高重頻雷達(dá)導(dǎo)引頭變PRF抗遮擋方法設(shè)計(jì)

何華兵，李文龍，楊士義

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009;

2.駐中國空空導(dǎo)彈研究院軍代表室，河南 洛陽 471009)

高重頻PD雷達(dá)主動導(dǎo)引頭采用高重頻脈沖波形跟蹤目標(biāo)，以確保彈目相對速度測量不模糊和大范圍無雜波區(qū)，同時(shí)導(dǎo)引頭發(fā)射脈沖存在一定的寬度，當(dāng)目標(biāo)回波到達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)時(shí)正值發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖期間，由于接收機(jī)關(guān)閉而不能收到目標(biāo)回波信號，將導(dǎo)致遮擋問題。遮擋問題是由高重頻PD雷達(dá)自身體制所造成的，雷達(dá)要對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，就必須消除或在某種程度上補(bǔ)償它［1，2］。對于能精確測量距離的導(dǎo)引頭，可以根據(jù)彈目距離選擇合適的重頻使目標(biāo)回波處于透明區(qū)，但對于測距模糊的高重頻雷達(dá)導(dǎo)引頭，則無法直接利用測得的目標(biāo)距離信息抗遮擋;文獻(xiàn)［3］在單PRF情況下，采用“記憶”跟蹤方法解決遮擋問題，優(yōu)點(diǎn)是采用軟件進(jìn)行補(bǔ)償，不需要增加額外的硬件開銷，但是該方法需要對目標(biāo)的加速度有較為精確的預(yù)測，在遮擋周期較長或目標(biāo)機(jī)動的情況下，影響跟蹤精度，甚至面臨目標(biāo)丟失的風(fēng)險(xiǎn)［4］?；诖耍疚奶岢鲆环N穩(wěn)健的變PRF抗遮擋方法，使不能測距的高重頻PD雷達(dá)導(dǎo)引頭具備抗遮擋能力。

1 遮擋現(xiàn)象分析

圖1所示為目標(biāo)回波遮擋示意圖，定義發(fā)射脈沖和接收選通脈沖均在高電平時(shí)有效。

圖1 目標(biāo)回波遮擋示意圖

其中τ為發(fā)射脈沖寬度，τr為接收機(jī)選通脈沖寬度，T為脈沖重復(fù)周期，t1、t2分別為發(fā)射脈沖前沿和后沿保護(hù)延遲，具體延遲數(shù)值與接收路PIN開關(guān)控制特性相關(guān)，需要在調(diào)試中調(diào)整。

以第一個(gè)發(fā)射脈沖的前沿為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，目標(biāo)回波的位置為

其中:R為彈目距離;c為光速。結(jié)合圖1可知，隨著彈目距離的接近，R逐漸減小，則目標(biāo)回波將周期性地進(jìn)出遮擋區(qū)和透明區(qū)，即回波信號陸續(xù)進(jìn)入“透明區(qū)－半透明區(qū)－遮擋區(qū)－半透明區(qū)－透明區(qū)”，遮擋周期為Te=(c/(2v))T。出于工程應(yīng)用的簡化考慮，將這一過程分為:“透明區(qū)”和“遮擋區(qū)”。

2 抗遮擋方案

通過改變PRF，可以保證在整個(gè)檢測的距離內(nèi)至少有一個(gè)PRF不被遮擋［5］，基于此，本文提出一種變PRF抗遮擋方法，通過對限定頻率范圍內(nèi)的PRF進(jìn)行分析，根據(jù)優(yōu)選策略確定一組PRF，針對載機(jī)能否提供較精確的初始裝訂距離，分別設(shè)計(jì)不同的PRF切換方式，由導(dǎo)引頭軟件控制優(yōu)選PRF按照不同的方式切換工作，完成抗遮擋任務(wù)。

2.1 PRF 優(yōu)選策略

由圖1可知，目標(biāo)處于透明區(qū)的條件

其中:mod為求余運(yùn)算;保護(hù)延遲t1、t2分別取值175 ns、50 ns。本文提出的PRF優(yōu)選策略流程如圖2所示。

圖2 PRF優(yōu)選流程

2.1.1 確定重頻范圍

為了保證導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)無模糊測速，及前半球攻擊時(shí)不受地雜波的影響，所選取重頻的最小值 frmin應(yīng)滿足式(4)［6］

其中，fTmax=2VTmax/λ為目標(biāo)多普勒頻移最大值，fMmax=2VMmax/λ為旁瓣雜波多普勒頻移最大值，VTmax、VMmax分別為目標(biāo)、導(dǎo)彈速度最大值，λ為工作波長;發(fā)射波形的重頻最大值frmax為發(fā)射機(jī)最高調(diào)制頻率;

在frmin至frmax的頻率范圍內(nèi)，確定n個(gè)候選重頻fr1～frn;由于重頻是由導(dǎo)引頭晶振頻率分頻得到的，所以候選重頻應(yīng)是導(dǎo)引頭晶振頻率的整數(shù)分頻。

為了防止重頻的高次諧波形成假信號，應(yīng)保證不使其高次諧波落入接受機(jī)帶內(nèi)，對于接收機(jī)中心頻率FC，帶寬Bf，當(dāng)頻率frb落入中心頻率左右一半帶寬內(nèi)，即

則放棄該頻率，否則將該頻率作為一個(gè)候選重頻 fri(i=1，2，…，n)，其中k為任意整數(shù);直到確定n個(gè)候選重頻為止。

2.1.2 建立候選重頻組

根據(jù)導(dǎo)引頭信號交換周期考慮重頻組應(yīng)包含的重頻個(gè)數(shù)，一般應(yīng)選取3～5個(gè)重頻作為一個(gè)重頻組，為此從上述n個(gè)候選重頻中任意抽取5個(gè)組成一個(gè)候選重頻組，則共有個(gè)候選重頻組。

2.1.3 確定最優(yōu)重頻組

根據(jù)重頻的遮擋性能確定最優(yōu)重頻組，統(tǒng)計(jì)候選重頻組Fi(i=1，2，…，)的遮擋性能。彈目距離R=1～25 km以步長α=10 m變化，若在某一彈目距離點(diǎn)上，F(xiàn)i中的一個(gè)候選重頻滿足式(3)，則表明該候選重頻在這一彈目距離點(diǎn)上使目標(biāo)回波處于透明區(qū)，定義該候選重頻的遮擋性能為0;否則該候選重頻使目標(biāo)回波處于遮擋區(qū)，定義其遮擋性能為1。這樣就得到一個(gè)以0或1為值的1×2 400的數(shù)組，該數(shù)組表征該候選重頻的遮擋性能;分別統(tǒng)計(jì)該重頻組Fi中的5個(gè)重頻的遮擋性能后，將5個(gè)1×2 400數(shù)組相加，得到的和數(shù)組即表征該候選重頻組Fi的遮擋性能;若和數(shù)組中的某個(gè)數(shù)值為5，則表明在某個(gè)距離點(diǎn)上，該組的候選重頻使得目標(biāo)回波一直處于遮擋區(qū);統(tǒng)計(jì)該和數(shù)組中數(shù)值為5的個(gè)數(shù)，記錄為Xi，則Xi的大小代表了目標(biāo)回波一直處于遮擋區(qū)的距離點(diǎn)個(gè)數(shù)。

對比所有候選重頻組Xi值，將最小的Xi值所對應(yīng)的候選重頻組確定為最優(yōu)重頻組，得到對應(yīng)的重頻fr1～fr5。

2.2 PRF 切換方法

PRF切換方法總的來說有兩類［7］，循環(huán)依次切換PRF，根據(jù)彈目距離信息進(jìn)行適時(shí)切換。

一般是按照一定的幀周期間隔順序循環(huán)切換，這樣，至少有一個(gè)PRF不被遮擋，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，但由于其隨機(jī)，以及各個(gè)PRF遮擋距離的非周期性，無法完全回避遮擋，且會使信噪比下降，增大漏檢概率，切換頻繁的情況下容易使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

因此，可以連續(xù)檢測回波信號電平，當(dāng)判斷為進(jìn)入遮擋區(qū)則切換PRF，判斷是否進(jìn)入遮擋區(qū)的方法:對半個(gè)遮擋周期內(nèi)的回波信號強(qiáng)度過門限情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若檢測信號強(qiáng)度未過門限3次及以上，則認(rèn)為目標(biāo)進(jìn)入遮擋區(qū)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，維持該P(yáng)RF半個(gè)遮擋周期，然后切換至下一個(gè)PRF;若檢測信號強(qiáng)度過門限5次及以上，則認(rèn)為目標(biāo)進(jìn)入透明區(qū)，保持當(dāng)前PRF。

可以利用彈目距離信息準(zhǔn)確計(jì)算出信號是否處于遮擋區(qū)，在遮擋發(fā)生前切換PRF，關(guān)鍵在于如何計(jì)算彈目距離信息。對于高重頻導(dǎo)引頭，可以較精確地測得目標(biāo)速度，因此，若載機(jī)能提供較精確的初始裝訂距離，則可以在截獲后通過對彈目距離的徑向速度積分來獲得彈目距離信息，如式(5)

R0為載機(jī)提供的初始裝訂距離，每幀更新，fd為最新的回波多普勒速度測量值，每幀更新，若當(dāng)前幀沒有截獲目標(biāo)，則由前一幀的速度測量值外推當(dāng)前幀的速度值。

計(jì)算出彈目距離R后，可根據(jù)式(3)算出無遮擋的PRF，并切換至該P(yáng)RF工作。

當(dāng)載機(jī)能提供較精確的初始裝訂距離R0時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用方法2)，但是如果載機(jī)受到干擾而不能提供精確的初始裝訂距離，則應(yīng)使用方法1)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

首先，根據(jù)PRF優(yōu)選策略確定一組PRF。

1)確定重頻范圍。已知參數(shù) VTmax=3 Ma，VMmax=4.5 Ma，λ =1.7 cm，則由式(4)計(jì)算得重頻最小值 frmin=480 kHz;重頻的最大值frmax=550 kHz;

2)確定n個(gè)候選重頻。在frmin至frmax的頻率范圍內(nèi)，確定滿足2.1)和2.2)的重頻有22個(gè)，部分如下:

3)建立候選重頻組。從上述22個(gè)候選重頻中任意抽取5個(gè)組成一個(gè)候選重復(fù)頻率組，則共組成C522=26 334個(gè)候選重頻組;

4)確定重頻組。由式(3)分別統(tǒng)計(jì)重頻組Fi(i=1，2，…，26 334)的遮擋性能，確定重頻組為

然后，選擇合適的重頻切換方式切換確定的5個(gè)重頻，當(dāng)載機(jī)能提供較精確的初始裝訂距離時(shí)，計(jì)算出彈目距離信息并判斷信號是否處于遮擋區(qū)，在遮擋發(fā)生前切換PRF;當(dāng)載機(jī)受到干擾而不能提供精確的初始裝訂距離，則應(yīng)按照一定的幀周期間隔順序循環(huán)切換。

在試驗(yàn)室內(nèi)通過觀測接收機(jī)回波檢波電壓可知導(dǎo)引頭抗遮擋效果，若檢波電壓值在0 V附近表明回波處于遮擋區(qū)，大于1 V表明回波處于透明區(qū)，圖3、圖4分別為采用變PRF抗遮擋方法前后檢波電壓的值。

由圖3、圖4可知，在導(dǎo)引頭工作時(shí)間內(nèi)，采用本文方法前目標(biāo)周期性的進(jìn)入遮擋區(qū)和透明區(qū)，采用本文方法后檢波電壓值穩(wěn)定處于1.6 V附近，達(dá)到了抗遮擋的目的。

圖3 采用本文方法前檢波電壓值

4 結(jié)論

本文提出了一種變PRF抗遮擋方法，該方法使得測距模糊的高重頻PD雷達(dá)導(dǎo)引頭具備抗遮擋能力，提高了導(dǎo)引頭對目標(biāo)的檢測性能和跟蹤能力。試驗(yàn)表明:提出的方法具有較好的抗遮擋性能。進(jìn)一步研究需注意解決PRF轉(zhuǎn)換時(shí)可能引起的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的問題。

［1］ 董勝波，張文濤，張曉峰，等.脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭遮擋問題解決方法研究［J］.宇航計(jì)測技術(shù)，2008，28(3):1－4.

［2］ 吳兆欣，洪信鎮(zhèn)，李德純，等.空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［3］ 陳付彬，孫洪忠，張軍.記憶跟蹤在HPRF-PD雷達(dá)中抗距離遮擋的應(yīng)用［J］.制導(dǎo)與引信，2008，29(3):42 －47.

［4］ 沈康.PD雷達(dá)系統(tǒng)中“遮擋”問題的分析及處理［J］.航空兵器，2006(1):38－40.

［5］ 王瑩，蘇宏艷，朱淮成，等.HPRFPD末制導(dǎo)雷達(dá)抗遮擋方法設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2010(S1):631－634.

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(責(zé)任編輯楊繼森)