一種TWS雷達(dá)的干擾源跟蹤實(shí)現(xiàn)方法

張 彪，萬亞淳，孫超軍

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

隨著現(xiàn)代軍事的發(fā)展，對雷達(dá)干擾對抗提出了更高要求。目前電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，對付雷達(dá)的各種干擾樣式越來越多，這要求雷達(dá)采用靈活多樣的抗干擾技術(shù)來檢測和跟蹤目標(biāo)，但有時(shí)干擾強(qiáng)度很大，雷達(dá)簡單地通過對抗并不能完全消除干擾達(dá)到檢測目標(biāo)的目的，或者影響雷達(dá)測角的精度。通常通過信號處理算法，包括MTD/MTI、旁瓣對消及旁瓣匿影[1]等，對抗各種干擾樣式，而在數(shù)據(jù)處理直接對干擾源進(jìn)行跟蹤的嘗試比較少見。在干擾情況下，只要達(dá)到干擾強(qiáng)度和干擾的檢測門限，而不需要對干擾的樣式進(jìn)行區(qū)別，直接對干擾源進(jìn)行定位和跟蹤。本文主要討論干擾源數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)錄取到信號處理的干擾點(diǎn)跡信息，完成三坐標(biāo)雷達(dá)的干擾源跟蹤。

1 TWS雷達(dá)分區(qū)處理原則

基于邊掃描邊跟蹤(Track-While-Scan，TWS)系統(tǒng)的一維相掃三坐標(biāo)雷達(dá)在方位維上采用機(jī)械掃描，在航跡處理時(shí)，將掃描一周的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)一次性傳給航跡處理計(jì)算機(jī)將嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)性，并將增大計(jì)算復(fù)雜度。為了保證雷達(dá)航跡處理的實(shí)時(shí)性，又綜合考慮雷達(dá)計(jì)算復(fù)雜度，將雷達(dá)掃描區(qū)域平均分成N個(gè)區(qū)域，N一般取16，24或32等。每個(gè)區(qū)域稱之為扇區(qū)，分別為第0扇區(qū)，第1扇區(qū)，......，第N-1扇區(qū)[2]。TWS分區(qū)圖如圖1所示。

圖1 TWS分區(qū)圖Fig.1 TWS partition diagram

2 干擾源跟蹤處理

對空域已掃描過的扇區(qū)，用流水作業(yè)實(shí)現(xiàn)宏觀上的并行處理，當(dāng)天線掃過一個(gè)扇區(qū)時(shí)，處理向前滑動(dòng)一個(gè)扇區(qū)，重復(fù)一個(gè)流水作業(yè)[2-3]，干擾源跟蹤處理如圖2所示。

圖2 干擾源跟蹤處理Fig.2 The interference source tracking process diagram

在干擾源數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)信號處理的干擾點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。干擾點(diǎn)跡通常是干擾強(qiáng)度達(dá)到干擾門限，并由雷達(dá)信號處理進(jìn)行檢測形成的數(shù)據(jù)，包含干擾方位中心、干擾俯仰中心、主通道干擾回波功率、輔助通道回波功率和干擾寬度等信息。干擾航跡處理包括航跡預(yù)測、相關(guān)以及濾波處理[4-6]。通常雷達(dá)針對干擾環(huán)境，會(huì)設(shè)置主、輔助2個(gè)獨(dú)立的接收通道，主天線(雷達(dá)天線)接主接收通道，輔助天線接輔助通道，一般用比主天線第一副瓣稍高些的全向天線作為輔助天線[7]。外部干擾強(qiáng)弱有別，如果雷達(dá)接收到的干擾強(qiáng)度過大或飽和，則影響雷達(dá)信號處理測角精度，根據(jù)主通道和輔助通道接收到的回波功率，對主接收通道進(jìn)行自動(dòng)增益控制[8]，使信號處理的干擾強(qiáng)度適中，實(shí)現(xiàn)干擾源的穩(wěn)定跟蹤。

2.1 參數(shù)定義

相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

T：雷達(dá)掃描周期；α，β：α-β濾波器系數(shù)；As(k)，Es(k)：第k次掃描時(shí)的航跡方位、俯仰的濾波位置；Ap(k)，Ep(k)：第k次掃描時(shí)的航跡方位、俯仰的預(yù)測位置；Ao(k)，Eo(k)：第k次掃描時(shí)的航跡方位、俯仰的量測位置；Vas(k)，Ves(k)：第k次掃描時(shí)的航跡方位、俯仰的濾波速度；Vap(k)，Vep(k)：第k次掃描時(shí)的航跡方位、俯仰的預(yù)測速度；Mjnr(k)，Ajnr(k)：第k次掃描時(shí)的主通道、輔助通道接收到的回波功率；agc(k)：第k次掃描時(shí)的自動(dòng)增益控制值。

2.2 干擾航跡預(yù)測

目標(biāo)起始后，利用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型預(yù)測下一時(shí)刻的目標(biāo)狀態(tài)變量(位置、速度)[9-10]，得到干擾航跡的預(yù)測值。

預(yù)測目標(biāo)方位：

Ap(k+1)=Ap(k)+Vs(k)*T。

預(yù)測目標(biāo)俯仰：

Ep(k+1)=Ap(k)+Vs(k)*T。

預(yù)測目標(biāo)方位角速度：

Vap(k+1)=Vas(k)。

預(yù)測目標(biāo)俯仰角速度：

Vep(k+1)=Ves(k)。

2.3 干擾航跡相關(guān)

相關(guān)波門就是以某次雷達(dá)掃描的預(yù)測值為中心的一個(gè)空間區(qū)域。在2.2節(jié)中，航跡預(yù)測的位置信息(Ap(k+1)，Ep(k+1))作為干擾航跡相關(guān)波門的中心。干擾航跡相關(guān)算法根據(jù)落入相關(guān)波門的干擾點(diǎn)跡數(shù)據(jù)(即量測數(shù)據(jù))，挑選出最優(yōu)的干擾點(diǎn)跡值[11-12]。

在航跡相關(guān)算法中，定義量測值與預(yù)測值的誤差：

方位誤差：

ΔA=Ao(k+1)-Ap(k+1)。

俯仰誤差：

ΔE=Eo(k+1)-Ep(k+1)。

角度誤差：

delta=|ΔA|+|ΔE|。

航點(diǎn)相關(guān)算法分2步進(jìn)行：

第1步，根據(jù)航跡預(yù)測值及干擾量測值，得到最小角度差Mindelta，并得到角度差最小的干擾量測值；

第2步，考慮量測值誤差及預(yù)測值誤差帶來的影響，如果其他干擾量測值計(jì)算得到的角度差與Mindelta相差半個(gè)波束寬度內(nèi)，則在這些點(diǎn)跡值里找干噪比最大的一個(gè)量測數(shù)據(jù)作為最優(yōu)量測數(shù)據(jù)。具體流程如圖3所示。

圖3 航點(diǎn)相關(guān)算法流程Fig.3 Track correlation algorithm diagram

2.4 干擾航跡濾波

根據(jù)2.2、2.3節(jié)步驟，得到干擾航跡的預(yù)測值、量測值，再結(jié)合濾波器系數(shù)α，β，可以計(jì)算目標(biāo)狀態(tài)的濾波值[13-15]。

方位濾波值：

As(k+1)=Ap(k+1)+α*(Ao(k+1)-Ap(k+1))。

俯仰濾波值：

Es(k+1)=Ep(k+1)+α*(Eo(k+1)-Ep(k+1))。

方位角速度濾波值：

Vas(k+1)=Vap(k+1)+(β/T)*

(Ao(k+1)-Ap(k+1))。

俯仰角速度濾波值：

Ves(k+1)=Vep(k+1)+(β/T)*

(Eo(k+1)-Ep(k+1))。

為了使目標(biāo)位置及速度的濾波誤差最小，應(yīng)該選擇合適的濾波器系數(shù)α，β。由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡偏差較大或雷達(dá)探測的隨機(jī)誤差較大，導(dǎo)致預(yù)測值與量測值相差較大時(shí)，需要將濾波器系數(shù)α，β增大，更多相信實(shí)際量測數(shù)據(jù)，如果預(yù)測值與量測值相差較小時(shí)，則將濾波器系數(shù)α，β減小，更多相信跟蹤過程形成的預(yù)測。雷達(dá)根據(jù)每次濾波結(jié)果，適時(shí)調(diào)整濾波器系數(shù)，便于下一圈形成更好的濾波結(jié)果。

2.5 自動(dòng)增益控制

在2.4節(jié)中，得到了干擾航跡的量測值并完成了濾波，但由于回波功率大小影響雷達(dá)測角的精度。由于量測值數(shù)據(jù)中還包括主通道接收到的回波功率Mjnr(k+1)以及輔助通道接收到的回波功率Ajnr(k+1)，可以利用2個(gè)通道的回波功率數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)增益控制，使主通道的接收回波功率在一個(gè)合適的范圍[8]。

根據(jù)雷達(dá)主、輔天線的方向圖，對主、輔通道回波功率分別設(shè)置若干門限，分為飽和門限、控制上限、控制下限以及低門限，其中，飽和門限表示該通道已經(jīng)飽和，控制上限和控制下限是希望得到的主通道回波功率范圍，低門限表示該通道接收回波功率較小。主通道的飽和門限設(shè)為Vmb，控制上限設(shè)為Vmh，控制下限設(shè)為Vml，低門限設(shè)為Vmq，輔助通道的飽和門限設(shè)為Vab，控制上限設(shè)為Vah，控制下限設(shè)為Val，低門限Vaq。

自動(dòng)增益控制的原則：如果主通道飽和，則使用輔助通道回波功率進(jìn)行增益控制；如果主通道未飽和，則用主通道回波功率進(jìn)行增益控制。最終主通道回波功率處于控制下限與控制上限的范圍內(nèi)，具體流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)增益控制流程Fig.4 Automatic gain control diagram

3 干擾源跟蹤試驗(yàn)結(jié)果處理

通過目標(biāo)攜帶干擾機(jī)設(shè)備相對雷達(dá)從60 km水平平飛進(jìn)入，速度220 m/s，飛行高度3 km，對雷達(dá)釋放寬帶噪聲干擾進(jìn)行干擾壓制，雷達(dá)實(shí)測干擾，并對干擾源進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤。對雷達(dá)每次掃描周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，結(jié)合干擾的真實(shí)數(shù)據(jù)可以得到干擾方位、俯仰的跟蹤效果。其中，根據(jù)雷達(dá)接收回波統(tǒng)計(jì)干噪比信息如圖5所示，可見通過自動(dòng)增益控制，最終雷達(dá)接收回波功率趨于一個(gè)較穩(wěn)定的范圍。

圖5 雷達(dá)接收干噪比Fig.5 Radar received jammer to noise ratio

雷達(dá)的方位、俯仰濾波值與真值的對比效果如圖6和圖7所示。分析數(shù)據(jù)可得，干擾源方位、俯仰跟蹤精度能小于0.5°。

圖6 干擾航跡方位值與真值比較Fig.6 The compensation of the jammer trace azimuth filter value and the true value

圖7 干擾航跡俯仰值與真值比較Fig.7 The compensation of the jammer trace elevation filter value and the true value

4 結(jié)束語

通常在雷達(dá)信號處理采用各種復(fù)雜的抗干擾算法消除或減小干擾的影響，但很多情況下，抗干擾的效果并不明顯。本文對干擾樣式不加區(qū)別，只關(guān)注干擾強(qiáng)度的影響，通過信號處理檢測出的干擾點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，對干擾源進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，能為外部指揮系統(tǒng)有效地提供盡可能多的干擾數(shù)據(jù)信息。由于本文討論的TWS體制下雷達(dá)的干擾源跟蹤只對干擾源的方位、俯仰進(jìn)行處理，后續(xù)工作可以在距離維上做相應(yīng)的工作，對某些干擾可以盡量給出距離信息，同時(shí)，在自動(dòng)增益控制方面，可以設(shè)計(jì)更加精細(xì)的增益控制，更有利于干擾源的穩(wěn)定跟蹤。