雷達(dá)捷變頻技術(shù)對(duì)干擾源定位的方法研究*

魏永峰

(91404部隊(duì)92分隊(duì) 秦皇島 066000)

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雷達(dá)捷變頻技術(shù)對(duì)干擾源定位的方法研究*

魏永峰

(91404部隊(duì)92分隊(duì) 秦皇島 066000)

針對(duì)新體制具有回波信號(hào)數(shù)字化顯示處理的警戒雷達(dá),利用雷達(dá)捷變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)干擾源進(jìn)行低精度定位。采用灰度質(zhì)心法計(jì)算雷達(dá)干擾源位置、并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差分析,為實(shí)時(shí)跟蹤定位運(yùn)動(dòng)干擾源位置的可行性提供方法。該方法有利于實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)快速判研和對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)抗態(tài)勢(shì)的全局掌握,是一種有效的雷達(dá)輔助探測(cè)功能。

捷變頻; 干擾; 灰度質(zhì)心法; 警戒雷達(dá)

Class Number TN95

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,警戒雷達(dá)遭遇最嚴(yán)重的威脅來自有源干擾。由于威脅目標(biāo)的雷達(dá)回波可能被掩蓋在干擾雜波中,導(dǎo)致指揮系統(tǒng)不能確定空空或空海導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)機(jī),無法引導(dǎo)飛機(jī)在安全距離上完成攻擊任務(wù)。為了打擊和摧毀干擾輻射源,輻射源定位技術(shù)伴隨雷達(dá)電子對(duì)抗產(chǎn)生。輻射源定位技術(shù)最基本的定位方法是平面定位法和空間定位法,根據(jù)定位條件的不同,又可分為單點(diǎn)定位和多點(diǎn)定位。單點(diǎn)定位有飛越目標(biāo)定位法、方位/仰角定位法,多點(diǎn)定位有測(cè)向交叉定位法、多重采樣相關(guān)定位法等[1～5]。本文提出的基于灰度質(zhì)心法的雷達(dá)捷變頻技術(shù)干擾源定位方法屬于單點(diǎn)定位法。利用雷達(dá)捷變頻技術(shù),采用灰度質(zhì)心算法對(duì)干擾源進(jìn)行定位,即可掌握對(duì)方干擾掩護(hù)的方位,又可實(shí)現(xiàn)為飛機(jī)提供干擾源打擊的概略引導(dǎo)信息。

2 定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原理及條件

2.1 實(shí)現(xiàn)條件

基于灰度質(zhì)心法的雷達(dá)捷變頻技術(shù)干擾源定位方法需要在特定的條件下完成。

1) 雷達(dá)具有超低副瓣或副瓣抑制能力,且干擾機(jī)與雷達(dá)有一定的距離;

2) 雷達(dá)具有捷變頻功能,且干擾信號(hào)基于頻率瞄準(zhǔn)或儲(chǔ)頻轉(zhuǎn)發(fā)式;

3) 雷達(dá)具有數(shù)字化信號(hào)處理顯示功能。

超低副瓣的雷達(dá)天線設(shè)計(jì)技術(shù)不僅可以聚焦輻射功率,增大雷達(dá)的探測(cè)距離,也可以有效避免干擾信號(hào)從雷達(dá)的副瓣進(jìn)入,提高雷達(dá)的抗干擾能力。這種技術(shù)迫使干擾信號(hào)僅能從雷達(dá)主瓣進(jìn)入,見圖1(a),從而使干擾信號(hào)攜帶了方向信息,為干擾源定位提供了基礎(chǔ)條件。

捷變頻是一種抗干擾技術(shù),即雷達(dá)快速改變射頻頻率,以迫使遠(yuǎn)距離干擾機(jī)和威脅目標(biāo)自帶的干擾機(jī)分散其現(xiàn)有的干擾功率,來覆蓋增寬了的射頻帶寬。如果遠(yuǎn)距離干擾機(jī)堅(jiān)持采用窄帶瞄頻或數(shù)字儲(chǔ)頻轉(zhuǎn)發(fā)方式產(chǎn)生干擾信號(hào),干擾信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)就存在一個(gè)延遲時(shí)間,這個(gè)延遲由干擾機(jī)與雷達(dá)之間的雙程信號(hào)傳輸距離、干擾機(jī)偵察測(cè)頻處理時(shí)間、干擾機(jī)內(nèi)部射頻線長(zhǎng)度等因素決定。脈間或脈組高速捷變頻技術(shù)恰好利用了這個(gè)延遲,其高速的頻率跳變使遠(yuǎn)距離干擾機(jī)無法緊隨雷達(dá)信號(hào)實(shí)施干擾,造成相同頻率的干擾信號(hào)在干擾機(jī)與雷達(dá)距離之內(nèi)傳播滯后于雷達(dá)回波,此距離內(nèi)的雷達(dá)回波處理未受到干擾,形成如圖1(c)的效果[6～7]。

雷達(dá)數(shù)字化顯示處理使干擾雜波與目標(biāo)回波以點(diǎn)跡形式在雷達(dá)顯示,有利于對(duì)干擾源位置的數(shù)據(jù)采集,減少誤差,如圖1(b)、1(c)。

圖1 雷達(dá)數(shù)字化顯示及采取捷變頻效果圖

2.2 實(shí)現(xiàn)原理

在真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)條件中,當(dāng)雷達(dá)與干擾機(jī)距離較遠(yuǎn)時(shí),大多數(shù)情況,干擾能量?jī)H能從雷達(dá)的主瓣和第一副瓣進(jìn)入,并在雷達(dá)顯示器上形成主瓣式條狀干擾扇區(qū)。如果雷達(dá)采用捷變頻抗干擾手段有效,往往可以消弱干擾的能量,并能去除干擾機(jī)與雷達(dá)之間的干擾亮區(qū)。這時(shí),可以清晰觀測(cè)干擾亮區(qū)的起始位置,在經(jīng)過十幾個(gè)掃描周期的采樣后,可構(gòu)畫出干擾機(jī)位置分布圖,之后使用定位算法可計(jì)算出干擾機(jī)位置。如果針對(duì)一部雷達(dá)進(jìn)行多次干擾源定位誤差校準(zhǔn),可進(jìn)一步縮小結(jié)果誤差,減少計(jì)算所需的數(shù)據(jù)采集樣本,達(dá)成對(duì)運(yùn)動(dòng)干擾源的準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位[8～10]。過程原理如圖2所示。

圖2 定位方法實(shí)現(xiàn)的過程原理示意圖

3 定位技術(shù)方法

采用灰度質(zhì)心算法的雷達(dá)捷變頻技術(shù)對(duì)干擾源進(jìn)行定位方法[11],是一種以灰度為權(quán)值的加權(quán)型心法,干擾點(diǎn)分布數(shù)據(jù)為I(i,j,p),以I(i,j,p)數(shù)據(jù)為坐標(biāo)點(diǎn)重構(gòu)圖像矩陣W(i,j,p),分布圖像的質(zhì)心S(x0,y0,z0)為

(1)

(2)

(3)

其中W(i,j,p)為權(quán)值,灰度值為0/1,0代表無數(shù)據(jù),1代表有數(shù)據(jù)。由于干擾點(diǎn)的測(cè)量受到每個(gè)掃描周期雷達(dá)回波處理差異的影響,副瓣干擾形成的數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)成為質(zhì)心計(jì)算的偏離點(diǎn),因此在進(jìn)行計(jì)算前應(yīng)設(shè)定取值閾值。L為劃分分布區(qū)域的閾值。

(4)

干擾源位置以干擾噪點(diǎn)的起始點(diǎn)為準(zhǔn),數(shù)量N=n×T/t,其中T為采集區(qū)間的時(shí)間長(zhǎng)度,t為雷達(dá)天線的掃描周期,n為每個(gè)周期干擾源數(shù)量。例如,圖2(c)是雷達(dá)的某次掃描圖像,圖上有n=6個(gè)干擾源位置點(diǎn)。表1中列出了數(shù)據(jù)的部分樣本。為了便于計(jì)算,數(shù)據(jù)由經(jīng)緯度值轉(zhuǎn)換為X/Y坐標(biāo)系,由于無高度信息,Z坐標(biāo)省略。

根據(jù)式(1)、式(2),計(jì)算并畫出干擾機(jī)位置,效果如圖3所示,式(1)得到數(shù)據(jù)在X軸投影的質(zhì)心,式(2)得到數(shù)據(jù)在Y軸投影的質(zhì)心。由于數(shù)據(jù)分布集中在兩個(gè)位置,在計(jì)算之前應(yīng)劃分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)域1、區(qū)域2,并且利用式(4)剔除偏離點(diǎn),這樣就能在圖中得到兩個(gè)質(zhì)心S1(1645.83,1014.9),S2(1142.67,1262.6),以”+”表示;干擾機(jī)真實(shí)位置R1=(1608,1107),R2=(1104,1401),以“*”表示。

圖3 干擾點(diǎn)采樣位置分布圖

4 定位結(jié)果分析

根據(jù)圖3所示,比例尺為1∶91.86(單位:m),區(qū)域1的質(zhì)心距離實(shí)際點(diǎn)9146.41m,區(qū)域2的質(zhì)心距離實(shí)際點(diǎn)13200.68m。由于無校準(zhǔn)的定位誤差較大,需要進(jìn)行進(jìn)一步處理才能獲得理想結(jié)果[12～13]。

4.1 隨機(jī)誤差

采樣點(diǎn)相對(duì)質(zhì)心的分布趨勢(shì)表現(xiàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性,圖4、圖5顯示了位置數(shù)據(jù)的均值和波動(dòng),經(jīng)計(jì)算,區(qū)域1數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為7.95km,區(qū)域2的標(biāo)準(zhǔn)差為10.09km。

圖4 區(qū)域1采樣點(diǎn)較質(zhì)心離散情況

圖5 區(qū)域2采樣點(diǎn)較質(zhì)心離散情況

圖3中,區(qū)域1、區(qū)域2采樣點(diǎn)集中分布于區(qū)域底部,構(gòu)成較明顯的集中區(qū),其它分散點(diǎn)采樣來自于副瓣干擾,在質(zhì)心閾值設(shè)置時(shí)可以剔除;區(qū)域2中形成了兩個(gè)集中區(qū),從雷達(dá)屏幕觀察上部集中區(qū)可能是副瓣干擾,在采樣時(shí)可以濾除上部的集中區(qū)域。經(jīng)過閾值優(yōu)化設(shè)置后,隨機(jī)誤差得到降低,如圖6所示。

圖6 經(jīng)閾值優(yōu)化設(shè)置后質(zhì)心計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過閾值優(yōu)化設(shè)置后,區(qū)域1數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為4918.9m,區(qū)域2的標(biāo)準(zhǔn)差為1810.8m,區(qū)域1的質(zhì)心S1(1639.5,1047.4)距離實(shí)際點(diǎn)6192.64m,區(qū)域2的質(zhì)心S2(1118.9,1374.8)距離實(shí)際點(diǎn)2768.77m,誤差分別降低32.3%和79%。事實(shí)上,S1點(diǎn)的干擾機(jī)較S2點(diǎn)干擾機(jī)的干擾信號(hào)能量及能量起伏較大,對(duì)雷達(dá)副瓣的干擾不穩(wěn)定,使得雷達(dá)對(duì)S1的定位不準(zhǔn)確,因此在數(shù)據(jù)采樣時(shí)可以考慮選擇距離最新的干擾點(diǎn),即每次掃描周期只錄取干擾方向上最近的干擾點(diǎn)。這種錄取方法操作簡(jiǎn)單,結(jié)果精度高,但對(duì)分辨主瓣干擾的能力要求較高。

4.2 系統(tǒng)誤差

由圖3、圖6所示,質(zhì)心在同一個(gè)方向上偏離實(shí)際點(diǎn),這是由于干擾機(jī)內(nèi)部在轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)信號(hào)或測(cè)量雷達(dá)信號(hào)存在系統(tǒng)延遲T,這個(gè)延遲導(dǎo)致雷達(dá)觀測(cè)到的干擾機(jī)位置比實(shí)際的位置要遠(yuǎn)一些,不同的干擾機(jī)系統(tǒng)延遲T是不同的,同一部干擾機(jī)工作在不同頻率時(shí)T也會(huì)不同。另外一個(gè)系統(tǒng)誤差來自雷達(dá)本身,由于雷達(dá)精度與量程、天線掃描方式、工作頻率等有關(guān),在對(duì)干擾機(jī)定位時(shí)應(yīng)考慮以上因素。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明雷達(dá)捷變頻技術(shù)的干擾源定位方法不能實(shí)現(xiàn)高精度定位,該方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值在于可以利用現(xiàn)有雷達(dá)裝備提供干擾威脅源位置的估計(jì)信息,定位誤差小于5km。該方法不屬于高精度雷達(dá)目標(biāo)跟蹤功能,而是一種雷達(dá)探測(cè)能力的延伸,其最大的優(yōu)勢(shì)在于可以估計(jì)運(yùn)動(dòng)干擾源的移動(dòng)線路,比如描繪攜帶干擾源飛機(jī)的航線,有利于對(duì)敏感空域或海域敵情的偵察預(yù)警。從經(jīng)濟(jì)條件和現(xiàn)有技術(shù)條件來看,該方法在雷達(dá)上推廣易實(shí)現(xiàn),技術(shù)改造需求少,是一種行之有效的雷達(dá)輔助探測(cè)功能。

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Interference Localization Method for Warming Radar Based on Radar Frequency Agile Technology

WEI Yongfeng

(Unit 92, No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao 066000)

For warming radar which echo digitization, the low-precision interference localization method is studied by using radar frequency agile technology. The interference localization is calculated based on gray centroid algorithm, and the error analysis of calculation result is made, which provides the feasible instruction method for the real-time localization of movement interference. The method is in favor of the realization of rapid judgment and study on combat system and the global mastery of battlefield confrontation situation. It is an effective aided detecting function of warming radar.

frequency agile, interference, gray centroid algorithm, warming radar

2015年4月5日,

2015年5月26日

魏永峰,男,碩士,工程師,研究方向:電子對(duì)抗。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.020