末制导雷达目标角闪烁抑制技术研究综述

2019-04-11王瑞奇王伊婧心

兵器装备工程学报 2019年3期

王瑞奇，逯程，刘宇，王伊婧心

(1.海军航空大学岸防兵学院, 山东烟台 264001； 2.中国人民解放军91206部队，山东青岛 266041；3.海军航空大学航空基础学院，山东烟台 264001)

20世纪70年代以来，美国逐步形成了所谓“精确制导武器革命”的防务模式，并在30多年的时间里维持了美国的军事技术和战略领导地位。进入21世纪，精确制导武器的大规模应用已改变了传统的战争格局，利比亚内战、乌克兰冲突等局部战争又再次让世人领略了其对战场的精确打击能力。2014年9月，美国防部部长哈格尔表示，美国国防部正在制定美军史上“第三个改变游戏规则的对消战略”。对消战略不是军事战略，而是一种国防发展战略，其目的在于保持美军的决定性技术优势，而作为美军核心军事优势之一的精确制导武器无疑会在未来得到更进一步的发展。

精确制导技术是精确制导武器的关键技术，它能够控制导弹的飞行并引导其命中目标，在这个过程中要利用到自身探测获取或外部数据链输入的各种信息，不断对目标进行识别与跟踪[1]。目前，精确制导技术已广泛应用于空空、空地、舰空导弹等武器系统中，由于其具有很远的作用距离与很强的全天候作战能力，因此成为欧美各国和一些发展中国家当前重点发展的军事技术之一。

寻的末制导雷达是精确制导技术的最后环节，也是核心环节，末制导雷达常常工作在厘米波和毫米波波段，这正处于目标的光学区波段。像舰船、飞机等一些复杂的军事目标，它们受到雷达波束照射后会表现出局部散射特性，因此，目标往往被看成由多散射中心组成的扩展目标，影响导弹末制导阶段角跟踪精度的一个主要因素就是目标的角闪烁(Angular glint)现象。

当导弹与目标处于高速相对运动的状态时，随着二者距离的不断减小，由角闪烁引入的导引头角度测量误差会越来越大，甚至会引起导弹脱靶，严重影响制导精度。因此，抑制角闪烁现象成为亟需解决的一个关键问题。

1 毫米波雷达特性分析

近年来，随着现代电子技术及精确制导技术的发展,毫米波技术成了国际上的研究热点。从国外精确制导技术在毫米波领域迅速发展的过程中可以看出,研制质量轻、体积小的毫米波导引头是精确制导的关键。毫米波雷达制导兼有微波制导和红外制导的优点，在大气层内，毫米波四个主要传输窗口(35、94、140和220 GHz),虽较微波对云、雨引起的衰减要大一些，但毫米波系统体积小、重量轻、易于高度集成化和系统化，而且频带宽、分辨率高、敌方难于截获、抗干扰性能强；与红外制导相比则分辨率差一些，但通过烟、雾、灰、尘的能力强，具有较好的全天候战斗能力。因此，毫米波制导系统已成为精确制导(特别是寻的制导系统)的主要发展方向之一。

但是由于大气的吸收和衰减，即使在气候条件较好时，毫米波雷达导引头的作用距离也只有10～20 km。当有云、雾和雨时，作用距离还将减小，而且大气损耗随频率增高而增大。这样出现的一个问题就是主动式毫米波导引头在距离目标较近时受目标角闪烁噪声影响较大，特别是使用窄波束(采用毫米波段)并要攻击大目标(如舰船等)时，角闪烁随着距离的减小而逐渐增大，引起雷达瞄准点漂移，严重影响测角精度，甚至使雷达不能精确制导。

角闪烁是指复杂目标的多反射体散射的合成，使得目标视在散射中心产生跳动。在末制导雷达发射的电磁波照射下，目标表现出局部散射特性，一般都视为扩展目标，可以模型化为多个散射中心的组合体。目标角闪烁在本质上属于目标的特征信号,是跟踪制导雷达本身所无法克服的。在有关扩展目标的雷达制导信息处理技术中，角闪烁是必须要面对的一个问题。

毫米波雷达相对于微波雷达而言，更容易实现宽带调制，采用毫米波宽带成像技术兼有探测精度高和全天候工作的能力。利用宽带成像技术可以获得目标的高分辨一维距离像(HRRP)，此目标回波不再是点目标，而是在径向距离上的几个散射中心组成，且这些散射中心代表了目标的物理特征，通过这些散射点可以获取目标的精细结构信息，进行目标识别与攻击点的选取，提高测角精度，从而实现精确制导。

2 角闪烁形成机理

雷达目标角闪烁是指：由于雷达扩展目标中各散射单元间的相互影响，从而引起的在目标角度测量和角度跟踪上的固有误差源。由目标角闪烁现象引起的测角和角跟踪误差被称之为角闪烁误差。角闪烁误差属于目标噪声，是雷达目标的一种特征信号，并不是雷达测角和跟踪系统产生的。角闪烁误差通常用角闪烁线偏差量来表征，这种线偏差与观察他的雷达远近无关，是目标的特征量。

目标角闪烁的概念与雷达扩展目标的概念是紧密联系的。从目标特性研究的观点来看，凡是尺度能和波长相比拟，具有两个或两个以上散射中心的任何体目标，都会产生角闪烁线偏差，这类体目标都可称为扩展目标。而在实际应用中，在远距离情况下，由目标角闪烁线偏差引起的角度误差非常小，几乎不影响角度跟踪，目标一般作为点目标来考虑。在近距离内，当目标角闪烁线偏差引起的角度误差对雷达角度跟踪产生显著影响时，该目标就被认为是扩展目标。扩展目标一定存在多个散射中心，如图1所示。

图1 视线坐标系中目标多散射中心模型

针对目标角闪烁特性对末制导精度的影响，相关学者已开展许多卓有成效的仿真研究。袁俊超等[2-4]提出了一种基于模块化思想计算地空导弹末制导角闪烁实时仿真的方法,建立了弹目交会模型,通过矩阵变换计算出弹目相对位置与雷达视线角的关系,对目标角闪烁进行了实时仿真。随后又借助商业电磁仿真软件FEKO获取目标动态散射特性,通过仿真获得目标俯冲机动条件下及隐身飞机目标的角闪烁对制导精度的影响。刘赵云[5]根据电磁场理论推导出了舰船的雷达散射截面，给出了一种针对反舰导弹的目标角闪烁特性计算方法。

3 角闪烁抑制方法

国外关于角闪烁问题的研究起步较早，早在20世纪50年代末，角闪烁的波前畸变概念[6]就被D.D.Howard和美国海军实验室(NRL)首先提出了。随后在60年代末，Howard的概念得到了Lindsay的扩展[7]，他首次给出了角闪烁的定量计算方法—相位梯度法。同年，D.D.Howard又与J.H.Dunn共同提出了角闪烁的能流倾斜概念，在设定的N个电偶极子满足共线非均匀分布的条件下，他们通过对该目标模型进行分析后得到了这一重要理论[8]。随后，这两种观点便成为角闪烁产生机理的基本观点。国内对角闪烁研究的起步较晚，1995年，殷红成和黄培康[9]证明了两种概念的统一性，这需要在近似几何光学条件下，媒质满足各向同性的要求。

通过对角闪烁特性的分析，国内外主要从三个角度对角闪烁的抑制技术进行研究。通过雷达分集技术对角闪烁进行抑制是第一类，也是研究最为成熟的一类；第二类是改变雷达体制，在高分辨力体制雷达上对角闪烁进行抑制；第三类是不对雷达体制进行改进，用现代信号处理技术抑制角闪烁。

3.1 频率分集技术

频率捷变技术可以有效地去除相邻回波脉冲间的相关性，即人为地改变目标不同部位回波的相对相位关系，再经过加权处理，使散射点的角闪烁现象得到了有效抑制。由于目标的RCS与雷达工作的载频密切相关，因此可以采用频率捷变技术使相邻发射脉冲的雷达载频改变了一个足够大的量，有效地去除了相邻回波脉冲间的相关性，对角闪烁现象有很好的抑制作用，再对捷变频率下的样本进行幅度加权处理，抑制角闪烁的效果会更好。

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，假如我们人为地改变相位，得到完全不相关的N个样本，然后对这些样本进行算术平均，可以求出角闪烁方差比单个样本方差降低了N倍。基于这种思想，对于单脉冲雷达和差测角可以采用频率捷变技术来抑制角闪烁。

常见的雷达分集技术有频率分集、空间分集和极化分集。频率分集技术对角闪烁的抑制研究起步最早，Loomis和Graf[10]为了去除或减弱雷达角闪烁数据的相关性，提出了增加电磁波信号频率间隔的方法。随后，国外的学者针对频率捷变抑制角闪烁的方法又做了很多相关研究[11-13]。孙文峰[14]等用一种飞机目标的确定性模型所做的频率分集实验，证明了其对角闪烁具有较好的抑制效果。乔晓林[15]等利用角闪烁与雷达散射截面积(RCS)的负相关性，通过频率捷变与RCS加权结合的方法对角闪烁现象进行了抑制。Sim和Graf[16]的研究首次证实在空间分集情况下，即使间距很小，角闪烁误差依然能够得到有效减小。房志斌[17]等用多天线获得目标回波的多样本，再采用与RCS加权方法，有效地降低了角闪烁线偏差。极化分集是通过改变天线的极化方式而达到降低角闪烁相关性的目的，原理是由于目标对发射信号方式的敏感性不同。关于极化分集，国内外的相关研究公开资料较少，Dinger[18]利用极化分集对一个两点目标的角闪烁现象进行了抑制实验。王涛[19]等以两半波阵子为目标模型，提出了一种全极化雷达的角闪烁抑制方法。逯程[20]在现有频率捷变与RCS幅度加权抑制角闪烁方法的基础上,提出了一种基于秩检测器预处理的方法,当雷达接收回波信号后,根据检测器输出值的大小去除有可能产生大角闪烁分量的回波脉冲,使其不参与加权测角。仿真实验表明,该方法对角闪烁现象有较好的抑制作用。薛安翔[21]在此基础上分析了基于导引头系统设计的分集技术和基于后处理技术的角闪烁加权抑制算法之间的优缺点。根据导引头应用背景设计运动平台试验对各种加权算法进行了对比，并针对实际情况，在加权算法的基础上加入了奇异值的剔除处理。

3.2 高分辨技术

高分辨力雷达可以将目标上多个散射中心分开，这类方法从角闪烁产生机理出发，逐渐成为角闪烁抑制的一种主要途径，常用的方法有基于距离高分辨[22-25]和频域高分辨[26-29]的技术等。在高距离分辨体制下，对于同一目标，在不同的距离单元中，散射点的分布情况各不相同。对于振幅和差式测角来说，只有在距离单元中存在一个散射点时，不会发生角闪烁，或角闪烁较小。因此有必要对散射点在距离单元中的分布及其对测角的影响进行分析。S.W.Leung和K.H.Yeung[30]提出了利用高分辨间隔像分离目标几何中心的方法，并以此为基础，提出了利用间隔像分离散射中心来抑制角闪烁的方法。

近几年，精确制导技术在毫米波领域得到了迅猛地发展，关于高分辨体制下的角闪烁抑制技术，国内的学者做了大量卓有成效的研究。赵宏钟和何松华[31]为了提高宽带毫米波雷达的角跟踪精度，提出了一种角闪烁抑制技术的通用思路，即基于高分辨距离像的单脉冲测角算法。它通过对三个通道的回波信号进行一维距离像成像，在目标各距离单元内进行比幅测角，得到方位或俯仰方位上的角度值，然后用加权平滑的方法得到目标的空间角度。逯程[32]提出了一种结合一维距离像信息的高分辨测角新方法，该方法更充分地利用了一维距离像的距离和幅度信息，仿真实验表明该方法对目标的角闪烁具有明显的抑制作用。王克让[33]等在连续波体制的毫米波雷达中，利用目标的微多普勒特征分离信号，然后再对微动散射点和非微动散射点进行融合测角，取得了较好的角闪烁抑制效果。夏桂芬[34]等提出基于频域高分辨像的单脉冲测角算法，该算法通过对和差通道的回波信号分别进行一维频域成像，然后在频域做比幅测角，获得了频域单元的角度值，最后加权滤波处理得到了目标的空间角度，从而有效抑制了毫米波末制导雷达角跟踪中的角闪烁现象。苏宏艳[35]还开展了毫米波单脉冲雷达角闪烁试验，室内试验结果证明由于目标多散射中心相互干涉而引起的角闪烁现象完全可以通过高分辨技术而得到有效抑制。郭琨毅[36]研究发现高分辨成像对角闪烁的抑制效果与散射中心类型以及其方位特性相关，并从理论上分析了局部型、分布型、滑动型等不同的散射中心类型对角跟踪产生的影响，然后通过全波法电磁计算结果验证理论分析结论。

3.3 信号处理技术

基于经典信号处理技术的角闪烁抑制技术的研究需要分析角闪烁的统计模型。Delano[37]以多点辐射源为模型得出了角闪烁服从两个自由度的学生氏t分布。Masreliez和Martin[38]利用两个高斯分布来描述角闪烁噪声的统计特性，闪烁分量的大小由其方差决定，这就是经典的高斯混合模型。在学术界，角闪烁噪声呈现出长拖尾、非高斯的特性已经得到公认[39]，而卡尔曼滤波器这类线性滤波器在处理角闪烁这种非线性噪声时效果并不理想，因此利用现代信号处理技术抑制角闪烁的方法又有两种途径。

一类是在滤波之前通过预处理使角噪声白化。Hewer等[40]提出在卡尔曼滤波前使用一种鲁棒性的预处理器，其核心思想是稳健性M估计器(M-ESTIMATES)。同时，针对大角闪烁分量(spike)的问题，他们还提出了一种先剔除再处理的方法，解决这一问题的关键就是smoother-cleaner滤波器。Chang和Wu[41]用一种以目标速度作为反馈量的反馈中值滤波预处理的方法提高了算法的实时性，解决了直接中值滤波可能产生的方差发散现象。王微[42]提出了一种用期望最大化(EM)算法抑制角闪烁的预处理方法，EM算法是一种基于数据添加思想的迭代算法，可以简化对位置变量s的最大似然预估计算，从而有效克服角闪烁噪声对目标实际位置值所造成的干扰。

另一类为改进的卡尔曼滤波方法或其他滤波方法。Greene和Stensby[43]以一个时变的非线性函数来定义状态转移矩阵，用扩展卡尔曼滤波(EKF)的方法对角闪烁进行抑制。Masreliez[44]提出在卡尔曼滤波算法中，应用非线性核函数的方法来进行目标位置和速度的状态估计。但由于其需要大量的卷积运算而实用性并不显著。Wu[45]对Masreliez的方法进行了改进，简化了非线性函数估计的运算量，正态扩展了量测预测量的分布，但这也仅仅是非高斯、长拖尾噪声环境中的一种次优方法。BILIK和TABRIKIAN[46]提出了一种基于最小均方误差准则的非线性混合卡尔曼滤波(NL-GMKF)方法，该方法在机动目标跟踪和角闪烁测量中都表现出了良好的工作性能。Daeipour和Bar-Shalom[47]提出利用多模型交互(IMM)算法，使两个扩展卡尔曼滤波器同时在角闪烁背景下进行信号处理。为提高运算速度，Song和Lee[48]基于混合角闪烁模型提出了一种可以并行处理的IMM方法。国内方面，徐长爱[49]等人改进了IMM算法，用转换卡尔曼滤波代替了扩展卡尔曼滤波。近年来随着粒子滤波技术的兴起与发展，李保国[50]提出了角闪烁背景下基于粒子滤波器的目标跟踪技术，体现了粒子滤波器这种非线性滤波器在处理非线性非高斯噪声中的独特优势。逯程[51]等针对粒子滤波在角闪烁背景下目标跟踪过程中精度不足的问题,提出了一种改进的扩展卡尔曼粒子滤波(EKPF)算法,并将其应用在角闪烁噪声背景下的目标跟踪问题中。许红[52]给出角闪烁下基于变分贝叶斯参数学习的跟踪滤波理论框架。其次,提出一种联合估计运动状态和闪烁噪声分布的变分贝叶斯-交互式多模型(VB-IMM)算法,该算法通过设计多个并行的跟踪模型处理角闪烁的跟踪问题,同时利用变分贝叶斯方法实现闪烁噪声分布参数的在线学习,并反馈给跟踪模型,实时调整跟踪模型参数。最后,设计了仿真实验对算法在闪烁噪声分布未知和非平稳条件下的跟踪性能进行了验证。