閆興鳳，呂久明，達(dá)通航，鄭 晴

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 蘭州 732750)

0 引言

目前，在空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)捕獲跟蹤過程中，主要是通過在地面部署多個(gè)單脈沖雷達(dá)，組成雷達(dá)測(cè)量鏈，承擔(dān)空間目標(biāo)的位置和速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的持續(xù)測(cè)量任務(wù)[1]。由雷達(dá)工作方式分析可知，空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)捕獲跟蹤方式主要有：一類是應(yīng)答跟蹤，即在空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上安裝應(yīng)答機(jī)，作為雷達(dá)測(cè)量的合作測(cè)量目標(biāo)，由地面單脈沖雷達(dá)發(fā)射上行脈沖信號(hào)，空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)應(yīng)答機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后，定時(shí)延遲并轉(zhuǎn)發(fā)該信號(hào)，地面雷達(dá)收到轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)后通過時(shí)延處理計(jì)算，獲得空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，該方式具有作用距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高、可靠性高等突出特點(diǎn)[2]；另一類是反射跟蹤，即對(duì)未安裝應(yīng)答機(jī)的空間運(yùn)行目標(biāo)非合作測(cè)量，地面單脈沖雷達(dá)發(fā)射電磁脈沖信號(hào)，并接收空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)表面對(duì)該信號(hào)的反射回波信號(hào)，通過時(shí)延計(jì)算獲得空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，與應(yīng)答工作相比，該工作方式下雷達(dá)作用距離較短，精度較低，但更符合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景[3]。因此，在空間目標(biāo)未安裝應(yīng)答機(jī)的情況下，單脈沖雷達(dá)需以反射方式來完成運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量任務(wù)。

現(xiàn)代測(cè)量雷達(dá)常采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，如空時(shí)二維信號(hào)處理來抑制來自目標(biāo)背景的回波，降低虛警率、提高發(fā)現(xiàn)概率，主要技術(shù)包括地雜波和噪聲抑制、多基線的雷達(dá)同步、沿航跡干涉干涉處理、多基線雷達(dá)的陣列處理等空時(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)[4]。而在捕獲跟蹤空間目標(biāo)過程中，常會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)分離現(xiàn)象，且空間主要目標(biāo)信號(hào)弱于空間伴飛目標(biāo)信號(hào)，造成強(qiáng)伴飛目標(biāo)信號(hào)常會(huì)干擾空間主要目標(biāo)捕獲跟蹤現(xiàn)象，本文分析雷達(dá)主副通道間目標(biāo)固定映射關(guān)系，獲取伴飛目標(biāo)在副通道的精準(zhǔn)位置，并對(duì)該位置區(qū)間進(jìn)行強(qiáng)制賦零操作，抑制伴飛目標(biāo)對(duì)雷達(dá)副通道形成的干擾，以提升單脈沖雷達(dá)的主要空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)捕獲跟蹤能力，特別是在目標(biāo)分離階段對(duì)空間弱小目標(biāo)的捕獲效能。

1 空間目標(biāo)捕獲過程分析

因單脈沖測(cè)量雷達(dá)的多目標(biāo)捕獲跟蹤能力有限[5]，在非合作工作方式下，當(dāng)單脈沖雷達(dá)遇到多目標(biāo)情況時(shí)，容易丟失對(duì)空間主要感興趣目標(biāo)的捕獲跟蹤，特別是在空間目標(biāo)分離階段，單脈沖雷達(dá)難以及時(shí)捕獲空間主要目標(biāo)，甚至出現(xiàn)跟蹤伴飛目標(biāo)而丟失主要目標(biāo)跟蹤的現(xiàn)象主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是多目標(biāo)捕獲時(shí)間窗口短，傳統(tǒng)的單脈沖精密測(cè)量雷達(dá)僅能跟蹤3～5個(gè)目標(biāo)，且這些目標(biāo)必須處在同一波束內(nèi)，而作為精密測(cè)量雷達(dá)，其天線波束一般較窄，而主要空間目標(biāo)與其他空間伴飛目標(biāo)速度一般差別明顯，導(dǎo)致多目標(biāo)在雷達(dá)波束內(nèi)共同駐留時(shí)間普遍較短，操作手辨識(shí)、捕獲空間主要目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間非常有限；二是單脈沖雷達(dá)的多目標(biāo)識(shí)別及處理能力普遍較弱，基本依靠雷達(dá)操作手根據(jù)屏顯信息進(jìn)行實(shí)時(shí)判別和選擇，所以在多目標(biāo)捕獲及跟蹤方面效率普遍較低[6]。

1.1 空間主要目標(biāo)捕獲方式

在非合作工作方式下，單脈沖雷達(dá)在空間目標(biāo)分離階段的作業(yè)過程通常是：空間目標(biāo)分離之前，雷達(dá)主通道保持對(duì)空間目標(biāo)信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤；分離開始后，依據(jù)信噪比優(yōu)先原則，主通道在無外界干預(yù)的情況下會(huì)自動(dòng)保持對(duì)主要目標(biāo)信號(hào)的跟蹤，在主要目標(biāo)信號(hào)與伴飛目標(biāo)信號(hào)不斷拉開距離時(shí)，操作手要及時(shí)識(shí)別出主要目標(biāo)信號(hào)；當(dāng)分離距離達(dá)到雷達(dá)距離分辨力時(shí)，雷達(dá)操作手即刻使用副通道對(duì)空間主要目標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)捕獲，完成跟蹤后快速進(jìn)行主副通道目標(biāo)切換，實(shí)現(xiàn)單脈沖雷達(dá)對(duì)空間主要目標(biāo)的捕獲及跟蹤[7]。

1.2 目標(biāo)捕獲過程分析

受雷達(dá)工作體制所限，難以改變時(shí)間窗口，但雷達(dá)后端多目標(biāo)處理能力弱的問題可以通過在信號(hào)處理環(huán)節(jié)增加適當(dāng)?shù)亩嗄繕?biāo)處理方法加以改善[8]，而研究采用單脈沖雷達(dá)副通道精準(zhǔn)區(qū)間強(qiáng)制賦零方法，可以改進(jìn)單脈沖雷達(dá)通道多目標(biāo)工作方式，提升多目標(biāo)捕獲跟蹤能力，有效提高空間目標(biāo)分離過程單脈沖雷達(dá)捕獲跟蹤主要空間目標(biāo)的效率。

假設(shè)某雷達(dá)共有一主三副4個(gè)測(cè)量通道，能夠同時(shí)跟蹤和測(cè)量同波束內(nèi)多個(gè)目標(biāo)，其4個(gè)通道設(shè)計(jì)的工作方式如表1所示。

表1 雷達(dá)各通道設(shè)計(jì)工作方式

雷達(dá)對(duì)目標(biāo)信息的提取和處理主要是在信號(hào)處理分系統(tǒng)完成[9]，多目標(biāo)工作原理如圖1所示。信號(hào)處理分系統(tǒng)各通道采用串行工作方式，其工作過程是：首先確定主目標(biāo)，并使用主通道搜索波門進(jìn)行搜索跟蹤，當(dāng)主通道完成目標(biāo)跟蹤后，使能副1通道搜索波門，在副1通道完成目標(biāo)跟蹤后，使能副2通道搜索波門，以此類推。但前級(jí)通道在完成目標(biāo)跟蹤后，并未對(duì)已跟蹤目標(biāo)進(jìn)行屏蔽，使得已完成跟蹤目標(biāo)數(shù)據(jù)繼續(xù)向下一級(jí)傳遞，而該雷達(dá)設(shè)計(jì)規(guī)則又允許不同通道能夠以相同方式跟蹤同一目標(biāo)，因此雷達(dá)捕獲跟蹤多目標(biāo)工作情況下，副通道經(jīng)常在前級(jí)通道已跟蹤目標(biāo)的情況下反復(fù)捕獲已跟蹤目標(biāo)的現(xiàn)象。

圖1 雷達(dá)信號(hào)處理分系統(tǒng)工作原理

假設(shè)在空間目標(biāo)分離階段，雷達(dá)主波束內(nèi)出現(xiàn)了三個(gè)目標(biāo)，則各通道信號(hào)處理單元的輸入信號(hào)數(shù)據(jù)為圖2所示(其中目標(biāo)0為主要伴飛目標(biāo)，目標(biāo)1為主要目標(biāo)信號(hào)，目標(biāo)2為其它伴飛物)，主通道會(huì)自動(dòng)捕獲主要伴飛目標(biāo)，并且一般會(huì)穩(wěn)定持續(xù)跟蹤，但在副1通道捕獲空間主要目標(biāo)時(shí)就會(huì)不可避免地出現(xiàn)主要伴飛目標(biāo)重復(fù)捕獲及跟蹤的問題。其原因主要有：一是主要伴飛目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)大于空間主要目標(biāo)，因此主要伴飛回波信號(hào)比空間主要目標(biāo)回波信號(hào)一般至少強(qiáng)幾十分貝；二是空間主要目標(biāo)與主要伴飛目標(biāo)在波束內(nèi)共同駐留時(shí)間極其有限，所以一般情況下，只要兩者距離達(dá)到雷達(dá)距離分辨力，操作手即開始手動(dòng)捕獲空間主要目標(biāo)，此時(shí)操作時(shí)間相對(duì)充足，但錯(cuò)誤跟蹤空間主要目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，如圖3(圖中δ為雷達(dá)最小分辨距離)所示；三是受空間各種目標(biāo)姿態(tài)變化、大氣傳播路徑變化、無線電信號(hào)多徑干擾等因素影響，雷達(dá)屏顯圖像中目標(biāo)回波信號(hào)起伏閃爍較為嚴(yán)重，導(dǎo)致雷達(dá)操作手在手搖波門過程中無法有效避開主要伴飛目標(biāo)的強(qiáng)干擾。

圖2 雷達(dá)各通道輸入數(shù)據(jù)示意圖

圖3 副通道搜索波門內(nèi)目標(biāo)示意圖

在副通道錯(cuò)跟主要伴飛目標(biāo)后，需要立即對(duì)錯(cuò)跟目標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)清除，再重新對(duì)空間主要目標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)捕獲，由于所有動(dòng)作都是雷達(dá)操作手通過手動(dòng)搖桿+按鍵方式完成，所以在空間目標(biāo)分離階段，副通道通常會(huì)多次重復(fù)鎖定主要伴飛目標(biāo)并被手動(dòng)清除，導(dǎo)致單脈沖雷達(dá)捕獲空間主要目標(biāo)效率很低，常會(huì)出現(xiàn)丟失空間主要目標(biāo)現(xiàn)象。同理，當(dāng)主通道、副1通道完成目標(biāo)捕獲跟蹤后，副2及其隨后通道在目標(biāo)捕獲時(shí)亦存在同樣問題，大幅削弱了單脈沖雷達(dá)的多目標(biāo)捕獲跟蹤能力。

2 基于副通道精準(zhǔn)區(qū)間強(qiáng)制賦零的目標(biāo)捕獲實(shí)現(xiàn)方法

該方法在單脈沖雷達(dá)副通道原信號(hào)處理單元之前增加一個(gè)預(yù)處理單元[10]，如圖4所示，在本通道信號(hào)數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)雷達(dá)前級(jí)各通道已跟蹤目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位并強(qiáng)制賦零，以消除其對(duì)本通道搜索波門捕獲目標(biāo)時(shí)造成的干擾。

圖4 副通道預(yù)處理單元設(shè)計(jì)原理圖

在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)采用DSP編程技術(shù)[11]，實(shí)現(xiàn)基于副通道精準(zhǔn)區(qū)間強(qiáng)制賦零，副通道預(yù)處理單元程序流程圖，如圖5所示。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第1步：對(duì)本通道待處理數(shù)據(jù)序列中前級(jí)通道已完成跟蹤目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位[12]。單脈沖雷達(dá)在多目標(biāo)工作情況下，同一目標(biāo)在不同通道間具有固定的位置映射關(guān)系，根據(jù)這一關(guān)系進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，可以得到雷達(dá)已跟蹤目標(biāo)在本通道的精確位置。在空間目標(biāo)分離階段，雷達(dá)主通道、副1通道和副2通道同時(shí)工作時(shí)，信號(hào)處理分系統(tǒng)輸入的目標(biāo)信號(hào)數(shù)據(jù)流按順序打包傳送(見圖6)，其中主通道數(shù)據(jù)共1285點(diǎn)，副通道數(shù)據(jù)分別為805點(diǎn)。當(dāng)主通道完成對(duì)主要伴飛目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤后，目標(biāo)0將自動(dòng)被置于主通道中心位置，其第640～646共七個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為主要伴飛目標(biāo)數(shù)據(jù)，通過映射關(guān)系可知，副通道數(shù)據(jù)序列中第400～406點(diǎn)的數(shù)據(jù)為主要伴飛目標(biāo)。

圖5 副通道預(yù)處理單元程序流程圖

圖6 雷達(dá)各通道目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸順序

第2步：對(duì)副通道待處理數(shù)據(jù)序列中主要伴飛目標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)制賦零操作。主要伴飛目標(biāo)數(shù)據(jù)寬度取為本通道數(shù)據(jù)中心位置點(diǎn)再加左右各三個(gè)點(diǎn)的區(qū)間，距離維上能覆蓋主要伴飛目標(biāo)中心點(diǎn)左右數(shù)十米，通過程序操作對(duì)該區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)全部賦零，如圖7所示。由圖7可知，經(jīng)過副1通道預(yù)處理單元后，數(shù)據(jù)中的目標(biāo)0信號(hào)被強(qiáng)制賦零，徹底屏蔽了主要伴飛強(qiáng)信號(hào)對(duì)副1通道搜索波門捕獲空間主要目標(biāo)(目標(biāo)1)時(shí)的干擾。同理，在副2通道進(jìn)行目標(biāo)捕獲時(shí)，其預(yù)處理單元對(duì)目標(biāo)0和目標(biāo)1同時(shí)進(jìn)行了賦零操作。

圖7 預(yù)處理單元賦零操作示意圖

第3步：對(duì)賦零區(qū)間進(jìn)行噪聲回填處理。賦零操作在屏蔽特定目標(biāo)的同時(shí)，將該區(qū)間內(nèi)噪聲徹底消除，而在預(yù)處理單元之后，信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行以信噪比為判別依據(jù)的目標(biāo)檢測(cè)，賦零區(qū)間很可能導(dǎo)致信噪比異常情況出現(xiàn)，因此為保證后續(xù)單元正常工作，預(yù)處理單元在賦零操作完成后對(duì)賦零區(qū)間進(jìn)行噪聲回填處理，具體實(shí)現(xiàn)方法為：讀取本通道雷達(dá)工作方式，查找并獲取該方式對(duì)應(yīng)的噪聲統(tǒng)計(jì)電平值，將該值填充至賦零區(qū)間，如圖8所示。

圖8 賦零區(qū)間噪聲回填處理示意圖

綜上可知，在空間目標(biāo)分離階段，預(yù)處理單元有效剔除了雷達(dá)副通道重復(fù)出現(xiàn)的主要伴飛目標(biāo)的回波信號(hào)，徹底抑制了其在空間主要目標(biāo)捕獲過程中造成的強(qiáng)伴隨干擾，使雷達(dá)副通道搜索波門能夠高效工作，提高了單脈沖雷達(dá)在復(fù)雜場(chǎng)景下的多目標(biāo)捕獲跟蹤能力和效率。

3 結(jié)束語

本文提出在空間目標(biāo)分離階段，采用副通道精準(zhǔn)區(qū)間強(qiáng)制賦零方法，解決了單脈沖雷達(dá)在空間目標(biāo)分離階段時(shí)出現(xiàn)的副通道主要伴飛目標(biāo)干擾問題，減少了單脈沖雷達(dá)操作手在捕獲空間主要目標(biāo)過程中的復(fù)雜度和工作量，在有限的主要目標(biāo)捕獲窗口內(nèi)為操作手保證了更多的有效時(shí)間，提高了單脈沖雷達(dá)在空間目標(biāo)分離階段對(duì)空間主要目標(biāo)的捕獲效能。而且，在雷達(dá)工作于多目標(biāo)捕獲跟蹤場(chǎng)景時(shí)，尤其是在空間目標(biāo)分離為多目標(biāo)群內(nèi)捕獲相對(duì)感興趣的弱小目標(biāo)時(shí)，該方法適用性較好、效果明顯。