趙 梅，韓大偉，彭漁露

(西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌615000)

0 引言

在航天發(fā)射測(cè)控領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載器的長(zhǎng)距離跟蹤和定位，地面雷達(dá)采用接力和交會(huì)的工作模式來完成對(duì)運(yùn)載器空間位置的測(cè)量。為此，工作在同一頻率的多臺(tái)雷達(dá)，在信號(hào)跟蹤過程中不僅能收到自己的反射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)，也可接收到他站雷達(dá)的反射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)，這個(gè)信號(hào)相對(duì)于本站雷達(dá)回波信號(hào)來說就是他站異步干擾回波信號(hào)，當(dāng)異步干擾信號(hào)穿越本站雷達(dá)跟蹤波門時(shí)就會(huì)妨礙對(duì)目標(biāo)的跟蹤，甚至導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)的丟失。為了盡可能降低同頻異步干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)跟蹤的影響，雷達(dá)設(shè)備主要采用在跟蹤波門前方設(shè)立衛(wèi)門區(qū)，通過檢測(cè)衛(wèi)門區(qū)域干擾信號(hào)并結(jié)合移相的方法避免同頻干擾[1-3]。經(jīng)過工程實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，只采取前衛(wèi)門檢測(cè)的方式，會(huì)遺漏較多的特殊同頻干擾情況[4]。近年來，隨著航天測(cè)控事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)如何抵抗同頻干擾問題展開了諸多研究[5-7]。文獻(xiàn)[4]強(qiáng)調(diào)了手動(dòng)移相時(shí)機(jī)和移相距離的重要性；有的從管理角度提出了各臺(tái)雷達(dá)同步執(zhí)行跟蹤任務(wù)時(shí)的移相操作的統(tǒng)一約定問題；還有的提出了調(diào)整各雷達(dá)發(fā)射信號(hào)特征以區(qū)分各自跟蹤信號(hào)的方法[8-9]；文獻(xiàn)[10]中的民用導(dǎo)航雷達(dá)通常采用相鄰2～3周期的目標(biāo)回波相加后再除以周期數(shù)的方法，來削弱同頻異步干擾的幅度。這些措施過于依賴崗位人員的操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備使用的自動(dòng)化、智能化不足，不能解決特殊時(shí)機(jī)的移相避干擾行為，有的試圖改變當(dāng)前的單脈沖雷達(dá)鏈跟蹤體制，但是，由于涉及整個(gè)箭上箭下的體制更改，只局限于某次跟蹤任務(wù)的幾臺(tái)設(shè)備，不具有操作性。本文提出的基于全程跟蹤信號(hào)運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)的方法，結(jié)合建立的移相條件和移項(xiàng)準(zhǔn)則，不僅可以解決設(shè)備移相的自動(dòng)化操作，而且可以充分識(shí)別各種干擾信號(hào)，防止信號(hào)偷漏，從而解決各種同頻異步干擾問題。

1 衛(wèi)門移相防同頻干擾方法的不足

多臺(tái)同頻單脈沖雷達(dá)在跟蹤測(cè)量過程中，相互干擾的表現(xiàn)其實(shí)質(zhì)就是雷達(dá)跟蹤不斷變化的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，距離顯示器上各站同頻信號(hào)表現(xiàn)為相對(duì)或同向運(yùn)動(dòng)，逐漸靠近，目標(biāo)信號(hào)交會(huì)而對(duì)跟蹤產(chǎn)生影響。因此，多站接力跟蹤防同頻干擾的目的就是通過采取一定的措施保持本站信號(hào)與他站信號(hào)間的相對(duì)位置，以避免因2個(gè)信號(hào)的接近而引起信號(hào)偷漏?，F(xiàn)有雷達(dá)大多采用前衛(wèi)門檢測(cè)移相的方法來解決該問題[11-12]，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其衛(wèi)門帶來的信號(hào)被壓制問題也同樣突出，對(duì)雷達(dá)的穩(wěn)定跟蹤帶來了較為嚴(yán)重的影響。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

① 移相距離不匹配。移相條件滿足時(shí)前方移相距離處正好有干擾信號(hào)，移相后本站信號(hào)再次落入干擾信號(hào)附近，導(dǎo)致信號(hào)丟失或再次移相。

② 移相競(jìng)爭(zhēng)。干擾信號(hào)從前后方同時(shí)逼近，本站和他站都可能會(huì)采取移相措施，產(chǎn)生移相競(jìng)爭(zhēng)以及反復(fù)多次移相；如果2部雷達(dá)一次移相的距離相同，將導(dǎo)致本站雷達(dá)信號(hào)被壓制，以致目標(biāo)丟失。

③ 異步信號(hào)直接落入衛(wèi)門。異步雷達(dá)干擾信號(hào)因手動(dòng)、自動(dòng)移相或等待點(diǎn)跟蹤(中途上高壓)等原因落入本站雷達(dá)反射信號(hào)區(qū)域，本站雷達(dá)信號(hào)被異步干擾信號(hào)所壓制，造成本站雷達(dá)無法判斷異步信號(hào)而不能自動(dòng)移相。

④ 前衛(wèi)門不起作用。在目前的測(cè)控雷達(dá)鏈中只設(shè)置了前衛(wèi)門，當(dāng)雷達(dá)處于搜索、避盲、解距離模糊等狀態(tài)時(shí)，前衛(wèi)門無效，此時(shí)前衛(wèi)門區(qū)域中若出現(xiàn)異步信號(hào)將不能再次移相，就會(huì)造成本站信號(hào)被偷漏；若穿越波門的相對(duì)速度較慢，長(zhǎng)于本站偷漏期間采用的記憶跟蹤時(shí)間，則會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)丟失。

⑤ 殘骸進(jìn)入衛(wèi)門。由于殘骸反射信號(hào)為本站相參同步信號(hào)，本站在衛(wèi)門中檢測(cè)到該信號(hào)后實(shí)施自動(dòng)移相，并不能把該信號(hào)移出前衛(wèi)門，但會(huì)導(dǎo)致本站信號(hào)重復(fù)移相，從而對(duì)他站信號(hào)造成沖擊，并引起他站信號(hào)連續(xù)移相。

2 同頻異步干擾信號(hào)處理策略

通過對(duì)以上出現(xiàn)頻繁移相問題的分析，究其實(shí)質(zhì)是未對(duì)衛(wèi)門中的信號(hào)進(jìn)行正確識(shí)別、不了解信號(hào)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性而導(dǎo)致在該移相時(shí)沒有啟動(dòng)移相，在不該進(jìn)行移相時(shí)卻盲目移相。為此，本文從全程信號(hào)特性檢測(cè)和自適應(yīng)距離移相等方面入手，完善移相機(jī)制。

2.1 改進(jìn)硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全程信號(hào)特性檢測(cè)

為了克服常用移相方式?jīng)]有判斷分析信號(hào)彼此間在時(shí)間軸上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況、降低了移相后正常跟蹤的成功概率和增加了盲目移相次數(shù)的不足，采取在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)量程范圍內(nèi)所檢測(cè)到的有效回波信號(hào)進(jìn)行多目標(biāo)點(diǎn)跡記錄，并提取回波信號(hào)運(yùn)動(dòng)特性的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步信號(hào)相對(duì)本站信號(hào)的視頻特性信息(距離、速度、加速度和運(yùn)動(dòng)方向)識(shí)別，從根本上解決移相條件、移相時(shí)機(jī)和移相位置的確定問題，多目標(biāo)回波特性檢測(cè)步驟如下：

① 通過信號(hào)檢測(cè)確認(rèn)雷達(dá)回波信號(hào)點(diǎn)跡。對(duì)經(jīng)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)通過下變頻獲取的每個(gè)PRF的視頻信號(hào)進(jìn)行距離單元CFAR檢測(cè)[13]，利用N/M 準(zhǔn)則，把在全距離量程范圍內(nèi)通過檢測(cè)門限的信號(hào)均認(rèn)為是回波信號(hào)，將檢測(cè)到的有效回波稱為點(diǎn)跡。

② 對(duì)通過CFAR檢測(cè)所得的回波進(jìn)行距離處理獲得回波距離信息。對(duì)通過恒虛警處理的回波信號(hào)，記錄其前后沿位置，并以此計(jì)算出回波信號(hào)的中心點(diǎn)，這個(gè)中心點(diǎn)的距離可作為回波信號(hào)的實(shí)際距離值。

③ 采用濾波外推和波門相關(guān)檢測(cè)算法[14-15]，建立不同雷達(dá)回波信號(hào)航跡。雷達(dá)在某一時(shí)間段可能檢測(cè)到多個(gè)回波信號(hào)，對(duì)這些回波信號(hào)與上一周期的回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，確定前后多個(gè)周期的回波信號(hào)是否為同一個(gè)運(yùn)動(dòng)回波，將同一個(gè)回波信號(hào)在多個(gè)重頻周期連續(xù)運(yùn)動(dòng)的多個(gè)點(diǎn)跡稱為一個(gè)航跡，由此相關(guān)出多個(gè)航跡。建立回波航跡處理的算法主要有濾波遞推計(jì)算和波門區(qū)域相關(guān)計(jì)算。

濾波計(jì)算采用α-β-γ濾波，預(yù)測(cè)外推回波在下一個(gè)重頻周期的位置。波門相關(guān)根據(jù)點(diǎn)跡-點(diǎn)跡相關(guān)、點(diǎn)跡-航跡相關(guān)以及航跡-點(diǎn)跡相關(guān)的不同處理要求，在距離上分別設(shè)置大、中、小3種波門相關(guān)區(qū)域。航跡確認(rèn)時(shí)，首先對(duì)連續(xù)幾個(gè)周期的目標(biāo)距離用濾波器外推一個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)(即點(diǎn)跡)，以點(diǎn)跡為中心建立一個(gè)相關(guān)區(qū)域，當(dāng)新采集的點(diǎn)跡落在該區(qū)域內(nèi)，則認(rèn)為二者相關(guān)并以此建立新的航跡，初始點(diǎn)跡-點(diǎn)跡相關(guān)區(qū)域用于建立初始航跡，因此可適當(dāng)選擇大一些以免漏檢，但又不能太大而產(chǎn)生回波混淆。點(diǎn)跡-航跡相關(guān)選用中等相關(guān)區(qū)域，將新采集的點(diǎn)跡與已有的航跡進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，找出與之相關(guān)的所有航跡，將結(jié)果存入臨時(shí)相關(guān)表。航跡-點(diǎn)跡相關(guān)是從與該航跡相關(guān)的所有點(diǎn)跡中錄取最合理的點(diǎn)跡作為該航跡的新點(diǎn)跡，錄取新點(diǎn)跡時(shí)選用小波門相關(guān)，對(duì)航跡質(zhì)量進(jìn)行管理。

在初始僅有一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的情況下建立新的目標(biāo)點(diǎn)跡，沒有目標(biāo)速度信息可以利用，因此只能根據(jù)其位置和可能的最小速度Vmin、最大速度Vmax確定一個(gè)區(qū)域，一旦新得到的測(cè)量數(shù)據(jù)落入到該區(qū)域中，可以初步認(rèn)為原點(diǎn)跡與新來的數(shù)據(jù)反映了同一個(gè)空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的特性，從而建立起初始運(yùn)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一旦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立起來，則相關(guān)區(qū)域可以根據(jù)建立的數(shù)據(jù)計(jì)算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，然后根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度建立一個(gè)比較合理的相關(guān)區(qū)域，落在相關(guān)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)即為首選的確認(rèn)目標(biāo)點(diǎn)。因此合適的波門相關(guān)區(qū)域選擇至關(guān)重要，相關(guān)區(qū)域計(jì)算公式為：

(1)

式中，ΔR為相關(guān)區(qū)域的距離寬度(m)；T為采樣周期(m/s)；Vmax為目標(biāo)最大速度(m/s)；LT為目標(biāo)長(zhǎng)度(m)；σRM為雷達(dá)距離測(cè)量的均方誤差；k為決定目標(biāo)落入相關(guān)波門的概率系數(shù)(相關(guān)概率系數(shù))，若誤差按高斯分布考慮，則當(dāng)k=1時(shí)，相關(guān)概率為0.683；k=2時(shí)，相關(guān)概率為0.955；k=3時(shí)，相關(guān)概率為0.997。

④不同航跡目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性計(jì)算。對(duì)全程范圍內(nèi)的回波信號(hào)進(jìn)行處理后，就可以確定出量程內(nèi)的每個(gè)回波信號(hào)是屬于一個(gè)孤立的點(diǎn)跡，還是屬于一個(gè)已有的航路，對(duì)已有的航路根據(jù)前后多個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分計(jì)算就可以計(jì)算出回波運(yùn)動(dòng)的速度，二階差分計(jì)算可以計(jì)算出回波運(yùn)動(dòng)的加速度，回波速度的正負(fù)極性可以確定回波的運(yùn)動(dòng)方向。

2.2 設(shè)置移相距離干擾信號(hào)檢測(cè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)移相自適應(yīng)距離選取

移相條件滿足后，移相距離的選擇也很重要。移相距離要大于2站前衛(wèi)門寬度之和，以保證信號(hào)交會(huì)期間、自動(dòng)移相后，后站信號(hào)不會(huì)落入前站的前衛(wèi)門中?；疽葡嗑嚯x確定后，也并不能保證移相成功。如果前方移相距離附近存在其他的異步干擾，則移相的結(jié)果是避開了其中一個(gè)干擾，又落入另一個(gè)干擾附近，威脅繼續(xù)存在。因此，移相處理技術(shù)除了檢測(cè)衛(wèi)門里的干擾信號(hào)外，還需要檢測(cè)前方移相距離附近有無潛在威脅的干擾信號(hào)，其方法是按照前面實(shí)現(xiàn)的全程信號(hào)特性檢測(cè)，完成對(duì)回波信號(hào)位置和運(yùn)動(dòng)特性(運(yùn)動(dòng)方向、速度和加速度)記錄，根據(jù)移相條件判斷是否需要進(jìn)行移相，當(dāng)需要進(jìn)行移相時(shí)，依次判斷n*L±4 km區(qū)域是否存在其他干擾信號(hào)，若在移相距離檢測(cè)寬度內(nèi)未檢測(cè)到干擾信號(hào)，則根據(jù)式(2)計(jì)算移相距離：

S=L+n*Sδ，

(2)

式中，S為將要移相的距離大??；L為基準(zhǔn)移相距離；n為可變移相距離的個(gè)數(shù)；Sδ為可變移相距離，該距離的大小取決于目標(biāo)應(yīng)答機(jī)的響應(yīng)時(shí)間。

通過對(duì)將要移相區(qū)域的檢測(cè)，將本站信號(hào)移相到安全距離處，從而避免了移相后又引起的反復(fù)移相或移相失效。

2.3 完善特殊情況的移相處理

2.3.1 解距離模糊和避盲

目前單脈沖雷達(dá)受工作頻率限制，是通過解距離模糊來實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離跟蹤。目標(biāo)在不斷向更遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)的過程中，其回波會(huì)一次次地穿越盲區(qū)(主波區(qū)域)，導(dǎo)致本站雷達(dá)信號(hào)在他站雷達(dá)顯示器上的位置不斷發(fā)生變化，對(duì)他站雷達(dá)跟蹤造成影響。對(duì)于雷達(dá)解距離模糊和避盲衛(wèi)門不起作用、不做移相處理的情況，一是通過開窗式后衛(wèi)門對(duì)異步信號(hào)從后方逼近衛(wèi)門而未移相的情況，按照他站信號(hào)前衛(wèi)門失效狀態(tài)判定，并采取主動(dòng)移相；二是在雷達(dá)避盲前，提前檢測(cè)±Rmax/2(Rmax=150 000/prf) km附近距離段有無信號(hào)，如果有干擾信號(hào)，則計(jì)算并連續(xù)保留該信號(hào)的運(yùn)動(dòng)特性，為避盲做好比較和記憶跟蹤的準(zhǔn)備，以實(shí)現(xiàn)在噪聲信號(hào)中提取目標(biāo)回波信號(hào)，避免記憶跟蹤到干擾信號(hào)上的情況發(fā)生。

2.3.2 目標(biāo)分離時(shí)的移相處理

目標(biāo)分離過程中，殘骸的反射回波信號(hào)會(huì)有一段時(shí)間落在前衛(wèi)門里。采取對(duì)目標(biāo)分離進(jìn)行工作狀態(tài)標(biāo)記的方法，當(dāng)識(shí)別出目標(biāo)分離時(shí)，標(biāo)志T_Flag=1，同時(shí)對(duì)殘骸回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)殘骸在前衛(wèi)門里時(shí)，不做移相處理；分離結(jié)束后置工作狀態(tài)T_Flag=0，對(duì)前衛(wèi)門里的其他干擾信號(hào)才進(jìn)行移相處理；但若T_Flag=1時(shí)，前衛(wèi)門里同時(shí)也檢測(cè)到有多個(gè)有效的脈沖信號(hào)，則此時(shí)按正常做移相處理。

3 集成仿真驗(yàn)證

以上提出的雷達(dá)抗同頻異步干擾信號(hào)處理方法均在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)完成。要在信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全量程范圍內(nèi)的多目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤，需在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成高速數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理[16]。本文以FPGA，DSP為數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)進(jìn)行了半實(shí)物仿真驗(yàn)證，仿真硬件原理如圖1所示。

圖1 同頻干擾信號(hào)自適應(yīng)識(shí)別控制系統(tǒng)原理

該驗(yàn)證系統(tǒng)包含監(jiān)控計(jì)算機(jī)和異步信號(hào)干擾處理電路，模擬雷達(dá)的監(jiān)控系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、頻綜和發(fā)射系統(tǒng)。

在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，通過設(shè)置各種信號(hào)運(yùn)動(dòng)屬性、改變目標(biāo)和干擾信號(hào)的前、后衛(wèi)門有效命令，對(duì)目標(biāo)和干擾進(jìn)行手動(dòng)移相等方式，完整地模擬了各類干擾情況，對(duì)干擾信號(hào)識(shí)別正確率、信號(hào)堵塞恢復(fù)情況、移項(xiàng)正確率以及信號(hào)識(shí)別時(shí)間進(jìn)行了有效驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。不僅從硬件實(shí)現(xiàn)上證明了所提方案的可行性，也從軟件算法上驗(yàn)證了所提策略的正確性。

圖2 自動(dòng)識(shí)別移相前后回波信號(hào)位置示意

4 結(jié)束語

在提出采用全程信號(hào)特性檢測(cè)的基礎(chǔ)上，配合移相條件的完善，從根本上解決了移相條件、移相時(shí)機(jī)以及移項(xiàng)位置在實(shí)際操作中難以確定和把握的問題，不僅可避免雷達(dá)信號(hào)因相互沖擊而導(dǎo)致的頻繁移相和移相失敗，而且自適應(yīng)距離移相識(shí)別概率高，響應(yīng)快，該方法在解決基于目前跟蹤條件下多站同頻異步信號(hào)干擾問題上可行而有效，對(duì)于提升靶場(chǎng)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的完備性和穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于提出的方法需要實(shí)時(shí)進(jìn)行較大的數(shù)據(jù)處理，下一步在工程應(yīng)用時(shí)一方面要做好硬件選型，另一方面還要加強(qiáng)高效數(shù)據(jù)處理算法的研究。