基于一種秩檢測預處理器的頻率捷變單脈沖雷達角閃爍抑制方法（通訊）
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基于一種秩檢測預處理器的頻率捷變單脈沖雷達角閃爍抑制方法（通訊）
逯程1， 李相平1， 劉效武2， 孫文羽3
（1．海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001;2．中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島125000；3．中國人民解放軍92138部隊，江蘇常州213137）
摘要：當雷達接近目標時，角閃爍成為導引頭尋的制導的主要跟蹤誤差源，其大小可能使雷達指向目標尺寸范圍之外，因此為了提高角測量和角跟蹤的精度，必須對角閃爍進行有效的抑制。在現(xiàn)有頻率捷變與RCS幅度加權(quán)抑制角閃爍方法的基礎上，提出了一種基于秩檢測器預處理的方法，當雷達接收回波信號后，根據(jù)檢測器輸出值的大小去除有可能產(chǎn)生大角閃爍分量的回波脈沖，使其不參與加權(quán)測角。仿真實驗表明，該方法對角閃爍現(xiàn)象有較好的抑制作用。
關(guān)鍵詞：單脈沖雷達；角閃爍；頻率捷變；幅度加權(quán)；秩檢測器
中圖分類號：TN953+．5 文章編號：1671 - 637X( 2016) 05 - 0066 - 05
0 引言
角閃爍也稱角噪聲、目標噪聲和角起伏，但通常稱為角閃爍。復雜目標在雷達分辨單元內(nèi)往往有多個散射中心，目標回波被看成這些散射中心的回波合成，回波合成等效為測角時的視在中心，視在中心對應角度值即為雷達實測角度值。隨著彈目距離的不斷減小，回波不斷發(fā)生變化，導致雷達視在中心發(fā)生變化，目標的角度延伸越來越大，形成角閃爍，嚴重時角度測量可能偏離到目標幾何尺寸之外，嚴重降低了雷達的跟蹤性能。
分集技術(shù)是現(xiàn)代雷達為抑制角閃爍現(xiàn)象所采取的一種主要手段，它從角閃爍產(chǎn)生的機理出發(fā)，利用目標對雷達分集的敏感，通過某種分集去除角閃爍誤差的自相關(guān)性，獲得獨立的角閃爍樣本從而達到抑制角閃爍的目的。頻率分集技術(shù)抑制角閃爍的研究開展得較早也較深入，利用角閃爍線偏差的絕對值與雷達散射截面積( RCS)之間存在的弱負相關(guān)性，將頻率捷變技術(shù)與RCS幅度加權(quán)的方法結(jié)合起來進行測角，使得測角結(jié)果更加接近目標的真實位置，有效抑制了角閃爍現(xiàn)象。本文在頻率捷變和幅度加權(quán)抑制角閃爍的基礎上提出了一種對回波進行預處理的秩檢測器，在頻率捷變周期內(nèi)先去除大的針狀( SPIKE)角閃爍分量，隨后再進行幅度加權(quán)處理，仿真表明該方法比常規(guī)幅度加權(quán)方法測角精度更高。
1 單脈沖和差比幅測角原理
單脈沖比幅測角是一種成熟的跟蹤雷達測角技術(shù)，當目標被雷達跟蹤時，目標基本處于波束中心。
2 頻率捷變與幅度加權(quán)對角閃爍的抑制
2.1 頻率捷變雷達的角閃爍去相關(guān)性能分析
角閃爍現(xiàn)象主要在雷達與目標相對較近的距離上出現(xiàn)，而此時雷達在跟蹤過程中往往采用頻率捷變技術(shù)。由于目標的RCS與雷達工作載頻密切相關(guān)，采用頻率捷變技術(shù)就會使得相鄰脈沖間的載頻改變一個足夠大的幅度，有效去除了相鄰脈沖間的相關(guān)性，對角閃爍有很好的抑制效果。對于復雜目標，角閃爍的產(chǎn)生是由來自不同部位回波相對相位相干干擾的結(jié)果，假如人為地改變相位，得到完全不相關(guān)的N個樣本，然后對這些樣本進行算術(shù)平均，可以求出角閃爍方差比單個樣本方差降低了N倍。
頻率捷變技術(shù)抑制角閃爍的效果取決于去相關(guān)性的性能，去相關(guān)性越好，對角閃爍的抑制作用越明顯。對X波段某飛機的測試數(shù)據(jù)表明，當去相關(guān)頻率為100 MHz時，相關(guān)系數(shù)為0.03。
去相關(guān)頻率與日標尺寸的關(guān)系滿足關(guān)系式
f=c/25，其中，S為目標尺寸。圖1所示為兩個雷達頻率間隔變化時角閃爍線偏差相關(guān)系數(shù)的變化，當f≥64 MHz時，相關(guān)系數(shù)已普遍降到0.2以下，可由此判斷雷達回波脈沖間已基本相互獨立。
2.2 幅度加權(quán)抑制角閃爍的方法
上文已經(jīng)提及角閃爍主要發(fā)生在近距制導時，此時雷達接收機始終處于高信噪比的工作環(huán)境中，信噪比對角閃爍引起的雷達天線抖動的影響基本可以忽略不計。前人研究表明，角閃爍線偏差與RCS之間不具備相關(guān)性，但角閃爍線偏差絕對值與RCS之間存在較弱的負相關(guān)性。經(jīng)過對多個飛機目標的計算和測量表明，在小RCS處，角閃爍與RCS的強負相關(guān)性是存在的，利用這種負相關(guān)性在雷達進行單脈沖測角時對角度值進行幅度加權(quán)是抑制角閃爍現(xiàn)象的有效方
3 角閃爍檢測預處理的秩檢測器
從上文的分析中可以看出，頻率捷變技術(shù)會使得各個脈沖的測角結(jié)果圍繞真實值產(chǎn)生劇烈的抖動，雖然脈間回波去相關(guān)性能得到改善，但仍有部分觀測點測量角度超出目標之外。采用幅度加權(quán)方法對角度進行平均可以使雷達視在中心更接近目標真實位置。即便如此，幅度加權(quán)的方法仍然用到了頻率捷變周期內(nèi)的所有測角結(jié)果，導致有個別誤差很大的單脈沖測角值也參與了加權(quán)運算，如果事先對有可能產(chǎn)生大的角閃爍偏差的回波脈沖進行判斷，使其不參與測角結(jié)果的加權(quán)運算，必然會大大提高測角精度。
最早提出了用一種秩檢測器來檢測處理目標回波信號幅度的衰減，很容易聯(lián)想到利用檢測信息來判斷雷達測角過程中可能出現(xiàn)的角誤差測量，下面簡單介紹這種秩檢測器的工作過程。
當彈目距離減小時，末制導雷達接收到的回波信號往往有很大的信噪比( RSN)，信號注入圖2所示的秩檢測器，每接收到一個脈沖回波就被記錄在一個位置上。
的大小和測試單元兩側(cè)保衛(wèi)單元數(shù)的大小有關(guān)。假設一種秩檢測器的L值為20，且測試單元兩側(cè)各有兩個保衛(wèi)單元，當雷達接收的回波信號進入秩檢測器處理后，輸出結(jié)果如圖3所示。
從圖3中可以看出，輸出樣本17對應一個很低的零值R1，已經(jīng)通過實驗證實，凡是當出現(xiàn)大的角閃爍線偏差時，回波幅度均處于起伏的谷處，所以樣本17處很可能產(chǎn)生大的角閃爍偏差。同時從樣本30~ 50號的結(jié)果可以清楚地看出，該檢測器的輸出結(jié)果R i對回波RCS慢起伏并不敏感。該檢測器秩值的輸出范圍為0～15，由于可能的秩值數(shù)的限制，零值的輸出即可作為角閃爍發(fā)生的判斷條件。秩檢測器輸出的性能可以通過改變秩檢測單元數(shù)L和保衛(wèi)單元的數(shù)目進行調(diào)整。
4角閃爍抑制方法仿真實驗
4.1具體方法流程
基于上文的分析，本文提出了利用一種秩檢測器預處理的頻率捷變RCS加權(quán)處理的角閃爍抑制方法：假設在某雷達跟蹤過程中伺服系統(tǒng)響應時間內(nèi)，共順
對脈沖回波進行預處理后，去除有可能產(chǎn)生大角閃爍的回波脈沖，再對目標的視在中心進行加權(quán)處理，理論上會對角閃爍有較好的抑制效果。下面介紹該方法的仿真實驗結(jié)果。
4.2仿真實驗
由運動矢量合成定理可知，當雷達與日標存在相對運動時，合成后的運動相當于雷達不動，目標以合成速度運動�；谝陨戏治�，如圖4所示的仿真場景及參數(shù)設置如下：目標長40 m，寬20 m，目標存在5個散射點，中間一個為強散射點，幅度為1，其余4個為弱散射點，分別服從0～0.5的均勻分布。該目標中心起始坐標為（- 5000 m，5000 m），雷達位于原點0處，初始時刻
=100，目標以600 m/s的速度由．S點向E點運動，目標運動與雷達位置關(guān)系如圖5所示。假設在跟蹤過程中雷達天線波束始終對準目標中心，雷達中心頻率f0=15 GHz，跳頻點數(shù)為16，在脈沖重頻為1 kHz的捷變頻周期內(nèi)以跳頻間隔
= 80 MHz發(fā)射脈沖，幅度加權(quán)處理的脈沖個數(shù)為5，采用預處理的秩檢測器長度，即秩檢測單元數(shù)L=13。
圖6所示分別為對應不同處理方法的測角偏差。
其中：圖6a為目標運動過程中目標中心和雷達視線之間夾角理論值隨時間的變化；圖6b為常規(guī)單脈沖比幅測角偏差；圖6c為頻率捷變均勻加權(quán)處理后的測角偏差；圖6d為在頻率捷變的條件下采用秩處理器預處理后再進行均勻加權(quán)后的測角偏差；圖6e為頻率捷變平方加權(quán)后的測角偏差；圖6f為在頻率捷變的條件下采用秩處理器預處理后再進行平方加權(quán)后的測角偏差。從圖6b中可以看出，常規(guī)單脈沖測角誤差很大，計算得到的很多角度都已超出目標各散射點的角度，造成了比較嚴重的角閃爍現(xiàn)象。比較圖6c、圖6e和圖6h可知，圖6c、圖6e的測角誤差與圖6b相比有了明顯的減小，計算測得的角度基本上都在目標尺寸范圍以內(nèi)，說明頻率捷變幅度加權(quán)的方法對角閃爍現(xiàn)象有不錯的抑制作用。進一步比較圖6d、圖6f與圖6c、圖6e可知，在頻率捷變的條件下，采用秩處理器預處理再進行幅度加權(quán)的方法比直接進行幅度加權(quán)得到的測角誤差有大幅度的減小，角閃爍現(xiàn)象得到了很好的抑制。
均勻加權(quán)和平方加權(quán)都用到了各散射點的幅度信息，角誤差起伏都較小。比較圖6f和圖6e可知，均勻加權(quán)的結(jié)果要稍優(yōu)于平方加權(quán)，這是因為在本文設定的仿真條件下，散射點的幅度服從均勻分布，實際情況下，散射模型會更加復雜，各種加權(quán)方法抑制角閃爍的性能有待進一步驗證。
5結(jié)束語
本文在頻率捷變幅度加權(quán)抑制角閃爍方法的基礎上，提出了基于一種秩檢測器預處理再進行幅度加權(quán)的方法，在測角之前通過檢測器的秩值輸出去除有可能產(chǎn)生大角閃爍的脈沖分量，然后再進行幅度加權(quán)測角，使角度測量值進一步平滑。仿真實驗結(jié)果表明該方法對角閃爍現(xiàn)象有較好的抑制效果。
