雷達(dá)導(dǎo)引頭角閃爍抑制與處理算法研究

薛安翔　鄭超　馬瑞

摘要：角閃爍現(xiàn)象是制約雷達(dá)導(dǎo)引頭末端跟蹤和命中精度的重要因素。針對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)際應(yīng)用背景，對(duì)角閃爍現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行了闡述，在此基礎(chǔ)上分別分析了基于導(dǎo)引頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分集技術(shù)和基于后處理技術(shù)的角閃爍加權(quán)抑制算法之間的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)導(dǎo)引頭應(yīng)用背景設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)試驗(yàn)對(duì)各種加權(quán)算法進(jìn)行了對(duì)比，并針對(duì)實(shí)際情況，在加權(quán)算法的基礎(chǔ)上加入了奇異值的剔除處理。研究具有較強(qiáng)的針對(duì)性，對(duì)解決工程實(shí)際問題具有一定的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)引頭；角閃爍；分集技術(shù)；加權(quán)算法

DOIDOI：10.11907/rjdk.151700

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）008008603

作者簡介作者簡介：薛安翔（1984-），男，陜西戶縣人，碩士，北方通用電子集團(tuán)有限公司雷達(dá)部工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理軟件算法；鄭超（1986-），男，陜西戶縣人，碩士，北方通用電子集團(tuán)有限公司雷達(dá)部工程師，研究方向?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)軟件算法；馬瑞（1986-），男，陜西西安人，碩士，北方通用電子集團(tuán)有限公司雷達(dá)部工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)導(dǎo)引頭軟件算法與仿真。

0 引言

雷達(dá)導(dǎo)引頭與紅外、激光制導(dǎo)體制相比，具有全天候工作的特點(diǎn)，可適應(yīng)各種復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，但受工作頻率與導(dǎo)彈口徑的制約，雷達(dá)導(dǎo)引頭角分辨能力通常遠(yuǎn)低于紅外、激光導(dǎo)引頭，導(dǎo)致角跟蹤精度較低。在近距離跟蹤擴(kuò)展目標(biāo)時(shí)，角閃爍現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，導(dǎo)致雷達(dá)導(dǎo)引頭角跟蹤精度急劇惡化，對(duì)跟蹤穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。目標(biāo)角閃爍特性屬于目標(biāo)自身固有的特征信號(hào)，是雷達(dá)角跟蹤過程中客觀存在的。理論上，當(dāng)目標(biāo)尺寸與雷達(dá)波長相當(dāng)時(shí)，具有兩個(gè)或兩個(gè)以上等效散射點(diǎn)的任何體目標(biāo)，都會(huì)產(chǎn)生角閃爍現(xiàn)象[1]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭對(duì)精確制導(dǎo)武器命中精度要求越來越高，角閃爍抑制成為雷達(dá)導(dǎo)引頭研究中的關(guān)鍵問題。

1 理論分析

角閃爍由于擴(kuò)展目標(biāo)上多散射點(diǎn)間的相互干涉而產(chǎn)生，對(duì)角閃爍機(jī)理通常存在兩種物理概念解釋：能流傾斜和相位畸變。能流傾斜原理常用于角閃爍的理論計(jì)算，相位畸變?cè)沓Ｓ糜跍y相系統(tǒng)中測量角閃爍。兩種概念從不同角度對(duì)角閃爍機(jī)理進(jìn)行了描述，理論表明[2]，這兩種解釋在幾何光學(xué)條件近似時(shí)是一致的。角閃爍原理如圖1所示。

角閃爍線偏差取決于相位函數(shù)的畸變，其大小與目標(biāo)距離無關(guān)，但角閃爍角偏差與距離一次方成反比，即 = a taneθ /r。距離越近，角偏差越大，因此，目標(biāo)角閃爍角偏差嚴(yán)重影響了末端雷達(dá)導(dǎo)引頭角跟蹤精度。

圖1 角閃爍原理

圖2為角閃爍角偏差與目標(biāo)距離關(guān)系的仿真分析。通過建模仿真可知，角閃爍現(xiàn)象會(huì)引起跟蹤視在中心的起伏變化，且距離越近，角偏差越大。

角閃爍具有以下特征[3]：①角閃爍角偏差與距離成反比，距離越近，角偏差越大；②角閃爍誤差分布呈非高斯長拖尾分布；③角閃爍與各散射點(diǎn)之間的位置分布有關(guān)；④角閃爍與各散射點(diǎn)之間的幅度起伏呈負(fù)相關(guān)性。

本文在分析角閃爍機(jī)理的基礎(chǔ)上，著重對(duì)工程中可實(shí)現(xiàn)的角閃爍抑制方法進(jìn)行研究。從雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)的角度看，角閃爍抑制技術(shù)通常可以分為兩種，一種是通過雷達(dá)分集技術(shù)抑制角閃爍，其原理是利用雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)不同頻率、空間和偏振方式上的多散射點(diǎn)目標(biāo)回波進(jìn)行分集接收和處理；另一種是基于單脈沖測角的信號(hào)與數(shù)據(jù)后處理技術(shù)。前者充分利用現(xiàn)代雷達(dá)中的高分辨、捷變頻、多極化等技術(shù)，從雷達(dá)體制上解決角閃爍抑制問題，但這種方式無疑會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度；后者利用信號(hào)處理中的各種濾波技術(shù)，對(duì)雷達(dá)測角信息進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)角閃爍的抑制效果，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是不改變?cè)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有較好的適應(yīng)性。

圖2 角閃爍與距離的關(guān)系仿真

2 分集技術(shù)

采用分集技術(shù)抑制角閃爍的目的是打破角閃爍誤差的長自相關(guān)性，去相關(guān)性能越好，通過后續(xù)算法減小角閃爍誤差的效果就越好。

雷達(dá)導(dǎo)引頭中常用的分集技術(shù)包括時(shí)域分集、空域分集、偏振（極化）分集和頻域分集等，角閃爍抑制的效果取決于目標(biāo)角閃爍特征對(duì)所用分集技術(shù)的敏感性。時(shí)域分集指調(diào)整雷達(dá)PRF，使雷達(dá)回波之間間隔時(shí)間足夠長，一般很難用在實(shí)際工程中?？沼蚍旨２捎枚嗖刻炀€，得到目標(biāo)不同角度的回波信號(hào)，此時(shí)目標(biāo)徑向分布不同，角閃爍誤差的相關(guān)性大大降低。頻域分集與時(shí)域分集原理類似，指增加雷達(dá)發(fā)射頻率間隔，從而降低回波角閃爍的相關(guān)性。偏振分集[4]指利用目標(biāo)自身的偏振敏感性，采用多偏振天線以不同偏振方式接收目標(biāo)回波信息，以此減弱目標(biāo)角閃爍誤差的相關(guān)性。

時(shí)域分集要求極低的PRF，實(shí)際工程中無法適用，空域分集不適用于空間狹小的彈上雷達(dá)導(dǎo)引頭。頻域分集需要系統(tǒng)具備較高的工作帶寬，連續(xù)的跳頻也會(huì)增加系統(tǒng)工作難度，偏振分集需要系統(tǒng)至少具備雙偏振工作能力。采用這些技術(shù)均會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

3 后處理技術(shù)

角閃爍線偏差與目標(biāo)雷達(dá)反射截面（radar cross section，RCS）之間雖不存在相關(guān)性，但是普遍認(rèn)為角閃爍線偏差絕對(duì)值與目標(biāo)RCS之間存在較弱的負(fù)相關(guān)性。利用角閃爍的這種特性，對(duì)雷達(dá)測角的結(jié)果進(jìn)行加權(quán)處理，可以達(dá)到降低角閃爍相關(guān)性的目的。

采用高分辨體制的單脈沖雷達(dá)可同時(shí)得到擴(kuò)展目標(biāo)的多個(gè)散射點(diǎn)測角信息，利用測角信息與RCS之間的負(fù)相關(guān)性，對(duì)多點(diǎn)測角信息進(jìn)行不同的加權(quán)處理，可得到較好的角閃爍抑制效果。常用的加權(quán)算法[5]有平均加權(quán)、幅度加權(quán)和功率加權(quán)等。

平均加權(quán)法的原理是假設(shè)所有測角值全部反映了擴(kuò)展目標(biāo)各散射點(diǎn)的真實(shí)位置，則平均加權(quán)后的角誤差反應(yīng)了目標(biāo)的幾何中心。幅度加權(quán)和功率加權(quán)法利用測角信息與RCS之間的負(fù)相關(guān)性，認(rèn)為RCS較小的散射點(diǎn)測角信息更易受到角閃爍的影響，從而對(duì)RCS較大的散射點(diǎn)分配更大的權(quán)重，綜合計(jì)算可得到目標(biāo)測角信息。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

目前，國內(nèi)外對(duì)角閃爍現(xiàn)象的研究主要局限在平臺(tái)靜止、目標(biāo)靜止的條件下。實(shí)際導(dǎo)引頭應(yīng)用中，由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)觀測角度變化，加上擴(kuò)展目標(biāo)多散射點(diǎn)之間相位畸變更加嚴(yán)重，角閃爍現(xiàn)象遠(yuǎn)比靜止平臺(tái)復(fù)雜。常規(guī)試驗(yàn)中采用靜止平臺(tái)、靜止目標(biāo)開環(huán)測角，對(duì)比角誤差均方根值的方法，不能完全反映真實(shí)情況下的角閃爍現(xiàn)象。本文采用跑車試驗(yàn)?zāi)M彈載運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，對(duì)角閃爍后處理方法進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果更具工程價(jià)值。

為對(duì)比各種后處理算法的有效性，采用某毫米波導(dǎo)引頭樣機(jī)進(jìn)行跑車試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)方法為：擴(kuò)展目標(biāo)擺放在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向，導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)之后，車輛開始朝向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，直到進(jìn)入盲區(qū)停止工作。

圖3為某雷達(dá)導(dǎo)引頭角閃爍抑制前的角速度信號(hào)，圖4—圖6分別為進(jìn)行了均勻加權(quán)、幅度加權(quán)、功率加權(quán)之后的角速度信號(hào)?？梢钥闯觯ㄟ^對(duì)角誤差信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，可以有效地抑制角閃爍現(xiàn)象，功率加權(quán)算法比其它兩種算法效果更好。

5 結(jié)語

本文介紹了角閃爍現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，在此基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)引頭角閃爍抑制方法進(jìn)行了研究。通過理論分析與實(shí)際試驗(yàn)形成如下結(jié)論：①導(dǎo)引頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在具備條件的情況下，應(yīng)考慮采用多極化或超大帶寬技術(shù)，從體制上對(duì)角閃爍進(jìn)行分集抑制；②運(yùn)動(dòng)平臺(tái)角閃爍現(xiàn)象與靜止平臺(tái)存在較大差別，應(yīng)采用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)引頭角閃爍抑制效果進(jìn)行評(píng)估；③導(dǎo)引頭后處理中，利用角閃爍與RCS之間負(fù)相關(guān)特性的功率加權(quán)算法抑制效果比其它加權(quán)算法更好。以上結(jié)論不僅僅局限于雷達(dá)導(dǎo)引頭應(yīng)用背景，其對(duì)常規(guī)雷達(dá)角閃爍抑制也有借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王濤，王雪松.一種極化測量雷達(dá)的角閃爍抑制方法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，19（6）：702707.

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（責(zé)任編輯：孫 娟）