一种适应复杂电磁环境的重频跟踪方法
2015-01-29钱志芳胡小禹张荣君穆吉儒
钱志芳，胡小禹，张荣君，穆吉儒
（中国电子科技集团公司 第五十一研究所，上海 201802）
随着雷达向集群和组网化的趋势发展，现代电子战[1]的电磁环境日益复杂。现在的武器平台受到各方威胁的来源越来越多，可能会同时受到搜索雷达、跟踪雷达、炮瞄雷达甚至精密制导导弹的多重威胁，电子对抗辐射源的数目急剧增加，使得雷达对抗信号异常密集[2]。同时新体制雷达的不断涌现，其抗干扰能力也在不断地发展和完善[3]。所有这些都对电子战的信号实时分选与跟踪技术提出了严峻的考验。这要求干扰设备能够在密集、复杂的信号环境中，在一连串混杂在一起的脉冲流中分离出来自同一发射源的脉冲信号序列，同时针对不同的目标确定相对应的干扰手段并实施干扰，以显著增强自身或者其他受保护的电子装备的战场生存能力。
随着微电子技术的发展，单片微机技术、DSP技术（数字信号处理）及FPGA技术都已经应用于实时跟踪系统中，使得实时跟踪技术向前发展了一大步[4]。很多干扰设备也都采用了实时重频跟踪的技术，并且在一般的电子环境条件下，能够有效跟踪雷达信号。目前重频跟踪技术的研究，主要集中在如何适应复杂多变的电磁环境，以及如何在此环境下对日益先进的复杂体制雷达信号进行实时有效的重频跟踪。
1 技术方案设计
由于需要在密集复杂的信号环境下实现对复杂体制雷达的重频跟踪，因此在总结已有的重频跟踪技术的基础上，本文采用脉冲预测的方法来对指定的雷达信号进行重频跟踪。
现采用的技术设计方案如图1所示。首先，信号分选软件将得到信号的重频周期（PRI）变化规律参数预置给重频跟踪器，当密集复杂的雷达信号到达后，进入起始脉冲建立电路，在起始脉冲建立电路的相关算法下，快速确定正确的起始脉冲以后，根据跟踪PRI的变化规律，采用脉冲预测的方法，在预测下一脉冲到来时给出有效的波门窗口范围；在有效波门窗口范围内进行重频特征的相关处理，查找正确的跟踪脉冲，得到正确脉冲后进行波门展宽并给出跟踪有效标志；再根据雷达的重频周期规律调整下一个PRI计数周期，继续进行跟踪，最终得到稳定可靠的重频跟踪波门信号。当跟踪出现丢失时，根据判断跟踪丢失的标准及时给出跟踪失效标志，并通知上一级决策系统进行相应的处理。
2 起始脉冲建立电路的设计
起始脉冲建立电路从输入的高密度组合脉冲列中选取任一脉冲作为基准，启动一个PRI计数，PRI值由信号分选软件预置为需要跟踪信号的PRI值。当一个正常的PRI计数快结束时，波门产生电路输出一个具有一定容差范围的波门窗口。如果在有效波门窗口内有脉冲到达，则表示起始脉冲建立成功，继续进行下一个PRI计数；如果在有效波门窗口内没有脉冲到达，则表示起始脉冲建立失败，重新进行起始脉冲的建立。
图1 技术方案设计框图Fig.1 Block diagram of the technical proposal design
在密集复杂的信号环境下，由于输入的脉冲很多，根据概率论中的假设检验理论，如果按照跟踪脉冲的重复周期特征得到第一个脉冲时，此脉冲不一定就是我们需要跟踪的脉冲信号，而只有在连续正确得到一定数量的脉冲后，才能以一定的置信水平确认该脉冲正确存在。因此我们可以规定在连续正确得到一定数量的脉冲信号后才准许对外输出跟踪波门。
起始脉冲建立电路在实际应用中的最大难题就是很难在信号密集的环境下确定起始脉冲。由于它对输入的脉冲列进行随机采样，因此在输入脉冲很多的情况下，特别是在高重频脉冲中对付某个低重频的雷达信号时，得到起始脉冲的机会很小，可能需要花费很长时间，根本不适用于实时跟踪系统。这样如何提高起始脉冲建立的概率成了应用此方法的关键。
为了解决这个棘手的问题，我们的方法是将上面提到的整个起始脉冲建立电路单独作为一个模块，并行使用若干个相同的模块，轮流进行触发。在每一个输入脉冲到来时，自动选择下一个模块来进行建立，这时最终得到的起始脉冲就是各个模块的“或”。如果某一路模块失败，则重新轮流并行进行建立，只要其中一路模块建立有效，就会输出跟踪有效标志，并主动停止其他所有模块的建立。设计框图如图2所示。
图2 起始脉冲建立电路设计框图Fig.2 Block diagram of the circuit about starting pulse establishing
由于此电路的输出为各个模块输出的“或”，因此最终得到起始脉冲的概率应该为n个子模块的n倍。并且各个模块并行使用，不会增加整个起始脉冲建立电路的建立时间。如果采用大规模FPGA进行设计，可以根据硬件的资源尽量加大模块的个数，这样就能大大提高起始脉冲建立的概率，即使在密集复杂的信号环境中也能快速得到需要跟踪信号的起始脉冲。
3 波门产生电路的设计
波门产生电路的目的是在需要跟踪信号脉冲出现的位置给出一个跟踪波门，用于后级的干扰技术产生器。在跟踪信号的起始脉冲成功建立后，根据信号分选得到的重频周期进行脉冲周期预测，启动重频PRI计数，每次PRI计数快结束时，产生一个有效波门窗口，在有效波门窗口内找到正确的跟踪脉冲，同时产生跟踪波门。
波门窗口的容差范围应当以保证正确脉冲能够进入波门的前提下，脉冲数量最少为依据原则，根据信号分选得到的重复周期的置信精度来确定。如果信号分选得到的重复周期精度很高，波门窗口容差可以设得较小，相反，如果信号分选得到的重复周期精度不高，则波门窗口容差可以适当设大，以确保正确的脉冲能够进入波门窗口。
PRI计数调整电路用于决定当前应该输入的是哪一个PRI值。每次正确脉冲到来的时候，PRI计数调整电路将这个PRI值打入PRI计数器，并允许它开始计数。当跟踪脉冲为常规PRI脉冲时，每次PRI计数值一致；当跟踪脉冲为参差PRI或组变PRI脉冲时，每次PRI计数值应当按照参差PRI或组变PRI脉冲的每一个小周期值依次进行计数，每个小周期的前后顺序应当与参差PRI或组变PRI脉冲保持一致；当跟踪脉冲为抖动PRI脉冲时，每次按照抖动PRI的基准值进行计数，然后根据PRI的抖动范围将有效波门窗口的容差值放大，允许最大抖动范围内的脉冲都能够进入到波门窗口。
4 波门内有效脉冲的处理方法
在实时跟踪的过程中，如果信号环境比较密集复杂的情况下，有效波门窗口的容差范围内往往不一定只存在需要跟踪的正确脉冲。虽然我们可以将波门窗口的容差尽量放窄，但还是有可能进来错误的脉冲。
当有效波门窗口内出现两个脉冲时，一般情况下重频跟踪器总是把第一个脉冲作为正确的脉冲而启动下一个跟踪周期，而实际情况中往往可能第二个脉冲才是正确的脉冲。由于虚假错误脉冲的出现是随机的，这种虚假脉冲将会使波门协调电路带来累积误差，将下一个跟踪的启动时间提前，最终使得重频跟踪器完全偏离正确的跟踪目标，从而造成跟踪丢失。
为了消除由虚假错误脉冲引起的跟踪丢失，我们可以对有效波门窗口内出现脉冲的情况进行分析处理。如果有效波门内只有1个脉冲信号出现，一般情况下为正确脉冲的可能性非常大，下一个PRI计数就以此信号出现的时间为基准开始进行；如果有效波门内不止1个脉冲信号出现，则采用变波门跟踪技术，即对下一次跟踪的启动时间进行改进，使每一次跟踪启动由最接近有效波门窗口中央的脉冲进行触发，尽管该脉冲不一定就是正确的脉冲，但它为正确脉冲的概率还是最大，并且这样不会因为虚假错误脉冲出现的随机性而引起累积误差。改进后的变波门时序如图3所示。
图3 变波门跟踪时序图Fig.3 Timing diagram of variable gate tracking
有效波门窗口的调整方法如下：假使有效波门窗口的初始宽度为T，当在时间TP时出现脉冲，如果TP
变波门跟踪技术的改进都是基于正确脉冲一般应该出现在有效波门窗口中央的前提下。由于需要跟踪脉冲的重复周期参数是信号分选软件预置，因此在保证信号分选得到的重复周期精度的情况下，对于常规PRI、参差PRI和组变PRI信号，重复周期的特征规律已知，应当符合正确脉冲一般应该出现在有效波门窗口中央的规律。但对于抖动PRI信号，由于本身正确脉冲出现的时刻具有随机性，因此我们仍然采用进入有效波门窗口的第一个脉冲为跟踪波门输出，而对于下一个跟踪周期的PRI计数以抖动PRI的基值为准。
通过变波门跟踪技术的处理，重频跟踪器对大部分体制的雷达信号具备了自适应去除部分虚假错误脉冲的能力，并且最大限度避免了由于累积误差造成的跟踪丢失的现象，有效提高了跟踪的稳定性。
5 波门控制电路的设计
波门控制电路就是在跟踪成功时给出跟踪有效标志，在跟踪丢失时给出跟踪失效标志，并将该标志回传上级决策系统。
波门控制电路应当在起始脉冲建立电路成功时给出波门跟踪有效标志，表明已经有效跟踪。而当跟踪出现丢失时，为提高系统抗干扰能力，波门控制电路不能在丢失一个脉冲就马上给出跟踪失效标志。因为产生脉冲丢失的原因有很多，也很复杂，信号的丢失是系统常见的现象。一个好的跟踪器必须在信号丢失几个信号脉冲的情况下，能够维持对信号的跟踪[6]。波门控制电路只有在连续丢失的脉冲个数超过一定的门限值时，才会给出跟踪丢失标志，而这个门限值可以根据信号环境的复杂程度由上级决策系统进行可变设置。
对于已经建立跟踪的雷达，重频跟踪器一旦给出跟踪丢失标志，由上级决策系统进行判别雷达信号是暂时消失还是雷达改变了工作模式。判别方式主要依据所记录的历史参数与信号处理实时分选结果进行对比，如果在记录的参数中，没有出现新的参数变化，则认为信号是真的消失了，重频跟踪器对其进行记忆跟踪，根据需要跟踪雷达重复周期的规律，在真实脉冲可能到达的位置进行补波门处理，利用补充的波门送到后级的干扰技术产生器进行干扰。如果出现了新的参数，则认为雷达改变了工作模式，决策系统将新的参数预置给重频跟踪器，重新对目标进行跟踪。
6 结 论
由于采用与目标雷达重复周期相同的特征规律进行脉冲预测，并且根据抖动PRI雷达的重频抖动范围调整有效波门窗口，因此，基于脉冲预测技术设计的重频跟踪器能够适应常规、参差、抖动以及组变等不同体制的雷达信号。同时由于重频跟踪器对每一部目标雷达单独进行脉冲预测，只要选择合理的硬件资源，就能实现对多部雷达信号的跟踪。如果同时存在多部参数接近的雷达信号时，通过脉冲预测的相关设计，可能会有所影响重频跟踪的实时截获时间，但能大大提高重频跟踪的概率。
[1]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安电子科技大学出版社，1999.
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