機(jī)掃體制雷達(dá)超視距被動(dòng)測向新方法研究

王西鋒，岳帥英，顧毅君

(1.91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

機(jī)掃體制雷達(dá)超視距被動(dòng)測向新方法研究

王西鋒1，岳帥英2，顧毅君2

(1.91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要：針對機(jī)械掃描體制雷達(dá)被動(dòng)超視距探測，在分析雷達(dá)截獲信號全脈沖能量-空域分布特征的基礎(chǔ)上提出兩種新的測向方法——質(zhì)心法和解方程法。研究了天線調(diào)制、被動(dòng)掃描參數(shù)對測向精度的影響，并在相同條件下比較了這兩種方法與傳統(tǒng)方法的精度。仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提兩種方法比傳統(tǒng)方法具有更高的測向精度，截獲次數(shù)較少時(shí)使用解方程法，截獲次數(shù)足夠多時(shí)優(yōu)先使用質(zhì)心法。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)超視距雷達(dá)；高精度測向；方位-功率質(zhì)心法；解方程法

0引言

輻射源定位在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中具有特殊的重要意義，而高精度的測向?qū)檩椛湓炊ㄎ惶峁┯辛σ罁?jù)。各種高精度的測向方法及其應(yīng)用一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-5]。對于機(jī)械掃描體制對海超視距被動(dòng)探測雷達(dá)來說，測向精度受到多種因素的影響：雙方天線調(diào)制、對流層散射損耗起伏、被動(dòng)接收主天線副瓣接收信號、兩個(gè)方位靠近的輻射源目標(biāo)分選失敗、被動(dòng)探測系統(tǒng)信道化處理產(chǎn)生的虛假信號都會(huì)導(dǎo)致測向誤差。其中，提高測向精度的關(guān)鍵任務(wù)是消除雙方天線調(diào)制帶來的誤差。傳統(tǒng)的方法有最大信號法、起止中間時(shí)刻法等。這些方法的測向誤差可能會(huì)隨著天線調(diào)制而劇烈起伏，并且容易受到瞬時(shí)干擾的影響。這顯然不利于工程化應(yīng)用。

在分析雷達(dá)截獲的輻射源脈沖信號的能量-空間分布特征及其形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，本文提出了兩種新的測向方法，即有效利用脈沖能量-空間信息的質(zhì)心法和利用被動(dòng)天線方向圖形狀先驗(yàn)信息的解方程測向法，分析其測向精度對敵我雙方天線調(diào)制、被動(dòng)掃描參數(shù)的依賴關(guān)系。在相同條件下將上述兩種方法與常規(guī)的起止中間時(shí)刻法、最大信號法的單周期測向精度進(jìn)行比較，分析測向精度優(yōu)劣的原因，為工程實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。

1測向原理分析與方法設(shè)計(jì)

1.1　天線調(diào)制與輻射源信號截獲

假設(shè)輻射源頻率在被動(dòng)探測頻段范圍內(nèi)、方位在被動(dòng)探測范圍內(nèi)，功率滿足截獲條件，使用窗函數(shù)描述時(shí)域天線調(diào)制和信號截獲[1,3]，如圖1所示。定義輻射源天線方向圖主波束3 dB寬度與掃描速率之比為照射窗，定義截獲輻射源信號的被動(dòng)天線主波束寬度與掃描速率之比為截獲窗。圖1(a)設(shè)被動(dòng)天線掃描中心為θc，掃描范圍θR，掃描速率ωTr,截獲輻射源信號的被動(dòng)天線波束寬度△θb，輻射源真實(shí)方位θ0，天線掃描速率ωe。根據(jù)發(fā)射功率、傳輸損耗、接收機(jī)放大系數(shù)、接收機(jī)門限、輻射源天線瞬時(shí)增益、被動(dòng)天線瞬時(shí)增益等參量，由單程雷達(dá)方程可求得△θb。圖1(b)顯示了某輻射源照射窗、被動(dòng)超視距雷達(dá)扇掃截獲窗。其中，ωe=90°/s，θR=22.5°，ωTr=1°/s ，t=0時(shí)刻，雙方天線同時(shí)指向?qū)Ψ?。則照射窗寬τe=0.55 s,窗周期Te=4 s，第一窗位(窗中心)te(1)=0；截獲窗寬τTr=10 s,窗周期2TTr=45 s，第一窗位tTr(1)=0。在照射窗與截獲窗出現(xiàn)重疊的地方發(fā)生截獲，圖中一個(gè)被動(dòng)掃描周期能夠截獲輻射源目標(biāo)2～3次。

輻射源功率、傳輸距離、雙方天線起始指向、掃描周期、被動(dòng)天線掃描中心、被動(dòng)探測雷達(dá)天線扇掃邊界時(shí)間延遲等因素的綜合作用導(dǎo)致了特定的天線調(diào)制。當(dāng)輻射源功率或者傳輸距離改變時(shí)，截獲窗寬將變大或者變小。當(dāng)任何一方的天線起始指向或者掃描周期、被動(dòng)掃描改變時(shí)，照射窗和截獲窗的窗位將改變。

雷達(dá)信號處理分機(jī)對截獲成功的輻射源脈沖信號進(jìn)行信道化、過門限檢測、脈沖參數(shù)測量等處理，輸出脈沖描述字(PDW)數(shù)據(jù)到雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分機(jī)進(jìn)行分選、測向等。

(a) 被動(dòng)探測天線掃描　　　　　　 (b) 某照射窗與截獲窗

1.2　截獲信號的能量-空間分布特征

機(jī)掃體制超視距被動(dòng)探測過程中，輻射源天線輻射的電磁波經(jīng)過大氣傳輸(包括對流層散射)達(dá)到被動(dòng)探測雷達(dá)天線陣面，經(jīng)過被動(dòng)天線增益放大。在方位向，在不考慮對流層散射損耗起伏對被動(dòng)測向的影響、被動(dòng)探測雷達(dá)完成副瓣抑制的條件下，截獲的輻射源電磁脈沖的能量-空間(截獲時(shí)的雷達(dá)天線指向)分布特征主要與雙方天線方向圖有關(guān)。如圖2所示，假設(shè)單個(gè)被動(dòng)掃描周期截獲輻射源信號兩次(兩個(gè)輻射源天線周期)以上。理想情況下，單次截獲的脈沖信號的幅度與方位分布符合目標(biāo)天線方向圖包絡(luò)，多次截獲的脈沖信號的峰值幅度與方位分布符合被動(dòng)天線方向圖包絡(luò)。

在不考慮對流層散射起伏、被動(dòng)探測系統(tǒng)完成副瓣抑制的條件下，截獲信號的空間-時(shí)間分布特征以被動(dòng)往返掃描周期2TTr與輻射源天線周期Te的最小公倍數(shù)為周期重復(fù)，截獲位置固定在幾個(gè)角度，并在這個(gè)重復(fù)周期內(nèi)、在被動(dòng)掃描周期間逐漸變化。當(dāng)2TTr是Te的倍數(shù)，截獲的位置最集中；當(dāng)2TTr與Te互質(zhì)時(shí)，截獲位置在被動(dòng)掃描周期之間發(fā)生變化，可能有許多周期沒有截獲到信號。當(dāng)改變天線調(diào)制，截獲輻射源脈沖信號的時(shí)間-空間位置(角度)將發(fā)生改變，即圖2中的脈沖串在包絡(luò)曲線上的位置改變。

圖2　截獲輻射源信號的能量-空間分布

1.3　兩種測向方法

利用上述截獲信號的功率-空間分布規(guī)律，可以測量輻射源方位。本文提出兩種測向方法：

(1) 質(zhì)心法

原理與最大信號法相似，但增加了有效信息量，具體如下：

被動(dòng)探測輸出的PDW方位數(shù)據(jù)為截獲發(fā)生時(shí)被動(dòng)天線主波束指向。信號幅度大的PDW數(shù)據(jù)截獲位置更加靠近波束中心，所包含的天線調(diào)制帶來的測角誤差更小。

(1)

式中PAi、θi表示第i個(gè)截獲脈沖PDW的功率、方位。

(2) 解方程法

分析表明截獲峰值PDW的方位-幅度分布接近圖2中虛線包絡(luò)，而該包絡(luò)曲線頂點(diǎn)即為輻射源真實(shí)方位。為便于工程計(jì)算，采用高斯函數(shù)近似描述單程雷達(dá)天線電壓幅度方向圖[4]為

(2)

考慮輻射源天線增益影響以后，被動(dòng)探測雷達(dá)單個(gè)被動(dòng)掃描周期內(nèi)截獲信號的功率(取對數(shù)后)可表示為

(3)

式中，t為時(shí)間，θ0、θ(t)、θ0.5分別為輻射源真實(shí)方位、截獲輻射源信號時(shí)被動(dòng)探測天線指向、被動(dòng)探測天線半功率點(diǎn)波束寬度，C為包含輻射源發(fā)射功率、發(fā)射天線最大增益、傳輸過程中的各種損耗、接收天線增益等的綜合項(xiàng)，X為C取對數(shù)前的結(jié)果。

設(shè)兩次截獲的PDW峰的方位、功率數(shù)據(jù)為(θ1,PA1),(θ2,PA2),已知當(dāng)前頻段被動(dòng)接收天線半功率點(diǎn)波束寬度θ0.5，解方程組即可以得到輻射源真實(shí)方位。

2仿真驗(yàn)證

2.1　天線調(diào)制的關(guān)系對測向精度的影響

根據(jù)上文分析結(jié)果，測向精度可能受到天線調(diào)制影響。假設(shè)輻射源平臺不運(yùn)動(dòng)，不考慮對流層散射起伏，被動(dòng)探測系統(tǒng)副瓣抑制效果良好、系統(tǒng)誤差已校正。

假設(shè)輻射源平臺不運(yùn)動(dòng)，輻射源θ0=23°，ωe=90°/s，Te=4s；被動(dòng)探測系統(tǒng)作扇掃，θc= 21°，θR=22.5°，ωTr=1°/s，2TTr=45s，△θb=6.58°。被動(dòng)天線起始指向輻射源方位(23°)，輻射源天線起始指向0°~360°。通過簡單計(jì)算可知，單個(gè)被動(dòng)掃描周期截獲目標(biāo)最多2次。每個(gè)角度仿真30個(gè)被動(dòng)掃描周期，統(tǒng)計(jì)測向均方根誤差。結(jié)果如下。

圖3　測向精度對輻射源天線起始指向的依賴關(guān)系

圖3表明：(1)解方程法測向精度明顯高于質(zhì)心法，并都高于傳統(tǒng)的起止中間時(shí)刻法、最大信號法；(2)在滿足截獲兩次以上的條件下，質(zhì)心法測向精度隨天線調(diào)制變化而變化，解方程法則相對平穩(wěn)，其他兩種方法變化劇烈。分析其原因?yàn)椋浩鹬怪虚g時(shí)刻法完全依賴PDW的角度范圍，信息量小，且易受天線調(diào)制影響；最大信號法雖然利用了幅度越大的PDW截獲位置靠近主波束指向、其方位誤差越小的優(yōu)勢，但幅度峰值的位置仍然隨天線調(diào)制敏感變化；而質(zhì)心法利用了全脈沖能量-空間信息，涵蓋了幅度權(quán)重和截獲角度范圍兩重特征，基本能反應(yīng)輻射源真實(shí)位置的影響；解方程原則上不依賴于具體的截獲位置，只與曲線頂點(diǎn)位置有關(guān)。

此外，仿真研究表明，在被動(dòng)方向圖曲線近似合理的條件下，隨著單個(gè)被動(dòng)掃描周期截獲次數(shù)增多，解方程法的測向精度則基本變化不大；而質(zhì)心法的測向精度將隨截獲次數(shù)增多明顯提高、隨天線調(diào)制抖動(dòng)幅度下降。截獲達(dá)到3次后，質(zhì)心法測向精度平均值將高于解方程法。這兩種方法的精度都高于最大信號法、起止中間時(shí)刻法。

2.2　被動(dòng)掃描中心、掃描范圍對測向精度的影響

假設(shè)輻射源一定在被動(dòng)掃描范圍內(nèi)，截獲窗寬足夠大(14°)，單周期截獲最少3次，在以下條件進(jìn)行仿真，考察測向精度：(1)改變被動(dòng)掃描中心，其他參數(shù)不變；(2)改變被動(dòng)掃描范圍，其他參數(shù)不變。結(jié)果見圖4、圖5。圖5中，掃描范圍為20°，目標(biāo)位于23°。

圖4　被動(dòng)掃描中心對測向精度對的影響

圖5　被動(dòng)掃描范圍對測向精度對的影響

圖4、圖5表明：在掃描中心偏離輻射源真實(shí)方位的條件下，掃描范圍大于截獲角度范圍時(shí)測向誤差基本不受被動(dòng)掃描范圍、掃描中心影響，掃描范圍小于截獲角度范圍時(shí)測向誤差迅速增大。因此，建議在輻射源信號功率很強(qiáng)時(shí)，將掃描范圍設(shè)置到不小于可截獲信號波束寬度的3倍，能夠避免截獲輻射源角度范圍超出掃描范圍帶來的精度下降。

3結(jié)束語

通過分析天線調(diào)制對機(jī)械掃描體制超視距被動(dòng)探測雷達(dá)截獲信號的能量、空域分布規(guī)律的影響機(jī)理，本文提出了兩種測向方法，仿真研究了其測向精度及其受天線調(diào)制和被動(dòng)掃描參數(shù)的影響。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的最大信號法、起止中間時(shí)刻法相比，質(zhì)心法測向精度略有改善，但它同樣隨著天線調(diào)制變化而起伏；在被動(dòng)天線方向圖曲線近似合理的條件下，解方程法則能夠顯著提高測向精度，并且測向精度幾乎不受天線調(diào)制影響。隨著單周期截獲次數(shù)的增加，質(zhì)心法的精度將優(yōu)于解方程法。因此，建議在工程應(yīng)用時(shí)，截獲次數(shù)較少時(shí)使用解方程法，截獲次數(shù)超過3次以上時(shí)可使用質(zhì)心法。

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A new passive OTH direction-finding method for

mechanically scanned radar

WANG Xi-feng1, YUE Shuai-ying2, GU Yi-jun2

(1. Unit 91404 of the PLA Navy, Qinhuangdao 066001, China;

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

Abstract:In view of the passive OTH detection for the mechanically scanned radar, based on the analysis of the full pulse energy-spatial distribution rule of passive radar signals, two new direction-finding methods are proposed, namely the centroid method and the method of solving equation. The effects of the antenna modulation and the passive scanning parameters on the direction-finding precision are studied, and the two methods and the conventional methods are compared in precision under the same condition. The simulation results indicate that the two methods are superior to the conventional methods in the direction-finding precision. The method of solving equation is used if the signals are intercepted less frequently, while the centroid method has priority if the signals are intercepted more frequently.

Keywords:passive OTH radar; high-precision direction finding; azimuth-power centroid method; method of solving equation

中圖分類號：TN953.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-0401(2015)04-0011-04

作者簡介:王西鋒(1978-)，男，2000年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，工程師，研究方向：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與分析；岳帥英(1982-)，女，高級工程師，博士，研究方向：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；顧毅君(1985-)，女，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)工程。

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-07-02