某型炮瞄雷达高速目标告警装置设计

谢奇峰

(中国人民解放军95795部队，广西 桂林 541003)

我国自越南战争中火控雷达遭到美制“百舌鸟”反辐射导弹攻击以后，就开始重视雷达对抗空中高速目标的研究工作。目前，国内相关领域的专家和学者从新技术、新方法和战术措施等方面研究了对抗高速目标的方法与途径。文献[1]提出用观测信号与其延时信号的三参数Chirplet变换的模之差来检测高速目标，提高检测速度。文献[2]提出了基于高斯混合分布杂波假设的高速目标检测方法，提高了检测性能。文献[3]提出了采用分数阶Fourier变换(FRFT)来检测动目标的方法，提高了分辨率。文献[4-5]通过分析ARM的局限性和防空兵火控雷达的自身优势，提出了多种有效抗击

ARM的对策。纵观国内现有研究情况，采用新技术、新方法提高雷达识别高速目标能力主要以大型雷达为研究对象[1-3]，炮瞄雷达抗击高速目标的研究集中在战术层面[4-5]。由于受到技术水平以及有关资料来源的限制，至今炮瞄雷达抗击高速目标的技术研究不理想，甚至比反干扰技术还落后。一些类型的炮瞄雷达虽然能监视目标与载机的分离过程，但无法识别出发射后的高速目标并提供告警提示，这给抗击高速目标行动带来很大不利。笔者针对炮瞄雷达抗击高速目标能力不足的问题，设计了一种高速目标告警装置，为火炮有效抗击高速目标提供技术保障。

1 原理方案

2 回波采集设计

2.1 采集方式

根据雷达探测目标机理，炮瞄雷达的探测距离与脉冲周期正相关，其脉冲周期在微秒级别;同时，为消除盲速影响，炮瞄雷达的脉冲周期不固定，脉冲间隔非均等,故回波采集不能采用通常的连续采集方式，必须按照脉冲序列进行分组采集，把脉冲发射时刻作为采集的起点，连续快速采集一定数量的信号。分组采集方式需要确定好触发信号、采集速率、采集数量等量:触发信号选择炮瞄雷达上的零位脉冲信号；采集速率由脉冲宽度确定，确保单个脉冲宽度至少被采集2次；采集数量由炮瞄雷达作用距离确定，确保能采集到最大探测距离下目标的回波。回波采集方式为

(1)

式中:k为单个脉冲宽度采集系数;fs为采样频率;τ为炮瞄雷达的脉冲宽度;Ns为一个脉冲周期内的采样数量;Dmax为炮瞄雷达的最大探测距离；C为光速。

2.2 采集算法

分组采集中，一个脉冲周期信号的采集有两种方式:一种是每采集完一个脉冲周期就即时送给目标识别模块;另一种是采集完Nf组脉冲周期后一起传输至目标识别模块。第1种方式的实时性好，可以不间断地采集回波，但对数据传输速率和处理速度有较高的要求，要求在脉冲周期内传输完毕，信号处理须在一个脉冲周期内完成。第2种方式的稳定性比较好，数据丢失风险低，对硬件性能要求不高。经计算，第2种方式的信号处理时间可放宽至Nf×650 μs，以傅里叶变换采样点数Nf取64为例，其延迟时间为0.04 s，3Ma的目标在此间隔内飞行约42 m，该方式能满足作战需要，故笔者采用第2种采集方式。

回波采集算法描述如下：接收到采集指令后，采集电路进入工作状态，启动端检测到负零位脉冲之后，以频率fs开始采集回波信号，采集Ns个采样点后停止采集，等待下一个零位脉冲，重复上述采集，当采集电路采集完Nf组数据后，启动中断，把Nf组数据上传至目标识别模块，采集算法如图2所示。

2.3 采集硬件设计

回波采集模块的硬件组成包括模数转换器、逻辑控制器和数据传输通道等单元。回波采集模块的硬件连接如图3所示。

模数转换器的性能直接影响到信号采集的质量，它包括前端信号预处理电路、A/D转换电路和电平转换电路。预处理电路主要由AD8001运放和低通滤波器组成，对回波信号进行滤波和限幅，使信号幅度被限制在0.6～2.6 V之间。A/D芯片选用TLC5540高速模数转换芯片，其采样频率可达40 MHz，工作电压为TTL电平。TLC5540以流水线的方式进行工作，在每一个CLK周期都启动一次采样。A/D转换电路采用芯片说明书上的典型电路方案[6-7]。电平转换电路将TTL电平转换为3.3 V，由74LVTH245芯片及其外围电路组成。

3 目标识别设计

3.1 目标识别方式

考虑到频域分析具有明确的含义，获取信号特征及其参数不受信号周期限制，信号特征明显且鲁棒性好等特点，目标识别在频域进行。利用频谱分析手段判断回波的脉冲包络是否具备高速目标信号特征，若具备则认为存在高速目标，并根据频率计算目标速度。傅里叶变换的采样点数一般取2的整数次幂，综合考虑效率和准确度，一般情况下选取24、25、26点的傅里叶变换。根据傅里叶变换结果，判断回波中是否包含高速目标的方法为

(2)

式中:X(k)为N点离散傅里叶变换值;kmax为傅里叶变换的最大值所对应的k值。

由于数据采集的分段性和盲目性，需要对Nf组数据重新组合。新数组从Nf组采集到的数据中依次捡取一个，被捡取的点距各次采集开始时间相同，新数组具有Nf个数据，如式(3)所示。第1行(x11、x12、…、x1Ns) 为第1次采集得到的数据，共Nf组。矩阵的列则构成新组合，即傅里叶变换的输入量，如第1列(x11、x21、…、xNf1)为傅里叶变换的第1组输入量，共Ns组。

(3)

傅里叶变换从第1组开始，直到检测到高速目标结束，无高速目标信号时需要进行Ns次傅里叶变换。发现高速目标后，需进一步计算出目标距离，目标距离D为

(4)

式中:n为检测到目标信号的数组序号;K为采集系数，默认值为2.5。

当在第n组数据中检测出高速目标后，需对其后的k-1组数据进行傅里叶变换以提高识别的准确率。

3.2 识别算法

(5)

(6)

(7)

3.3 识别软件开发

目标识别模块采用嵌入式平台实现，具备回波采集控制和信号处理功能。目标识别模块设计的重点是功能函数的开发，主要包括数据接收、波形绘制、频谱绘制、傅里叶变换、延迟和报警等功能函数，识别软件交互界面如图5所示。

按钮“打开设备”用于发送采集命令，设计了程控采样、触发采样和连续采样共3种采集方式。“程控采样”按钮用于启动指定点数的采样，采样的时间由采样频率和采样组数确定。“触发采样”按钮用于在TRIG信号的下降沿开始采样，采集到指定的点数后停止采样。“连续采样”按钮用于连续采集，边采集边读取数据，如果读取速度低于采集速度，会造成数据丢失。“刷新间隔”用于设定目标识别的重复周期，“采集速度”用于设定单个脉冲宽度被采集的次数，“采集组数”用于设定需要采集的脉冲组数。

4 测试结果分析

在炮瞄雷达1 km处利用某型雷达干扰器发射高速目标信号，告警装置参数设定如下：采样方式为程控采样，采集速度为2次/s，即采集系数K取2.5，采集组数为32。告警装置采集I波段接收机的视频信号，并对之进行分析处理。采集到的信号在时域表现为杂序无章，但经频域处理后，信号存在明显的尖峰，能分辨出明显的高速目标信号，识别软件交互界面的显示截屏如图6所示，超过了式(2)中设定的门限值，启动报警器。图中，波形图的纵坐标为500 mV/格，横坐标为50 s/格，频谱图的纵坐标为500 mV/格，横坐标为1 s/格。

经过多次实验，发现如下两点现象：采集系数K的取值越大，提供目标告警的可靠性越高；减少或增加采集数组值(Nf设置为16、64)，告警装置均能分辨出高速目标。测试结果表明文中的采集系数K和采集数组Nf的取值是合适的，能满足告警装置的告警需要。

5 结束语

提高炮瞄雷达对抗来袭高速目标能力的重要前提是尽早发现、尽早识别来袭目标，以便尽早采取有效的对抗措施。然而由于来袭目标体积小，反射截面积小，速度快，抗干扰能力强，使得炮瞄雷达要探测和识别该类目标变得十分困难，这给抗击高速目标行动带来很大不利。针对高速飞行阶段来袭目标的告警问题，笔者提出了雷达回波采集思路和基于傅里叶变换的目标检测方法，给出了回波采集算法和目标检测算法，设计并开发出信号采集硬件电路和目标识别软件。告警装置在具体的实验条件及明确的实验方法下进行了实验。从实验结果来看，该装置能检测出高速目标信号，并根据信号特征计算出目标距离和速度，提高了炮瞄雷达对抗高速目标的能力。通过技术改造途径提高炮瞄雷达识别高速目标的能力，将大大提高雷达的生存能力。下一步的研究工作是：优化交互界面，改进高速目标的判断算法，提高报警可靠性。