LFMCW雷達導(dǎo)引頭大下視角對地探測時搜索波門自適應(yīng)設(shè)置方法

高文冀 李喜民 王建超 伍建輝

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

智能彈藥以其優(yōu)異的“效費比”而受到世界各國軍事裝備研究的廣泛重視。目前，國內(nèi)外應(yīng)用于智能彈藥的導(dǎo)引頭以激光半主動和紅外體制為主，該類型光學(xué)導(dǎo)引頭性能受天氣及戰(zhàn)場煙霧等環(huán)境影響較大，實際應(yīng)用中存在一定的局限性。近年來，隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，小型化、耐高過載雷達導(dǎo)引頭應(yīng)用于智能彈藥已成為可能，其所具備的“全天候工作”及“打了不管”特性，可對上述光學(xué)體制導(dǎo)引頭形成有效補充，具有廣泛的應(yīng)用前景。

雷達導(dǎo)引頭與上述光學(xué)導(dǎo)引頭工作原理不同，其主要依靠距離維的搜索來鎖定目標(biāo)，因此導(dǎo)引頭工作時，實時、準(zhǔn)確的彈地相對距離信息對導(dǎo)引頭十分重要，導(dǎo)引頭需依據(jù)該信息設(shè)置搜索波門，并在波門內(nèi)搜索目標(biāo)。

智能彈藥受成本限制，所搭載的彈上設(shè)備無法在飛行中為雷達導(dǎo)引頭實時提供準(zhǔn)確的彈地相對距離參數(shù)，只能根據(jù)理論彈道參數(shù)進行計算。而在彈體實際飛行中，受氣象、海拔高和地形等因素影響，彈藥飛行軌跡將發(fā)生改變，導(dǎo)致根據(jù)理論彈道計算的彈地距離與真實值存在較大散布(一般該誤差值在50～200m左右，如射程超過20km，該散布將進一步增大)，無法滿足雷達導(dǎo)引頭搜索時波門設(shè)置的需求。

為解決上述問題，本文以LFMCW雷達導(dǎo)引頭為應(yīng)用背景，提出一種新的搜索波門自適應(yīng)跟蹤方法，使得雷達導(dǎo)引頭在不依靠外部信息的前提下，僅通過自身回波數(shù)據(jù)分析實時獲取彈地距離，實現(xiàn)搜索波門的自適應(yīng)隨動，延長導(dǎo)引頭對地探測中的搜索時間，以提高導(dǎo)引頭對目標(biāo)的捕獲概率，增加制導(dǎo)彈藥使用時的靈活性。

1 LFMCW雷達導(dǎo)引頭工作原理

本文以發(fā)射信號為鋸齒波調(diào)頻方式的LFMCW雷達導(dǎo)引頭為應(yīng)用背景，LFMCW雷達在有效掃頻周期的理想發(fā)射信號可表示為:

(1)

其中A0為發(fā)射信號幅度，f0為射頻的初始頻率，即發(fā)射信號的中心頻率，φ0為發(fā)射信號的隨機初始相位，T為調(diào)頻周期，B為調(diào)頻帶寬，K=B/T為調(diào)頻斜率。

根據(jù)式(1)，初始距離(t=0時刻)為R0，初始回波延遲為τ0=2R0/c的靜止點目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號可表示為：

(2)

其中Kr為傳輸損耗因子，θ0為目標(biāo)反射引起的附加相移，c為光速。

把該點目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號與發(fā)射信號通過混頻器進行混頻，然后通過低通濾波濾除高頻分量，得到如下所示的波形：

(3)

根據(jù)式(3)可知，在調(diào)制參數(shù)T、B一定的條件下，差頻信號f與距離R成正比，對差頻信號f進行FFT變換，就可通過頻譜求出目標(biāo)的距離R。

本文后續(xù)試驗以某項目毫米波LFMCW雷達導(dǎo)引頭為驗證平臺，其具體參數(shù)為：

1)發(fā)射功率400mW;

2)工作頻段:Ka波段;

3)調(diào)頻形式：線性正斜率鋸齒波;

4)調(diào)頻周期：1ms;

5)調(diào)頻帶寬：510MHz。

2 原有LFMCW雷達導(dǎo)引頭波門設(shè)置方法

在原導(dǎo)引頭應(yīng)用中，雷達導(dǎo)引頭只能采用固定位置波門，根據(jù)理論彈道計算，在發(fā)射前完成波門位置及導(dǎo)引頭開始搜索時間設(shè)定，在實際飛行中導(dǎo)引頭按設(shè)定時間開始搜索，等待目標(biāo)在波門內(nèi)出現(xiàn)并截獲目標(biāo)。具體流程如圖2所示：

采用這種方式主要有以下幾個問題：

1)當(dāng)受氣象或海拔高因素影響時，彈體實際飛行軌跡與理論計算將產(chǎn)生較大偏差，有可能導(dǎo)致因波門位置偏差，而無法截獲目標(biāo)的情況，降低了制導(dǎo)彈藥的環(huán)境適應(yīng)性；

2)實際應(yīng)用中，導(dǎo)引頭波門位置需根據(jù)不同射擊參數(shù)(射角和射向)和彈著點高度差進行調(diào)整，為彈藥的實際使用造成困難，降低了彈藥發(fā)射時的反應(yīng)速度；

3)為保證截獲目標(biāo)，一般波門位置應(yīng)比當(dāng)前彈地距離更近，以實現(xiàn)目標(biāo)自遠及近通過波門，該方法將導(dǎo)致彈體起控時間推后，影響修正能力；

4)目標(biāo)通過波門時間有限，如導(dǎo)引頭因外界因素?zé)o法一次成功截獲目標(biāo)，一般無法完成二次目標(biāo)搜索；

5)當(dāng)導(dǎo)引頭跟蹤過程中丟失目標(biāo)后，無法通過重新搜索再次截獲目標(biāo)。

3 一種新的搜索波門自適應(yīng)設(shè)置方法

在智能彈藥對地攻擊應(yīng)用中，目標(biāo)所處位置必然包含在地雜波范圍內(nèi)，因此本方法將實現(xiàn)LFMCW雷達全距離范圍內(nèi)地雜波位置的自動快速定位，并以此設(shè)置搜索波門，使得搜索波門始終跟隨地雜波移動，保證對目標(biāo)的持續(xù)搜索。

本算法處理流程如圖3所示：

從上述流程圖中可以看出，本方法實現(xiàn)的關(guān)鍵是如何根據(jù)導(dǎo)引頭探測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速地估計出地雜波的位置。下面將對該關(guān)鍵算法進行詳細敘述。

4 基于一維距離像的地雜波位置快速估計算法

在大下視角條件下，主瓣地雜波往往擁有較強的回波功率。在導(dǎo)引頭大下視角(約45°～60°)對地探測時，主瓣地雜位置將出現(xiàn)與天線方向圖相匹配的回波突起，而其余距離范圍回波功率較小(如圖5所示)，通過測量全距離范圍內(nèi)主瓣雜波的突起的位置，便可以確定地雜波所處距離及寬度，并依此設(shè)置搜索波門。圖4、5為毫米波LFMCW雷達導(dǎo)引頭高塔試驗時的實采地雜波數(shù)據(jù)。

由上述試驗數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)向天空時，回波功率較小且相對均勻(如圖4所示)，而當(dāng)導(dǎo)引頭在高塔上以大下視角對地探測時，地雜波位置有較強的回波功率突起(如圖5所示，其中最高峰值為角反射體目標(biāo)回波)，該回波功率突起的位置即代表了導(dǎo)引頭此時距地面的距離。

為了保證估計的實時性，本算法設(shè)計時將采用適合并行運算特點的一維滑窗平均算法，以減小雜波估計的計算時間。由于雜波回波主要體現(xiàn)在回波功率在距離上的變化，擬采用一維滑窗平均算法對回波進行平滑，隨后對平滑后的數(shù)據(jù)利用門限檢測的方式確定地雜波位置，從而獲取雜波相對于導(dǎo)引頭的實際距離。對上述實采回波數(shù)據(jù)，以64點一維滑窗平均算法進行平滑可得如圖6所示曲線。

對圖6及圖7中的64點平滑濾波后曲線采用最大值的三分之一作為門限進行判別，過門限部分判定為地雜波區(qū)域，依照上述算法，通過實時自動估計回波中的地雜波位置，得到相應(yīng)的彈地距離。所得如圖8所示。

利用上述算法對不同條件下采集的回波數(shù)據(jù)進行計算可得到圖9、10結(jié)果。從計算結(jié)果中可以看出，對應(yīng)不同數(shù)據(jù)，依據(jù)本算法均可檢測出回波功率突起的位置，通過門限檢測準(zhǔn)確地估計出地雜波相對于導(dǎo)引頭的實時距離，并依此設(shè)置搜索距離波門，實現(xiàn)導(dǎo)引頭搜索波門的隨動，延長導(dǎo)引頭搜索時間，提高智能彈藥用導(dǎo)引頭正確截獲目標(biāo)的概率。

5 結(jié)束語

本文提出了一種新的搜索波門自適應(yīng)設(shè)置方式，并利用高塔實采數(shù)據(jù)對該方法中的關(guān)鍵算法(基于一維距離像的地雜波位置快速估計算法)進行仿真，驗證了該算法的通用型及有效性。目前該方法已經(jīng)在導(dǎo)引頭高塔試驗中進行了的驗證，可有效解決低成本毫米波智能化彈藥對地探測時波門位置設(shè)置偏差問題，進一步提高地面目標(biāo)的截獲成功率。