基于多周期積累的機(jī)械掃描被動測向方法研究

呂 鋼，趙 鑫，郭琳琳

(中國船舶重工集團(tuán)公司第二二四所研究所，南京 211153)

基于多周期積累的機(jī)械掃描被動測向方法研究

呂 鋼，趙 鑫，郭琳琳

(中國船舶重工集團(tuán)公司第二二四所研究所，南京 211153)

基于多周期積累的算法思想主要包含多周期幅度加權(quán)法和α-β延遲濾波兩個(gè)相互承應(yīng)的部分，前者通過對N個(gè)歷史周期截獲輻射源包絡(luò)的最大幅度的積累，提高了處理得益；后者一方面對前者的延遲缺陷作了補(bǔ)償，另一方面完成了前者的單次測向結(jié)果作平滑濾波。同時(shí)給出了多周期幅度加權(quán)法導(dǎo)致的延遲周期數(shù)與歷史截獲情況的關(guān)系，最后通過試驗(yàn)分析驗(yàn)證了該機(jī)械掃描被動測向方法。

雷達(dá)；測向；多周期積累；幅度加權(quán)；延遲濾波

0 引 言

由于輻射源天線掃描速度與被動探測雷達(dá)天線掃描速度的不一致和時(shí)間上的不相關(guān)，兩者天線方向圖之間的互相調(diào)制將不可避免地導(dǎo)致被動雷達(dá)截獲的輻射源脈沖幅度起伏加劇，從而導(dǎo)致接收到的最大幅度所對應(yīng)的方位不一定就是輻射源的真實(shí)方位；同時(shí)，由于天線副瓣、旁瓣、背瓣，以及地物及海面反射和多徑效應(yīng)等因素的影響，會進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大被動探測雷達(dá)在一個(gè)天線周期內(nèi)對輻射源目標(biāo)的測向誤差，甚至造成同一輻射源目標(biāo)的分裂。傳統(tǒng)的起始終止算法已經(jīng)不能滿足這種情況下的測向精度需求。

被動探測雷達(dá)對輻射源目標(biāo)的方位測量與跟蹤算法主要包括起始終止法、平均值法、滑窗平均濾波、最小二乘擬合等。當(dāng)目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，上述方法利用對目標(biāo)的方位進(jìn)行多次測量取平均的方法以平滑各種因素造成的目標(biāo)方位的抖動，降低方位測量的均方根誤差，具有一定的實(shí)際應(yīng)用效果。而當(dāng)目標(biāo)處于運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，平均值法等將造成目標(biāo)方位的滯后效應(yīng)，從而影響對目標(biāo)的測向精度，進(jìn)而降低被動探測系統(tǒng)對目標(biāo)的定位精度。本文在多周期積累的思想基礎(chǔ)上通過多周期幅度加權(quán)法和α-β延遲濾波實(shí)現(xiàn)了一種基于機(jī)械掃描方式的被動雷達(dá)測向方法，試驗(yàn)分析驗(yàn)證大大優(yōu)于傳統(tǒng)的起始終止法的測向效果[1-2]。

1 多周期幅度加權(quán)法

在一個(gè)天線周期T0內(nèi)主瓣將獲取輻射源脈沖的一串時(shí)間序列{t1,t2,…,tN}，及其對應(yīng)的輻射源方位信息{A1,A2,…,AN}。由于輻射源天線掃描速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被動探測雷達(dá)的掃描速度，因此在輻射源所在的方位上將截獲一系列連續(xù)或中斷相互出現(xiàn)的輻射源脈沖信息如圖 1 。

圖1 輻射源脈沖截獲時(shí)間與方位幅度圖

從上述截獲時(shí)間軸示意圖可以看出，由于輻射源天線與被動雷達(dá)天線的相互調(diào)制，導(dǎo)致每次截獲到的輻射源的情況呈現(xiàn)出方位上的左、右抖動，簡單地對接收到的輻射源目標(biāo)幅度、方位等進(jìn)行加權(quán)處理很難克服上述調(diào)制引起的測向誤差。

一種最簡單的處理方法是對被動接收機(jī)進(jìn)行衰減，使得信號只能在天線主瓣內(nèi)能被檢測到，以減小偵測天線截獲到目標(biāo)的角度范圍，則可從一定程度上提高測向精度，但該種方法會降低對其他輻射源信號的截獲概率；另一種方法是降低被動雷達(dá)天線的掃描速度，增加對目標(biāo)的截獲次數(shù)，從而起到提高測向精度的目的。本文試圖從處理方法上來提高對目標(biāo)的測向精度[3]。

在天線周期為T0時(shí)，首先利用方位窗對連續(xù)的輻射源(RDW)進(jìn)行合并，合并后的最大幅度稱為包絡(luò)的最大幅度Ampmax(T0，i)，其對應(yīng)的方位稱為包絡(luò)的最大方位Azimax(T0，i)，i=1。當(dāng)相鄰兩個(gè)RDW之間的方位間隔大于一定的門限值，即可以認(rèn)為輻射源已經(jīng)轉(zhuǎn)過被動探測天線的探測范圍，下一時(shí)間段接收到的應(yīng)該為輻射源下一個(gè)天線周期的脈沖，此時(shí)進(jìn)行下一個(gè)天線周期的RDW融合。該包絡(luò)的最大幅度為Ampmax(T0，i)，對應(yīng)的最大方位Azimax(T0，i)，i=2。為了排除可能的干擾，最大幅度取探測雷達(dá)掃過目標(biāo)的平均最大值。

在下一個(gè)天線周期T1下，同理，能得到包絡(luò)的最大幅度為Ampmax(T1，i)和對應(yīng)的最大方位Azimax(T1，i)，i=1,2，…。如果存在副瓣情況，則在掃描范圍關(guān)于目標(biāo)非對稱情況下，可能會計(jì)算有偏差，即目標(biāo)方位會隨著掃描中心的運(yùn)動而“運(yùn)動”，對測向方法不利。在實(shí)現(xiàn)中通過對被動探測雷達(dá)作副瓣抑制，可以讓目標(biāo)的每個(gè)周期的截獲位置在天線主瓣范圍內(nèi)。

理想情況下，如果輻射源目標(biāo)天線不轉(zhuǎn)，在主瓣能全截獲，根據(jù)幅度加權(quán)法能準(zhǔn)確計(jì)算。但由于目標(biāo)天線和被動探測雷達(dá)天線同時(shí)轉(zhuǎn)動，在被動雷達(dá)每個(gè)天線周期內(nèi)的截獲輻射源目標(biāo)的位置將會不同，在天線周期間的截獲位置可能有重疊。而且由于電磁環(huán)境和輻射源功率和遠(yuǎn)近距離等影響，實(shí)際被動雷達(dá)對輻射源截獲情況并不穩(wěn)定，表現(xiàn)在輻射源目標(biāo)功率比較強(qiáng)時(shí)，被動雷達(dá)在天線背瓣處都能接收到目標(biāo)，甚至幅度都可能比較強(qiáng)。數(shù)據(jù)處理軟件比較好的處理方法就是將最近N個(gè)歷史周期的截獲包絡(luò)的最大幅度通過幅度加權(quán)平均。由于幅度用對數(shù)表示時(shí)有正負(fù)之分，為了統(tǒng)一為正數(shù)方便處理，在幅度加權(quán)平均之前，對于最大幅度Ampmax通過下面的公式轉(zhuǎn)換為線性功率處理：

p=bAmpmax/b

其中，p為轉(zhuǎn)換后的最大功率，b=10。本文多周期幅度加權(quán)法公式可以表示如下：

2 α-β延遲濾波

本文對被動探測方位跟蹤算法采用α-β延遲濾波算法。在該算法中，除了對單次測向結(jié)果作平滑濾波，還要彌補(bǔ)多周期幅度加權(quán)法的延遲。從上述多周期幅度加權(quán)法的處理得益來看，參與計(jì)算的歷史周期數(shù)越多越好。然而，由于受截獲概率和目標(biāo)機(jī)動性的影響，要求參與計(jì)算的歷史周期數(shù)應(yīng)該越少越好。這是一對矛盾，本文的歷史周期(包含當(dāng)前周期)N選擇為5。這樣，在機(jī)動情況下，也近似看成是線性變化的，可以與目標(biāo)非機(jī)動情況下同等考慮。該算法方法公式如下：

xm(k)=xm(k-DN(k))+vf(k-1)*DN(k)*T

(1)

xf(k)=(1-α)*xp(k-1)+α*xm(k)

(2)

vf(k)=(1-β)*vf(k-1)+

β*(xm(k)-xp(k-1))/T

(3)

xp(k)=xf(k)+vf(k)*T

(4)

α=2*(2k-1)/(k(k+1))

(5)

β=6/(k(k+1))

(6)

其中，xm(k)為測量值，xf(k)為濾波值，xf(k)為濾波速度，xp(k)為預(yù)測置，T為掃描周期，DN(k)為延遲周期數(shù)，它與歷史截獲情況有關(guān)，通過式(1)得到xm(k)，并參與到α-β濾波中。

在式(1)中，xm(k)的計(jì)算與延遲周期數(shù)DN(k)有關(guān)，設(shè)歷史截獲情況為

H(i)=1 (截獲到目標(biāo))

H(i)=0 (未截獲目標(biāo))

其中i為歷史周期數(shù)，當(dāng)前歷史周期為0，上一個(gè)歷史周期為1，依此類推。其滯后時(shí)間估計(jì)為

表1 中給出了歷史截獲情況與延遲周期數(shù)的關(guān)系。從表1中可見，最小和最大延遲周期數(shù)分別為0和2。

表1 歷史截獲情況與延遲周期數(shù)的關(guān)系表

實(shí)現(xiàn)本文被動測向算法的流程如圖2。

圖2 本文被動測向方法流程圖

3 試驗(yàn)分析

本文通過靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)兩種情況比較本文算法與起始終止法的算法性能差異。靜態(tài)試驗(yàn)主要驗(yàn)證本算法中的多周期幅度加權(quán)法的處理得益；動態(tài)試驗(yàn)主要驗(yàn)證本算法中的α-β延遲濾波的跟蹤延遲。

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

對實(shí)驗(yàn)室條件下采集的模擬天線旋轉(zhuǎn)目標(biāo)進(jìn)行測向分析。信號源參數(shù)為PRI=2 ms，PW=200 μs，等效輻射源功率10 dBm, 真實(shí)方位為47.3°，天線掃描周期為4 s。被動探測系統(tǒng)的天線掃描方式為扇掃，扇掃中心48°，扇掃范圍22.5°，扇掃速度為1°/s。其有效的PDW到達(dá)時(shí)間-方位分布圖如圖3。

圖3 靜態(tài)試驗(yàn)有效的PDW到達(dá)時(shí)間-方位分布圖

圖中，若干周期的截獲起始方位(°)，終止方位(°)，包絡(luò)最大幅度Ampmax(dBm)及其對應(yīng)的方位Azimax(度)如表2。

表2 靜態(tài)試驗(yàn)截獲數(shù)據(jù)

將起始終止法和本文測向算法精度統(tǒng)計(jì)如表3。

表3 靜態(tài)試驗(yàn)精度統(tǒng)計(jì)

3.2 動態(tài)試驗(yàn)

對跑船試驗(yàn)下的輻射源進(jìn)行測向分析。信號源參數(shù)為PRI=2.5 ms，RF=3050 MHz，天線掃描周期為2 s，目標(biāo)從36度運(yùn)動到48度附近。被動探測系統(tǒng)的天線掃描方式為扇掃，扇掃范圍22.5°，扇掃速度為1°/s，扇掃范圍能覆蓋目標(biāo)。其有效的PDW到達(dá)時(shí)間-方位分布圖如圖 4 。

從圖4中可以明顯看出信號源的運(yùn)動變化。為了比較起始終止法的算法性能，同樣列出其中若干周期的截獲起始方位(°)，終止方位(°)，包絡(luò)最大幅度Ampmax(dBm)及其對應(yīng)的方位Azimax(°)如表4。

圖4 動態(tài)試驗(yàn)有效的PDW到達(dá)時(shí)間-方位分布圖

表4 動態(tài)試驗(yàn)截獲數(shù)據(jù)

將起始終止法和本文測向算法精度統(tǒng)計(jì)如表5。

表5 動態(tài)試驗(yàn)精度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)該結(jié)果，通過α-β延遲濾波，本文的測向方法并沒有產(chǎn)生跟蹤延遲，在精度上同樣比起始終止法有很大的提高。

4 結(jié)束語

本文的機(jī)械掃描被動測向方法基于多周期積累的算法思想，主要包含多周期幅度加權(quán)法和α-β延遲濾波兩個(gè)相互承應(yīng)的部分。α-β延遲濾波一方面對多周期幅度加權(quán)法的延遲缺陷作了補(bǔ)償，另一方面完成了多周期幅度加權(quán)法的單次測向結(jié)果做平滑濾波。由于受截獲概率和目標(biāo)機(jī)動性的影響，平滑周期的選擇就有了一定的限制，本文給出了歷史截獲情況與延遲周期數(shù)的關(guān)系。通過試驗(yàn)分析驗(yàn)證了本文的機(jī)械掃描被動測向方法。該算法對目標(biāo)的掃描方式?jīng)]有要求，工程實(shí)現(xiàn)簡便、實(shí)時(shí)、實(shí)用，對準(zhǔn)確估計(jì)輻射源目標(biāo)方位并進(jìn)行高精度跟蹤、海上運(yùn)動目標(biāo)協(xié)同定位，以及提高裝備的戰(zhàn)績水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 呂躍廣,等.電子情報(bào)(ELINT)：雷達(dá)信號截獲與分析[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008.3: 89-128.

[2] 何友，等.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社.2006.1:31-35.

[3] 丁鷺飛，耿富錄．雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.6:200-250.

A mechanically scanned passive direction-finding method based on multi-period accumulation

LU Gang，ZHAO Xin,GUO Lin-lin

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The idea of the multi-period accumulation algorithm mainly includes the multi-period amplitude weighting and the α-β delay filtering. The former improves the processing benefit through the accumulation of the maximum amplitudes of the captured radiant point envelopes in N historical periods, and the latter not only compensates the former's limitation of delay but also completes the smoothing filtering of the single direction-finding result of the former. At the same time, the relationship between the delayed periods caused by the multi-period amplitude weighting and the historical interception is given. Finally, the mechanically scanned passive direction-finding method is verified through the test analysis.

radar; direction finding; multi-period accumulation; amplitude weighting; delay filtering

2014-07-14；

2014-09-08

呂鋼(1981-)，男，工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)處理;趙鑫(1980-)，女，工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)存儲；郭琳琳(1983-)，女，工程師，研究方向：科技情報(bào)、翻譯。

TN957.52

A

1009-0401(2014)04-0042-04