机扫体制雷达超视距被动测向新方法研究

王西锋，岳帅英，顾毅君

(1.91404部队，河北 秦皇岛 066001；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)

机扫体制雷达超视距被动测向新方法研究

王西锋1，岳帅英2，顾毅君2

(1.91404部队，河北 秦皇岛 066001；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)

摘要：针对机械扫描体制雷达被动超视距探测，在分析雷达截获信号全脉冲能量-空域分布特征的基础上提出两种新的测向方法——质心法和解方程法。研究了天线调制、被动扫描参数对测向精度的影响，并在相同条件下比较了这两种方法与传统方法的精度。仿真实验表明，所提两种方法比传统方法具有更高的测向精度，截获次数较少时使用解方程法，截获次数足够多时优先使用质心法。

关键词：被动超视距雷达；高精度测向；方位-功率质心法；解方程法

0引言

辐射源定位在现代电子战中具有特殊的重要意义，而高精度的测向将为辐射源定位提供有力依据。各种高精度的测向方法及其应用一直是该领域的研究热点[1-5]。对于机械扫描体制对海超视距被动探测雷达来说，测向精度受到多种因素的影响：双方天线调制、对流层散射损耗起伏、被动接收主天线副瓣接收信号、两个方位靠近的辐射源目标分选失败、被动探测系统信道化处理产生的虚假信号都会导致测向误差。其中，提高测向精度的关键任务是消除双方天线调制带来的误差。传统的方法有最大信号法、起止中间时刻法等。这些方法的测向误差可能会随着天线调制而剧烈起伏，并且容易受到瞬时干扰的影响。这显然不利于工程化应用。

在分析雷达截获的辐射源脉冲信号的能量-空间分布特征及其形成机理的基础上，本文提出了两种新的测向方法，即有效利用脉冲能量-空间信息的质心法和利用被动天线方向图形状先验信息的解方程测向法，分析其测向精度对敌我双方天线调制、被动扫描参数的依赖关系。在相同条件下将上述两种方法与常规的起止中间时刻法、最大信号法的单周期测向精度进行比较，分析测向精度优劣的原因，为工程实现提供依据。

1测向原理分析与方法设计

1.1　天线调制与辐射源信号截获

假设辐射源频率在被动探测频段范围内、方位在被动探测范围内，功率满足截获条件，使用窗函数描述时域天线调制和信号截获[1,3]，如图1所示。定义辐射源天线方向图主波束3 dB宽度与扫描速率之比为照射窗，定义截获辐射源信号的被动天线主波束宽度与扫描速率之比为截获窗。图1(a)设被动天线扫描中心为θc，扫描范围θR，扫描速率ωTr,截获辐射源信号的被动天线波束宽度△θb，辐射源真实方位θ0，天线扫描速率ωe。根据发射功率、传输损耗、接收机放大系数、接收机门限、辐射源天线瞬时增益、被动天线瞬时增益等参量，由单程雷达方程可求得△θb。图1(b)显示了某辐射源照射窗、被动超视距雷达扇扫截获窗。其中，ωe=90°/s，θR=22.5°，ωTr=1°/s ，t=0时刻，双方天线同时指向对方。则照射窗宽τe=0.55 s,窗周期Te=4 s，第一窗位(窗中心)te(1)=0；截获窗宽τTr=10 s,窗周期2TTr=45 s，第一窗位tTr(1)=0。在照射窗与截获窗出现重叠的地方发生截获，图中一个被动扫描周期能够截获辐射源目标2～3次。

辐射源功率、传输距离、双方天线起始指向、扫描周期、被动天线扫描中心、被动探测雷达天线扇扫边界时间延迟等因素的综合作用导致了特定的天线调制。当辐射源功率或者传输距离改变时，截获窗宽将变大或者变小。当任何一方的天线起始指向或者扫描周期、被动扫描改变时，照射窗和截获窗的窗位将改变。

雷达信号处理分机对截获成功的辐射源脉冲信号进行信道化、过门限检测、脉冲参数测量等处理，输出脉冲描述字(PDW)数据到雷达数据处理分机进行分选、测向等。

(a) 被动探测天线扫描　　　　　　 (b) 某照射窗与截获窗

1.2　截获信号的能量-空间分布特征

机扫体制超视距被动探测过程中，辐射源天线辐射的电磁波经过大气传输(包括对流层散射)达到被动探测雷达天线阵面，经过被动天线增益放大。在方位向，在不考虑对流层散射损耗起伏对被动测向的影响、被动探测雷达完成副瓣抑制的条件下，截获的辐射源电磁脉冲的能量-空间(截获时的雷达天线指向)分布特征主要与双方天线方向图有关。如图2所示，假设单个被动扫描周期截获辐射源信号两次(两个辐射源天线周期)以上。理想情况下，单次截获的脉冲信号的幅度与方位分布符合目标天线方向图包络，多次截获的脉冲信号的峰值幅度与方位分布符合被动天线方向图包络。

在不考虑对流层散射起伏、被动探测系统完成副瓣抑制的条件下，截获信号的空间-时间分布特征以被动往返扫描周期2TTr与辐射源天线周期Te的最小公倍数为周期重复，截获位置固定在几个角度，并在这个重复周期内、在被动扫描周期间逐渐变化。当2TTr是Te的倍数，截获的位置最集中；当2TTr与Te互质时，截获位置在被动扫描周期之间发生变化，可能有许多周期没有截获到信号。当改变天线调制，截获辐射源脉冲信号的时间-空间位置(角度)将发生改变，即图2中的脉冲串在包络曲线上的位置改变。

图2　截获辐射源信号的能量-空间分布

1.3　两种测向方法

利用上述截获信号的功率-空间分布规律，可以测量辐射源方位。本文提出两种测向方法：

(1) 质心法

原理与最大信号法相似，但增加了有效信息量，具体如下：

被动探测输出的PDW方位数据为截获发生时被动天线主波束指向。信号幅度大的PDW数据截获位置更加靠近波束中心，所包含的天线调制带来的测角误差更小。

(1)

式中PAi、θi表示第i个截获脉冲PDW的功率、方位。

(2) 解方程法

分析表明截获峰值PDW的方位-幅度分布接近图2中虚线包络，而该包络曲线顶点即为辐射源真实方位。为便于工程计算，采用高斯函数近似描述单程雷达天线电压幅度方向图[4]为

(2)

考虑辐射源天线增益影响以后，被动探测雷达单个被动扫描周期内截获信号的功率(取对数后)可表示为

(3)

式中，t为时间，θ0、θ(t)、θ0.5分别为辐射源真实方位、截获辐射源信号时被动探测天线指向、被动探测天线半功率点波束宽度，C为包含辐射源发射功率、发射天线最大增益、传输过程中的各种损耗、接收天线增益等的综合项，X为C取对数前的结果。

设两次截获的PDW峰的方位、功率数据为(θ1,PA1),(θ2,PA2),已知当前频段被动接收天线半功率点波束宽度θ0.5，解方程组即可以得到辐射源真实方位。

2仿真验证

2.1　天线调制的关系对测向精度的影响

根据上文分析结果，测向精度可能受到天线调制影响。假设辐射源平台不运动，不考虑对流层散射起伏，被动探测系统副瓣抑制效果良好、系统误差已校正。

假设辐射源平台不运动，辐射源θ0=23°，ωe=90°/s，Te=4s；被动探测系统作扇扫，θc= 21°，θR=22.5°，ωTr=1°/s，2TTr=45s，△θb=6.58°。被动天线起始指向辐射源方位(23°)，辐射源天线起始指向0°~360°。通过简单计算可知，单个被动扫描周期截获目标最多2次。每个角度仿真30个被动扫描周期，统计测向均方根误差。结果如下。

图3　测向精度对辐射源天线起始指向的依赖关系

图3表明：(1)解方程法测向精度明显高于质心法，并都高于传统的起止中间时刻法、最大信号法；(2)在满足截获两次以上的条件下，质心法测向精度随天线调制变化而变化，解方程法则相对平稳，其他两种方法变化剧烈。分析其原因为：起止中间时刻法完全依赖PDW的角度范围，信息量小，且易受天线调制影响；最大信号法虽然利用了幅度越大的PDW截获位置靠近主波束指向、其方位误差越小的优势，但幅度峰值的位置仍然随天线调制敏感变化；而质心法利用了全脉冲能量-空间信息，涵盖了幅度权重和截获角度范围两重特征，基本能反应辐射源真实位置的影响；解方程原则上不依赖于具体的截获位置，只与曲线顶点位置有关。

此外，仿真研究表明，在被动方向图曲线近似合理的条件下，随着单个被动扫描周期截获次数增多，解方程法的测向精度则基本变化不大；而质心法的测向精度将随截获次数增多明显提高、随天线调制抖动幅度下降。截获达到3次后，质心法测向精度平均值将高于解方程法。这两种方法的精度都高于最大信号法、起止中间时刻法。

2.2　被动扫描中心、扫描范围对测向精度的影响

假设辐射源一定在被动扫描范围内，截获窗宽足够大(14°)，单周期截获最少3次，在以下条件进行仿真，考察测向精度：(1)改变被动扫描中心，其他参数不变；(2)改变被动扫描范围，其他参数不变。结果见图4、图5。图5中，扫描范围为20°，目标位于23°。

图4　被动扫描中心对测向精度对的影响

图5　被动扫描范围对测向精度对的影响

图4、图5表明：在扫描中心偏离辐射源真实方位的条件下，扫描范围大于截获角度范围时测向误差基本不受被动扫描范围、扫描中心影响，扫描范围小于截获角度范围时测向误差迅速增大。因此，建议在辐射源信号功率很强时，将扫描范围设置到不小于可截获信号波束宽度的3倍，能够避免截获辐射源角度范围超出扫描范围带来的精度下降。

3结束语

通过分析天线调制对机械扫描体制超视距被动探测雷达截获信号的能量、空域分布规律的影响机理，本文提出了两种测向方法，仿真研究了其测向精度及其受天线调制和被动扫描参数的影响。结果表明：与传统的最大信号法、起止中间时刻法相比，质心法测向精度略有改善，但它同样随着天线调制变化而起伏；在被动天线方向图曲线近似合理的条件下，解方程法则能够显著提高测向精度，并且测向精度几乎不受天线调制影响。随着单周期截获次数的增加，质心法的精度将优于解方程法。因此，建议在工程应用时，截获次数较少时使用解方程法，截获次数超过3次以上时可使用质心法。

参考文献：

[1]RichadGWiley.电子情报(ELINT)——雷达信号截获与分析[M].吕跃广，等译.北京：电子工业出版社，2008:76,89-128.

[2]DavidLAdamy.电子战进阶[M].朱松，王燕，姜道安，等译.北京：电子工业出版社，2009:155-193.

[3]唐永年.雷达对抗工程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012：212-266.

[4]丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理[M].4版.北京：电子工业出版社，2009:295.

[5]张明高.对流层散射传播[M].北京：电子工业出版社，2004.

A new passive OTH direction-finding method for

mechanically scanned radar

WANG Xi-feng1, YUE Shuai-ying2, GU Yi-jun2

(1. Unit 91404 of the PLA Navy, Qinhuangdao 066001, China;

2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:In view of the passive OTH detection for the mechanically scanned radar, based on the analysis of the full pulse energy-spatial distribution rule of passive radar signals, two new direction-finding methods are proposed, namely the centroid method and the method of solving equation. The effects of the antenna modulation and the passive scanning parameters on the direction-finding precision are studied, and the two methods and the conventional methods are compared in precision under the same condition. The simulation results indicate that the two methods are superior to the conventional methods in the direction-finding precision. The method of solving equation is used if the signals are intercepted less frequently, while the centroid method has priority if the signals are intercepted more frequently.

Keywords:passive OTH radar; high-precision direction finding; azimuth-power centroid method; method of solving equation

中图分类号：TN953.3

文献标志码：A

文章编号：1009-0401(2015)04-0011-04

作者简介:王西锋(1978-)，男，2000年毕业于西安电子科技大学，工程师，研究方向：雷达数据处理与分析；岳帅英(1982-)，女，高级工程师，博士，研究方向：雷达数据处理；顾毅君(1985-)，女，工程师，硕士，研究方向：雷达系统工程。

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-07-02