雷達(dá)末制導(dǎo)角閃爍抑制研究

劉　婷　磨國(guó)瑞　聶　強(qiáng)　尚　煜

(西安電子工程研究所　西安　710100)

0　引言

隨著精確制導(dǎo)技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)導(dǎo)引頭在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要性越來(lái)越突現(xiàn)，導(dǎo)彈總體對(duì)比例制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭的末端視線角速度跟蹤精度要求也越來(lái)越高。然而目標(biāo)角閃爍是導(dǎo)致導(dǎo)引頭輸出視線角速度惡化的主要因素，直接制約了導(dǎo)彈的命中精度。尤其是在雷達(dá)和目標(biāo)處于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，角閃爍的影響更為嚴(yán)重。因此，通過(guò)抑制角閃爍提高導(dǎo)引頭視線角速度精度是比例制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤領(lǐng)域中迫切需要解決的問(wèn)題。

目前，傳統(tǒng)的角閃爍抑制方法分為三類[2]：一是利用雷達(dá)分集技術(shù)抑制角閃爍，主要包括時(shí)間分集、空間分集、頻率分集和極化分集。這類方法大都需要改變雷達(dá)的硬件結(jié)構(gòu)和工作模式，會(huì)大大增加雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜度；二是利用距離高分辨技術(shù)抑制角閃爍，這類方法通常利用合成大帶寬技術(shù)，在提高距離分辨率的基礎(chǔ)上將目標(biāo)上多個(gè)散射點(diǎn)在距離維分開(kāi)，進(jìn)而大大消除了各個(gè)散射點(diǎn)的相互干涉，從而抑角閃爍[1-3]，但是距離分辨率的提高是有限的；三是利用功率加權(quán)、中值濾波、 Kalman濾波以及角通道濾波等信號(hào)后處理方法抑制角閃爍，這類方法雖在在抑制角閃爍上有一定的效果，但仍不能滿足要求。綜上所述，僅利用三類方法中的單一類方法來(lái)抑制角閃爍來(lái)提高末制導(dǎo)角速度精度的效果有限，因此，要將以上三類方法進(jìn)行融合考慮，并且針對(duì)不同的信號(hào)體制選擇不同的角閃爍抑制算法來(lái)提高導(dǎo)引頭末端視線角速度精度，從而滿足彈總體的指標(biāo)要求。

目前，在毫米波末制導(dǎo)應(yīng)用中，對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭的通用性要求越來(lái)越高，要求雷達(dá)導(dǎo)引頭同時(shí)兼顧地面和海面目標(biāo)打擊能力。綜上所述，本文針對(duì)地面目標(biāo)和海面目標(biāo)分別提出了基于距離高分辨+α-β-γ的角閃爍抑制算法和頻率捷變角閃爍抑制算法，并利用地面跑車試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

1　末制導(dǎo)角閃爍抑制流程

根據(jù)毫米波末制導(dǎo)使用要求，雷達(dá)導(dǎo)引頭工作模式分為對(duì)地模式和對(duì)海模式，基于地面和海面的攻擊目標(biāo)尺寸，導(dǎo)引頭選擇不同的信號(hào)體制，地面靜目標(biāo)(10m左右)采用距離高分辨的步進(jìn)頻信號(hào)體制，地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和海面目標(biāo)(30m左右)采用距離中分辨的脈沖壓縮-多普勒信號(hào)體制。

本文針對(duì)步進(jìn)頻信號(hào)體制，在單幀信號(hào)角誤差進(jìn)行功率加權(quán)的基礎(chǔ)上對(duì)視線角速度輸出進(jìn)行α-β-γ濾波抑制角閃爍；針對(duì)脈沖壓縮-多普勒信號(hào)體制，采用頻率捷變技術(shù)對(duì)發(fā)射波形進(jìn)行幀間調(diào)頻，再對(duì)頻率捷變的信號(hào)樣本進(jìn)行單幀角誤差功率加權(quán)處理輸出視線角速度抑制角閃爍。具體的末制導(dǎo)角閃爍抑制流程如下圖所示：

2　α-β-γ濾波

本文結(jié)合角閃爍抑制的第二類方法和第三類方法，針對(duì)地面靜止目標(biāo)采用距離高分辨處理，在對(duì)單幀回波信號(hào)進(jìn)行角誤差功率加權(quán)的基礎(chǔ)上進(jìn)行α-β-γ濾波來(lái)抑制角閃爍。

設(shè)目標(biāo)沿著某一直線運(yùn)動(dòng)，tk時(shí)刻的位移、速度和加速度分別為：sk,vk,ak取狀態(tài)向量Xk=[sk,vk,ak]T，應(yīng)用卡爾曼濾波方程[5]：

(1)

(2)

Pk,k-1=ΦPk-1ΦT+ΓQΓT

(3)

Kk=PkHTR-1

(4)

Pk=[I-KkH]Pk,k-1

(5)

當(dāng)濾波器達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，Pk=p為定值，由式(3)至式(5)得到：

P=[I-PHTr-1H](ΦPΦT+ΓqΓT)

(6)

假設(shè)

(7)

代入式(4)得：

(8)

于是得到：

(9)

即為目標(biāo)的位移、速度、加速度的估計(jì)值sk,vk,ak。此外，為減小濾波器暫態(tài)振蕩和縮短暫態(tài)過(guò)程時(shí)間將濾波器設(shè)定為臨界阻尼狀態(tài)，由此得到α、β、γ三者的關(guān)系的一組方程：

(10)

上式中，確定α后，可推算出λ值和β、γ的值，并且當(dāng)α越近0即λ越接近1時(shí)濾波阻尼越大，相反跟隨性越好平滑性越差。

3　頻率捷變

對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)，角閃爍的產(chǎn)生是由來(lái)自目標(biāo)不同部位回波相對(duì)相位相干作用的結(jié)果。雷達(dá)分集技術(shù)不但增加系統(tǒng)復(fù)雜度，基于此類技術(shù)抑制角閃爍的不足之處在于將目標(biāo)作為一個(gè)整體進(jìn)行測(cè)量，不能將目標(biāo)上不同散射點(diǎn)分開(kāi)，仍然無(wú)法有效的避免目標(biāo)各散射單元之間的相互干涉，從而也就不能從根本上有效的抑制角閃爍，抑制結(jié)果遠(yuǎn)不能滿足末制導(dǎo)對(duì)雷達(dá)角跟蹤精度的要求。由于目標(biāo)RCS的起伏特性與雷達(dá)工作載頻密切相關(guān)，因此可以采用頻率捷變技術(shù)改變雷達(dá)相鄰發(fā)射脈沖的載頻變化量，這樣可以大大降低相鄰回波脈沖間的相關(guān)性，近而對(duì)角閃爍起到抑制作用。在此基礎(chǔ)上再對(duì)頻率捷變的信號(hào)回波進(jìn)行功率加權(quán)處理，可進(jìn)一步抑制角閃爍[6]。

本文采用功率加權(quán)處理方法：

W(Ai)=(Ai/∑Ai)2

(11)

當(dāng)接收回波是多個(gè)散射點(diǎn)的回波合成時(shí)，設(shè)第i個(gè)散射點(diǎn)的回波為：

ui(t)=vi(t)exp(j2πri(t)/λ)

(12)

式中：vi(t)為第i個(gè)散射點(diǎn)回波幅度，ri(t)為第i個(gè)散射點(diǎn)彈目距離，λ為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)。

和信號(hào)

(13)

差信號(hào)

(14)

將采用頻率捷變技術(shù)得到的回波按式 (11)進(jìn)行加權(quán)處理

(15)

其中，Smik表示第k個(gè)捷變頻率時(shí)第i個(gè)散射點(diǎn)的回波，Aki表示第k個(gè)捷變頻率時(shí)第i個(gè)散射點(diǎn)回波的幅度。經(jīng)過(guò)加權(quán)后并帶入式(12)、(13)、(14)得目標(biāo)角偏差的測(cè)量值[4]：

(16)

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

單脈沖毫米雷達(dá)導(dǎo)引頭為Ka波段，雷達(dá)采用脈沖壓縮-多普勒模式為中分辨體制，帶寬25MHz；采用步進(jìn)頻模式為高分辨體制，合成帶寬512MHz。

4.1　地面靜目標(biāo)試驗(yàn)

在某軍用機(jī)場(chǎng)，雷達(dá)導(dǎo)引頭架設(shè)在運(yùn)動(dòng)卡車上，待捕獲目標(biāo)為仿形坦克目標(biāo)，尺寸大約3m×8m×2.5m，RCS為30m2，尺寸和RCS與真實(shí)坦克相當(dāng)。下圖為仿形坦克目實(shí)物照片：

上圖為雷達(dá)導(dǎo)引頭架設(shè)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下捕獲跟蹤地面靜止仿形坦克目標(biāo)的跟蹤曲線信息：其中橫軸為時(shí)間軸，縱軸分別為雷達(dá)上報(bào)彈目距離、方位視線角速度和俯仰視線角速度。雷達(dá)導(dǎo)引頭在900m處捕獲目標(biāo)并穩(wěn)定跟蹤至盲區(qū)80m。可以看出，方位、俯仰視線角速度輸出隨距離減小逐漸變大，在接近目標(biāo)區(qū)域方位、俯仰角速度輸出達(dá)到±3°/s左右，遠(yuǎn)不能滿足彈總體對(duì)末制導(dǎo)精度的的指標(biāo)要求。

圖3為利用本文提出的地面靜目標(biāo)角閃爍抑制算法進(jìn)行濾波后處理結(jié)果，對(duì)單幀角誤差進(jìn)行功率加權(quán)的基礎(chǔ)上對(duì)視線角速度輸出進(jìn)行α-β-γ濾波抑制角閃爍，可將末端方位、俯仰視線角速度峰峰值抑制至±0.5°/s左右，已能滿足總體單位的指標(biāo)要求。

4.2　地面動(dòng)目標(biāo)試驗(yàn)

地面動(dòng)目標(biāo)試驗(yàn)是將導(dǎo)引頭架設(shè)在地面，利用脈沖壓縮-多普勒模式跟蹤運(yùn)動(dòng)卡車從300m至盲區(qū)80m關(guān)機(jī)結(jié)束。

圖4為導(dǎo)引頭跟蹤運(yùn)動(dòng)卡車從300m至盲區(qū)的彈目距離和原始視線角速度信息，可以看出，脈沖壓縮-多普勒模式原始角速度輸出峰峰值達(dá)到±8°/s，末段發(fā)生了較嚴(yán)重的角閃爍。

圖5為利用本文提出的地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)角閃爍抑制算法進(jìn)行處理后結(jié)果，采用脈沖壓縮-多普勒64點(diǎn)隨機(jī)跳頻產(chǎn)生信號(hào)樣本，再進(jìn)行單幀角誤差功率加權(quán)，可以看到角速度峰峰值可控制在峰峰±0.6°/s左右，已能滿足末制導(dǎo)角跟蹤精度的要求。此外對(duì)海模式也采用脈沖壓縮-多普勒模式，可將此算法直接推廣至海面目標(biāo)的角閃爍抑制中。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了角閃爍對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭角速度精度的影響，針對(duì)地面目標(biāo)和海面目標(biāo)采用不同的信號(hào)體制，分別提出了不同末制導(dǎo)角閃爍抑制算法，大大提高了雷達(dá)導(dǎo)引頭末制導(dǎo)視線角速度精度，滿足彈總體的指標(biāo)要求。該算法運(yùn)算量小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。

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