基于副通道强制赋零的空间主要目标捕获技术研究*

闫兴凤，吕久明，达通航，郑 晴

(中国酒泉卫星发射中心，甘肃 兰州 732750)

0 引言

目前，在空间运动目标捕获跟踪过程中，主要是通过在地面部署多个单脉冲雷达，组成雷达测量链，承担空间目标的位置和速度等运动参数的持续测量任务[1]。由雷达工作方式分析可知，空间运动目标捕获跟踪方式主要有：一类是应答跟踪，即在空间运动目标上安装应答机，作为雷达测量的合作测量目标，由地面单脉冲雷达发射上行脉冲信号，空间运动目标应答机收到应答信号后，定时延迟并转发该信号，地面雷达收到转发信号后通过时延处理计算，获得空间运动目标的运动参数信息，该方式具有作用距离远、测量精度高、可靠性高等突出特点[2]；另一类是反射跟踪，即对未安装应答机的空间运行目标非合作测量，地面单脉冲雷达发射电磁脉冲信号，并接收空间运动目标表面对该信号的反射回波信号，通过时延计算获得空间目标运动参数信息，与应答工作相比，该工作方式下雷达作用距离较短，精度较低，但更符合实际应用场景[3]。因此，在空间目标未安装应答机的情况下，单脉冲雷达需以反射方式来完成运动参数的测量任务。

现代测量雷达常采用先进的信号处理技术，如空时二维信号处理来抑制来自目标背景的回波，降低虚警率、提高发现概率，主要技术包括地杂波和噪声抑制、多基线的雷达同步、沿航迹干涉干涉处理、多基线雷达的阵列处理等空时自适应信号处理技术[4]。而在捕获跟踪空间目标过程中，常会出现目标分离现象，且空间主要目标信号弱于空间伴飞目标信号，造成强伴飞目标信号常会干扰空间主要目标捕获跟踪现象，本文分析雷达主副通道间目标固定映射关系，获取伴飞目标在副通道的精准位置，并对该位置区间进行强制赋零操作，抑制伴飞目标对雷达副通道形成的干扰，以提升单脉冲雷达的主要空间运动目标捕获跟踪能力，特别是在目标分离阶段对空间弱小目标的捕获效能。

1 空间目标捕获过程分析

因单脉冲测量雷达的多目标捕获跟踪能力有限[5]，在非合作工作方式下，当单脉冲雷达遇到多目标情况时，容易丢失对空间主要感兴趣目标的捕获跟踪，特别是在空间目标分离阶段，单脉冲雷达难以及时捕获空间主要目标，甚至出现跟踪伴飞目标而丢失主要目标跟踪的现象主要表现在以下两个方面：一是多目标捕获时间窗口短，传统的单脉冲精密测量雷达仅能跟踪3～5个目标，且这些目标必须处在同一波束内，而作为精密测量雷达，其天线波束一般较窄，而主要空间目标与其他空间伴飞目标速度一般差别明显，导致多目标在雷达波束内共同驻留时间普遍较短，操作手辨识、捕获空间主要目标的反应时间非常有限；二是单脉冲雷达的多目标识别及处理能力普遍较弱，基本依靠雷达操作手根据屏显信息进行实时判别和选择，所以在多目标捕获及跟踪方面效率普遍较低[6]。

1.1 空间主要目标捕获方式

在非合作工作方式下，单脉冲雷达在空间目标分离阶段的作业过程通常是：空间目标分离之前，雷达主通道保持对空间目标信号的稳定跟踪；分离开始后，依据信噪比优先原则，主通道在无外界干预的情况下会自动保持对主要目标信号的跟踪，在主要目标信号与伴飞目标信号不断拉开距离时，操作手要及时识别出主要目标信号；当分离距离达到雷达距离分辨力时，雷达操作手即刻使用副通道对空间主要目标进行手动捕获，完成跟踪后快速进行主副通道目标切换，实现单脉冲雷达对空间主要目标的捕获及跟踪[7]。

1.2 目标捕获过程分析

受雷达工作体制所限，难以改变时间窗口，但雷达后端多目标处理能力弱的问题可以通过在信号处理环节增加适当的多目标处理方法加以改善[8]，而研究采用单脉冲雷达副通道精准区间强制赋零方法，可以改进单脉冲雷达通道多目标工作方式，提升多目标捕获跟踪能力，有效提高空间目标分离过程单脉冲雷达捕获跟踪主要空间目标的效率。

假设某雷达共有一主三副4个测量通道，能够同时跟踪和测量同波束内多个目标，其4个通道设计的工作方式如表1所示。

表1 雷达各通道设计工作方式

雷达对目标信息的提取和处理主要是在信号处理分系统完成[9]，多目标工作原理如图1所示。信号处理分系统各通道采用串行工作方式，其工作过程是：首先确定主目标，并使用主通道搜索波门进行搜索跟踪，当主通道完成目标跟踪后，使能副1通道搜索波门，在副1通道完成目标跟踪后，使能副2通道搜索波门，以此类推。但前级通道在完成目标跟踪后，并未对已跟踪目标进行屏蔽，使得已完成跟踪目标数据继续向下一级传递，而该雷达设计规则又允许不同通道能够以相同方式跟踪同一目标，因此雷达捕获跟踪多目标工作情况下，副通道经常在前级通道已跟踪目标的情况下反复捕获已跟踪目标的现象。

图1 雷达信号处理分系统工作原理

假设在空间目标分离阶段，雷达主波束内出现了三个目标，则各通道信号处理单元的输入信号数据为图2所示(其中目标0为主要伴飞目标，目标1为主要目标信号，目标2为其它伴飞物)，主通道会自动捕获主要伴飞目标，并且一般会稳定持续跟踪，但在副1通道捕获空间主要目标时就会不可避免地出现主要伴飞目标重复捕获及跟踪的问题。其原因主要有：一是主要伴飞目标尺寸远大于空间主要目标，因此主要伴飞回波信号比空间主要目标回波信号一般至少强几十分贝；二是空间主要目标与主要伴飞目标在波束内共同驻留时间极其有限，所以一般情况下，只要两者距离达到雷达距离分辨力，操作手即开始手动捕获空间主要目标，此时操作时间相对充足，但错误跟踪空间主要目标的风险相对较高，如图3(图中δ为雷达最小分辨距离)所示；三是受空间各种目标姿态变化、大气传播路径变化、无线电信号多径干扰等因素影响，雷达屏显图像中目标回波信号起伏闪烁较为严重，导致雷达操作手在手摇波门过程中无法有效避开主要伴飞目标的强干扰。

图2 雷达各通道输入数据示意图

图3 副通道搜索波门内目标示意图

在副通道错跟主要伴飞目标后，需要立即对错跟目标进行手动清除，再重新对空间主要目标进行手动捕获，由于所有动作都是雷达操作手通过手动摇杆+按键方式完成，所以在空间目标分离阶段，副通道通常会多次重复锁定主要伴飞目标并被手动清除，导致单脉冲雷达捕获空间主要目标效率很低，常会出现丢失空间主要目标现象。同理，当主通道、副1通道完成目标捕获跟踪后，副2及其随后通道在目标捕获时亦存在同样问题，大幅削弱了单脉冲雷达的多目标捕获跟踪能力。

2 基于副通道精准区间强制赋零的目标捕获实现方法

该方法在单脉冲雷达副通道原信号处理单元之前增加一个预处理单元[10]，如图4所示，在本通道信号数据处理时对雷达前级各通道已跟踪目标进行精准定位并强制赋零，以消除其对本通道搜索波门捕获目标时造成的干扰。

图4 副通道预处理单元设计原理图

在雷达信号处理系统采用DSP编程技术[11]，实现基于副通道精准区间强制赋零，副通道预处理单元程序流程图，如图5所示。

具体实现步骤如下：

第1步：对本通道待处理数据序列中前级通道已完成跟踪目标进行精准定位[12]。单脉冲雷达在多目标工作情况下，同一目标在不同通道间具有固定的位置映射关系，根据这一关系进行相关计算，可以得到雷达已跟踪目标在本通道的精确位置。在空间目标分离阶段，雷达主通道、副1通道和副2通道同时工作时，信号处理分系统输入的目标信号数据流按顺序打包传送(见图6)，其中主通道数据共1285点，副通道数据分别为805点。当主通道完成对主要伴飞目标的自动跟踪后，目标0将自动被置于主通道中心位置，其第640～646共七个点的数据为主要伴飞目标数据，通过映射关系可知，副通道数据序列中第400～406点的数据为主要伴飞目标。

图5 副通道预处理单元程序流程图

图6 雷达各通道目标数据传输顺序

第2步：对副通道待处理数据序列中主要伴飞目标进行强制赋零操作。主要伴飞目标数据宽度取为本通道数据中心位置点再加左右各三个点的区间，距离维上能覆盖主要伴飞目标中心点左右数十米，通过程序操作对该区间内数据全部赋零，如图7所示。由图7可知，经过副1通道预处理单元后，数据中的目标0信号被强制赋零，彻底屏蔽了主要伴飞强信号对副1通道搜索波门捕获空间主要目标(目标1)时的干扰。同理，在副2通道进行目标捕获时，其预处理单元对目标0和目标1同时进行了赋零操作。

图7 预处理单元赋零操作示意图

第3步：对赋零区间进行噪声回填处理。赋零操作在屏蔽特定目标的同时，将该区间内噪声彻底消除，而在预处理单元之后，信号处理系统进行以信噪比为判别依据的目标检测，赋零区间很可能导致信噪比异常情况出现，因此为保证后续单元正常工作，预处理单元在赋零操作完成后对赋零区间进行噪声回填处理，具体实现方法为：读取本通道雷达工作方式，查找并获取该方式对应的噪声统计电平值，将该值填充至赋零区间，如图8所示。

图8 赋零区间噪声回填处理示意图

综上可知，在空间目标分离阶段，预处理单元有效剔除了雷达副通道重复出现的主要伴飞目标的回波信号，彻底抑制了其在空间主要目标捕获过程中造成的强伴随干扰，使雷达副通道搜索波门能够高效工作，提高了单脉冲雷达在复杂场景下的多目标捕获跟踪能力和效率。

3 结束语

本文提出在空间目标分离阶段，采用副通道精准区间强制赋零方法，解决了单脉冲雷达在空间目标分离阶段时出现的副通道主要伴飞目标干扰问题，减少了单脉冲雷达操作手在捕获空间主要目标过程中的复杂度和工作量，在有限的主要目标捕获窗口内为操作手保证了更多的有效时间，提高了单脉冲雷达在空间目标分离阶段对空间主要目标的捕获效能。而且，在雷达工作于多目标捕获跟踪场景时，尤其是在空间目标分离为多目标群内捕获相对感兴趣的弱小目标时，该方法适用性较好、效果明显。