单脉冲雷达导引头多目标检测研究

曾永钢，杜晓宁，王永亮，赵美丞

(1.91521部队,辽宁 大连　116041；2.海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台　264001；3.91880部队，山东 胶州　266300)



单脉冲雷达导引头多目标检测研究

曾永钢1，杜晓宁2，3，王永亮3，赵美丞3

(1.91521部队,辽宁 大连116041；2.海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台264001；3.91880部队，山东 胶州266300)

摘要：单脉冲雷达导引头搜索捕捉目标时，如果多个目标存在同一分辨单元内，导引头将难以区分，而无法检测雷达主波束内多个目标的存在就不能进行多目标的分辨，最终无法完成对既定目标的成功打击；采用基于Neyman-Person准则的广义似然比检测(Generalized Likelihood Ratio Test,GLRT)方法可以对单脉冲雷达导引头同一分辨单元内多个Swerling II型目标的存在性进行检测，仿真实验证明了有效性。

关键词：单脉冲雷达导引头；Swerling II型目标；广义似然比检测

目前反舰导弹上广泛装备的雷达导引头大多为单脉冲雷达导引头，由于体制原因，一般具有0.1弧度左右的方位分辨力。对于距离反舰导弹30 km处的海面范围而言，雷达导引头的方位分辨单元达到3 km量级，有可能造成多个相隔较近的Swerling II型目标落在雷达导引头的同一分辨单元中。对于单脉冲雷达多目标检测，文献[1]提出了基于Neyman-Person准则的广义似然比检测(Generalized Likelihood Ratio Test,GLRT)方法，针对两个点目标情况具有较高的检测概率，文献[2]提出了一种GLRT+序列寄存器检测方法,能够降低虚警概率。本文根据多Swerling II目标作用下接收机输出信号模型，将文献[1]的研究成果推广到多个Swerling II型目标的情形，仿真实验证明了推广的有效性。

1单脉冲雷达导引头测角原理

目前的反舰导弹雷达导引头主要采用单脉冲测角体制。振幅和差式测角是常用的单脉冲测角方法，其原理是发射时采用两个相同的波束且两波束部分重叠，接收时信号作和差处理。若目标处于两波束等信号轴方向，则两天线接收到的信号等强度，否则一个天线收到的信号强，另一个天线收到的信号弱。通过比较两个天线接收到信号的强弱来确定目标偏离等信号轴方向的程度，以此确定目标所处的方向。

单平面内振幅和差式单脉冲雷达原理如图1所示，发射机产生的信号被送至和差比较器的∑端，1、2端输出等幅同相的激励信号，由两个馈源天线调制后进行发射。接收回波时，两馈源将接收到的回波脉冲信号分别送至和差比较器的l、2端，其中，∑端两信号相加，输出和信号；△端两信号反相相加，输出差信号。和差两路信号分别经过混频、中放后，差信号被送入相位检波器。和信号分为3路：一路通过检波视放后送入自动距离跟踪系统作测距用，一路为中放提供自动增益控制信号，另一路与差信号一样被送入相位检波器作为基准信号，输出角误差信号，送至伺服系统，控制天线完成角度跟踪。

图1　振幅和差式单脉冲雷达原理图

2雷达导引头波束内Swerling II型多目标存在性检测

假设雷达导引头波束内存在多个Swerling II型目标，目标i的信号输出幅度αi服从参数为αi0瑞利分布，i=1,2,…,N，如式(1)所示：

(1)

雷达导引头接收机和、差通道的同相及正交信号输出为

(2)

(3)

(4)

(5)

αi为目标i的输出信号幅度，i=1,2,…,N，服从瑞利分布；φi为目标i的回波相位，服从[0,2π)的均匀分布；ηi=GD(θi)/GS(θi)，为目标i的到达角方向(Direction of Arrival,DOA)，θi为目标i的方位角；NSI、NSQ、NdI、NdQ为各支路噪声，彼此相互独立，服从高斯分布。

由αi和φi的分布，知SI、SQ是独立的高斯随机变量，SI、SQ的联合概率密度函数应用随机变量转换得到r0的概率密度函数：

(6)

基于M个独立采样的情况，输出信号信噪比r的最大似然比估计为

(7)

r0i为脉冲i的观测信噪比。

复单脉冲比的实、虚部各为

设有二元假设检验：H0假设波束内只有1个目标；H1假设波束内有多个Swerling II型目标。经推导，yI和yQ在两种假设下均服从条件高斯分布，因此基于M个独立采样，yi均值的极大似然估计为

(10)

定义GLRT检验统计量为

式(12)中，yii、yQi各为第i次采样时复单脉冲比的实、虚部。

在H0假设条件下，TMP-1服从自由度2M-1的χ2分布。若给定PT，基于Neyman-Person准则可以得到检测门限

(14)

由式(11)及式(14)，作判决如下

(15)

式中，

(16)

3仿真实验

3.1两目标时的检测性能分析

天线的3 dB波束宽度θBW=5°，虚警概率Pfa=0.01，积累脉冲数M=10，两目标对称地分布于天线轴的两侧且信噪比相同。进行两组仿真，第1组中两目标的信噪比固定(SNR1=SNR2=13 dB)，方位角间隔变化；第2组两目标的方位角固定(θ1=-1.5°，θ2=1.5°)。在上述条件下，进行Monte Carlo试验5 000次，仿真结果如图2所示。

图2　两目标时的检测性能

由图2的仿真结果可看出：两目标方位向的间隔对检测性能有很大影响，在两信噪比为13 dB情况下，当两目标均位于天线轴线时，检测概率只有2%，此时两个目标等效成一个目标；而当两目标间隔达到2.5°，即θBW/2时，检测概率达到91%。此外，信噪比大小对检测性能也有很大影响，信噪比越高，检测概率越高。

3.2三目标时的检测性能分析

天线的3 dB波束宽度θBW=5°，积累脉冲数M=10，Pfa=0.01，目标1与目标2的方位角固定，分别为θ1=-1.5°，θ2=1.5°，目标3的方位角变化。为了对多目标情况下影响检测概率的因素进行分析，分别进行以下两组仿真研究：

第1组为3个目标的总信噪比增加的情况。目标1与目标2信噪比均为13 dB，目标3的信噪比依次取10 dB、13 dB、17 dB，进行Monte Carlo试验5 000次，检测性能如图3所示。

第2组为3个目标的总信噪比不变的情况。目标1与目标2信噪比相等，目标3的信噪比变化，3个目标的总信噪比保持不变，为第1组中目标1与目标2的信噪比之和，进行Monte Carlo试验5 000次，检测性能如图4所示。

图3　总信噪比增大时的检测概率

图4　总信噪比不变时的检测概率

图4中的水平虚线表示两目标情况下相应的检测概率，用来同3个目标的情况进行比较。图3表明，目标3方位角偏离天线轴越远，检测概率越大，而且随着信噪比的增加，其增大速度加快。图4表明：当目标3的方位角位于目标1、2之间时，其检测概率小于相同信噪比下两目标的检测概率，随着目标3的信噪比升高(目标1、2的信噪比降低)，检测概率下降；如果目标3的方位角比目标1、2的大，检测概率可能大于两目标情况时的检测概率。

4结语

仿真实验表明：单脉冲雷达导引头多目标检测时，将GLRT方法由两个Swerling II型目标的检测推广到多个Swerling II型目标的检测是可行的。单脉冲雷达导引头对于多个Swerling II型目标的检测概率，并不是随着目标数量的增多而升高，方位向上两个最大间隔的目标信噪比对整体检测概率影响较大。由于只需要知道接收机同相及正交支路的输出,不需得到目标的DOA及信噪比,这方面的研究可以在工程上实现，用于消除弹上雷达导引头跟踪目标过程中所受到的诱饵等欺骗干扰的影响。

参考文献：

[1]BLAIR W,BRANDT P.Unresolved Rayleigh target detection using monopulse measurements[J].Aerospace and Electronic Systems,IEEE Transactions on,1998,34(2):543-552.

[2]李朝伟,周希元,陈卫东,等.单脉冲雷达主波束内多目标的检测方法[J].电子学报,2006,34(6):1026-1030.

[3]BLAIR W,BRANDT P.Monopulse DOA estimation of two unresolved Rayleigh targets[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2001,37(2):452-469.

[4]NICKEL U,CHAUMETTE E,LLARZABAL P.Estimation of Extended Targets using the Generalized Monopulse Estimator:Extension to a Mixed Target Model[J].Aerospace and Electronic Systems,IEEE Transactions on,2013,49(3):2084-2096.

[5]赵宜楠,姚剑,李风从.慢起伏不可分辨目标的单脉冲角估计[J].系统工程与电子技术,2010(10):2021-2024.

[6]赵宜楠,姚剑,李风从.信噪比未知时不可分辨目标的单脉冲角估计[J].现代雷达,2010(9):40-43.

[7]SINHA A,KIRUBARAJAN T,BARSHALOM Y.Maximum likelihood angle extractor for two closely spaced targets[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2002,38(1):183-203.

[8]WANG Z,SINHA A,WILLETT P,et al.Angle estimation for two unresolved targets with monopulse radar[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2004,40(3):998-1019.

[9]WILLETT P K,BLAIR W D,OGLE T L,et al.Comparison of methods for tracking separating targets with a monopulse radar[C]//Optical Science and Technology,SPIE’s 48th Annual Meeting.International Society for Optics and Photonics,2003:118-130.

[10]ZHANG X,WILLETT P K,BARSHALOM Y.Monopulse radar detection and localization of multiple unresolved targets via joint bin processing[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2005,53(4):1225-1236.

[11]朱玉鹏,李朝伟,黎湘,等.单脉冲雷达多目标分辨技术研究[J].电光与控制,2004,11(4):7-10.

(责任编辑杨继森)

本文引用格式：曾永钢，杜晓宁，王永亮，等.单脉冲雷达导引头多目标检测研究[J].兵器装备工程学报，2016(5):111-114.

Citation format:ZENG Yong-gang，DU Xiao-ning，WANG Yong-liang,et al.Study on Detection of Multiple Targets Using Monopulse Radar Seeker[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):111-114.

Study on Detection of Multiple Targets Using Monopulse Radar Seeker

ZENG Yong-gang1，DU Xiao-ning2,3，WANG Yong-liang3，ZHAO Mei-cheng3

(1.The 91521stTroop of PLA,Dalian 116041,China; 2.Department of Electronic and Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China;3.The 91880thTroop of PLA,Jiaozhou 266300,China)

Abstract:Monopulse radar seeker will difficultly discriminate multiple targets located in the same resolution cell when the seeker searches and catches the target,and if it can not detect whether there are multiple targets in the main beam of the radar,it is unable to distinguish multiple targets.Ultimately,it can not hit the established goal successfully.Using the Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT)method based on the Neyman-Person criterion can detect the existence of multiple Swerling II targets in the same resolution cell of monopulse radar seeker,and the simulation results illustrate the good performance of the method.

Key words:monopulse radar seeker; Swerling II target; generalized likelihood ratio test

doi:【信息科学与控制工程】10.11809/scbgxb2016.05.027

收稿日期：2015-09-22；修回日期：2015-11-01

作者简介：曾永钢(1972—)，男，高级工程师，主要从事制导雷达技术研究。

中图分类号：TJ76

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0111-04