王勇軍

(中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì),河北 秦皇島 066001)

隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜,電子戰(zhàn)設(shè)備要準(zhǔn)確地選擇偵察目標(biāo)并長(zhǎng)期跟蹤某個(gè)目標(biāo)變得越來(lái)越困難。由于流水線加工水平的提高,同類(lèi)型輻射源的信號(hào)參數(shù)差異極小,因此利用常規(guī)的電子偵察設(shè)備幾乎不可能長(zhǎng)期跟蹤某個(gè)目標(biāo)。輻射源個(gè)體識(shí)別(SEI)被提出的最初目的就是為了解決這個(gè)問(wèn)題。雷達(dá)信號(hào)的個(gè)體特征也稱(chēng)為雷達(dá)的“指紋”,是指附加在雷達(dá)信號(hào)上的無(wú)意調(diào)制。無(wú)意調(diào)制指雷達(dá)采用某種形式的調(diào)制器而附加在雷達(dá)信號(hào)上的某種特性,如幅度起伏、頻率漂移等,是一部雷達(dá)所特有的信號(hào)屬性,也是一部雷達(dá)區(qū)別于另一部雷達(dá)的特征[1]。

通過(guò)輻射源個(gè)體識(shí)別系統(tǒng),可以對(duì)感興趣的輻射源目標(biāo)進(jìn)行鎖定跟蹤。更重要的是,通過(guò)長(zhǎng)期識(shí)別結(jié)果的時(shí)空關(guān)聯(lián),可以獲取輻射源及其裝載平臺(tái)的部署、活動(dòng)規(guī)律和戰(zhàn)術(shù)使用特點(diǎn),甚至可以得到敵方武裝平臺(tái)的部署、兵力調(diào)配和軍事動(dòng)向,同時(shí)收集戰(zhàn)區(qū)電子情報(bào)、監(jiān)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)電磁信號(hào)環(huán)境,因此具有重要的戰(zhàn)略及戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用價(jià)值。

20世紀(jì)60年代中期,美國(guó)政府提出對(duì)某個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)輻射源進(jìn)行識(shí)別和跟蹤,隨后的40年間,Northrop Grumman Mission System對(duì)此展開(kāi)研究。隨著數(shù)字化技術(shù)和復(fù)雜信號(hào)處理能力的不斷提升,已經(jīng)有配備指紋識(shí)別的雷達(dá)和電子偵察系統(tǒng)的公開(kāi)報(bào)道,如捷克ERA公司研制的維拉(VERA-E)無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)將雷達(dá)指紋分析功能集成到電子情報(bào)分析系統(tǒng)上[2]。

目前,雷達(dá)輻射源指紋識(shí)別算法主要針對(duì)慢速和固定目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,而機(jī)載目標(biāo)機(jī)動(dòng)性大、速度快,給輻射源特征帶來(lái)較大多普勒效應(yīng),導(dǎo)致輻射源信號(hào)本質(zhì)特征不能有效提取[3]。本文根據(jù)平臺(tái)與目標(biāo)之間的相對(duì)位置與運(yùn)動(dòng)姿態(tài),提出一種基于多普勒效應(yīng)積累的計(jì)算方法,消除平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性對(duì)信號(hào)特征的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)高速機(jī)動(dòng)輻射源目標(biāo)的脈沖重復(fù)間隔(PRI)或脈沖重復(fù)頻率(PRF)的精確測(cè)量,從而進(jìn)一步解決機(jī)載平臺(tái)的輻射源個(gè)體識(shí)別問(wèn)題。

1 頻率多普勒效應(yīng)

多普勒頻率是指由目標(biāo)與接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的接收頻率與實(shí)際頻率之間的偏差,它的改變量與兩者的相對(duì)速度成正比。多普勒效應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 多普勒效應(yīng)原理Fig.1 Principle of Doppler effect

(1)

式中:fd為多普勒頻率;v為輻射源和接收機(jī)之間的相對(duì)速度;θ為相對(duì)速度與輻射源和接收機(jī)連線間的夾角;c為光速;fo為輻射源的信號(hào)頻率。

目標(biāo)和輻射源靠近時(shí)多普勒頻率fd為正,背離時(shí)fd為負(fù)。

2 脈沖重復(fù)頻率的多普勒效應(yīng)

與頻率多普勒效應(yīng)類(lèi)似,脈沖重復(fù)頻率也存在相同的多普勒效應(yīng)。目標(biāo)和輻射源靠近時(shí)多普勒脈沖重復(fù)頻率pd為正,背離時(shí)pd為負(fù)。

(2)

式中:pd為多普勒脈沖重復(fù)頻率;po為輻射源的信號(hào)脈沖重復(fù)頻率。

在實(shí)際應(yīng)用中,輻射源目標(biāo)的速度是未知的,現(xiàn)有手段只能通過(guò)定位來(lái)計(jì)算速度,然而由于定位誤差較大,基于此定位誤差計(jì)算的速度誤差更大,并不能用于多普勒計(jì)算。

3 基于多普勒積累的脈沖重復(fù)頻率計(jì)算方法

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多普勒效應(yīng)原理如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多普勒效應(yīng)原理Fig.2 Principle of Doppler effect for moving target

圖2中,A為目標(biāo)起始位置,B為目標(biāo)結(jié)束位置,R為接收機(jī)位置,v(t)為目標(biāo)實(shí)時(shí)速度,θ(t)為目標(biāo)速度與接收機(jī)夾角。多普勒效應(yīng)計(jì)算原理如下所示:

(3)

對(duì)式(3)兩邊同時(shí)積分,可得

(4)

式中:t1為目標(biāo)到達(dá)A位置的時(shí)刻;t2為目標(biāo)到達(dá)B位置的時(shí)刻;|AR|為A到R的距離;|BR|為B到R的距離。

(5)

(6)

同理可得

(7)

假設(shè)在機(jī)動(dòng)目標(biāo)從A到B的過(guò)程中,對(duì)脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行N次直接測(cè)量,每次測(cè)量結(jié)果為pi,可得

(8)

由式(8)可得

(9)

脈沖重復(fù)頻率與脈沖重復(fù)間隔互為倒數(shù)關(guān)系,設(shè)輻射源的多普勒脈沖重復(fù)間隔為pt,可得

(10)

通過(guò)計(jì)算,測(cè)量精度分析結(jié)果為

(11)

式中:σpo為po測(cè)量值誤差的標(biāo)準(zhǔn)差;G為幾何精度因子。

上述分析都是針對(duì)偵察設(shè)備固定、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的情況,同理可以將結(jié)論推廣到偵察設(shè)備運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)固定和偵察設(shè)備運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的情況,如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多普勒效應(yīng)Fig.3 Doppler effect for moving platform to moving target

圖3中,R1為接收機(jī)起始位置,R2為接收機(jī)結(jié)束位置。根據(jù)前述結(jié)論可以得到機(jī)載輻射源的脈沖重復(fù)間隔

(12)

從式(12)可以看出:當(dāng)R1和R2為同一個(gè)點(diǎn)時(shí),就是偵察設(shè)備固定、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的情況;當(dāng)A和B為同一個(gè)點(diǎn)時(shí),就是偵察設(shè)備運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)固定的情況。

從上述分析得到以下結(jié)論:

(1)目標(biāo)飛行過(guò)程中多普勒效應(yīng)的平均影響效果只與起始及結(jié)束位置有關(guān),與過(guò)程中航行線路無(wú)關(guān)。

(2)多普勒效應(yīng)的平均影響效果就是平均速度的多普勒效應(yīng)。

(3)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累處理,可以提高在多普勒效應(yīng)影響下的輻射源脈沖重復(fù)間隔等特征參數(shù)的測(cè)量精度。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多普勒效應(yīng)的時(shí)間積累計(jì)算處理,可以精確計(jì)算輻射源的多普勒脈沖重復(fù)頻率,從而間接計(jì)算目標(biāo)本身的脈沖重復(fù)頻率和脈沖重復(fù)間隔,為機(jī)載輻射源目標(biāo)精確識(shí)別和輻射源特征參數(shù)測(cè)量提供手段。