基于空间谱估计的引信脱靶方位识别技术

江 露， 马景润， 包 飞

（1.中国人民解放军驻上海地区军事代表室，上海200090；2.上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

随着武器系统的发展，引信面临着目标向多样化、全空域、高速度范围、强机动的发展趋势。尤其以TBM 为代表的导弹类目标和制导炸弹、巡飞弹等为代表的“低、小、慢”目标，易损部件少、弹头体积小、防护厚、毁伤难度大等特点。对于此类目标，必须实现对其彻底毁伤才能达到效果。在此情况下，传统引信采用的侧向探测和传统引战系统采用的环形杀伤体制，由于引信启动区散布大、战斗部飞散区大，已不能满足未来作战要求。这些需求使得引信必须具备定向起爆能力，而保证其定向起爆精度的则是对脱靶方位的精确识别。

现有的引信脱靶方位识别方法基本是采用GIF（Guidance Integrated Fuzing）技术，该技术可以利用导引头测量的距离、角度信息，通过数据滤波算法估计识别目标脱靶方位所需的参数，实现脱靶方位识别的目的。GIF的关键技术是对导引头测量信息的滤波处理，如果处理效果好则可以获得高精度的脱靶方位估计结果。由于卡尔曼滤波算法具有良好的噪声抑制能力，在GIF 中一般都以该算法为基础进行滤波操作［1，2］。但是该技术的性能受制于导引头探测信息的精确程度，当导引头进入交会探测盲区或目标具有高机动性时，基于导引头探测信息的脱靶方位识别性能将急剧下降。为了保证脱靶方位识别结果的稳定性，引信应具备自主方位识别能力。

空间谱估计技术被称为“超分辨率估计”，可以突破并改善一个波束宽度内空间不同来向信号的分辨能力。本文基于该技术在引信应用的可行性进行了分析和研究，最终实现了具有自主识别能力的引信脱靶方位识别技术。

1 阵列形式选择

空间谱估计的基本原理是利用信号到达天线阵列各个阵元的相位差来对信号的方向进行判断，因此不同的应用环境和背景会用到不同形式的阵列。由于引信位于弹体侧面，无法选用复杂的阵列形式，可选用的形式可以为均匀线阵和均匀圆阵。

阵列测向中，在某方向上对信号源的分辨力与在该方向附近阵列导向矢量的变化率直接相关。在导向矢量变化较快的方向附近，随信号源角度变化阵列快拍数据变化也大，相应的分辨力也高。因此，可用下式来衡量分辨力为［3，4］

式中：D（θ）越大，表明在该方向上的分辨力也越高。

对于均匀线阵，阵列的导向矢量

对应的

由上述测向范围可知，对于均匀线阵，在检测范围［-90° 90°］内，DT（θ）以余弦形式变化。在θ＝0°，即信号源方位角正好垂直于均匀线阵的轴线时具有最高的分辨力，而在沿线阵附近，DT（±π／2）≈0，也就是说明分辨力很差。

对于均匀圆阵流型转换后获得的虚拟阵列流型，其导向矢量为

此时分辨力表征量为

上式表明，均匀圆阵的分辨力不随信号方位角的变化而变化，在检测范围［-180° 180°）内，DV＝γ为一恒定常数，这说明均匀圆阵在全空间具有相同的分辨力。

由于脱靶方位识别技术的关键指标是测量角度的精确度，因此选取均匀圆阵作为引信测量阵列形式。如图1所示，引信发射天线采用一维线阵，以获得发射信号在空间的窄波束探测，接收为一个均匀圆阵，通过多路接收后利用接收信号建立数据矩阵，利用ESPRIT（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）方法对信号到达方向（即脱靶方位）进行估计。

2 弹体遮挡影响及消除方法研究

图1 引信天线分布形式示意图

在实际应用时，由于弹体遮挡的影响，只有一半左右的阵元可以接收到回波信号（当阵元数N为奇数时，接收到回波的阵元为（N+1）／2，当阵元数N 为偶数时，接收到回波的阵元为N／2），如图2所示。

图2 弹体遮挡对阵元接收回波影响的示意图

如果直接利用接收到信号的阵元数据进行估计，估计结果将会出现较大偏差。以入射角度分别为（17°，-140°）、（20°，30°）和（50°，-40°）为例，考虑弹体遮挡的情况，估计结果为图3中星号所示。可以看出估计结果和圆圈所示的实际值出现了较大的偏差，如此大的误差的形成并不是简单的孔径损失造成的，而是破坏了原有阵列流型的规则性引起的。利用对称性对接收到信号的阵元进行虚拟信号输入可以有效解决该问题。

当阵元数为偶数时，均匀圆阵列流型具有对称性，即对于阵元数为N 的均匀圆阵，其各个阵元的阵列流型An（n＝1，2，…，N），有An＝A＊n+N／2（n＝1，2，…，N／2）。于是对于各个阵元的输入信号Xn（n＝1，2，…，N），有Xn＝X＊n+N／2（n＝1，2，…，N／2）。

基于该性质，可以利用接收到回波的阵元信号对未接收到回波的阵元信号进行估计，获得虚拟输入信号，并建立矩阵对脱靶方位进行估计。经过虚拟输入处理的脱靶方位估计结果如图3中绿色星号所示，可以看出，估计得到的结果和实际信号波达方向非常接近，证明该方法的有效性。

图3 弹体遮挡对估计结果的影响及经过修正的估计结果

3 近场目标散射中心估计性能分析

对于实际应用中的目标，由于引信开机工作时弹目距离较近，目标回波不能按照点目标进行考虑，须考虑近场目标的多散射点特性。本节利用实际目标的多散射点回波建模，对实际弹目距离较近的情况下目标多散射点回波结果进行仿真计算，考察估计结果和实际目标重心位置的差距。

图4所示为模拟的飞机模型散射点分布，所模拟的飞机机身长度和机翼宽度均为10m，取网格划分精度为0.1m×0.1m，计算可知该模型实际的重心位于图4内坐标系（12.8，10）处。

图4 仿真飞机散射点分布图

对图4中每个散射点的回波进行相加，再对其进行波达方向估计，可以获得估计的散射中心入射角度信息，将此结果与模型重心实际位置的波达角进行对比，可以考察本项目所采用的分析方法能否适用于实际目标的近场作用情况。

图5为估计结果和实际重心位置角度的对比，使用的阵元数为16，信噪比为-5dB，目标重心与阵列中心的方向位和俯仰位距离变化均为-10m～10m。

从图中看到，估计得到的角度和实际目标重心角度吻合程度非常好，说明了该方法对于近场目标估计情况也非常适合。

图5 估计散射中心和实际目标重心比较

4 结束语

为了应对未来战场的作战需求，实现定向引信的自主脱靶方位识别功能，本文将空间谱估计技术引入引信系统。本文选用均匀圆阵阵列形式，不仅可以很好的符合弹体的外形结构形态，更加可以实现全方位无模糊的精确测角需求。对于弹体遮挡对脱靶方位识别产生的影响，本文利用均匀圆阵阵列流型的对称性，实现了无输入阵元的虚拟信号输入，很好的解决了这一问题。同时，对于远场点目标和近场多散射点散射中心的测量效果，进行了仿真验证，检验了本文所述方法的有效性。

［1］ 刘剑锋，庄志洪，刘中.转换测量卡尔曼滤波算法在导弹起爆控制技术中的应用研究［J］.电子与信息学报，2005，（27）：1388-1392.

［2］ 简金蕾，李静，任宏滨.基于去偏转换测量卡尔曼滤波的目标脱靶方向角识别［J］.航天控制，2010，（28）：23-32.

［3］ 马常霖，彭应宁，田立生.基于均匀圆阵模式空间噪声流型的高分辨测向算法［J］.电子学报，1998，（26）：112-116.

［4］ 陈辉，王永良，万山虎.非均匀线阵的模糊问题及方位估计［J］.空军雷达学院学报，1999，（13）：7-10.