某型炮瞄雷達(dá)高速目標(biāo)告警裝置設(shè)計(jì)

謝奇峰

(中國人民解放軍95795部隊(duì)，廣西 桂林 541003)

我國自越南戰(zhàn)爭中火控雷達(dá)遭到美制“百舌鳥”反輻射導(dǎo)彈攻擊以后，就開始重視雷達(dá)對抗空中高速目標(biāo)的研究工作。目前，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者從新技術(shù)、新方法和戰(zhàn)術(shù)措施等方面研究了對抗高速目標(biāo)的方法與途徑。文獻(xiàn)[1]提出用觀測信號與其延時(shí)信號的三參數(shù)Chirplet變換的模之差來檢測高速目標(biāo)，提高檢測速度。文獻(xiàn)[2]提出了基于高斯混合分布雜波假設(shè)的高速目標(biāo)檢測方法，提高了檢測性能。文獻(xiàn)[3]提出了采用分?jǐn)?shù)階Fourier變換(FRFT)來檢測動(dòng)目標(biāo)的方法，提高了分辨率。文獻(xiàn)[4-5]通過分析ARM的局限性和防空兵火控雷達(dá)的自身優(yōu)勢，提出了多種有效抗擊

ARM的對策?？v觀國內(nèi)現(xiàn)有研究情況，采用新技術(shù)、新方法提高雷達(dá)識別高速目標(biāo)能力主要以大型雷達(dá)為研究對象[1-3]，炮瞄雷達(dá)抗擊高速目標(biāo)的研究集中在戰(zhàn)術(shù)層面[4-5]。由于受到技術(shù)水平以及有關(guān)資料來源的限制，至今炮瞄雷達(dá)抗擊高速目標(biāo)的技術(shù)研究不理想，甚至比反干擾技術(shù)還落后。一些類型的炮瞄雷達(dá)雖然能監(jiān)視目標(biāo)與載機(jī)的分離過程，但無法識別出發(fā)射后的高速目標(biāo)并提供告警提示，這給抗擊高速目標(biāo)行動(dòng)帶來很大不利。筆者針對炮瞄雷達(dá)抗擊高速目標(biāo)能力不足的問題，設(shè)計(jì)了一種高速目標(biāo)告警裝置，為火炮有效抗擊高速目標(biāo)提供技術(shù)保障。

1 原理方案

2 回波采集設(shè)計(jì)

2.1 采集方式

根據(jù)雷達(dá)探測目標(biāo)機(jī)理，炮瞄雷達(dá)的探測距離與脈沖周期正相關(guān)，其脈沖周期在微秒級別;同時(shí)，為消除盲速影響，炮瞄雷達(dá)的脈沖周期不固定，脈沖間隔非均等,故回波采集不能采用通常的連續(xù)采集方式，必須按照脈沖序列進(jìn)行分組采集，把脈沖發(fā)射時(shí)刻作為采集的起點(diǎn)，連續(xù)快速采集一定數(shù)量的信號。分組采集方式需要確定好觸發(fā)信號、采集速率、采集數(shù)量等量:觸發(fā)信號選擇炮瞄雷達(dá)上的零位脈沖信號；采集速率由脈沖寬度確定，確保單個(gè)脈沖寬度至少被采集2次；采集數(shù)量由炮瞄雷達(dá)作用距離確定，確保能采集到最大探測距離下目標(biāo)的回波?；夭ú杉绞綖?/p>

(1)

式中:k為單個(gè)脈沖寬度采集系數(shù);fs為采樣頻率;τ為炮瞄雷達(dá)的脈沖寬度;Ns為一個(gè)脈沖周期內(nèi)的采樣數(shù)量;Dmax為炮瞄雷達(dá)的最大探測距離；C為光速。

2.2 采集算法

分組采集中，一個(gè)脈沖周期信號的采集有兩種方式:一種是每采集完一個(gè)脈沖周期就即時(shí)送給目標(biāo)識別模塊;另一種是采集完Nf組脈沖周期后一起傳輸至目標(biāo)識別模塊。第1種方式的實(shí)時(shí)性好，可以不間斷地采集回波，但對數(shù)據(jù)傳輸速率和處理速度有較高的要求，要求在脈沖周期內(nèi)傳輸完畢，信號處理須在一個(gè)脈沖周期內(nèi)完成。第2種方式的穩(wěn)定性比較好，數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)低，對硬件性能要求不高。經(jīng)計(jì)算，第2種方式的信號處理時(shí)間可放寬至Nf×650 μs，以傅里葉變換采樣點(diǎn)數(shù)Nf取64為例，其延遲時(shí)間為0.04 s，3Ma的目標(biāo)在此間隔內(nèi)飛行約42 m，該方式能滿足作戰(zhàn)需要，故筆者采用第2種采集方式。

回波采集算法描述如下：接收到采集指令后，采集電路進(jìn)入工作狀態(tài)，啟動(dòng)端檢測到負(fù)零位脈沖之后，以頻率fs開始采集回波信號，采集Ns個(gè)采樣點(diǎn)后停止采集，等待下一個(gè)零位脈沖，重復(fù)上述采集，當(dāng)采集電路采集完Nf組數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)中斷，把Nf組數(shù)據(jù)上傳至目標(biāo)識別模塊，采集算法如圖2所示。

2.3 采集硬件設(shè)計(jì)

回波采集模塊的硬件組成包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、邏輯控制器和數(shù)據(jù)傳輸通道等單元?；夭ú杉K的硬件連接如圖3所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能直接影響到信號采集的質(zhì)量，它包括前端信號預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和電平轉(zhuǎn)換電路。預(yù)處理電路主要由AD8001運(yùn)放和低通濾波器組成，對回波信號進(jìn)行濾波和限幅，使信號幅度被限制在0.6～2.6 V之間。A/D芯片選用TLC5540高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其采樣頻率可達(dá)40 MHz，工作電壓為TTL電平。TLC5540以流水線的方式進(jìn)行工作，在每一個(gè)CLK周期都啟動(dòng)一次采樣。A/D轉(zhuǎn)換電路采用芯片說明書上的典型電路方案[6-7]。電平轉(zhuǎn)換電路將TTL電平轉(zhuǎn)換為3.3 V，由74LVTH245芯片及其外圍電路組成。

3 目標(biāo)識別設(shè)計(jì)

3.1 目標(biāo)識別方式

考慮到頻域分析具有明確的含義，獲取信號特征及其參數(shù)不受信號周期限制，信號特征明顯且魯棒性好等特點(diǎn)，目標(biāo)識別在頻域進(jìn)行。利用頻譜分析手段判斷回波的脈沖包絡(luò)是否具備高速目標(biāo)信號特征，若具備則認(rèn)為存在高速目標(biāo)，并根據(jù)頻率計(jì)算目標(biāo)速度。傅里葉變換的采樣點(diǎn)數(shù)一般取2的整數(shù)次冪，綜合考慮效率和準(zhǔn)確度，一般情況下選取24、25、26點(diǎn)的傅里葉變換。根據(jù)傅里葉變換結(jié)果，判斷回波中是否包含高速目標(biāo)的方法為

(2)

式中:X(k)為N點(diǎn)離散傅里葉變換值;kmax為傅里葉變換的最大值所對應(yīng)的k值。

由于數(shù)據(jù)采集的分段性和盲目性，需要對Nf組數(shù)據(jù)重新組合。新數(shù)組從Nf組采集到的數(shù)據(jù)中依次撿取一個(gè)，被撿取的點(diǎn)距各次采集開始時(shí)間相同，新數(shù)組具有Nf個(gè)數(shù)據(jù)，如式(3)所示。第1行(x11、x12、…、x1Ns) 為第1次采集得到的數(shù)據(jù)，共Nf組。矩陣的列則構(gòu)成新組合，即傅里葉變換的輸入量，如第1列(x11、x21、…、xNf1)為傅里葉變換的第1組輸入量，共Ns組。

(3)

傅里葉變換從第1組開始，直到檢測到高速目標(biāo)結(jié)束，無高速目標(biāo)信號時(shí)需要進(jìn)行Ns次傅里葉變換。發(fā)現(xiàn)高速目標(biāo)后，需進(jìn)一步計(jì)算出目標(biāo)距離，目標(biāo)距離D為

(4)

式中:n為檢測到目標(biāo)信號的數(shù)組序號;K為采集系數(shù)，默認(rèn)值為2.5。

當(dāng)在第n組數(shù)據(jù)中檢測出高速目標(biāo)后，需對其后的k-1組數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換以提高識別的準(zhǔn)確率。

3.2 識別算法

(5)

(6)

(7)

3.3 識別軟件開發(fā)

目標(biāo)識別模塊采用嵌入式平臺實(shí)現(xiàn)，具備回波采集控制和信號處理功能。目標(biāo)識別模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是功能函數(shù)的開發(fā)，主要包括數(shù)據(jù)接收、波形繪制、頻譜繪制、傅里葉變換、延遲和報(bào)警等功能函數(shù)，識別軟件交互界面如圖5所示。

按鈕“打開設(shè)備”用于發(fā)送采集命令，設(shè)計(jì)了程控采樣、觸發(fā)采樣和連續(xù)采樣共3種采集方式。“程控采樣”按鈕用于啟動(dòng)指定點(diǎn)數(shù)的采樣，采樣的時(shí)間由采樣頻率和采樣組數(shù)確定?！坝|發(fā)采樣”按鈕用于在TRIG信號的下降沿開始采樣，采集到指定的點(diǎn)數(shù)后停止采樣?！斑B續(xù)采樣”按鈕用于連續(xù)采集，邊采集邊讀取數(shù)據(jù)，如果讀取速度低于采集速度，會造成數(shù)據(jù)丟失?！八⑿麻g隔”用于設(shè)定目標(biāo)識別的重復(fù)周期，“采集速度”用于設(shè)定單個(gè)脈沖寬度被采集的次數(shù)，“采集組數(shù)”用于設(shè)定需要采集的脈沖組數(shù)。

4 測試結(jié)果分析

在炮瞄雷達(dá)1 km處利用某型雷達(dá)干擾器發(fā)射高速目標(biāo)信號，告警裝置參數(shù)設(shè)定如下：采樣方式為程控采樣，采集速度為2次/s，即采集系數(shù)K取2.5，采集組數(shù)為32。告警裝置采集I波段接收機(jī)的視頻信號，并對之進(jìn)行分析處理。采集到的信號在時(shí)域表現(xiàn)為雜序無章，但經(jīng)頻域處理后，信號存在明顯的尖峰，能分辨出明顯的高速目標(biāo)信號，識別軟件交互界面的顯示截屏如圖6所示，超過了式(2)中設(shè)定的門限值，啟動(dòng)報(bào)警器。圖中，波形圖的縱坐標(biāo)為500 mV/格，橫坐標(biāo)為50 s/格，頻譜圖的縱坐標(biāo)為500 mV/格，橫坐標(biāo)為1 s/格。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如下兩點(diǎn)現(xiàn)象：采集系數(shù)K的取值越大，提供目標(biāo)告警的可靠性越高；減少或增加采集數(shù)組值(Nf設(shè)置為16、64)，告警裝置均能分辨出高速目標(biāo)。測試結(jié)果表明文中的采集系數(shù)K和采集數(shù)組Nf的取值是合適的，能滿足告警裝置的告警需要。

5 結(jié)束語

提高炮瞄雷達(dá)對抗來襲高速目標(biāo)能力的重要前提是盡早發(fā)現(xiàn)、盡早識別來襲目標(biāo)，以便盡早采取有效的對抗措施。然而由于來襲目標(biāo)體積小，反射截面積小，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，使得炮瞄雷達(dá)要探測和識別該類目標(biāo)變得十分困難，這給抗擊高速目標(biāo)行動(dòng)帶來很大不利。針對高速飛行階段來襲目標(biāo)的告警問題，筆者提出了雷達(dá)回波采集思路和基于傅里葉變換的目標(biāo)檢測方法，給出了回波采集算法和目標(biāo)檢測算法，設(shè)計(jì)并開發(fā)出信號采集硬件電路和目標(biāo)識別軟件。告警裝置在具體的實(shí)驗(yàn)條件及明確的實(shí)驗(yàn)方法下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該裝置能檢測出高速目標(biāo)信號，并根據(jù)信號特征計(jì)算出目標(biāo)距離和速度，提高了炮瞄雷達(dá)對抗高速目標(biāo)的能力。通過技術(shù)改造途徑提高炮瞄雷達(dá)識別高速目標(biāo)的能力，將大大提高雷達(dá)的生存能力。下一步的研究工作是：優(yōu)化交互界面，改進(jìn)高速目標(biāo)的判斷算法，提高報(bào)警可靠性。