圖可以看出,除彈目相遇處的遮擋現(xiàn)象無法避免外,其它區(qū)域均滿足存在任意三重PRF 信號未被遮擋的要求。即在末制導(dǎo)過程中的任意位置均可利用多重PRF 法解距離模糊得到彈目距離,利用彈目距離信息,即可求出末制導(dǎo)跟蹤過程中發(fā)射信號的遮擋區(qū)分布情況,從而徹底解決距離遮擋對于末制導(dǎo)過程中探測跟蹤目標(biāo)的影響。

5 結(jié) 論

本文提出在距離遮擋影響下利用發(fā)射多重PRF信號解模糊的方法,并對發(fā)射信號的參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則進行分析,從而保證在末制導(dǎo)過程中除彈目相遇段外的任意位置均可實現(xiàn)無模糊測距。根據(jù)得到的距離信息可以提前預(yù)測各重PRF 信號的遮擋區(qū)分布,切換重頻抗遮擋,確保目標(biāo)的正常跟蹤。通過仿真驗證,本設(shè)計方法可以有效完成在距離遮擋環(huán)境下的解距離模糊任務(wù),消除距離遮擋和距離模糊現(xiàn)象對于HPRF PD 體制末制導(dǎo)雷達(dá)探測跟蹤目標(biāo)性能的影響。本方法實現(xiàn)簡便,可靠性強,具有較強的工程應(yīng)用價值。如何在末制導(dǎo)環(huán)境下提高現(xiàn)有方法的解模糊性能有待進一步研究。

[ 1] 曹宇飛, 屈曉光.脈沖多普勒雷達(dá)解模糊方法分析[ R]//航天報告.北京:[s.n.] , 2006.

CAO Yu -fei, QU Xiao -guang.Analysis of Ambiguity Resolution in Pulse Dopp ler radar[ R]//Aerospace Report.Beijing:[ s.n.] ,2006.(in Chinese)

[ 2] 張筱靖.毫米波導(dǎo)引頭信號處理技術(shù)研究[ D] .北京:航天二院,2008.

ZHANG Xiao-jing.Study on Signal Processing Technology of MMW Seeker[D] .Beijing:The Second Academy of China Aerospace, 2008.(in Chinese)

[ 3] 李建彬,夏桂芬.高重頻PD 雷達(dá)導(dǎo)引頭抗距離遮擋技術(shù)[ J] .電訊技術(shù), 2008,48(10):41-44.

LI Jian-bin, XIA Gui-fen.A voidance Eclipse for HPRF PD Radar Seeker [ J] .Telecommunication Engineering,2008,48(10):41-44.(in Chinese)

[ 4] 謝峰.中脈沖重復(fù)頻率解模糊研究[ D] .北京:航天二院, 1998.

XIE Feng.Study on Ambiguity Resolution with MPRF[ D] .Beijing:The Second Academy of China Aerospace, 1998.(in Chinese)

[ 5] Trunk G, Brockett S.Range And Velocity Ambiguity Resolution[C]//Proceeding of IEEE National Conference on Radar.[S.l.] :IEEE,1993:146-149.

[ 6] 雷文,龍騰, 曾濤,等.一種脈沖多普勒解距離模糊的新方法[ J] .北京理工大學(xué)學(xué)報, 1999, 19(3):357-360.

LEI Wen, LONG Teng, ZENG Tao, et al.The Resolution of Range Ambiguity in a Medium Pulse Doppler Radar[ J] .Journal of Beijing Institue of Technology,1999, 19(3):357-360.(in Chinese)

[7] 周閏, 高梅國,戴擎宇, 等.余差查表法解單目標(biāo)距離模糊的分析與仿真[J] .系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2002,24(5):30-32.

ZHOU Run, GAO Mei-guo, DAI Qing-yu, et al.Analysis and simulation for Ambiguity Resolving Using Residues'Difference Look -up Table[ J] .Systems Engineering and Electronics, 2002,24(5):30-32.(in Chinese)

[8] 段軍棋, 何子述, 韓春林.高效的PD 雷達(dá)多重頻模糊分辨算法[ J] .電子科技大學(xué)學(xué)報,2008, 37(4):549-551.

DUAN Jun-qi, HE Zi-shu, HAN Chun-lin.Computation Efficient Algorithm for Resolving Range and Velocity Ambiguities in Multiple PRF PD Radars[J] .Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2008, 37(4):549-551.(in Chinese)