一種適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的重頻跟蹤方法

錢志芳，胡小禹，張榮君，穆吉儒

（中國電子科技集團公司 第五十一研究所，上海 201802）

隨著雷達向集群和組網(wǎng)化的趨勢發(fā)展，現(xiàn)代電子戰(zhàn)[1]的電磁環(huán)境日益復(fù)雜?，F(xiàn)在的武器平臺受到各方威脅的來源越來越多，可能會同時受到搜索雷達、跟蹤雷達、炮瞄雷達甚至精密制導(dǎo)導(dǎo)彈的多重威脅，電子對抗輻射源的數(shù)目急劇增加，使得雷達對抗信號異常密集[2]。同時新體制雷達的不斷涌現(xiàn)，其抗干擾能力也在不斷地發(fā)展和完善[3]。所有這些都對電子戰(zhàn)的信號實時分選與跟蹤技術(shù)提出了嚴峻的考驗。這要求干擾設(shè)備能夠在密集、復(fù)雜的信號環(huán)境中，在一連串混雜在一起的脈沖流中分離出來自同一發(fā)射源的脈沖信號序列，同時針對不同的目標確定相對應(yīng)的干擾手段并實施干擾，以顯著增強自身或者其他受保護的電子裝備的戰(zhàn)場生存能力。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微機技術(shù)、DSP技術(shù)（數(shù)字信號處理）及FPGA技術(shù)都已經(jīng)應(yīng)用于實時跟蹤系統(tǒng)中，使得實時跟蹤技術(shù)向前發(fā)展了一大步[4]。很多干擾設(shè)備也都采用了實時重頻跟蹤的技術(shù)，并且在一般的電子環(huán)境條件下，能夠有效跟蹤雷達信號。目前重頻跟蹤技術(shù)的研究，主要集中在如何適應(yīng)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，以及如何在此環(huán)境下對日益先進的復(fù)雜體制雷達信號進行實時有效的重頻跟蹤。

1 技術(shù)方案設(shè)計

由于需要在密集復(fù)雜的信號環(huán)境下實現(xiàn)對復(fù)雜體制雷達的重頻跟蹤，因此在總結(jié)已有的重頻跟蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文采用脈沖預(yù)測的方法來對指定的雷達信號進行重頻跟蹤。

現(xiàn)采用的技術(shù)設(shè)計方案如圖1所示。首先，信號分選軟件將得到信號的重頻周期（PRI）變化規(guī)律參數(shù)預(yù)置給重頻跟蹤器，當密集復(fù)雜的雷達信號到達后，進入起始脈沖建立電路，在起始脈沖建立電路的相關(guān)算法下，快速確定正確的起始脈沖以后，根據(jù)跟蹤PRI的變化規(guī)律，采用脈沖預(yù)測的方法，在預(yù)測下一脈沖到來時給出有效的波門窗口范圍；在有效波門窗口范圍內(nèi)進行重頻特征的相關(guān)處理，查找正確的跟蹤脈沖，得到正確脈沖后進行波門展寬并給出跟蹤有效標志；再根據(jù)雷達的重頻周期規(guī)律調(diào)整下一個PRI計數(shù)周期，繼續(xù)進行跟蹤，最終得到穩(wěn)定可靠的重頻跟蹤波門信號。當跟蹤出現(xiàn)丟失時，根據(jù)判斷跟蹤丟失的標準及時給出跟蹤失效標志，并通知上一級決策系統(tǒng)進行相應(yīng)的處理。

2 起始脈沖建立電路的設(shè)計

起始脈沖建立電路從輸入的高密度組合脈沖列中選取任一脈沖作為基準，啟動一個PRI計數(shù)，PRI值由信號分選軟件預(yù)置為需要跟蹤信號的PRI值。當一個正常的PRI計數(shù)快結(jié)束時，波門產(chǎn)生電路輸出一個具有一定容差范圍的波門窗口。如果在有效波門窗口內(nèi)有脈沖到達，則表示起始脈沖建立成功，繼續(xù)進行下一個PRI計數(shù)；如果在有效波門窗口內(nèi)沒有脈沖到達，則表示起始脈沖建立失敗，重新進行起始脈沖的建立。

圖1 技術(shù)方案設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of the technical proposal design

在密集復(fù)雜的信號環(huán)境下，由于輸入的脈沖很多，根據(jù)概率論中的假設(shè)檢驗理論，如果按照跟蹤脈沖的重復(fù)周期特征得到第一個脈沖時，此脈沖不一定就是我們需要跟蹤的脈沖信號，而只有在連續(xù)正確得到一定數(shù)量的脈沖后，才能以一定的置信水平確認該脈沖正確存在。因此我們可以規(guī)定在連續(xù)正確得到一定數(shù)量的脈沖信號后才準許對外輸出跟蹤波門。

起始脈沖建立電路在實際應(yīng)用中的最大難題就是很難在信號密集的環(huán)境下確定起始脈沖。由于它對輸入的脈沖列進行隨機采樣，因此在輸入脈沖很多的情況下，特別是在高重頻脈沖中對付某個低重頻的雷達信號時，得到起始脈沖的機會很小，可能需要花費很長時間，根本不適用于實時跟蹤系統(tǒng)。這樣如何提高起始脈沖建立的概率成了應(yīng)用此方法的關(guān)鍵。

為了解決這個棘手的問題，我們的方法是將上面提到的整個起始脈沖建立電路單獨作為一個模塊，并行使用若干個相同的模塊，輪流進行觸發(fā)。在每一個輸入脈沖到來時，自動選擇下一個模塊來進行建立，這時最終得到的起始脈沖就是各個模塊的“或”。如果某一路模塊失敗，則重新輪流并行進行建立，只要其中一路模塊建立有效，就會輸出跟蹤有效標志，并主動停止其他所有模塊的建立。設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 起始脈沖建立電路設(shè)計框圖Fig.2 Block diagram of the circuit about starting pulse establishing

由于此電路的輸出為各個模塊輸出的“或”，因此最終得到起始脈沖的概率應(yīng)該為n個子模塊的n倍。并且各個模塊并行使用，不會增加整個起始脈沖建立電路的建立時間。如果采用大規(guī)模FPGA進行設(shè)計，可以根據(jù)硬件的資源盡量加大模塊的個數(shù)，這樣就能大大提高起始脈沖建立的概率，即使在密集復(fù)雜的信號環(huán)境中也能快速得到需要跟蹤信號的起始脈沖。

3 波門產(chǎn)生電路的設(shè)計

波門產(chǎn)生電路的目的是在需要跟蹤信號脈沖出現(xiàn)的位置給出一個跟蹤波門，用于后級的干擾技術(shù)產(chǎn)生器。在跟蹤信號的起始脈沖成功建立后，根據(jù)信號分選得到的重頻周期進行脈沖周期預(yù)測，啟動重頻PRI計數(shù)，每次PRI計數(shù)快結(jié)束時，產(chǎn)生一個有效波門窗口，在有效波門窗口內(nèi)找到正確的跟蹤脈沖，同時產(chǎn)生跟蹤波門。

波門窗口的容差范圍應(yīng)當以保證正確脈沖能夠進入波門的前提下，脈沖數(shù)量最少為依據(jù)原則，根據(jù)信號分選得到的重復(fù)周期的置信精度來確定。如果信號分選得到的重復(fù)周期精度很高，波門窗口容差可以設(shè)得較小，相反，如果信號分選得到的重復(fù)周期精度不高，則波門窗口容差可以適當設(shè)大，以確保正確的脈沖能夠進入波門窗口。

PRI計數(shù)調(diào)整電路用于決定當前應(yīng)該輸入的是哪一個PRI值。每次正確脈沖到來的時候，PRI計數(shù)調(diào)整電路將這個PRI值打入PRI計數(shù)器，并允許它開始計數(shù)。當跟蹤脈沖為常規(guī)PRI脈沖時，每次PRI計數(shù)值一致；當跟蹤脈沖為參差PRI或組變PRI脈沖時，每次PRI計數(shù)值應(yīng)當按照參差PRI或組變PRI脈沖的每一個小周期值依次進行計數(shù)，每個小周期的前后順序應(yīng)當與參差PRI或組變PRI脈沖保持一致；當跟蹤脈沖為抖動PRI脈沖時，每次按照抖動PRI的基準值進行計數(shù)，然后根據(jù)PRI的抖動范圍將有效波門窗口的容差值放大，允許最大抖動范圍內(nèi)的脈沖都能夠進入到波門窗口。

4 波門內(nèi)有效脈沖的處理方法

在實時跟蹤的過程中，如果信號環(huán)境比較密集復(fù)雜的情況下，有效波門窗口的容差范圍內(nèi)往往不一定只存在需要跟蹤的正確脈沖。雖然我們可以將波門窗口的容差盡量放窄，但還是有可能進來錯誤的脈沖。

當有效波門窗口內(nèi)出現(xiàn)兩個脈沖時，一般情況下重頻跟蹤器總是把第一個脈沖作為正確的脈沖而啟動下一個跟蹤周期，而實際情況中往往可能第二個脈沖才是正確的脈沖。由于虛假錯誤脈沖的出現(xiàn)是隨機的，這種虛假脈沖將會使波門協(xié)調(diào)電路帶來累積誤差，將下一個跟蹤的啟動時間提前，最終使得重頻跟蹤器完全偏離正確的跟蹤目標，從而造成跟蹤丟失。

為了消除由虛假錯誤脈沖引起的跟蹤丟失，我們可以對有效波門窗口內(nèi)出現(xiàn)脈沖的情況進行分析處理。如果有效波門內(nèi)只有1個脈沖信號出現(xiàn)，一般情況下為正確脈沖的可能性非常大，下一個PRI計數(shù)就以此信號出現(xiàn)的時間為基準開始進行；如果有效波門內(nèi)不止1個脈沖信號出現(xiàn)，則采用變波門跟蹤技術(shù)，即對下一次跟蹤的啟動時間進行改進，使每一次跟蹤啟動由最接近有效波門窗口中央的脈沖進行觸發(fā)，盡管該脈沖不一定就是正確的脈沖，但它為正確脈沖的概率還是最大，并且這樣不會因為虛假錯誤脈沖出現(xiàn)的隨機性而引起累積誤差。改進后的變波門時序如圖3所示。

圖3 變波門跟蹤時序圖Fig.3 Timing diagram of variable gate tracking

有效波門窗口的調(diào)整方法如下：假使有效波門窗口的初始寬度為T，當在時間TP時出現(xiàn)脈沖，如果TPTP，則繼續(xù)改變有效波門窗口的寬度為T2=T-2×TS；否則，沒有脈沖出現(xiàn)就停止有效波門窗口的改變，以最后一個脈沖產(chǎn)生跟蹤波門，并啟動下一個跟蹤周期的PRI計數(shù)，同時有效波門窗口的寬度恢復(fù)初始寬度[5]。

變波門跟蹤技術(shù)的改進都是基于正確脈沖一般應(yīng)該出現(xiàn)在有效波門窗口中央的前提下。由于需要跟蹤脈沖的重復(fù)周期參數(shù)是信號分選軟件預(yù)置，因此在保證信號分選得到的重復(fù)周期精度的情況下，對于常規(guī)PRI、參差PRI和組變PRI信號，重復(fù)周期的特征規(guī)律已知，應(yīng)當符合正確脈沖一般應(yīng)該出現(xiàn)在有效波門窗口中央的規(guī)律。但對于抖動PRI信號，由于本身正確脈沖出現(xiàn)的時刻具有隨機性，因此我們?nèi)匀徊捎眠M入有效波門窗口的第一個脈沖為跟蹤波門輸出，而對于下一個跟蹤周期的PRI計數(shù)以抖動PRI的基值為準。

通過變波門跟蹤技術(shù)的處理，重頻跟蹤器對大部分體制的雷達信號具備了自適應(yīng)去除部分虛假錯誤脈沖的能力，并且最大限度避免了由于累積誤差造成的跟蹤丟失的現(xiàn)象，有效提高了跟蹤的穩(wěn)定性。

5 波門控制電路的設(shè)計

波門控制電路就是在跟蹤成功時給出跟蹤有效標志，在跟蹤丟失時給出跟蹤失效標志，并將該標志回傳上級決策系統(tǒng)。

波門控制電路應(yīng)當在起始脈沖建立電路成功時給出波門跟蹤有效標志，表明已經(jīng)有效跟蹤。而當跟蹤出現(xiàn)丟失時，為提高系統(tǒng)抗干擾能力，波門控制電路不能在丟失一個脈沖就馬上給出跟蹤失效標志。因為產(chǎn)生脈沖丟失的原因有很多，也很復(fù)雜，信號的丟失是系統(tǒng)常見的現(xiàn)象。一個好的跟蹤器必須在信號丟失幾個信號脈沖的情況下，能夠維持對信號的跟蹤[6]。波門控制電路只有在連續(xù)丟失的脈沖個數(shù)超過一定的門限值時，才會給出跟蹤丟失標志，而這個門限值可以根據(jù)信號環(huán)境的復(fù)雜程度由上級決策系統(tǒng)進行可變設(shè)置。

對于已經(jīng)建立跟蹤的雷達，重頻跟蹤器一旦給出跟蹤丟失標志，由上級決策系統(tǒng)進行判別雷達信號是暫時消失還是雷達改變了工作模式。判別方式主要依據(jù)所記錄的歷史參數(shù)與信號處理實時分選結(jié)果進行對比，如果在記錄的參數(shù)中，沒有出現(xiàn)新的參數(shù)變化，則認為信號是真的消失了，重頻跟蹤器對其進行記憶跟蹤，根據(jù)需要跟蹤雷達重復(fù)周期的規(guī)律，在真實脈沖可能到達的位置進行補波門處理，利用補充的波門送到后級的干擾技術(shù)產(chǎn)生器進行干擾。如果出現(xiàn)了新的參數(shù)，則認為雷達改變了工作模式，決策系統(tǒng)將新的參數(shù)預(yù)置給重頻跟蹤器，重新對目標進行跟蹤。

6 結(jié) 論

由于采用與目標雷達重復(fù)周期相同的特征規(guī)律進行脈沖預(yù)測，并且根據(jù)抖動PRI雷達的重頻抖動范圍調(diào)整有效波門窗口，因此，基于脈沖預(yù)測技術(shù)設(shè)計的重頻跟蹤器能夠適應(yīng)常規(guī)、參差、抖動以及組變等不同體制的雷達信號。同時由于重頻跟蹤器對每一部目標雷達單獨進行脈沖預(yù)測，只要選擇合理的硬件資源，就能實現(xiàn)對多部雷達信號的跟蹤。如果同時存在多部參數(shù)接近的雷達信號時，通過脈沖預(yù)測的相關(guān)設(shè)計，可能會有所影響重頻跟蹤的實時截獲時間，但能大大提高重頻跟蹤的概率。

[1]趙國慶.雷達對抗原理[M].西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[2]王杰貴，靳學(xué)明.現(xiàn)代雷達信號分選技術(shù)綜述[J].雷達科學(xué)與技術(shù)，2006，4（2）:104-108.WANG Jie-gui，JIN Xue-ming.Survey on deinterleaving technique for modern radar signal[J].Radar Science and Technology，2006，4（2）:104-108.

[3]趙長虹.重頻分選與跟蹤算法的研究[D].西安電子科技大學(xué)，2003.

[4]巫勝洪.密集電磁環(huán)境下雷達信號實時跟蹤技術(shù)的研究[J].艦船電子對抗，2002，25（6）:7-10.WU Sheng-hong.Research on real-time radar singal tracking technology intensive electromagnetic environment[J].Shipboard Electronic Countermeasure， 2002，25（6）:7-10.

[5]沈軍.脈間波形變換信號分選跟蹤器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[6]郜麗鵬，葉方，司錫才.PRF跟蹤器設(shè)計與實現(xiàn)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2005，25（3）:560-563.GAO Li-peng，YE Fang，SI Xi-cai.Design and realization of PRE tracker[J].Journal of Projectiles；Rockets；Missiles and Guidance，2005，25（3）:560-563.