雷达末制导角闪烁抑制研究

2017-04-19磨国瑞

火控雷达技术 2017年4期

刘　婷　磨国瑞　聂　强　尚　煜

(西安电子工程研究所　西安　710100)

0　引言

随着精确制导技术的飞速发展，雷达导引头在现代战争中的重要性越来越突现，导弹总体对比例制导雷达导引头的末端视线角速度跟踪精度要求也越来越高。然而目标角闪烁是导致导引头输出视线角速度恶化的主要因素，直接制约了导弹的命中精度。尤其是在雷达和目标处于高速相对运动状态时，角闪烁的影响更为严重。因此，通过抑制角闪烁提高导引头视线角速度精度是比例制导雷达跟踪领域中迫切需要解决的问题。

目前，传统的角闪烁抑制方法分为三类[2]：一是利用雷达分集技术抑制角闪烁，主要包括时间分集、空间分集、频率分集和极化分集。这类方法大都需要改变雷达的硬件结构和工作模式，会大大增加雷达系统复杂度；二是利用距离高分辨技术抑制角闪烁，这类方法通常利用合成大带宽技术，在提高距离分辨率的基础上将目标上多个散射点在距离维分开，进而大大消除了各个散射点的相互干涉，从而抑角闪烁[1-3]，但是距离分辨率的提高是有限的；三是利用功率加权、中值滤波、 Kalman滤波以及角通道滤波等信号后处理方法抑制角闪烁，这类方法虽在在抑制角闪烁上有一定的效果，但仍不能满足要求。综上所述，仅利用三类方法中的单一类方法来抑制角闪烁来提高末制导角速度精度的效果有限，因此，要将以上三类方法进行融合考虑，并且针对不同的信号体制选择不同的角闪烁抑制算法来提高导引头末端视线角速度精度，从而满足弹总体的指标要求。

目前，在毫米波末制导应用中，对雷达导引头的通用性要求越来越高，要求雷达导引头同时兼顾地面和海面目标打击能力。综上所述，本文针对地面目标和海面目标分别提出了基于距离高分辨+α-β-γ的角闪烁抑制算法和频率捷变角闪烁抑制算法，并利用地面跑车试验验证了算法的有效性。

1　末制导角闪烁抑制流程

根据毫米波末制导使用要求，雷达导引头工作模式分为对地模式和对海模式，基于地面和海面的攻击目标尺寸，导引头选择不同的信号体制，地面静目标(10m左右)采用距离高分辨的步进频信号体制，地面运动目标和海面目标(30m左右)采用距离中分辨的脉冲压缩-多普勒信号体制。

本文针对步进频信号体制，在单帧信号角误差进行功率加权的基础上对视线角速度输出进行α-β-γ滤波抑制角闪烁；针对脉冲压缩-多普勒信号体制，采用频率捷变技术对发射波形进行帧间调频，再对频率捷变的信号样本进行单帧角误差功率加权处理输出视线角速度抑制角闪烁。具体的末制导角闪烁抑制流程如下图所示：

2　α-β-γ滤波

本文结合角闪烁抑制的第二类方法和第三类方法，针对地面静止目标采用距离高分辨处理，在对单帧回波信号进行角误差功率加权的基础上进行α-β-γ滤波来抑制角闪烁。

设目标沿着某一直线运动，tk时刻的位移、速度和加速度分别为：sk,vk,ak取状态向量Xk=[sk,vk,ak]T，应用卡尔曼滤波方程[5]：

(1)

(2)

Pk,k-1=ΦPk-1ΦT+ΓQΓT

(3)

Kk=PkHTR-1

(4)

Pk=[I-KkH]Pk,k-1

(5)

当滤波器达到稳态时，Pk=p为定值，由式(3)至式(5)得到：

P=[I-PHTr-1H](ΦPΦT+ΓqΓT)

(6)

假设

(7)

代入式(4)得：

(8)

于是得到：

(9)

即为目标的位移、速度、加速度的估计值sk,vk,ak。此外，为减小滤波器暂态振荡和缩短暂态过程时间将滤波器设定为临界阻尼状态，由此得到α、β、γ三者的关系的一组方程：

(10)

上式中，确定α后，可推算出λ值和β、γ的值，并且当α越近0即λ越接近1时滤波阻尼越大，相反跟随性越好平滑性越差。

3　频率捷变

对于复杂目标，角闪烁的产生是由来自目标不同部位回波相对相位相干作用的结果。雷达分集技术不但增加系统复杂度，基于此类技术抑制角闪烁的不足之处在于将目标作为一个整体进行测量，不能将目标上不同散射点分开，仍然无法有效的避免目标各散射单元之间的相互干涉，从而也就不能从根本上有效的抑制角闪烁，抑制结果远不能满足末制导对雷达角跟踪精度的要求。由于目标RCS的起伏特性与雷达工作载频密切相关，因此可以采用频率捷变技术改变雷达相邻发射脉冲的载频变化量，这样可以大大降低相邻回波脉冲间的相关性，近而对角闪烁起到抑制作用。在此基础上再对频率捷变的信号回波进行功率加权处理，可进一步抑制角闪烁[6]。

本文采用功率加权处理方法：

W(Ai)=(Ai/∑Ai)2

(11)

当接收回波是多个散射点的回波合成时，设第i个散射点的回波为：

ui(t)=vi(t)exp(j2πri(t)/λ)

(12)

式中：vi(t)为第i个散射点回波幅度，ri(t)为第i个散射点弹目距离，λ为发射信号波长。

和信号

(13)

差信号

(14)

将采用频率捷变技术得到的回波按式 (11)进行加权处理

(15)

其中，Smik表示第k个捷变频率时第i个散射点的回波，Aki表示第k个捷变频率时第i个散射点回波的幅度。经过加权后并带入式(12)、(13)、(14)得目标角偏差的测量值[4]：

(16)

4　试验结果与分析

单脉冲毫米雷达导引头为Ka波段，雷达采用脉冲压缩-多普勒模式为中分辨体制，带宽25MHz；采用步进频模式为高分辨体制，合成带宽512MHz。

4.1　地面静目标试验

在某军用机场，雷达导引头架设在运动卡车上，待捕获目标为仿形坦克目标，尺寸大约3m×8m×2.5m，RCS为30m2，尺寸和RCS与真实坦克相当。下图为仿形坦克目实物照片：

上图为雷达导引头架设在运动平台下捕获跟踪地面静止仿形坦克目标的跟踪曲线信息：其中横轴为时间轴，纵轴分别为雷达上报弹目距离、方位视线角速度和俯仰视线角速度。雷达导引头在900m处捕获目标并稳定跟踪至盲区80m。可以看出，方位、俯仰视线角速度输出随距离减小逐渐变大，在接近目标区域方位、俯仰角速度输出达到±3°/s左右，远不能满足弹总体对末制导精度的的指标要求。

图3为利用本文提出的地面静目标角闪烁抑制算法进行滤波后处理结果，对单帧角误差进行功率加权的基础上对视线角速度输出进行α-β-γ滤波抑制角闪烁，可将末端方位、俯仰视线角速度峰峰值抑制至±0.5°/s左右，已能满足总体单位的指标要求。

4.2　地面动目标试验

地面动目标试验是将导引头架设在地面，利用脉冲压缩-多普勒模式跟踪运动卡车从300m至盲区80m关机结束。

图4为导引头跟踪运动卡车从300m至盲区的弹目距离和原始视线角速度信息，可以看出，脉冲压缩-多普勒模式原始角速度输出峰峰值达到±8°/s，末段发生了较严重的角闪烁。

图5为利用本文提出的地面运动目标角闪烁抑制算法进行处理后结果，采用脉冲压缩-多普勒64点随机跳频产生信号样本，再进行单帧角误差功率加权，可以看到角速度峰峰值可控制在峰峰±0.6°/s左右，已能满足末制导角跟踪精度的要求。此外对海模式也采用脉冲压缩-多普勒模式，可将此算法直接推广至海面目标的角闪烁抑制中。