盧長(zhǎng)海， 陳鳳友， 李 鵬

(解放軍91550部隊(duì) 92分隊(duì)，遼寧 大連 116023)

強(qiáng)海雜波背景下雷達(dá)低仰角跟蹤技術(shù)研究

盧長(zhǎng)海， 陳鳳友， 李 鵬

(解放軍91550部隊(duì) 92分隊(duì)，遼寧 大連 116023)

海雜波抑制和低仰角跟蹤是雷達(dá)系統(tǒng)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題,需要對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。某跟蹤測(cè)量雷達(dá)通過(guò)綜合運(yùn)用時(shí)間靈敏度控制、動(dòng)目標(biāo)顯示與檢測(cè)、雙門(mén)限檢測(cè)等海雜波抑制手段和自適應(yīng)偏軸跟蹤、頻率分集、雷遙協(xié)同等低仰角跟蹤技術(shù)，在對(duì)掠海目標(biāo)跟蹤過(guò)程中取得了理想的跟蹤效果，測(cè)量精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

海雜波；恒虛警率；偏軸跟蹤；頻率分集

0 引言

雷達(dá)回波信號(hào)主要由目標(biāo)信號(hào)、噪聲信號(hào)、固定地物雜波信號(hào)以及海雜波信號(hào)等組成，其中固定地物雜波信號(hào)具有多普勒頻移為零的典型特性，根據(jù)這一特性可以采用雜波對(duì)消措施，有效將雜波濾除；而海雜波是運(yùn)動(dòng)的，本身也會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，具有很強(qiáng)的時(shí)、空相關(guān)性，對(duì)其特性的研究和抑制是雷達(dá)探測(cè)的難點(diǎn)。目前主要采用相干積累、大動(dòng)態(tài)接收機(jī)和設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臑V波器來(lái)抑制雜波和噪聲干擾、保留有用的目標(biāo)信息[1]。雷達(dá)低仰角跟蹤時(shí)視軸俯仰角很小甚至達(dá)到負(fù)角度，主波束直接掃過(guò)海面，多路徑反射信號(hào)嚴(yán)重干擾了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤和精確測(cè)量。

1 海雜波的抑制方法分析

全相參脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中，A顯示器顯示相位檢波輸出的回波信號(hào)波形，能提供目標(biāo)距離和信號(hào)強(qiáng)度信息。固定雜波的多普勒頻率在零頻率附近，所以雷達(dá)連續(xù)多次探測(cè)全相參檢波器輸出的固定雜波回波信號(hào)變化很慢，多次掃描基本上是重復(fù)的。而動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)具有多普勒頻率，對(duì)應(yīng)于雷達(dá)的連續(xù)多次探測(cè)，其回波信號(hào)受多普勒頻率調(diào)制是變化的，在顯示器上呈現(xiàn)“蝴蝶形”。因此利用這一特性進(jìn)行雜波抑制，通常采用動(dòng)目標(biāo)顯示( MTI) 、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)( MTD)的方法；恒虛警率(Constant False-Alarm Rate, CFAR)處理技術(shù)是在雷達(dá)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中給檢測(cè)策略提供檢測(cè)閾值并且使雜波和干擾對(duì)系統(tǒng)的虛警概率影響最小化的信號(hào)處理算法[2]。標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)門(mén)限檢測(cè)假設(shè)干擾電平是已知常數(shù)，但海雜波的多變特性會(huì)造成虛警概率急劇增加，因此強(qiáng)海雜波干擾中提取信號(hào), 不僅要求有一定的信噪比, 而且要求檢測(cè)器具有恒虛警性能。

1.1 MTI/MTD抑制分析

MTI的原理是利用動(dòng)目標(biāo)和無(wú)源雜波(固定雜波和慢動(dòng)雜波)信號(hào)的多普勒頻移不同，設(shè)置相應(yīng)的雜波對(duì)消濾波器來(lái)抑制海雜波。MTD 是為了彌補(bǔ)MTI的缺陷, 并根據(jù)最佳濾波器理論發(fā)展起來(lái)的一種雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)。因此需要在MTI后串接一組相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組, 覆蓋整個(gè)重復(fù)頻率的范圍, 以達(dá)到動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的目的。其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于對(duì)不同通道進(jìn)行相參積累處理。

MTI/MTD的功能框圖如圖1所示,信號(hào)處理系統(tǒng)采用三脈沖對(duì)消后接多個(gè)脈沖FFT多普勒濾波器組，該濾波器組采用頻率域加權(quán)來(lái)降低濾波器的副瓣電平，同時(shí)為了能夠檢測(cè)切向飛行的目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)徑向速度低于設(shè)定門(mén)限時(shí)，不進(jìn)行三脈沖對(duì)消，通過(guò)零速濾波器進(jìn)行處理。

圖1 MTI/MTD的功能框圖

改善因子是衡量MTI雜波抑制能力的重要指標(biāo)，它與權(quán)系數(shù)、雜波譜寬和所處理的脈沖數(shù)有關(guān),三脈沖對(duì)消改善因子可近似表示為[3]：

式中，σv為雜波標(biāo)準(zhǔn)偏差，地雜波取0.32 m/s，海雜波取0.7 m/s；σc為雜波功率譜的均方根頻譜寬度，fr為雷達(dá)重復(fù)頻率，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。盲速問(wèn)題是MTI應(yīng)用的最大問(wèn)題，目前主要采用 PRF 參差辦法來(lái)解決，但參差會(huì)對(duì)改善因子產(chǎn)生限制。改善因子還受其他分系統(tǒng)不穩(wěn)定因素的限制，主要表現(xiàn)在穩(wěn)定本振和相參振蕩器的頻率變化、發(fā)射機(jī)脈沖之間的頻率變化、發(fā)射機(jī)脈沖之間的相位變化及相參振蕩器鎖相不穩(wěn)、定時(shí)脈沖的時(shí)間及幅度抖動(dòng)和A/D 變換器的采樣脈沖抖動(dòng)等[4],所以實(shí)際的信雜比改善達(dá)不到理論的改善效果。若雷達(dá)重復(fù)頻率取1 000 Hz，海雜波功率譜的均方根頻譜寬度等于26.1，海雜波譜寬度與雷達(dá)重復(fù)頻率之比等于0.026。在海雜波譜寬度與雷達(dá)重復(fù)頻率的比值不大于0.026的條件下，三脈沖對(duì)消后接8脈沖多普勒濾波器組的各個(gè)濾波器(除1號(hào)濾波器，用于檢測(cè)切向目標(biāo))的改善因子和平均改善因子不低于40 dB。

1.2 雙門(mén)限檢測(cè)技術(shù)

第一檢測(cè)門(mén)限為CFAR門(mén)限，第二檢測(cè)門(mén)限采用二進(jìn)制積累N/M檢測(cè)門(mén)限。CFAR 處理是一種提供檢測(cè)閾值的數(shù)字信號(hào)處理算法，是在實(shí)際干擾環(huán)境下提供可預(yù)知的檢測(cè)和虛警的一組技術(shù)，又稱(chēng)為“自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)”[5]。其對(duì)海雜波抑制具有一定的效果。單元平均CFAR(CA-CFAR)適用于空間上統(tǒng)計(jì)平穩(wěn)的背景，檢測(cè)單元達(dá)到一定量時(shí)，CFAR處理器性能接近最優(yōu)恒虛警。但在海雜波環(huán)境下，明顯不滿(mǎn)足應(yīng)用條件，而且邊緣效應(yīng)比較嚴(yán)重，最后除法運(yùn)算計(jì)算量較大[6]。

對(duì)于測(cè)量雷達(dá)所使用場(chǎng)景，由于海雜波的嚴(yán)重不均勻性，也不太關(guān)注可能出現(xiàn)的緊鄰目標(biāo)，相對(duì)于目標(biāo)遮蔽效應(yīng)，更加關(guān)注海雜波邊緣的虛警。因此采用改進(jìn)的單元平均CFAR，使用單元平均選大CFAR(GO-CFAR)，如圖2所示。分別對(duì)前后參考窗內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，門(mén)限由兩個(gè)估計(jì)量中較大值決定。 GO-CFAR在雜波邊緣處能成功規(guī)避虛警，與傳統(tǒng)CA-CFAR相比，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的恒虛警處理?yè)p失。

快門(mén)限CFAR主要作用于雜波區(qū)，用于抑制剩余雜波的影響，第二檢測(cè)門(mén)限采用N/M的判斷準(zhǔn)則，即M個(gè)待檢測(cè)單元有N個(gè)超過(guò)門(mén)限就滿(mǎn)足檢測(cè)條件。

注：N為形成左右門(mén)限的積累數(shù)；M為保護(hù)單元點(diǎn)數(shù)，由脈寬和采樣率決定；Factor為門(mén)限乘子。

1.3 動(dòng)態(tài)靈敏度時(shí)間控制(STC)和應(yīng)答工作模式

為了避免在強(qiáng)海雜波下接收機(jī)出現(xiàn)飽和，采用時(shí)間靈敏度控制(STC)，減小近程海雜波的絕對(duì)強(qiáng)度，使近程海雜波達(dá)到噪聲電平。但由于實(shí)際環(huán)境海雜波強(qiáng)度無(wú)法預(yù)計(jì)，造成STC靜態(tài)設(shè)置不能準(zhǔn)確抑制海雜波。設(shè)置衰減過(guò)小，易引起接收機(jī)飽和，使雜波頻譜展寬，造成雷達(dá)性能下降；若設(shè)置衰減過(guò)大，則易引起接收信號(hào)偏弱，影響雷達(dá)對(duì)小目標(biāo)的探測(cè)。因此需要根據(jù)雷達(dá)所處環(huán)境，計(jì)算出不同方位、俯仰、距離動(dòng)態(tài)STC值，解決靜態(tài)STC設(shè)置問(wèn)題。

雷達(dá)最大輸入動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算方法[7]：

D=40lg(Rmax/Rmin)+10lg(σc/σt)+S/N

(1)

(2)

式中，Rmax、Rmin為最大、最小作用距離;σt為目標(biāo)RCS;σc為雜波面積；S/N為單一脈沖檢測(cè)信噪比;σ0為海雜波后向散射系數(shù);λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；τ為脈沖寬度；θ0為方位波束寬度;ξ為最大方位掃描角;LBS為波束形狀損失。

設(shè)在距離R處輸入動(dòng)態(tài)范圍為Din，輸出動(dòng)態(tài)范圍為Dout，則距離R處的STC 值DRSTC=Din-Dout。

對(duì)于具有應(yīng)答模式的合作目標(biāo)，應(yīng)答工作時(shí)，在保持應(yīng)答機(jī)觸發(fā)條件下，應(yīng)盡可能大地使發(fā)射機(jī)輸出功率衰減，以減少海雜波回波強(qiáng)度。由于應(yīng)答機(jī)輸出功率恒定，此方法將有效提高信雜比，有利于改善低空跟蹤質(zhì)量，利用應(yīng)答機(jī)信號(hào)與海雜波信號(hào)的幅度差異消除海雜波的影響。

2 低仰角跟蹤技術(shù)

單脈沖雷達(dá)在低仰角跟蹤狀態(tài)，由于多徑效應(yīng)的存在，雷達(dá)和差通道信號(hào)由目標(biāo)和鏡像信號(hào)組成，誤差電壓表示為：

(3)

式中,∑、Δ分別表示和、差信號(hào)；f∑、fΔ表示和、差方向圖；θb為雷達(dá)波束指向；θt為目標(biāo)仰角；ρ為反射系數(shù)；ψ為擦地角；D為擴(kuò)散因子；δ為直射波與反射波路程差；Φ為反射系數(shù)的相角。

單脈沖雷達(dá)在跟蹤低空目標(biāo)時(shí)，由于鏡像目標(biāo)存在，發(fā)射路徑與接收路徑不一致，兩個(gè)波在雷達(dá)進(jìn)行疊加，會(huì)產(chǎn)生相位差，該相位差將會(huì)影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤，使得雷達(dá)測(cè)角精度降低。

2.1 偏軸跟蹤技術(shù)

偏軸跟蹤技術(shù)是一種用來(lái)擴(kuò)展主瓣反射區(qū)(目標(biāo)范圍為0.3θb<θt<1.5θb)穩(wěn)定數(shù)據(jù)的有效方法。當(dāng)雷達(dá)探測(cè)低空目標(biāo)時(shí)，為防止主波束觸海面而引入大量干擾，不再用波束中心去跟蹤目標(biāo)，而是用偏軸指向某一角度，目的是使直射波由雷達(dá)主波瓣進(jìn)入接收機(jī)信號(hào)放大，反射波由副瓣進(jìn)入接收機(jī)信號(hào)衰減，達(dá)到克服多路徑效應(yīng)的目的。

由于偏軸跟蹤避開(kāi)了和通道中可能出現(xiàn)的鏡面反射導(dǎo)致的強(qiáng)衰減(deep fades),漫反射分量可以認(rèn)為是對(duì)差通道噪聲分量的貢獻(xiàn)。偏軸單脈沖技術(shù)不能有效地應(yīng)用于θt在0.15θb以下的情況，盡管此時(shí)仍能給出目標(biāo)角度，但其3σE(均方根)誤差會(huì)超出目標(biāo)的俯仰角。圖3給出了不同反射面下采用偏軸單脈沖測(cè)量技術(shù)的俯仰角歸一化誤差[8]。

圖3 不同表面對(duì)偏軸單脈沖測(cè)量產(chǎn)生的歸一化誤差

因偏軸跟蹤固定值具有一定限制，如果低空目標(biāo)仰角變化范圍比較大，固定波束俯仰方向，可能使直射波脫離主瓣，使目標(biāo)穿出波束，導(dǎo)致丟失目標(biāo)。為了克服上述問(wèn)題以及偏軸技術(shù)在水平反射區(qū)測(cè)角誤差大的不足，可增加自適應(yīng)偏軸功能以及將偏軸跟蹤與C2算法相結(jié)合以保證跟蹤穩(wěn)定性。

(1)自適應(yīng)偏軸控制

采用自適應(yīng)偏軸控制，通過(guò)不斷地改變偏軸角以保證目標(biāo)的直射波在主瓣內(nèi)，鏡像的反射波在主瓣之外。進(jìn)行自適應(yīng)偏軸處理時(shí)，俯仰偏軸角度需根據(jù)俯仰角度開(kāi)環(huán)預(yù)測(cè)值分檔控制，控制可采用如表1所示的準(zhǔn)則，當(dāng)俯仰開(kāi)環(huán)預(yù)測(cè)值大于1.5°(波束寬度為1°)時(shí)取消偏軸跟蹤狀態(tài)，恢復(fù)正常跟蹤。

表1 自適應(yīng)偏軸控制準(zhǔn)則

(2)偏軸跟蹤技術(shù)和C2算法相結(jié)合

C2算法是將低仰角目標(biāo)及其鏡像分別當(dāng)作兩個(gè)很接近的獨(dú)立目標(biāo)，用復(fù)數(shù)分別表示和、差通道的數(shù)據(jù)，利用一串脈沖的測(cè)量結(jié)果估計(jì)出目標(biāo)和鏡像組合的幾何中心位置以及角度分布范圍的數(shù)值，從而推算出目標(biāo)的角坐標(biāo)。具體算法略，見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

由于C2算法是多目標(biāo)角度分辨算法，將海面反射看作是來(lái)源于鏡像目標(biāo)的回波，并將多目標(biāo)重心位置看作幾何中心位置來(lái)推算目標(biāo)仰角，因此可以將偏軸角確定為更低的臨界角度，甚至是負(fù)角度。

2.2 頻率分集

當(dāng)雷達(dá)接近目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)角閃爍已成為雷達(dá)測(cè)角誤差的主要來(lái)源，尤其當(dāng)跟蹤大的擴(kuò)展目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)角閃爍已成為提高雷達(dá)角跟蹤精度的主要障礙[10]。分集技術(shù)是抑制角閃爍的一類(lèi)重要方法，它主要是利用角閃爍在不同的輸入激勵(lì)下具有不同規(guī)律的原理來(lái)進(jìn)行平滑。常見(jiàn)的分集技術(shù)有空間分集、極化分集和頻率分集[11]。

頻率分集是指使用具有足夠大頻率間隔的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)照射目標(biāo),使得角閃爍數(shù)據(jù)的相關(guān)性降低,從而達(dá)到抑制角閃爍的目的。當(dāng)直射信號(hào)與反射信號(hào)的相位差約為180°時(shí),和通道接收的信號(hào)電壓衰減最嚴(yán)重，此時(shí)的俯仰角測(cè)量誤差也最大。相位差主要是由直接路徑和反射路徑的路程差引起的，它取決于波長(zhǎng)，因此如果頻率發(fā)生變化，該誤差的最大值就會(huì)在距離上發(fā)生漂移。當(dāng)直接信號(hào)和反射信號(hào)同相時(shí)，雷達(dá)對(duì)目標(biāo)及其鏡像的“重心”進(jìn)行跟蹤。如果使用多個(gè)頻率跟蹤目標(biāo)，始終選擇誤差最小的那個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)就可以避免最大峰值誤差的出現(xiàn)，達(dá)到穩(wěn)定跟蹤的目的。

2.3 雷達(dá)遙測(cè)協(xié)同跟蹤

協(xié)同跟蹤是指根據(jù)實(shí)際環(huán)境的約束條件建立衡量不同傳感器對(duì)目標(biāo)跟蹤能力的標(biāo)準(zhǔn)[12]，綜合利用不同跟蹤手段使跟蹤性能最優(yōu)，通過(guò)傳感器間的接力、協(xié)作跟蹤完成監(jiān)視區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的跟蹤任務(wù)。對(duì)于具有遙測(cè)信息發(fā)射的合作目標(biāo)，遙測(cè)載波的獲取無(wú)疑是一種有效的跟蹤源。雷達(dá)主要任務(wù)是精密跟蹤測(cè)量，因而波束寬度和脈沖寬度都很窄，特別是在海雜波背景下的低仰角截獲跟蹤受到很大限制。將雷達(dá)和遙測(cè)協(xié)同進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，雷達(dá)和遙測(cè)引導(dǎo)設(shè)備天線共面，具有相同的伺服系統(tǒng)，遙測(cè)作為雷達(dá)的一個(gè)引導(dǎo)源，直接將其跟蹤接收機(jī)誤差電壓送共同的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，雷、遙之間跟蹤可以相互切換。此時(shí)遙測(cè)引導(dǎo)分系統(tǒng)設(shè)置為協(xié)同狀態(tài)，測(cè)量雷達(dá)發(fā)射高功率脈沖信號(hào)，雷達(dá)饋源接收處理目標(biāo)回波信號(hào)，而遙測(cè)不發(fā)射信號(hào)，從遙測(cè)饋源接收處理下行遙測(cè)信號(hào)。目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)波束后遙測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)首先鎖定跟蹤目標(biāo)，通過(guò)接收遙測(cè)接收機(jī)送來(lái)的角度誤差信號(hào)完成雷達(dá)的低仰角捕獲跟蹤。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)海雜波認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及雷達(dá)信號(hào)處理能力的逐步增強(qiáng)，海雜波抑制手段和低仰角跟蹤技術(shù)將變得更加可行、有效。某跟蹤測(cè)量雷達(dá)根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象、不同的海況環(huán)境，靈活采用以上雜波抑制手段和低仰角跟蹤技術(shù)，取得了較好的跟蹤測(cè)量效果，獲取了有效的測(cè)量數(shù)據(jù)。

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Study on low-elevattion tracking technology of radar with the strong sea clutter

Lu Changhai， Chen Fengyou， Li Peng

(Team92, Unit 91550 of PLA,Dalian 116023,China)

Sea clutter suppression and low elevation tracking are the key technical problems in radar system, which need the targeted design. Certain tracking measurement radar comprehensively uses the means of STC MTI/MTD and double threshold detection methods in sea clutter suppression and low elevation tracking technologies of self-adapting bias axis tracking, frequency diversity and collaboration of radar & telemetry etc in the process of the skimming target tracking, and has achieved an ideal tracking result. The measurement precision has reached the design requirement.

sea clutter; Constant False-Alarm Rate (CFAR); bias axis tracking; frequency diversity

TN850.6

A

1674- 7720(2016)03- 0075- 03

盧長(zhǎng)海，陳鳳友，李鵬. 強(qiáng)海雜波背景下雷達(dá)低仰角跟蹤技術(shù)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(3)：75- 77，87.

2015-10-09)

盧長(zhǎng)海(1977-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：無(wú)線電測(cè)量。