机载目标多普勒精确计算

王勇军

(中国人民解放军91404部队,河北 秦皇岛 066001)

随着电磁环境的日益复杂,电子战设备要准确地选择侦察目标并长期跟踪某个目标变得越来越困难。由于流水线加工水平的提高,同类型辐射源的信号参数差异极小,因此利用常规的电子侦察设备几乎不可能长期跟踪某个目标。辐射源个体识别(SEI)被提出的最初目的就是为了解决这个问题。雷达信号的个体特征也称为雷达的“指纹”,是指附加在雷达信号上的无意调制。无意调制指雷达采用某种形式的调制器而附加在雷达信号上的某种特性,如幅度起伏、频率漂移等,是一部雷达所特有的信号属性,也是一部雷达区别于另一部雷达的特征[1]。

通过辐射源个体识别系统,可以对感兴趣的辐射源目标进行锁定跟踪。更重要的是,通过长期识别结果的时空关联,可以获取辐射源及其装载平台的部署、活动规律和战术使用特点,甚至可以得到敌方武装平台的部署、兵力调配和军事动向,同时收集战区电子情报、监测战场电磁信号环境,因此具有重要的战略及战术应用价值。

20世纪60年代中期,美国政府提出对某个特定的运动辐射源进行识别和跟踪,随后的40年间,Northrop Grumman Mission System对此展开研究。随着数字化技术和复杂信号处理能力的不断提升,已经有配备指纹识别的雷达和电子侦察系统的公开报道,如捷克ERA公司研制的维拉(VERA-E)无源雷达系统已经将雷达指纹分析功能集成到电子情报分析系统上[2]。

目前,雷达辐射源指纹识别算法主要针对慢速和固定目标进行识别,而机载目标机动性大、速度快,给辐射源特征带来较大多普勒效应,导致辐射源信号本质特征不能有效提取[3]。本文根据平台与目标之间的相对位置与运动姿态,提出一种基于多普勒效应积累的计算方法,消除平台运动特性对信号特征的影响,实现对高速机动辐射源目标的脉冲重复间隔(PRI)或脉冲重复频率(PRF)的精确测量,从而进一步解决机载平台的辐射源个体识别问题。

1 频率多普勒效应

多普勒频率是指由目标与接收机之间的相对运动而产生的接收频率与实际频率之间的偏差,它的改变量与两者的相对速度成正比。多普勒效应原理如图1所示。

图1 多普勒效应原理Fig.1 Principle of Doppler effect

(1)

式中:fd为多普勒频率;v为辐射源和接收机之间的相对速度;θ为相对速度与辐射源和接收机连线间的夹角;c为光速;fo为辐射源的信号频率。

目标和辐射源靠近时多普勒频率fd为正,背离时fd为负。

2 脉冲重复频率的多普勒效应

与频率多普勒效应类似,脉冲重复频率也存在相同的多普勒效应。目标和辐射源靠近时多普勒脉冲重复频率pd为正,背离时pd为负。

(2)

式中:pd为多普勒脉冲重复频率;po为辐射源的信号脉冲重复频率。

在实际应用中,辐射源目标的速度是未知的,现有手段只能通过定位来计算速度,然而由于定位误差较大,基于此定位误差计算的速度误差更大,并不能用于多普勒计算。

3 基于多普勒积累的脉冲重复频率计算方法

运动目标多普勒效应原理如图2所示。

图2 运动目标多普勒效应原理Fig.2 Principle of Doppler effect for moving target

图2中,A为目标起始位置,B为目标结束位置,R为接收机位置,v(t)为目标实时速度,θ(t)为目标速度与接收机夹角。多普勒效应计算原理如下所示:

(3)

对式(3)两边同时积分,可得

(4)

式中:t1为目标到达A位置的时刻;t2为目标到达B位置的时刻;|AR|为A到R的距离;|BR|为B到R的距离。

(5)

(6)

同理可得

(7)

假设在机动目标从A到B的过程中,对脉冲重复频率进行N次直接测量,每次测量结果为pi,可得

(8)

由式(8)可得

(9)

脉冲重复频率与脉冲重复间隔互为倒数关系,设辐射源的多普勒脉冲重复间隔为pt,可得

(10)

通过计算,测量精度分析结果为

(11)

式中:σpo为po测量值误差的标准差;G为几何精度因子。

上述分析都是针对侦察设备固定、目标运动的情况,同理可以将结论推广到侦察设备运动、目标固定和侦察设备运动、目标运动的情况,如图3所示。

图3 运动平台对运动目标多普勒效应Fig.3 Doppler effect for moving platform to moving target

图3中,R1为接收机起始位置,R2为接收机结束位置。根据前述结论可以得到机载辐射源的脉冲重复间隔

(12)

从式(12)可以看出:当R1和R2为同一个点时,就是侦察设备固定、目标运动的情况;当A和B为同一个点时,就是侦察设备运动、目标固定的情况。

从上述分析得到以下结论:

(1)目标飞行过程中多普勒效应的平均影响效果只与起始及结束位置有关,与过程中航行线路无关。

(2)多普勒效应的平均影响效果就是平均速度的多普勒效应。

(3)通过长时间的积累处理,可以提高在多普勒效应影响下的辐射源脉冲重复间隔等特征参数的测量精度。

4 结语

通过对多普勒效应的时间积累计算处理,可以精确计算辐射源的多普勒脉冲重复频率,从而间接计算目标本身的脉冲重复频率和脉冲重复间隔,为机载辐射源目标精确识别和辐射源特征参数测量提供手段。