主動防護(hù)雷達(dá)多徑效應(yīng)抑制方法

馬 可 李慧敏 張漢光 王 毅

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

主動防護(hù)雷達(dá)是坦克、裝甲車輛硬殺傷主動防護(hù)系統(tǒng)[1]的重要組成部分，主要功能是探測一定區(qū)域內(nèi)的高速運動目標(biāo)，精確測量目標(biāo)距離、方位、俯仰和速度，判斷目標(biāo)威脅性，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，輸出濾波數(shù)據(jù)，為火控解算提供數(shù)據(jù)源。由于觀測目標(biāo)的軌跡通常是貼地飛行，因此探測時的多徑效應(yīng)嚴(yán)重影響著雷達(dá)的精度，從而導(dǎo)致主動防護(hù)系統(tǒng)攔截效率降低。

雷達(dá)的多徑效應(yīng)抑制技術(shù)可以根據(jù)不同雷達(dá)的應(yīng)用場景綜合實現(xiàn)[2]。本文針對主動防護(hù)雷達(dá)的應(yīng)用特點，從數(shù)據(jù)處理方面入手，通過實測數(shù)據(jù)分析，提出了一種基于分組選擇算法的多徑抑制方法，該方法可以有效降低多徑效應(yīng)對主動防護(hù)雷達(dá)的影響。

1 多徑效應(yīng)影響分析

主動防護(hù)系統(tǒng)是坦克裝甲車輛用于攔截、摧毀或迷惑敵方來襲彈藥，使之不能命中的自衛(wèi)系統(tǒng)。系統(tǒng)由以下三大部分組成：第一部分是戰(zhàn)場威脅探測告警系統(tǒng)，負(fù)責(zé)感知車輛所受的戰(zhàn)場威脅；第二部分是信號處理及決策系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對威脅信號進(jìn)行處理、分析并做出對抗決策；第三部分是綜合對抗系統(tǒng)，負(fù)責(zé)響應(yīng)決策執(zhí)行對抗。對于攔截型主動防護(hù)系統(tǒng)，其對抗形式是利用中近距離反導(dǎo)防御系統(tǒng)，在敵方彈藥擊中車輛前對其進(jìn)行攔截和摧毀[3]。

為保證攔截彈藥準(zhǔn)確地與來襲目標(biāo)交會，進(jìn)而對其造成毀傷，需要獲得來襲目標(biāo)的距離、速度、方位等信息。通常利用安裝在坦克裝甲車輛不同方位的多部主動防護(hù)超近程探測雷達(dá)，來實現(xiàn)對于車體周向的全方位探測[4]。

本課題設(shè)計的主動防護(hù)系統(tǒng)主要工作流程如圖1所示。當(dāng)坦克裝甲車輛進(jìn)入作戰(zhàn)狀態(tài)后，主動防護(hù)雷達(dá)進(jìn)入搜索狀態(tài)，對作用范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行目標(biāo)搜索，此時雷達(dá)對探測到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有目標(biāo)攻擊車輛時，轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)并向系統(tǒng)主控制器輸出經(jīng)過濾波的航跡數(shù)據(jù)；主控制器收到雷達(dá)給出的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行航跡擬合與彈道外推，并利用外推數(shù)據(jù)調(diào)轉(zhuǎn)攔截彈藥發(fā)射器，使攔截彈對準(zhǔn)目標(biāo)的來襲方向，經(jīng)過火控解算適時發(fā)送點火信號發(fā)射攔截彈藥對來襲目標(biāo)進(jìn)行毀傷[5]。

圖1 主動防護(hù)系統(tǒng)工作流程

由于主動防護(hù)雷達(dá)安裝在車體上，安裝高度很低，而且探測目標(biāo)主要是貼地飛行的反坦克火箭彈、導(dǎo)彈等，使得目標(biāo)直接回波和地面反射回波共同進(jìn)入接收天線，形式上相當(dāng)于雷達(dá)同時探測到兩個目標(biāo)：真實目標(biāo)和其鏡像。多徑效應(yīng)[6]使得這兩個目標(biāo)的回波信號疊加，且疊加模式隨著距離而起伏變化，導(dǎo)致俯仰測角值精度降低[7]，如圖2所示。俯仰測角精度低會使得攔截彈藥發(fā)射器調(diào)轉(zhuǎn)不到位，最終會導(dǎo)致主動防護(hù)系統(tǒng)攔截概率降低。

圖2 主動防護(hù)雷達(dá)多徑效應(yīng)

為了具備對同一方向來襲目標(biāo)的多次攔截能力，現(xiàn)代主動防護(hù)系統(tǒng)攔截彈藥發(fā)射器逐漸由固定安裝式向隨動轉(zhuǎn)臺式發(fā)展[8-9]。因此，主動防護(hù)雷達(dá)需要提供精確的目標(biāo)信息，才能保證主動防護(hù)系統(tǒng)的攔截概率。所以必須克服多徑效應(yīng)對主動防護(hù)雷達(dá)的影響。

2 多徑效應(yīng)抑制方法

多徑效應(yīng)對于雷達(dá)的俯仰測角影響較大[10]。地面發(fā)射的反坦克火箭彈、導(dǎo)彈的飛行高度一般與坦克裝甲車輛底盤高度相當(dāng)。雷達(dá)在探測此類貼地飛行的高速小目標(biāo)時，受多徑效應(yīng)影響，俯仰測角出現(xiàn)高低起伏，測角性能惡化[11]，部分情況下無法滿足攔截系統(tǒng)精度要求。通常抑制多徑效應(yīng)的方法有：提高雷達(dá)高度[12]、偏軸跟蹤技術(shù)[13]、采用垂直極化[14]等，本課題在采用了上述方法后，經(jīng)過外場試驗采集數(shù)據(jù)表明，多徑效應(yīng)對雷達(dá)的影響有所改善。但在某些環(huán)境下，仍然不能滿足主動防護(hù)系統(tǒng)對雷達(dá)俯仰測角精度的要求。主動防護(hù)雷達(dá)在采用上述抑制多徑效應(yīng)方法后的某次俯仰角實測結(jié)果如圖3所示。

圖3 實測俯仰角數(shù)據(jù)

由于雷達(dá)使用環(huán)境已經(jīng)確定，上述抑制多徑效應(yīng)的方法只能起到部分作用。因此，考慮在將航跡數(shù)據(jù)輸出給主控制器前，通過數(shù)據(jù)處理的方法，用分組選擇算法將受多徑效應(yīng)影響的俯仰角測角野值剔除、真值保留，以達(dá)到抑制多徑效應(yīng)的效果。該分組選擇算法的步驟如下：

1)將主動防護(hù)雷達(dá)測量得到的原始俯仰角數(shù)據(jù)前M個依次做差，并記錄差值與數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系；

2)將得到的差值從小到大進(jìn)行排序，將差值按照一定間隔將M個數(shù)據(jù)分成N組；

3)統(tǒng)計N組內(nèi)每組數(shù)據(jù)點的個數(shù)；

4)將數(shù)據(jù)點最多的那一組數(shù)作為真值，并進(jìn)行平滑濾波；

5)從第M+1個數(shù)據(jù)開始向主控制器輸出濾波后的航跡數(shù)據(jù)；

6)第M+1個數(shù)據(jù)后，每次數(shù)據(jù)處理時將俯仰角數(shù)據(jù)與之前時刻俯仰角數(shù)據(jù)的濾波值進(jìn)行做差，觀測差值是否穩(wěn)定，如異常即剔除，并進(jìn)行外推。

步驟2中的數(shù)據(jù)間隔可以通過應(yīng)用文獻(xiàn)[15]中的自適應(yīng)門限選擇法來確定。步驟4中的平滑濾波可以利用最小二乘法[16]來實現(xiàn)。采用上述分組選擇算法進(jìn)行俯仰角數(shù)據(jù)處理后，可以有效降低多徑效應(yīng)對雷達(dá)探測的影響。在實際處理中，應(yīng)結(jié)合雷達(dá)測量目標(biāo)的其它信息，進(jìn)行綜合的數(shù)據(jù)處理。

3 實測結(jié)果

將上述基于分組選擇算法的多徑效應(yīng)抑制方法集成到主動防護(hù)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件中，并在不同的試驗場地對其進(jìn)行測試，試驗中的目標(biāo)為距離地面高度1～2 m的高速小彈丸。試驗中選取M=21。圖4、5、6、7分別為主動防護(hù)雷達(dá)在平坦的草地、柏油路、凹凸不平的草地以及戈壁灘的試驗場地實測俯仰角原始數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)對比圖。

圖4 平坦的草地

圖5 柏油路面

圖6 凹凸不平的草地

圖7 戈壁灘

從不同試驗場地的試驗實測結(jié)果來看，不同場地的多徑效應(yīng)對雷達(dá)俯仰角原始數(shù)據(jù)的影響不同。在采用了上節(jié)多徑效應(yīng)抑制方法后，主動防護(hù)雷達(dá)向主控制器輸出的俯仰角數(shù)據(jù)平穩(wěn)，不同試驗場地的俯仰測角精度對比如表1所示。從表1中可以看出，經(jīng)過上節(jié)方法處理的數(shù)據(jù)精度明顯提高。

表1 俯仰測角精度對比

4 結(jié)束語

多徑效應(yīng)對于主動防護(hù)雷達(dá)俯仰測角精度影響較大。采用基于分組選擇的俯仰角數(shù)據(jù)濾波算法，并結(jié)合常用的抑制多徑效應(yīng)的方法，可以使雷達(dá)的俯仰角測量精度提高。并通過在不同環(huán)境條件下的外場試驗，驗證了該方法的有效性。這種方法已經(jīng)在某型主動防護(hù)雷達(dá)中得到了工程應(yīng)用。