基于雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的箔條雜波特性提取與應(yīng)用研究?

（中國(guó)人民解放軍91336部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

箔條干擾是反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)過(guò)程中面臨的一種常見干擾手段。裝備試驗(yàn)鑒定工作中，箔條干擾既是反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾試驗(yàn)項(xiàng)目，又是艦艇電子對(duì)抗反導(dǎo)作戰(zhàn)試驗(yàn)的必要環(huán)節(jié)，箔條干擾對(duì)抗過(guò)程成為反艦導(dǎo)彈攻防對(duì)抗作戰(zhàn)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)［1～2］。受限于外場(chǎng)試驗(yàn)組織難度大、成本高、時(shí)間周期長(zhǎng)等因素，反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)抗箔條干擾試驗(yàn)樣本數(shù)通常較小，難以直接滿足裝備試驗(yàn)需求。

仿真試驗(yàn)是外場(chǎng)試驗(yàn)一種有益的補(bǔ)充手段，但可信度問題是仿真試驗(yàn)手段推廣應(yīng)用過(guò)程中面臨的主要障礙。隨著高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，工程上已經(jīng)開始應(yīng)用于采集雷達(dá)中頻回波數(shù)據(jù)［3］。雷達(dá)中頻回波數(shù)據(jù)，包含目標(biāo)及干擾在時(shí)域、空域、頻域、能域的多維信息，通過(guò)適當(dāng)處理可以較為全面地描述目標(biāo)及干擾特性?；谶@一思路，本文針對(duì)箔條干擾動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的仿真建模問題，對(duì)真實(shí)試驗(yàn)過(guò)程采集的原始雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成一種基于多散射中心的箔條雜波描述方法，可支撐外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的逼真回放，提高仿真試驗(yàn)結(jié)果可信度。

2 雷達(dá)信號(hào)處理及特征提取

在反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)抗箔條干擾試驗(yàn)中，雷達(dá)回波高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備一般同時(shí)錄取雷達(dá)發(fā)射信號(hào)、和路回波信號(hào)、方位（俯仰）差路回波信號(hào)。其中，發(fā)射信號(hào)作為參考信號(hào)，支撐回波信號(hào)的脈沖壓縮處理；和路回波信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖壓縮和相參積累處理后，可檢測(cè)目標(biāo)距離、多普勒（徑向速度）信息；和路、差路回波共同用于目標(biāo)角度信息測(cè)量。雷達(dá)回波信號(hào)處理原理框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)回波信號(hào)處理原理框圖

2.1 脈沖壓縮［4～5］

在現(xiàn)代相參雷達(dá)信號(hào)處理中，不僅需要雷達(dá)信號(hào)的幅度信息，還需要準(zhǔn)確的相位信息。零中頻復(fù)數(shù)信號(hào)可以完整描述雷達(dá)信號(hào)的幅度信息和相位信息，工程上通常采用正交相位檢波獲得雷達(dá)信號(hào)的同相分量xI(t)和正交分量xQ(t)，它們共同構(gòu)成零中頻復(fù)數(shù)信號(hào)

式中，a(t)表示信號(hào)幅度，φ(t)表示信號(hào)相位。

通過(guò)零中頻復(fù)數(shù)信號(hào)表示雷達(dá)信號(hào)，可以方便描述雷達(dá)信號(hào)處理的各個(gè)環(huán)節(jié)。

脈沖壓縮處理，本質(zhì)上就是將一個(gè)具有非線性相位譜特性的大時(shí)寬帶寬積信號(hào)通過(guò)一個(gè)匹配濾波器，該濾波器的相頻特性與輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)相位共軛匹配，使得輸出信號(hào)信噪比最大化。實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮可以在時(shí)域進(jìn)行，也可以在頻域進(jìn)行。其中頻域數(shù)字脈沖壓縮可以利用離散傅里葉變換的快速算法（FFT和IFFT）提高運(yùn)算效率，工程中被廣泛應(yīng)用。頻域脈沖壓縮算法可簡(jiǎn)述如下。

設(shè)零中頻雷達(dá)回波信號(hào)為si(n)，匹配濾波器脈沖響應(yīng)為h(n)，那么濾波器輸出就是二者的卷積：

變換到頻域，則可表示為

而濾波器傳遞函數(shù)H(k)可通過(guò)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻譜S(k)的復(fù)共軛獲得。工程上，頻域脈沖壓縮方法可由圖2描述。

實(shí)際應(yīng)用中，由于信號(hào)本身的特性影響，或者工程上的非理想實(shí)現(xiàn)，都會(huì)造成脈沖壓縮距離副瓣較高，通常采用多種副瓣抑制濾波器進(jìn)行失配處理，降低副瓣。

2.2 相參積累

多個(gè)脈沖周期的信號(hào)積累分為相參積累和非相參積累兩種。相參積累是對(duì)中頻信號(hào)或者在零中頻對(duì)信號(hào)復(fù)包絡(luò)進(jìn)行的，M個(gè)幅度相等的中頻脈沖信號(hào)同相相加，輸出脈沖幅度將增加M倍，相應(yīng)的脈沖功率增加M2倍，而噪聲是隨機(jī)的，M個(gè)獨(dú)立同分布的隨機(jī)噪聲脈沖相加的結(jié)果是噪聲功率增加M倍，所以相參積累的結(jié)果使輸出信噪比改善M倍［4］。

圖2 頻域脈沖壓縮原理框圖

相參脈沖串的相參積累，可以通過(guò)離散傅里葉變換實(shí)現(xiàn)。設(shè)雷達(dá)每個(gè)探測(cè)周期從發(fā)射同步脈沖開始將處理全程分為N個(gè)距離單元，則相鄰M個(gè)探測(cè)周期的接收信號(hào)構(gòu)成M×N的數(shù)據(jù)矩陣，將第n個(gè)距離單元、相鄰M個(gè)探測(cè)周期的脈沖串信號(hào)xn(m)(0≤m≤M-1)做L≥M點(diǎn)離散傅里葉變換，即

就實(shí)現(xiàn)了第n個(gè)距離單元、相鄰M個(gè)探測(cè)周期脈沖串信號(hào)的相參積累。采用同樣處理方法，可以實(shí)現(xiàn)全程各距離單元脈沖串信號(hào)的相參積累。

以某末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤海面單個(gè)艦船目標(biāo)為例，脈沖壓縮及相參積累典型結(jié)果如圖3所示。

圖3 雷達(dá)回波信號(hào)處理結(jié)果

完成相參積累后，可以在距離—多普勒二維平面上確定目標(biāo)位置（幅度較大的位置），目標(biāo)所處距離單元坐標(biāo)反映目標(biāo)與末制導(dǎo)雷達(dá)之間的距離；目標(biāo)所處多普勒單元坐標(biāo)則反映目標(biāo)與末制導(dǎo)雷達(dá)之間的徑向速度。因此，對(duì)相參積累結(jié)果進(jìn)行幅度檢波，就能夠同時(shí)得到目標(biāo)的距離、徑向速度和回波幅度信息［6］。

3 角度信息提?。?～9］

對(duì)于和、差式單脈沖測(cè)角體制的末制導(dǎo)雷達(dá)，通過(guò)雷達(dá)回波和路信號(hào)、差路信號(hào)的歸一化處理，就可以得到角誤差信號(hào)。角誤差信號(hào)反映了目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)天線軸的方位（俯仰）角。由于方位角和俯仰角的提取方法一致，不失一般性，本文以方位角為例介紹測(cè)角原理。

振幅和差式測(cè)角原理是在同一角平面內(nèi)發(fā)射兩個(gè)相同但部分重疊的波束，將其接收信號(hào)進(jìn)行和差處理。如果目標(biāo)處于兩波束的重疊方向（稱為等信號(hào)方向），則兩波束收到的信號(hào)強(qiáng)度相同，否則一個(gè)波束收到的信號(hào)強(qiáng)于另一波束收到的信號(hào)。單脈沖和差比幅測(cè)角公式為

其中，δ為角誤差，Σ和Δ分別為和、差信號(hào)的幅度，φ為和、差信號(hào)的相位差。在理想的單脈沖系統(tǒng)中，Δ、Σ兩個(gè)矢量之間的相位差為0°或180°，二者形成的單脈沖復(fù)比只有實(shí)部。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，由于噪聲、干擾等諸多因素的影響，使得單脈沖復(fù)比可能同時(shí)具有實(shí)部和虛部。為了解決這一問題，工程上通常對(duì)單脈沖復(fù)比進(jìn)行取實(shí)部處理。

將復(fù)比表示成I、Q形式，即

則和、差單脈沖復(fù)比的實(shí)部可表示為

式中，Δ*、Σ*分別表示Δ、Σ的復(fù)共軛。

通過(guò)對(duì)每一強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行角度測(cè)量，就可以在三維空間完整描述箔條位置、姿態(tài)及散射特性的變化過(guò)程。以某次箔條干擾為例，通過(guò)數(shù)據(jù)處理可得如圖4所示的箔條散射中心分布情況。

對(duì)于一組脈沖串回波信號(hào)，通過(guò)雷達(dá)回波信號(hào)處理以及和差單脈沖測(cè)角處理，就可以得到箔條多個(gè)散射中心的完整描述。在時(shí)間上連續(xù)處理多組雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，就可以得到箔條多散射中心的動(dòng)態(tài)變化時(shí)間序列，實(shí)現(xiàn)了時(shí)域上的過(guò)程描述。

圖4 箔條及艦船多散射中心分布圖

4 應(yīng)用方向分析

完整的箔條多散射中心模型，可以支撐反艦導(dǎo)彈攻防對(duì)抗過(guò)程相關(guān)理論研究和作戰(zhàn)仿真推演［10～12］，具體可以確定以下應(yīng)用方向。

1）干擾對(duì)抗效果深度分析評(píng)估。傳統(tǒng)試驗(yàn)評(píng)估僅使用末制導(dǎo)雷達(dá)輸出的行為信息，事實(shí)上是忽略了單次試驗(yàn)過(guò)程中諸多寶貴的試驗(yàn)信息，因而評(píng)估不夠深入，知其然而不知其所以然。通過(guò)回波數(shù)據(jù)提取箔條雜波和目標(biāo)回波的對(duì)比關(guān)系，可以清晰地復(fù)現(xiàn)末制導(dǎo)雷達(dá)工作過(guò)程，有助于準(zhǔn)確把握末制導(dǎo)雷達(dá)信息處理流程中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)整體抗干擾能力的貢獻(xiàn)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾能力更加全面、客觀的綜合評(píng)估。另一方面，對(duì)于箔條干擾實(shí)施方，可以通過(guò)分析準(zhǔn)確把握干擾戰(zhàn)術(shù)意圖的實(shí)現(xiàn)程度，從而為優(yōu)化戰(zhàn)術(shù)使用奠定基礎(chǔ)。

2）作戰(zhàn)試驗(yàn)推演。常規(guī)的末制導(dǎo)雷達(dá)試驗(yàn)以岸基架設(shè)和船載動(dòng)態(tài)為主，試驗(yàn)過(guò)程中末制導(dǎo)雷達(dá)與目標(biāo)艦船的相對(duì)距離變化不大，而實(shí)際導(dǎo)彈作戰(zhàn)是快速逼近目標(biāo)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因而需要將試驗(yàn)結(jié)果推演到反艦導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)逼近過(guò)程。通過(guò)箔條干擾過(guò)程的建模描述，就可以支撐開展相同入射角條件下的動(dòng)態(tài)推演。隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本的增加，還可以進(jìn)一步提煉形成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?zhǔn)確描述不同入射角、不同自然環(huán)境條件下的箔條干擾過(guò)程，支撐大樣本的作戰(zhàn)試驗(yàn)推演和戰(zhàn)法研究。

3）等效替代試驗(yàn)。在末制導(dǎo)雷達(dá)方面，可以將箔條干擾模型（或數(shù)據(jù)）直接注入同頻段的其它雷達(dá)裝備，檢驗(yàn)其信息處理能力、抗干擾能力。在艦艇反導(dǎo)方面，可以將艦船目標(biāo)多散射點(diǎn)替換為其他艦艇的一維距離像，模擬試驗(yàn)該艦艇實(shí)施箔條干擾后的自我保護(hù)能力。

5 結(jié)語(yǔ)

以試驗(yàn)記錄的原始雷達(dá)回波數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)雷達(dá)信號(hào)處理提煉形成箔條雜波多散射中心模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)箔條干擾過(guò)程的完整描述，有效支撐干擾對(duì)抗作戰(zhàn)過(guò)程分析推演的多項(xiàng)相關(guān)研究?jī)?nèi)容。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，極化信息開始用于末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾，下一步可以將極化信息補(bǔ)充到模型描述中，實(shí)現(xiàn)更加完善的箔條干擾過(guò)程描述，支撐仿真試驗(yàn)推演。