基于空間譜估計的引信脫靶方位識別技術(shù)

江 露， 馬景潤， 包 飛

（1.中國人民解放軍駐上海地區(qū)軍事代表室，上海200090；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展，引信面臨著目標(biāo)向多樣化、全空域、高速度范圍、強機動的發(fā)展趨勢。尤其以TBM 為代表的導(dǎo)彈類目標(biāo)和制導(dǎo)炸彈、巡飛彈等為代表的“低、小、慢”目標(biāo)，易損部件少、彈頭體積小、防護(hù)厚、毀傷難度大等特點。對于此類目標(biāo)，必須實現(xiàn)對其徹底毀傷才能達(dá)到效果。在此情況下，傳統(tǒng)引信采用的側(cè)向探測和傳統(tǒng)引戰(zhàn)系統(tǒng)采用的環(huán)形殺傷體制，由于引信啟動區(qū)散布大、戰(zhàn)斗部飛散區(qū)大，已不能滿足未來作戰(zhàn)要求。這些需求使得引信必須具備定向起爆能力，而保證其定向起爆精度的則是對脫靶方位的精確識別。

現(xiàn)有的引信脫靶方位識別方法基本是采用GIF（Guidance Integrated Fuzing）技術(shù)，該技術(shù)可以利用導(dǎo)引頭測量的距離、角度信息，通過數(shù)據(jù)濾波算法估計識別目標(biāo)脫靶方位所需的參數(shù)，實現(xiàn)脫靶方位識別的目的。GIF的關(guān)鍵技術(shù)是對導(dǎo)引頭測量信息的濾波處理，如果處理效果好則可以獲得高精度的脫靶方位估計結(jié)果。由于卡爾曼濾波算法具有良好的噪聲抑制能力，在GIF 中一般都以該算法為基礎(chǔ)進(jìn)行濾波操作［1，2］。但是該技術(shù)的性能受制于導(dǎo)引頭探測信息的精確程度，當(dāng)導(dǎo)引頭進(jìn)入交會探測盲區(qū)或目標(biāo)具有高機動性時，基于導(dǎo)引頭探測信息的脫靶方位識別性能將急劇下降。為了保證脫靶方位識別結(jié)果的穩(wěn)定性，引信應(yīng)具備自主方位識別能力。

空間譜估計技術(shù)被稱為“超分辨率估計”，可以突破并改善一個波束寬度內(nèi)空間不同來向信號的分辨能力。本文基于該技術(shù)在引信應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析和研究，最終實現(xiàn)了具有自主識別能力的引信脫靶方位識別技術(shù)。

1 陣列形式選擇

空間譜估計的基本原理是利用信號到達(dá)天線陣列各個陣元的相位差來對信號的方向進(jìn)行判斷，因此不同的應(yīng)用環(huán)境和背景會用到不同形式的陣列。由于引信位于彈體側(cè)面，無法選用復(fù)雜的陣列形式，可選用的形式可以為均勻線陣和均勻圓陣。

陣列測向中，在某方向上對信號源的分辨力與在該方向附近陣列導(dǎo)向矢量的變化率直接相關(guān)。在導(dǎo)向矢量變化較快的方向附近，隨信號源角度變化陣列快拍數(shù)據(jù)變化也大，相應(yīng)的分辨力也高。因此，可用下式來衡量分辨力為［3，4］

式中：D（θ）越大，表明在該方向上的分辨力也越高。

對于均勻線陣，陣列的導(dǎo)向矢量

對應(yīng)的

由上述測向范圍可知，對于均勻線陣，在檢測范圍［-90° 90°］內(nèi)，DT（θ）以余弦形式變化。在θ＝0°，即信號源方位角正好垂直于均勻線陣的軸線時具有最高的分辨力，而在沿線陣附近，DT（±π／2）≈0，也就是說明分辨力很差。

對于均勻圓陣流型轉(zhuǎn)換后獲得的虛擬陣列流型，其導(dǎo)向矢量為

此時分辨力表征量為

上式表明，均勻圓陣的分辨力不隨信號方位角的變化而變化，在檢測范圍［-180° 180°）內(nèi)，DV＝γ為一恒定常數(shù)，這說明均勻圓陣在全空間具有相同的分辨力。

由于脫靶方位識別技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)是測量角度的精確度，因此選取均勻圓陣作為引信測量陣列形式。如圖1所示，引信發(fā)射天線采用一維線陣，以獲得發(fā)射信號在空間的窄波束探測，接收為一個均勻圓陣，通過多路接收后利用接收信號建立數(shù)據(jù)矩陣，利用ESPRIT（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）方法對信號到達(dá)方向（即脫靶方位）進(jìn)行估計。

2 彈體遮擋影響及消除方法研究

圖1 引信天線分布形式示意圖

在實際應(yīng)用時，由于彈體遮擋的影響，只有一半左右的陣元可以接收到回波信號（當(dāng)陣元數(shù)N為奇數(shù)時，接收到回波的陣元為（N+1）／2，當(dāng)陣元數(shù)N 為偶數(shù)時，接收到回波的陣元為N／2），如圖2所示。

圖2 彈體遮擋對陣元接收回波影響的示意圖

如果直接利用接收到信號的陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行估計，估計結(jié)果將會出現(xiàn)較大偏差。以入射角度分別為（17°，-140°）、（20°，30°）和（50°，-40°）為例，考慮彈體遮擋的情況，估計結(jié)果為圖3中星號所示?？梢钥闯龉烙嫿Y(jié)果和圓圈所示的實際值出現(xiàn)了較大的偏差，如此大的誤差的形成并不是簡單的孔徑損失造成的，而是破壞了原有陣列流型的規(guī)則性引起的。利用對稱性對接收到信號的陣元進(jìn)行虛擬信號輸入可以有效解決該問題。

當(dāng)陣元數(shù)為偶數(shù)時，均勻圓陣列流型具有對稱性，即對于陣元數(shù)為N 的均勻圓陣，其各個陣元的陣列流型An（n＝1，2，…，N），有An＝A＊n+N／2（n＝1，2，…，N／2）。于是對于各個陣元的輸入信號Xn（n＝1，2，…，N），有Xn＝X＊n+N／2（n＝1，2，…，N／2）。

基于該性質(zhì)，可以利用接收到回波的陣元信號對未接收到回波的陣元信號進(jìn)行估計，獲得虛擬輸入信號，并建立矩陣對脫靶方位進(jìn)行估計。經(jīng)過虛擬輸入處理的脫靶方位估計結(jié)果如圖3中綠色星號所示，可以看出，估計得到的結(jié)果和實際信號波達(dá)方向非常接近，證明該方法的有效性。

圖3 彈體遮擋對估計結(jié)果的影響及經(jīng)過修正的估計結(jié)果

3 近場目標(biāo)散射中心估計性能分析

對于實際應(yīng)用中的目標(biāo)，由于引信開機工作時彈目距離較近，目標(biāo)回波不能按照點目標(biāo)進(jìn)行考慮，須考慮近場目標(biāo)的多散射點特性。本節(jié)利用實際目標(biāo)的多散射點回波建模，對實際彈目距離較近的情況下目標(biāo)多散射點回波結(jié)果進(jìn)行仿真計算，考察估計結(jié)果和實際目標(biāo)重心位置的差距。

圖4所示為模擬的飛機模型散射點分布，所模擬的飛機機身長度和機翼寬度均為10m，取網(wǎng)格劃分精度為0.1m×0.1m，計算可知該模型實際的重心位于圖4內(nèi)坐標(biāo)系（12.8，10）處。

圖4 仿真飛機散射點分布圖

對圖4中每個散射點的回波進(jìn)行相加，再對其進(jìn)行波達(dá)方向估計，可以獲得估計的散射中心入射角度信息，將此結(jié)果與模型重心實際位置的波達(dá)角進(jìn)行對比，可以考察本項目所采用的分析方法能否適用于實際目標(biāo)的近場作用情況。

圖5為估計結(jié)果和實際重心位置角度的對比，使用的陣元數(shù)為16，信噪比為-5dB，目標(biāo)重心與陣列中心的方向位和俯仰位距離變化均為-10m～10m。

從圖中看到，估計得到的角度和實際目標(biāo)重心角度吻合程度非常好，說明了該方法對于近場目標(biāo)估計情況也非常適合。

圖5 估計散射中心和實際目標(biāo)重心比較

4 結(jié)束語

為了應(yīng)對未來戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求，實現(xiàn)定向引信的自主脫靶方位識別功能，本文將空間譜估計技術(shù)引入引信系統(tǒng)。本文選用均勻圓陣陣列形式，不僅可以很好的符合彈體的外形結(jié)構(gòu)形態(tài)，更加可以實現(xiàn)全方位無模糊的精確測角需求。對于彈體遮擋對脫靶方位識別產(chǎn)生的影響，本文利用均勻圓陣陣列流型的對稱性，實現(xiàn)了無輸入陣元的虛擬信號輸入，很好的解決了這一問題。同時，對于遠(yuǎn)場點目標(biāo)和近場多散射點散射中心的測量效果，進(jìn)行了仿真驗證，檢驗了本文所述方法的有效性。

［1］ 劉劍鋒，莊志洪，劉中.轉(zhuǎn)換測量卡爾曼濾波算法在導(dǎo)彈起爆控制技術(shù)中的應(yīng)用研究［J］.電子與信息學(xué)報，2005，（27）：1388-1392.

［2］ 簡金蕾，李靜，任宏濱.基于去偏轉(zhuǎn)換測量卡爾曼濾波的目標(biāo)脫靶方向角識別［J］.航天控制，2010，（28）：23-32.

［3］ 馬常霖，彭應(yīng)寧，田立生.基于均勻圓陣模式空間噪聲流型的高分辨測向算法［J］.電子學(xué)報，1998，（26）：112-116.

［4］ 陳輝，王永良，萬山虎.非均勻線陣的模糊問題及方位估計［J］.空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報，1999，（13）：7-10.