目標(biāo)在面陣間運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)處理方法研究

韓向清，劉德虎，匡華星

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

目標(biāo)在面陣間運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)處理方法研究

韓向清，劉德虎，匡華星

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

相控陣體制被動(dòng)雷達(dá)多個(gè)面陣同時(shí)多波束接收信號，脈沖流復(fù)雜密集。針對目標(biāo)在兩個(gè)相鄰面陣間運(yùn)動(dòng)容易出現(xiàn)虛假等問題，在數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行了分析研究及仿真驗(yàn)證。設(shè)計(jì)中從接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理多個(gè)方面進(jìn)行了研究。經(jīng)驗(yàn)證目標(biāo)能從一個(gè)面陣跨越到另一個(gè)面陣，沒有出現(xiàn)虛假。

相控陣?yán)走_(dá)；數(shù)據(jù)處理；多面陣；跨面陣；虛假抑制

Abstract: Multiple planar arrays of the passive phased array radar simultaneously receive multi-beam signals with complex and intensive stream of pulses. The target motion between two adjacent planar arrays can easily cause the false problem. Therefore, the data processing is analyzed and simulated. The data receiving, storage and processing are studied in the design. It is verified that the false problem does not occur when the targets cross from one array to another.

Keywords: phased array radar; data processing; multi-array; cross-array; false suppression

0 引 言

各種新型體制雷達(dá)輻射源的出現(xiàn)，其波形、空間掃描等參數(shù)的快速捷變令被動(dòng)技偵雷達(dá)裝備對其進(jìn)行偵察探測時(shí)進(jìn)行信號分選處理難度越來越大。[1-2]另一方面，基于相控陣的被動(dòng)雷達(dá)，為了實(shí)現(xiàn)對輻射源目標(biāo)的高靈敏度寬角截獲和高精度參數(shù)測量，常常采用同時(shí)多波束以及多個(gè)面陣組合工作方式。由于采用全面陣波束合成接收方式，系統(tǒng)靈敏度較高，較強(qiáng)輻射源目標(biāo)可能會(huì)被多個(gè)相鄰波束截獲。在面陣大掃描角時(shí)，目標(biāo)還可能被兩個(gè)相鄰面陣同時(shí)接收。[3]

被動(dòng)雷達(dá)裝備的主要任務(wù)是從空間高密度輻射源脈沖流電磁環(huán)境中將各種輻射源目標(biāo)有效提取和正確分選，并對其進(jìn)行參數(shù)測量。相控陣體制的被動(dòng)偵測雷達(dá)一方面面臨日益復(fù)雜的各種新型體制雷達(dá)輻射源信號環(huán)境，另一方面在系統(tǒng)內(nèi)部還面臨同一輻射源被同時(shí)多個(gè)波束和多個(gè)面陣截獲處理合并與融合的問題。這兩方面問題對雷達(dá)內(nèi)分選處理器的處理有效性與實(shí)時(shí)性提出了很大的挑戰(zhàn)。

本文重點(diǎn)研究了輻射源目標(biāo)在相控陣體制被動(dòng)雷達(dá)兩個(gè)面陣間運(yùn)動(dòng)時(shí)分選處理器虛假抑制技術(shù)。

1 原 理

復(fù)雜電磁環(huán)境下由于脈沖分裂或干擾信號在目標(biāo)信號中混雜等原因而導(dǎo)致信號分選處理器對同一輻射源目標(biāo)輸出不同的輻射源參數(shù)的增批現(xiàn)象。增批的目標(biāo)與原目標(biāo)兩者有些參數(shù)一致，有些參數(shù)不同。

產(chǎn)生增批主要由以下幾方面原因引起[4]：(1)脈沖分裂，產(chǎn)生小脈寬假目標(biāo)；(2)由雷達(dá)旁瓣接收所形成的虛假目標(biāo)、分裂目標(biāo)；(3)其他二次雷達(dá)所產(chǎn)生或雷達(dá)周圍地形地物所造成多路徑效應(yīng)而形成的反射假目標(biāo)；(4)目標(biāo)密集、接近和交叉飛行時(shí)產(chǎn)生的同步混淆；(5)目標(biāo)機(jī)動(dòng)較大參數(shù)變化較快而不能連續(xù)跟蹤。

當(dāng)輻射源輻射功率較大且位于相鄰兩個(gè)面陣波束交疊區(qū)時(shí)，雷達(dá)的兩個(gè)面陣均能截獲到輻射源信息，如圖1。如果不加以融合判別處理，在信號分選時(shí)可能輸出兩個(gè)或更多的虛假輻射源信息參數(shù)。如若目標(biāo)運(yùn)動(dòng)較快或機(jī)動(dòng)較大，方位、幅度的快速變化會(huì)導(dǎo)致虛假目標(biāo)更易出現(xiàn)。

圖1 多面陣接收信號示意圖

2 仿真分析

2.1 搜索模式仿真

仿真一個(gè)目標(biāo)，方位從85°運(yùn)行到93°再返回85°，仿真中輸出的目標(biāo)到了90.04°后沒有再遞增到93°。目標(biāo)真實(shí)方位在90.918°和93.18°時(shí)采集PDW信息，分別見表1和表2。

表1 目標(biāo)真值在90.918°時(shí)采集PDW

表2 目標(biāo)真值在93.18°時(shí)采集PDW

從表2可以看出，目標(biāo)在93°時(shí)，面陣2仍然是第1個(gè)波束幅度最大，其原因?yàn)榈皖l時(shí)波寬較寬，仿真時(shí)該頻率的波寬達(dá)到6.4°；第2個(gè)波束指向大約在96.4°，故仍然是邊界波束輸出幅度最大。兩個(gè)面陣的波束指向如圖2所示。

在仿真過程中出現(xiàn)了脈組類型的虛假信號如表3所示。

圖2 多面陣波束重疊區(qū)各面陣波束指向

批號幅度(dBm)時(shí)間信號類型2004-71．0217：11：11常規(guī)2199-66．0117：11：18脈組

批號2004和批號2199參數(shù)接近，但信號類型不同。該組虛假的出現(xiàn)并不是由面陣交接引起的。查看原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在瞬時(shí)帶寬內(nèi)真實(shí)目標(biāo)混雜著干擾信號，其PDW的特性正好滿足脈組信號類型。目標(biāo)真實(shí)幅度大約為-71 dBm，而干擾的幅度為-66 dBm，真實(shí)信號質(zhì)量較差。

2.2 跟蹤模式仿真

在跟蹤模式仿真過程中，輻射源目標(biāo)出現(xiàn)增批現(xiàn)象，目標(biāo)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 跟蹤模式下面陣交接——目標(biāo)輸出

批號2095和批號2097參數(shù)一致，分別為跟蹤模式輸出和搜索模式輸出。

3 抑制方法研究

從仿真分析結(jié)果可以看出，引起虛假的主要原因?yàn)椋寒?dāng)目標(biāo)在面陣間運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)面陣均接收到目標(biāo)信號，可能出現(xiàn)一個(gè)面陣為主瓣截獲，另一個(gè)面陣為旁瓣截獲；或者兩個(gè)面陣均為主瓣截獲，但因?yàn)槟繕?biāo)運(yùn)動(dòng)較快方位相差較大而輸出兩個(gè)目標(biāo)。

以下從幾方面研究虛假抑制方法。

3.1 測角方法研究

常規(guī)測角方法有質(zhì)心法、比幅法、和差法。[5]對于質(zhì)心法、比幅法測角至少需要兩個(gè)以上和波束同時(shí)接收到信號方可測角；對于和差法測角只需一對同指向的和差波束。該方法需要較高信噪比[6]，信噪比較小時(shí)測角誤差比較大。為適應(yīng)一般情況本文采用比幅法對輻射源目標(biāo)測角進(jìn)行研究。

對于比幅法測角，使用波束交疊掃描策略可保證目標(biāo)信號總能被中間波束接收從而實(shí)現(xiàn)角度的精確測量，避免上述2.1節(jié)仿真中出現(xiàn)兩面陣均未測角情況。這樣至少有一個(gè)面陣輸出的目標(biāo)方位為精確值，同時(shí)需考慮另一個(gè)面陣輸出的方位可能不準(zhǔn)確的情況。對于該種情況需要結(jié)合系統(tǒng)本身特性將可能出現(xiàn)的虛假進(jìn)行剔除，以減少虛假目標(biāo)的出現(xiàn)。

針對上述原因，當(dāng)目標(biāo)在相鄰兩個(gè)面陣間運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)位于面陣的大掃描角，波寬變寬，比幅法測角精度下降。此時(shí)方位容差與關(guān)聯(lián)信息需要弱化，數(shù)據(jù)處理需要充分利用兩個(gè)輻射源的頻率、脈寬、到達(dá)時(shí)間的相關(guān)性設(shè)置容差值進(jìn)行融合處理以實(shí)現(xiàn)虛假抑制。

到達(dá)時(shí)間的相關(guān)性：

t(n) =t(n-1)+T+n

上述為常規(guī)信號類型，其中T為PRI,n為第n個(gè)觀測值的誤差。對于脈間參差信號上述T為骨架PRI；對于重頻抖動(dòng)信號，PRI抖動(dòng)范圍一般是1%～30%，并呈現(xiàn)隨機(jī)變化特性。此時(shí)融合處理需要根據(jù)信號類型選擇不同的PRI容差值。

頻率的相關(guān)性：

f=f0+f(N)

上述為常規(guī)信號類型，其中，f0為中心頻率，f(N)為隨機(jī)噪聲。當(dāng)信號類型為頻率捷變時(shí)，其跳變量一般為中心頻率的5%～15%，約為200～500 MHz。上述f0也為中心頻率。

3.2 系統(tǒng)特征研究

由于相控陣體制雷達(dá)波束掃描的靈活性，偵測雷達(dá)可能同時(shí)工作于搜索模式和跟蹤模式。為對不同模式處理結(jié)果分別進(jìn)行考慮虛假抑制技術(shù)，數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)中采用不同面陣PDW的存儲(chǔ)對應(yīng)獨(dú)立軟件任務(wù)完成、各面陣的信號分選處理也對應(yīng)不同軟件任務(wù)完成。設(shè)計(jì)中不同模式下輻射源信息參數(shù)采用不同狀態(tài)字進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以在融合處理時(shí)獲知數(shù)據(jù)來源或任務(wù)類型等狀態(tài)并進(jìn)行與之相適應(yīng)的融合處理。

當(dāng)截獲的目標(biāo)同時(shí)來源于搜索和跟蹤模式時(shí)，基于不同模式下波束的掃描策略異同，故在兩種模式同時(shí)進(jìn)行下?？紤]到跟蹤模式下偵測雷達(dá)截獲的目標(biāo)信息更多、計(jì)算的輻射源參數(shù)精度更準(zhǔn)確，此時(shí)將搜索截獲的目標(biāo)剔除，以減少虛假目標(biāo)生成。

當(dāng)截獲的目標(biāo)同時(shí)來源于不同面陣，考慮雷達(dá)截獲的目標(biāo)可能來源于主瓣或旁瓣，根據(jù)到達(dá)時(shí)間相關(guān)性和系統(tǒng)天線的主副比對旁瓣截獲的目標(biāo)進(jìn)行剔除。

3.3 其他研究

常見的信號類型有常規(guī)脈沖、頻率脈間捷變、頻率脈組變頻、重頻參差、重頻抖動(dòng)和重頻捷變等。在系統(tǒng)探測時(shí)，當(dāng)脈沖丟失或受干擾影響會(huì)將信號類型輸出異常，在融合處理時(shí)需考慮不同類型信號的虛假抑制。

另外，輻射源的到達(dá)方位取決于雷達(dá)與偵察機(jī)之間的相對角度，一般為方位角。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)處理需要通過跟蹤濾波，對目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，以利用目標(biāo)歷史數(shù)據(jù)和航跡生命周期識(shí)別虛假目標(biāo)。考慮到系統(tǒng)為超視距探測系統(tǒng)，采用直線濾波方法可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息連續(xù)跟蹤及虛假抑制。

4 實(shí)驗(yàn)論證

經(jīng)過上述分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別在搜索和跟蹤模式下進(jìn)行測試，虛假目標(biāo)抑制改善了60%。

設(shè)置頻率小于2 GHz、脈沖重復(fù)周期 1 ms的輻射源，搜索方位區(qū)間為[0° 359°]。目標(biāo)以0.1°/s轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬目標(biāo)從80°運(yùn)行到100°。輸出界面顯示批號2001的目標(biāo)從面陣1到面陣2運(yùn)動(dòng)過程中穩(wěn)定，沒有增批，截取交接處輻射源參數(shù)如表5。

表5 搜索模式下面陣交接——目標(biāo)輸出

設(shè)置為跟蹤模式。批號2001的目標(biāo)從面陣1到面陣2運(yùn)動(dòng)過程中穩(wěn)定，輸出目標(biāo)參數(shù)如表6。

考慮到頻率不同波寬不同，輻射源抑制時(shí)的方位容差不同，設(shè)置頻率大于2 GHz、脈沖重復(fù)周期為1 ms的高頻輻射源。批號2090的目標(biāo)從面陣1到面陣2運(yùn)動(dòng)過程中穩(wěn)定，輸出目標(biāo)參數(shù)如表7。

表6 跟蹤模式下面陣交接——目標(biāo)輸出

表7 搜索模式下面陣交接——目標(biāo)輸出

設(shè)置為跟蹤模式。批號2191的目標(biāo)從面陣1到面陣2運(yùn)動(dòng)過程中穩(wěn)定，輸出目標(biāo)參數(shù)如表8。

表8 跟蹤模式下面陣交接——目標(biāo)輸出

5 結(jié)束語

本文主要討論目標(biāo)在相鄰兩個(gè)面陣間運(yùn)動(dòng)減少虛假的一些舉措，主要在以下方面進(jìn)行了優(yōu)化：多通道接收、按面陣進(jìn)行信號分選、測角方法、濾波等方面，根據(jù)接收PDW參數(shù)的相關(guān)性及系統(tǒng)特征進(jìn)行合并或虛假剔除的數(shù)據(jù)處理方法。通過多次測試及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)從一面陣運(yùn)行到相鄰面陣不增批的技術(shù)要求。不同系統(tǒng)會(huì)存在其固有特性，本文有些分析為概括性結(jié)論，具體措施需根據(jù)系統(tǒng)自身特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。在數(shù)據(jù)處理時(shí)虛假目標(biāo)長久以來困擾著設(shè)計(jì)師們。這些方法只能較大優(yōu)化改善虛假抑制。對于復(fù)雜的電磁環(huán)境，減少虛假目標(biāo)的出現(xiàn)仍需長期研究。

[1] 彭建華，李臣明，等．接收與處理分離的實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)處理模型[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索, 2015,9(8).

[2] 楊學(xué)永．現(xiàn)代雷達(dá)信號分選跟蹤的幾種方法[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2014,36(3).

[3] 王德純，丁家會(huì),等．精密跟蹤測量雷達(dá)技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4] 張興旺，王磊.單脈沖二次雷達(dá)的假目標(biāo)抑制[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2010,32(9) .

[5] 張光義．相控陣?yán)走_(dá)原理[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2009.12.

[6] 張靜．陣列天線子陣劃分設(shè)計(jì)和測向技術(shù)研究[D]. 西安電子科技大學(xué)，2009.

Research on data processing of target motion between planar arrays

HAN Xiang-qing, LIU De-hu, KUANG Hua-xing

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN958.52

A

1009-0401(2017)03-0031-04

2017-06-07；

2017-08-17

韓向清(1979-)，女，高級工程師，研究方向：數(shù)據(jù)處理；劉德虎(1988-)，男，工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)處理；匡華星(1978-)，男，高級工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)總體及數(shù)據(jù)處理。