雷达导引头三种抗遮挡技术的适用性分析

2015-04-20李庚泽顾村锋

制导与引信 2015年1期

李庚泽，顾村锋，朱俊，李嵘

（1.92941部队，辽宁葫芦岛125000；2.上海机电工程研究所，上海201109；3.上海航天技术研究院，上海201109）

0 引言

脉冲体制主动雷达导引头大多采用高重频信号，存在遮挡效应。回波信号进入遮挡期时，信号能量急剧下降，导引头无法正常探测目标，甚至错锁干扰或杂波。在低空、超低空状态下，还有可能锁定镜像目标，测角精度降低，影响导引头跟踪性能。雷达导引头有三种常用的抗遮挡技术：变重频抗遮挡法［1］、遮挡期外推法［2］、遮挡预判法。

本文在介绍遮挡效应及其对导引头影响的基础上，分析三种抗遮挡技术的适用场合，为导引头抗遮挡技术的选用提供依据。

1 遮挡机理与影响

1.1 遮挡机理

脉冲体制主动雷达导引头接收到的目标回波信号功率为

式中：P 为发射功率；G 为天线增益；λ 为工作波长；σ为目标雷达散射截面；Rmt为弹目距离；L1为系统损耗；L2为大气损耗；τr为接收波门宽度；d为遮挡因子。接收波门宽度τr是指每个探测周期内可接收回波信号的时间宽度，如图1所示。

图1 遮挡波门示意图

图1中，实线为发射脉冲，虚线为接收波门，阴影部分为回波脉冲。当Δτ由Tr→0变化时，回波信号的遮挡状态为“全遮挡→部分遮挡→无遮挡→部分遮挡→全遮挡”。

遮挡因子d 的计算式为

式中：τt为发射脉冲宽度；τr为接收波门宽度；τp为信号保护间隔；Tr为信号周期（Tr＝τt+τr+2τp）；Δτ 为时间延迟相对信号周期的模，Δτ ＝mod（τ，Tr）；τ 为接收信号的时间延迟（τ ＝2Rmt／c，c为光速）。

图2给出了一种典型弹道下，导引头接收能量变化的仿真结果。设定的仿真参数：P＝100 W；G＝30dB；λ＝3.75cm；σ＝2m2；L1＝5dB；L2＝（0.1 Rmt／1 000m）dB；Tr＝1／300kHz；τt＝0.4Tr；τr＝0.5Tr；τp＝0.05Tr。

图2 典型弹道情况下的目标回波能量变化

接收能量随着弹目距离减少（对应于时间增大）而增大，同时存在周期性遮挡现象。

1.2 遮挡影响

（1）镜像影响

在低空、超低空弹道情况下，导引头除了接收来自目标的能量外，还可能接收来自镜像目标的能量。采用图2设定的仿真弹道，得到图3所示的导引头接收的目标回波能量与和镜像信号能量的对比图。在镜像目标能量的仿真过程中，考虑了地面或海面反射系数的影响，且认为导弹-目标距离与导弹-镜像目标距离近似相等，则导引头接收到的镜像目标能量为

式中：Pr，i为镜像目标回波能量；σt，i为生成镜像信号对应的目标雷达散射截面；ρ（β）为地面（海面）反射系数，随擦地（海）角β变化；Rm，i为导弹-镜像目标距离。

在仿真中，引用了文献［3］的垂直极化条件下的地面（海面）反射系数模型，该模型可表示为

其中：

式中：ε为复介电常数，取近似值为65-j30.7［3］；Δh为反射面起伏高度，取为0.1m。

图3 目标与镜像能量示意图

图4 雷达误差仿真图

由图3（a）可见，整体上镜像能量小于回波能量。从局部放大后的图3（b）可以发现，当目标回波能量进入遮挡期后，镜像回波能量存在大于目标回波能量的时刻，这不仅会引入跟踪误差，甚至会导致误锁镜像目标。

（2）对雷达误差的影响

基于比幅单脉冲体制，进行雷达误差影响仿真分析。导引头天线的和差方向图分别为

式中：θ为视线偏离角；θb为3dB波束宽度。

雷达误差为

式中：real表示取实部。

图4给出了典型弹道情况下导引头雷达误差输出值，图4（a）为整体图，图4（b）为局部放大图。

由图4可见，当目标回波信号进入部分遮挡和全遮挡后，导引头回波通道能量下降，导致信噪比降低，引起雷达误差波动加大，其量级远远大于正常雷达误差值，已无法满足制导控制系统的要求。

2 抗遮挡技术

2.1 变重频抗遮挡技术

（1）基本原理

文献［1］中给出了变重频抗遮挡方法。

由式（2）可知，当（τt+τp）≤Δτ＜（τr+τp）时，可使导引头回波信号处于无遮挡期，考虑到Δτ＝mod（τ，Tr），其中τ由弹目距离决定，Tr为照射信号重复周期。改变Tr，使得Δτ 满足（τt+τp）≤Δτ＜（τr+τp）的要求，可实现变重频抗遮挡。

（2）适用场合

原理上，变重频抗遮挡方法可以消除遮挡效应。变重频是以精确测距为基础的。若采用（200～500）kHz的高重频，遮挡周期对应的弹目距离变化为（300～750）m。采用图2 仿真时的波形参数，无遮挡期占整个周期的10%，也可以通过降低发射脉冲的占空比，增加无遮挡期，但会降低导引头发射机效率。显然，测距误差应远小于距离变化范围的10%，若以1%计算，（200～500）kHz重频范围对应的测距误差为（3.0～7.5）m。测距精度计算式为

式中：ΔR 为测距精度，c为光速；B 为信号带宽。

由式（10）可以求得满足（3.0～7.5）m 测距精度要求的信号带宽为（20～50）MHz。

显然，变重频抗遮挡技术适用于宽带导引头系统，窄带脉冲多普勒体制的导引头将无法实现变重频抗遮挡功能。

2.2 遮挡期外推技术

（1）基本原理

文献［2］给出了基于遮挡期外推技术的抗遮挡方法。为了降低遮挡期对导引头角度跟踪系统、频率跟踪系统和制导系统的影响，在角度跟踪系统中增加了速度反馈控制、在速度跟踪系统中增加了加速度反馈控制，在制导系统中采用状态卡尔曼滤波。遮挡期间，三个系统都采用外推控制，尽量减小误差。

（2）适用场合

遮挡期外推法可减少角度环路、速度环路和制导系统在遮挡期的跟踪误差。在处理过程中，回波信号处于部分遮挡期和遮挡期时，导引头受信噪比的影响，面临雷达误差增大，制导指令恶化等问题。此外，镜像目标影响问题也未得到解决。

2.3 遮挡预判技术

（1）基本原理

由式（2）可知，导引头接收信号的遮挡周期与导引头照射信号重复周期Tr一致。每个遮挡周期中，弹目距离变化值为cTr／2，在特定信号重复周期Tr情况下，若获得遮挡期或无遮挡期的起始点，并精确得到弹目相对速度，即可判断遮挡期的起始和结束时刻。

图5给出了能量峰值点为起点的遮挡预判示意图。假设某一时刻能量峰值点对应时刻为tT，后续遮挡预判时刻点为tZ，两点间的弹目距离变化为L，则预判的遮挡起始点可表示为

式中：v（t）为弹目相对速度。

显然，两点间对应的弹目距离变化L 与两个时刻内弹目相对速度的时间积分相等。

图5 遮挡预判示意图

（2）适用场合

通过遮挡预判，可以预知遮挡期到来的时刻，可以在遮挡期到来前关闭接收通道，防止导引头误锁目标镜像信号，避免恶化雷达误差。遮挡预判技术的实现，需要精确获得回波能量峰值点和弹目相对速度。采用原始回波数据求导、平滑滤波，再拟合的方法，可精确获得回波能量峰值点。

在主动雷达导引头中，相对速度与多普勒频率的关系为

式中：v（t）为弹目相对速度；λ为工作波长；fD为弹目多普勒频率。

由导引头的速度跟踪环路可以测得多普勒频率，频率分辨率与导引头接收机的采样率有关，可达赫兹级。设频率分辨率为50 Hz，则速度分辨率约为1m／s。弹目相对速度通常在1km／s以上，1 m／s的速度跟踪分辨率足以忽略速度跟踪环路带来的测速误差，使遮挡预判技术的实现成为可能，遮挡预判技术不受导引头带宽的影响，可适用于窄带导引头系统。

图6所示为典型弹道下回波峰值能量点和预判点获取仿真图。

由图可见，即使受到噪声影响，也能很好地找到回波能量峰值点。

遮挡预判技术的缺点在于进入遮挡期后，关闭了导引头接收通道，在该阶段失去了目标信息。