PD雷達(dá)導(dǎo)引頭信息關(guān)聯(lián)抗自衛(wèi)式欺騙干擾技術(shù)

鄭 博, 杜 科

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海200090)

0 引言

戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日益復(fù)雜,干擾技術(shù)迅猛發(fā)展,不斷向數(shù)字化、多樣化、智能化方向前進(jìn)。種類繁多的干擾已經(jīng)嚴(yán)重威脅PD體制雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)的精確制導(dǎo)。為使我國(guó)PD雷達(dá)導(dǎo)引頭在復(fù)雜電子戰(zhàn)環(huán)境中充分發(fā)揮作用,開(kāi)展雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)的研究是十分緊迫和必要的[1]。

自衛(wèi)式欺騙干擾是精確模擬真實(shí)目標(biāo)回波的一種干擾信號(hào)。敵機(jī)通過(guò)欺騙導(dǎo)彈的量測(cè)距離、量測(cè)速度等信息影響制導(dǎo)精度,從而達(dá)到保護(hù)自身目的?，F(xiàn)階段對(duì)于自衛(wèi)式欺騙干擾的研究?jī)H限于單重速度、距離欺騙干擾[2～4],而多重速度、距離欺騙干擾的研究較少。

本文提出一種PD雷達(dá)導(dǎo)引頭抗欺騙干擾信息處理新技術(shù),利用回波提取的多維信息(距離、速度、角度、幅度)以及多幀信號(hào)之間的相關(guān)性,通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、多點(diǎn)跡建立、點(diǎn)跡特征提取、目標(biāo)/干擾識(shí)別等過(guò)程有效抵抗距離、速度欺騙干擾(單重/多重)。

1 自衛(wèi)式速度、距離欺騙干擾特征

設(shè)PD雷達(dá)導(dǎo)引頭的發(fā)射波形為

式中:f0為載頻頻率;μ為線性調(diào)頻斜率(μ=0則為普通脈沖)。

多重距離拖引干擾,其m個(gè)拖引干擾回波信號(hào)波形為

式中:τi(t)為距離欺騙干擾的延時(shí)量,在檢測(cè)過(guò)程中體現(xiàn)在時(shí)域上出現(xiàn)多個(gè)距離不同的目標(biāo)。圖1為多拖速距離拖引干擾。

圖1 多拖速距離拖引干擾

而多重速度拖引干擾,其n個(gè)拖引干擾回波信號(hào)波形為

式中:f di為速度欺騙干擾的頻偏量,在檢測(cè)過(guò)程中體現(xiàn)在多普勒頻域上出現(xiàn)多個(gè)速度不同的目標(biāo)。圖2為多拖速速度拖引干擾。

現(xiàn)有導(dǎo)引頭抗干擾效果評(píng)估中,對(duì)于距離、速度欺騙干擾,只要導(dǎo)引頭可以實(shí)施角跟蹤就認(rèn)為是有效抗干擾。但是錯(cuò)誤的距離、速度信息仍然會(huì)影響制導(dǎo)精度。也有學(xué)者利用干擾信號(hào)能量較大的特點(diǎn),干擾出現(xiàn)時(shí),AGC電壓突變,將大信號(hào)刪除來(lái)抗干擾。然而,當(dāng)多個(gè)干擾出現(xiàn)時(shí),現(xiàn)有抗干擾方法將束手無(wú)策。

圖2 多拖速速度拖引干擾

2 信息關(guān)聯(lián)抗干擾算法

多重欺騙干擾在其距離或速度曲線中可以明顯區(qū)分(如圖1、圖2所示)。故將雷達(dá)航跡理論融入到導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)處理中,利用PD雷達(dá)導(dǎo)引頭各個(gè)時(shí)刻測(cè)量到的導(dǎo)彈-目標(biāo)相對(duì)距離、導(dǎo)彈-目標(biāo)相對(duì)速度、目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)引頭天線的角誤差等信息進(jìn)行多幀信息關(guān)聯(lián),形成目標(biāo)和導(dǎo)彈的相對(duì)點(diǎn)跡。

在PD雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)過(guò)程中,將目標(biāo)回波信息進(jìn)行關(guān)聯(lián),形成目標(biāo)和導(dǎo)彈的相對(duì)點(diǎn)跡。當(dāng)欺騙干擾出現(xiàn)時(shí),干擾的信號(hào)攜帶的導(dǎo)彈-目標(biāo)相對(duì)距離、導(dǎo)彈-目標(biāo)相對(duì)速度、目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)引頭天線的角誤差等信息與目標(biāo)點(diǎn)跡不同,從而得到不同點(diǎn)跡。從點(diǎn)跡上可以很容易確定干擾的出現(xiàn)。

由于點(diǎn)跡攜帶了豐富的目標(biāo)信息,利用目標(biāo)與干擾之間特征差異,從而識(shí)別目標(biāo),剔除干擾。

2.1 信息關(guān)聯(lián)抗干擾流程

在脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭中利用信息關(guān)聯(lián)思想抗干擾,加強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理部分功能,而信號(hào)檢測(cè)部分保持不變,主要包括:回波信號(hào)采樣,距離門(mén)重排,按距離門(mén)FFT,時(shí)頻二維恒虛警等模塊[5]。而數(shù)據(jù)處理部分則見(jiàn)下圖虛線部分,主要包括:信號(hào)關(guān)聯(lián)模塊、跟蹤起始/終止模塊、濾波預(yù)測(cè)模塊、跟蹤波門(mén)計(jì)算等部分。圖3所示為信息關(guān)聯(lián)抗干擾流程圖。

圖3 信息關(guān)聯(lián)抗干擾流程圖

2.2 信息關(guān)聯(lián)抗干擾功能模塊

2.2.1 信息關(guān)聯(lián)模塊

(1)信號(hào)關(guān)聯(lián)

信號(hào)關(guān)聯(lián)主要任務(wù)是將每幀檢測(cè)到的量測(cè)與已有點(diǎn)跡關(guān)聯(lián);在沒(méi)有點(diǎn)跡的情況下,則將同一目標(biāo)的多幀回波信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián),進(jìn)行點(diǎn)跡建立。

目前常用的信號(hào)關(guān)聯(lián)算法主要有[6]:聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法(JPDA),多假設(shè)方法(MH T)以及密集雜波環(huán)境下的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)快速算法(FAFDA)。不同算法因其假設(shè)前提不同,存在不同的適應(yīng)條件,以及各自的利弊,在實(shí)際應(yīng)用中則應(yīng)該按具體情況合理選擇。表1所示為關(guān)聯(lián)算法特點(diǎn)總結(jié)。

表1 關(guān)聯(lián)算法比較

(2)跟蹤波門(mén)

本文采用的相關(guān)波門(mén)形成方法是在跟蹤空間內(nèi)定義一個(gè)矩形區(qū)域,即矩形波門(mén)。

假定量測(cè)維數(shù)為nz,新息向量v(k)、量測(cè)向量z(k)及量測(cè)的預(yù)測(cè)向量的第i個(gè)分量分別用表示,新息協(xié)方差S(k)的第i行第j列元素用Sij表示,當(dāng)量測(cè)z(k)的所有分量均滿足關(guān)系時(shí),稱該量測(cè)為候選回波。其中:K G為波門(mén)常數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中往往取較大的值(K G≥3.5)。

新息向量vi(k)的范數(shù)為

在一定的假設(shè)條件下,可以證明,g(k)是服

假定高斯誤差模型成立,在nz維量測(cè)和新息誤差模型相互獨(dú)立的條件下,正確量測(cè)落入矩形跟蹤門(mén)概率為式中:V G為跟蹤門(mén)的體積

正確量測(cè)位于跟蹤門(mén)外的概率為

當(dāng)所選PˉG較小時(shí),有近似關(guān)系PˉG≈1-nz PˉG。

nz維矩形波門(mén)的面(體)積為

利用信息協(xié)方差矩陣的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行歸一化后得其面(體)積為

若不同分量對(duì)應(yīng)的波門(mén)常數(shù)K G互不相同,則式(9)和式(10)分別為

本文仿真時(shí)選用矩形跟蹤門(mén)+速度門(mén)輔助約束的方法對(duì)目標(biāo)量測(cè)進(jìn)行初選,以進(jìn)一步減少相關(guān)波門(mén)內(nèi)無(wú)關(guān)點(diǎn)跡的個(gè)數(shù)。

對(duì)一個(gè)被跟蹤的目標(biāo)來(lái)說(shuō),前后兩幀之間目標(biāo)的速度變化是連續(xù)的,不會(huì)產(chǎn)生大的突變。因此,可用一個(gè)速度門(mén)限將其限定在某個(gè)范圍之內(nèi)。

式中:a max表示目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度可能的最大值,可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的值。仿真中a max=500 m/s2,矩形跟蹤門(mén)常數(shù)K G=2.6,相應(yīng)的門(mén)概率為P G=0.990 7。

(3)點(diǎn)跡起始/終止

本文在仿真時(shí),采用基于順序處理技術(shù)的一種點(diǎn)跡起始算法,可稱之為直觀滑窗方法。

假設(shè)(ri,vi),i=1,2,…,N為N次連續(xù)掃描獲得的彈目距離—速度觀測(cè)值,如果這N次掃描中有某M對(duì)觀測(cè)值滿足以下約束規(guī)則,那么該方法就認(rèn)定應(yīng)起始一條點(diǎn)跡。否則,滑窗右移一幀繼續(xù)進(jìn)行判定。

由于彈目距離觀測(cè)值量化誤差Er的存在,相鄰兩幀的彈目距離觀測(cè)值之差為0或E r,即有

此時(shí),目標(biāo)速度的最大值為vmax=Er/T,T為幀間隔時(shí)間。

由于目標(biāo)速度變化是連續(xù)的。因此,相鄰兩幀之間的目標(biāo)速度不會(huì)產(chǎn)生突變,即有

式中:amax表示目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度可能的最大值,可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的值。

直觀滑窗方法計(jì)算簡(jiǎn)單,在沒(méi)有真假目標(biāo)先驗(yàn)信息的情況下,是較好的選擇。

本文在仿真時(shí)采用點(diǎn)跡終結(jié)判斷準(zhǔn)則是連續(xù)K次掃描丟失目標(biāo)決定點(diǎn)跡終結(jié)[7]。

2.2.2 干擾判決模塊

干擾判決模塊主要實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的邏輯判斷,若干擾出現(xiàn)時(shí)伴隨著能量的急劇變化,導(dǎo)致能量較小的目標(biāo)被淹沒(méi);若干擾出現(xiàn)時(shí),能量沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化,則同一時(shí)刻能夠檢測(cè)到目標(biāo)和干擾兩個(gè)信號(hào)。因此,可以根據(jù)AGC電平突變、及點(diǎn)跡個(gè)數(shù)與測(cè)量值個(gè)數(shù)的關(guān)系變化為判定依據(jù),來(lái)確定濾波判斷開(kāi)始時(shí)刻。

從該時(shí)刻開(kāi)始,根據(jù)每條點(diǎn)跡的濾波速度和測(cè)量速度是否匹配[8],作為點(diǎn)跡是目標(biāo)或干擾的標(biāo)志(速度-距離同步拖引干擾的判決方法將在后續(xù)工作中給出)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

3.1 多重距離拖引干擾

設(shè)置目標(biāo)初始距離25 km,速度900 m/s;每幀數(shù)據(jù)間隔15 m s,目標(biāo)在每幀之間是連續(xù)的,干擾在每幀之間存在缺失。干擾1拖速為600 m/s,即實(shí)際速度為300 m/s,拖引時(shí)間為2.4 s;干擾2拖速為450 m/s,即實(shí)際速度為450 m/s,拖引時(shí)間為2.4 s;干擾3拖速為300m/s,即實(shí)際速度為600m/s,拖引時(shí)間為2.4 s。圖4為三重距離拖引干擾點(diǎn)跡濾波。

圖4 三重距離拖引干擾點(diǎn)跡濾波圖

由圖可見(jiàn),在干擾出現(xiàn)前,目標(biāo)建立出穩(wěn)定點(diǎn)跡。而在第68幀時(shí)刻同時(shí)出現(xiàn)三個(gè)干擾,在第88、104、116幀時(shí)刻,三個(gè)干擾先后被識(shí)別并跟蹤。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的點(diǎn)跡起始,三個(gè)干擾也形成穩(wěn)定點(diǎn)跡。圖5為目標(biāo)和干擾的速度濾波結(jié)果。

圖5 目標(biāo)和干擾速度濾波結(jié)果

從圖中可以得知,目標(biāo)的濾波速度與點(diǎn)跡量測(cè)速度基本相同,而三個(gè)干擾的濾波速度與點(diǎn)跡量測(cè)速速度都存在不同程度的分離。所以區(qū)別干擾,只需通過(guò)濾波速度和量測(cè)速度的差值對(duì)比來(lái)識(shí)別,進(jìn)而得到真實(shí)目標(biāo)信號(hào)角度、速度、距離的信息并進(jìn)行跟蹤。

3.2 多重速度拖引干擾

設(shè)置目標(biāo)初始距離25 km,速度600 m/s;同時(shí)施放三個(gè)速度拖引干擾,拖速分別為300 m/ss,150m/ss,225m/ss,間隔 5 s,拖5 s;每幀數(shù)據(jù)間隔10ms。圖6為三重速度拖引干擾示意圖。

圖6 三重速度拖引干擾示意圖

在第501幀時(shí)刻,同時(shí)出現(xiàn)三個(gè)干擾,由于初始階段三個(gè)干擾速度和目標(biāo)速度相互之間比較接近,關(guān)聯(lián)濾波器無(wú)法區(qū)分干擾和目標(biāo),只能通過(guò)對(duì)每幀跟蹤波門(mén)內(nèi)的距離測(cè)量值進(jìn)行概率加權(quán)獲得一個(gè)等效的距離測(cè)量值,并利用該等效的距離測(cè)量值對(duì)原目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行更新。隨著目標(biāo)速度和干擾速度之間的差值逐漸增大,濾波器在503幀時(shí)刻開(kāi)始區(qū)分出目標(biāo)和干擾,并開(kāi)始出現(xiàn)多條點(diǎn)跡。圖7為跟目標(biāo)和干擾點(diǎn)跡的濾波速度和點(diǎn)跡量測(cè)速速度之間的關(guān)系。

圖7 目標(biāo)和干擾速度濾波結(jié)果

雖然目標(biāo)濾波曲線有一定波動(dòng),但是仍然可以清楚看到目標(biāo)速度濾波曲線與速度量測(cè)曲線的差值在零附近波動(dòng);而速度拖引干擾的點(diǎn)跡濾波曲線與量測(cè)曲線存在較大差異。從上圖可以清楚的區(qū)分目標(biāo)與干擾,實(shí)現(xiàn)干擾剔除,進(jìn)而得到真實(shí)目標(biāo)信號(hào)角度、速度、距離的信息并進(jìn)行跟蹤。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)信息關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)處理方法抗自衛(wèi)式欺騙干擾。將雷達(dá)航跡理論引入導(dǎo)引頭中,利用目標(biāo)回波信號(hào)多幀之間的關(guān)聯(lián)特性,通過(guò)點(diǎn)跡建立分離干擾與目標(biāo);再通過(guò)目標(biāo)與干擾在點(diǎn)跡上的一些特性差異加以判斷,從而識(shí)別目標(biāo)與干擾。

[1] 楊海林,郭愛(ài)芳,侯民勝.PD雷達(dá)抗速度欺騙干擾的計(jì)算機(jī)仿真[J].電子工程師,2005.

[2] 趙雪飛,趙川,劉崢.PD雷達(dá)抗距離-速度同步拖引干擾的頻譜識(shí)別法[J].雷達(dá)對(duì)抗,2005(3).

[3] 侯民勝.雷達(dá)抗距離欺騙干擾的計(jì)算機(jī)仿真研究[J].電子工程師,2003,(9).

[4] 曾茂生.脈沖多普勒雷達(dá)技術(shù)特征及干擾方法的探討[J].艦船電子對(duì)抗.2003,26(1):16-18.

[5] 高烽.雷達(dá)導(dǎo)引頭概論[M].電子工業(yè)出版社,2010.

[6] Samuel.S.Blackman.M ultip le Target Tracking w ith Radar App lications[M].USA:A rtech House,1986.

[7] 陳瓊,邱峰,王俊.一種實(shí)用的多目標(biāo)航跡跟蹤算法[J].火控雷達(dá)技術(shù).2008(1).

[8] Faruk Kural.A M ethod for Detecting RGPO/VGPO Jamm ing[J].Signal Processing and Communiaction App lications Conference,IEEE,2004.