韓向清，劉德虎，匡華星

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

目標在面陣間運動的數(shù)據(jù)處理方法研究

韓向清，劉德虎，匡華星

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

相控陣體制被動雷達多個面陣同時多波束接收信號，脈沖流復雜密集。針對目標在兩個相鄰面陣間運動容易出現(xiàn)虛假等問題，在數(shù)據(jù)處理方面進行了分析研究及仿真驗證。設計中從接收、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)處理多個方面進行了研究。經(jīng)驗證目標能從一個面陣跨越到另一個面陣，沒有出現(xiàn)虛假。

相控陣雷達；數(shù)據(jù)處理；多面陣；跨面陣；虛假抑制

Abstract: Multiple planar arrays of the passive phased array radar simultaneously receive multi-beam signals with complex and intensive stream of pulses. The target motion between two adjacent planar arrays can easily cause the false problem. Therefore, the data processing is analyzed and simulated. The data receiving, storage and processing are studied in the design. It is verified that the false problem does not occur when the targets cross from one array to another.

Keywords: phased array radar; data processing; multi-array; cross-array; false suppression

0 引 言

各種新型體制雷達輻射源的出現(xiàn)，其波形、空間掃描等參數(shù)的快速捷變令被動技偵雷達裝備對其進行偵察探測時進行信號分選處理難度越來越大。[1-2]另一方面，基于相控陣的被動雷達，為了實現(xiàn)對輻射源目標的高靈敏度寬角截獲和高精度參數(shù)測量，常常采用同時多波束以及多個面陣組合工作方式。由于采用全面陣波束合成接收方式，系統(tǒng)靈敏度較高，較強輻射源目標可能會被多個相鄰波束截獲。在面陣大掃描角時，目標還可能被兩個相鄰面陣同時接收。[3]

被動雷達裝備的主要任務是從空間高密度輻射源脈沖流電磁環(huán)境中將各種輻射源目標有效提取和正確分選，并對其進行參數(shù)測量。相控陣體制的被動偵測雷達一方面面臨日益復雜的各種新型體制雷達輻射源信號環(huán)境，另一方面在系統(tǒng)內(nèi)部還面臨同一輻射源被同時多個波束和多個面陣截獲處理合并與融合的問題。這兩方面問題對雷達內(nèi)分選處理器的處理有效性與實時性提出了很大的挑戰(zhàn)。

本文重點研究了輻射源目標在相控陣體制被動雷達兩個面陣間運動時分選處理器虛假抑制技術。

1 原 理

復雜電磁環(huán)境下由于脈沖分裂或干擾信號在目標信號中混雜等原因而導致信號分選處理器對同一輻射源目標輸出不同的輻射源參數(shù)的增批現(xiàn)象。增批的目標與原目標兩者有些參數(shù)一致，有些參數(shù)不同。

產(chǎn)生增批主要由以下幾方面原因引起[4]：(1)脈沖分裂，產(chǎn)生小脈寬假目標；(2)由雷達旁瓣接收所形成的虛假目標、分裂目標；(3)其他二次雷達所產(chǎn)生或雷達周圍地形地物所造成多路徑效應而形成的反射假目標；(4)目標密集、接近和交叉飛行時產(chǎn)生的同步混淆；(5)目標機動較大參數(shù)變化較快而不能連續(xù)跟蹤。

當輻射源輻射功率較大且位于相鄰兩個面陣波束交疊區(qū)時，雷達的兩個面陣均能截獲到輻射源信息，如圖1。如果不加以融合判別處理，在信號分選時可能輸出兩個或更多的虛假輻射源信息參數(shù)。如若目標運動較快或機動較大，方位、幅度的快速變化會導致虛假目標更易出現(xiàn)。

圖1 多面陣接收信號示意圖

2 仿真分析

2.1 搜索模式仿真

仿真一個目標，方位從85°運行到93°再返回85°，仿真中輸出的目標到了90.04°后沒有再遞增到93°。目標真實方位在90.918°和93.18°時采集PDW信息，分別見表1和表2。

表1 目標真值在90.918°時采集PDW

表2 目標真值在93.18°時采集PDW

從表2可以看出，目標在93°時，面陣2仍然是第1個波束幅度最大，其原因為低頻時波寬較寬，仿真時該頻率的波寬達到6.4°；第2個波束指向大約在96.4°，故仍然是邊界波束輸出幅度最大。兩個面陣的波束指向如圖2所示。

在仿真過程中出現(xiàn)了脈組類型的虛假信號如表3所示。

圖2 多面陣波束重疊區(qū)各面陣波束指向

批號幅度(dBm)時間信號類型2004-71．0217：11：11常規(guī)2199-66．0117：11：18脈組

批號2004和批號2199參數(shù)接近，但信號類型不同。該組虛假的出現(xiàn)并不是由面陣交接引起的。查看原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在瞬時帶寬內(nèi)真實目標混雜著干擾信號，其PDW的特性正好滿足脈組信號類型。目標真實幅度大約為-71 dBm，而干擾的幅度為-66 dBm，真實信號質(zhì)量較差。

2.2 跟蹤模式仿真

在跟蹤模式仿真過程中，輻射源目標出現(xiàn)增批現(xiàn)象，目標數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 跟蹤模式下面陣交接——目標輸出

批號2095和批號2097參數(shù)一致，分別為跟蹤模式輸出和搜索模式輸出。

3 抑制方法研究

從仿真分析結果可以看出，引起虛假的主要原因為：當目標在面陣間運動時，兩個面陣均接收到目標信號，可能出現(xiàn)一個面陣為主瓣截獲，另一個面陣為旁瓣截獲；或者兩個面陣均為主瓣截獲，但因為目標運動較快方位相差較大而輸出兩個目標。

以下從幾方面研究虛假抑制方法。

3.1 測角方法研究

常規(guī)測角方法有質(zhì)心法、比幅法、和差法。[5]對于質(zhì)心法、比幅法測角至少需要兩個以上和波束同時接收到信號方可測角；對于和差法測角只需一對同指向的和差波束。該方法需要較高信噪比[6]，信噪比較小時測角誤差比較大。為適應一般情況本文采用比幅法對輻射源目標測角進行研究。

對于比幅法測角，使用波束交疊掃描策略可保證目標信號總能被中間波束接收從而實現(xiàn)角度的精確測量，避免上述2.1節(jié)仿真中出現(xiàn)兩面陣均未測角情況。這樣至少有一個面陣輸出的目標方位為精確值，同時需考慮另一個面陣輸出的方位可能不準確的情況。對于該種情況需要結合系統(tǒng)本身特性將可能出現(xiàn)的虛假進行剔除，以減少虛假目標的出現(xiàn)。

針對上述原因，當目標在相鄰兩個面陣間運動，目標位于面陣的大掃描角，波寬變寬，比幅法測角精度下降。此時方位容差與關聯(lián)信息需要弱化，數(shù)據(jù)處理需要充分利用兩個輻射源的頻率、脈寬、到達時間的相關性設置容差值進行融合處理以實現(xiàn)虛假抑制。

到達時間的相關性：

t(n) =t(n-1)+T+n

上述為常規(guī)信號類型，其中T為PRI,n為第n個觀測值的誤差。對于脈間參差信號上述T為骨架PRI；對于重頻抖動信號，PRI抖動范圍一般是1%～30%，并呈現(xiàn)隨機變化特性。此時融合處理需要根據(jù)信號類型選擇不同的PRI容差值。

頻率的相關性：

f=f0+f(N)

上述為常規(guī)信號類型，其中，f0為中心頻率，f(N)為隨機噪聲。當信號類型為頻率捷變時，其跳變量一般為中心頻率的5%～15%，約為200～500 MHz。上述f0也為中心頻率。

3.2 系統(tǒng)特征研究

由于相控陣體制雷達波束掃描的靈活性，偵測雷達可能同時工作于搜索模式和跟蹤模式。為對不同模式處理結果分別進行考慮虛假抑制技術，數(shù)據(jù)處理設計中采用不同面陣PDW的存儲對應獨立軟件任務完成、各面陣的信號分選處理也對應不同軟件任務完成。設計中不同模式下輻射源信息參數(shù)采用不同狀態(tài)字進行標識，以在融合處理時獲知數(shù)據(jù)來源或任務類型等狀態(tài)并進行與之相適應的融合處理。

當截獲的目標同時來源于搜索和跟蹤模式時，基于不同模式下波束的掃描策略異同，故在兩種模式同時進行下。考慮到跟蹤模式下偵測雷達截獲的目標信息更多、計算的輻射源參數(shù)精度更準確，此時將搜索截獲的目標剔除，以減少虛假目標生成。

當截獲的目標同時來源于不同面陣，考慮雷達截獲的目標可能來源于主瓣或旁瓣，根據(jù)到達時間相關性和系統(tǒng)天線的主副比對旁瓣截獲的目標進行剔除。

3.3 其他研究

常見的信號類型有常規(guī)脈沖、頻率脈間捷變、頻率脈組變頻、重頻參差、重頻抖動和重頻捷變等。在系統(tǒng)探測時，當脈沖丟失或受干擾影響會將信號類型輸出異常，在融合處理時需考慮不同類型信號的虛假抑制。

另外，輻射源的到達方位取決于雷達與偵察機之間的相對角度，一般為方位角。當目標運動時，數(shù)據(jù)處理需要通過跟蹤濾波，對目標的狀態(tài)進行估計，以利用目標歷史數(shù)據(jù)和航跡生命周期識別虛假目標?？紤]到系統(tǒng)為超視距探測系統(tǒng)，采用直線濾波方法可實現(xiàn)目標信息連續(xù)跟蹤及虛假抑制。

4 實驗論證

經(jīng)過上述分析進行優(yōu)化設計，分別在搜索和跟蹤模式下進行測試，虛假目標抑制改善了60%。

設置頻率小于2 GHz、脈沖重復周期 1 ms的輻射源，搜索方位區(qū)間為[0° 359°]。目標以0.1°/s轉動，模擬目標從80°運行到100°。輸出界面顯示批號2001的目標從面陣1到面陣2運動過程中穩(wěn)定，沒有增批，截取交接處輻射源參數(shù)如表5。

表5 搜索模式下面陣交接——目標輸出

設置為跟蹤模式。批號2001的目標從面陣1到面陣2運動過程中穩(wěn)定，輸出目標參數(shù)如表6。

考慮到頻率不同波寬不同，輻射源抑制時的方位容差不同，設置頻率大于2 GHz、脈沖重復周期為1 ms的高頻輻射源。批號2090的目標從面陣1到面陣2運動過程中穩(wěn)定，輸出目標參數(shù)如表7。

表6 跟蹤模式下面陣交接——目標輸出

表7 搜索模式下面陣交接——目標輸出

設置為跟蹤模式。批號2191的目標從面陣1到面陣2運動過程中穩(wěn)定，輸出目標參數(shù)如表8。

表8 跟蹤模式下面陣交接——目標輸出

5 結束語

本文主要討論目標在相鄰兩個面陣間運動減少虛假的一些舉措，主要在以下方面進行了優(yōu)化：多通道接收、按面陣進行信號分選、測角方法、濾波等方面，根據(jù)接收PDW參數(shù)的相關性及系統(tǒng)特征進行合并或虛假剔除的數(shù)據(jù)處理方法。通過多次測試及實驗驗證能夠實現(xiàn)目標從一面陣運行到相鄰面陣不增批的技術要求。不同系統(tǒng)會存在其固有特性，本文有些分析為概括性結論，具體措施需根據(jù)系統(tǒng)自身特點進行設置。在數(shù)據(jù)處理時虛假目標長久以來困擾著設計師們。這些方法只能較大優(yōu)化改善虛假抑制。對于復雜的電磁環(huán)境，減少虛假目標的出現(xiàn)仍需長期研究。

[1] 彭建華，李臣明，等．接收與處理分離的實時大數(shù)據(jù)處理模型[J]. 計算機科學與探索, 2015,9(8).

[2] 楊學永．現(xiàn)代雷達信號分選跟蹤的幾種方法[J]. 現(xiàn)代雷達，2014,36(3).

[3] 王德純，丁家會,等．精密跟蹤測量雷達技術[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4] 張興旺，王磊.單脈沖二次雷達的假目標抑制[J]. 現(xiàn)代雷達，2010,32(9) .

[5] 張光義．相控陣雷達原理[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2009.12.

[6] 張靜．陣列天線子陣劃分設計和測向技術研究[D]. 西安電子科技大學，2009.

Research on data processing of target motion between planar arrays

HAN Xiang-qing, LIU De-hu, KUANG Hua-xing

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN958.52

A

1009-0401(2017)03-0031-04

2017-06-07；

2017-08-17

韓向清(1979-)，女，高級工程師，研究方向：數(shù)據(jù)處理；劉德虎(1988-)，男，工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)處理；匡華星(1978-)，男，高級工程師，碩士，研究方向：雷達總體及數(shù)據(jù)處理。