盧長海， 陳鳳友， 李鵬

解放軍91550部隊 92分隊，遼寧 大連 116023

　　摘要：海雜波抑制和低仰角跟蹤是雷達(dá)系統(tǒng)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題,需要對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行針對性設(shè)計。某跟蹤測量雷達(dá)通過綜合運(yùn)用時間靈敏度控制、動目標(biāo)顯示與檢測、雙門限檢測等海雜波抑制手段和自適應(yīng)偏軸跟蹤、頻率分集、雷遙協(xié)同等低仰角跟蹤技術(shù)，在對掠海目標(biāo)跟蹤過程中取得了理想的跟蹤效果，測量精度達(dá)到了設(shè)計要求。

　　關(guān)鍵詞：海雜波；恒虛警率；偏軸跟蹤；頻率分集

0引言

　　雷達(dá)回波信號主要由目標(biāo)信號、噪聲信號、固定地物雜波信號以及海雜波信號等組成，其中固定地物雜波信號具有多普勒頻移為零的典型特性，根據(jù)這一特性可以采用雜波對消措施，有效將雜波濾除；而海雜波是運(yùn)動的，本身也會產(chǎn)生多普勒頻移，具有很強(qiáng)的時、空相關(guān)性，對其特性的研究和抑制是雷達(dá)探測的難點(diǎn)。目前主要采用相干積累、大動態(tài)接收機(jī)和設(shè)計適當(dāng)?shù)臑V波器來抑制雜波和噪聲干擾、保留有用的目標(biāo)信息［1］。雷達(dá)低仰角跟蹤時視軸俯仰角很小甚至達(dá)到負(fù)角度，主波束直接掃過海面，多路徑反射信號嚴(yán)重干擾了雷達(dá)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤和精確測量。

1海雜波的抑制方法分析

　　全相參脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中，A顯示器顯示相位檢波輸出的回波信號波形，能提供目標(biāo)距離和信號強(qiáng)度信息。固定雜波的多普勒頻率在零頻率附近，所以雷達(dá)連續(xù)多次探測全相參檢波器輸出的固定雜波回波信號變化很慢，多次掃描基本上是重復(fù)的。而動目標(biāo)回波信號具有多普勒頻率，對應(yīng)于雷達(dá)的連續(xù)多次探測，其回波信號受多普勒頻率調(diào)制是變化的，在顯示器上呈現(xiàn)“蝴蝶形”。因此利用這一特性進(jìn)行雜波抑制，通常采用動目標(biāo)顯示( MTI) 、動目標(biāo)檢測( MTD)的方法；恒虛警率（Constant FalseAlarm Rate, CFAR）處理技術(shù)是在雷達(dá)自動檢測系統(tǒng)中給檢測策略提供檢測閾值并且使雜波和干擾對系統(tǒng)的虛警概率影響最小化的信號處理算法［2］。標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)門限檢測假設(shè)干擾電平是已知常數(shù)，但海雜波的多變特性會造成虛警概率急劇增加，因此強(qiáng)海雜波干擾中提取信號, 不僅要求有一定的信噪比, 而且要求檢測器具有恒虛警性能。

　　1.1MTI/MTD抑制分析

　　MTI的原理是利用動目標(biāo)和無源雜波（固定雜波和慢動雜波）信號的多普勒頻移不同，設(shè)置相應(yīng)的雜波對消濾波器來抑制海雜波。MTD 是為了彌補(bǔ)MTI的缺陷, 并根據(jù)最佳濾波器理論發(fā)展起來的一種雷達(dá)信號處理技術(shù)。因此需要在MTI后串接一組相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組, 覆蓋整個重復(fù)頻率的范圍, 以達(dá)到動目標(biāo)檢測的目的。其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于對不同通道進(jìn)行相參積累處理。

　　MTI/MTD的功能框圖如圖1所示,信號處理系統(tǒng)采用三脈沖對消后接多個脈沖FFT多普勒濾波器組，該濾波器組采用頻率域加權(quán)來降低濾波器的副瓣電平，同時為了能夠檢測切向飛行的目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)徑向速度低于設(shè)定門限時，不進(jìn)行三脈沖對消，通過零速濾波器進(jìn)行處理。

　　改善因子是衡量MTI雜波抑制能力的重要指標(biāo)，它與權(quán)系數(shù)、雜波譜寬和所處理的脈沖數(shù)有關(guān),三脈沖對消改善因子可近似表示為［3］：

　　式中，σv為雜波標(biāo)準(zhǔn)偏差，地雜波取0.32 m/s，海雜波取0.7 m/s；σc為雜波功率譜的均方根頻譜寬度，fr為雷達(dá)重復(fù)頻率，λ為雷達(dá)波長。盲速問題是MTI應(yīng)用的最大問題，目前主要采用 PRF 參差辦法來解決，但參差會對改善因子產(chǎn)生限制。改善因子還受其他分系統(tǒng)不穩(wěn)定因素的限制，主要表現(xiàn)在穩(wěn)定本振和相參振蕩器的頻率變化、發(fā)射機(jī)脈沖之間的頻率變化、發(fā)射機(jī)脈沖之間的相位變化及相參振蕩器鎖相不穩(wěn)、定時脈沖的時間及幅度抖動和A/D 變換器的采樣脈沖抖動等［4］,所以實(shí)際的信雜比改善達(dá)不到理論的改善效果。若雷達(dá)重復(fù)頻率取1 000 Hz，海雜波功率譜的均方根頻譜寬度等于26.1，海雜波譜寬度與雷達(dá)重復(fù)頻率之比等于0.026。在海雜波譜寬度與雷達(dá)重復(fù)頻率的比值不大于0.026的條件下，三脈沖對消后接8脈沖多普勒濾波器組的各個濾波器（除1號濾波器，用于檢測切向目標(biāo)）的改善因子和平均改善因子不低于40 dB。

　　1.2雙門限檢測技術(shù)

　　第一檢測門限為CFAR門限，第二檢測門限采用二進(jìn)制積累N/M檢測門限。CFAR 處理是一種提供檢測閾值的數(shù)字信號處理算法，是在實(shí)際干擾環(huán)境下提供可預(yù)知的檢測和虛警的一組技術(shù)，又稱為“自適應(yīng)門限檢測”［5］。其對海雜波抑制具有一定的效果。單元平均CFAR（CA-CFAR）適用于空間上統(tǒng)計平穩(wěn)的背景，檢測單元達(dá)到一定量時，CFAR處理器性能接近最優(yōu)恒虛警。但在海雜波環(huán)境下，明顯不滿足應(yīng)用條件，而且邊緣效應(yīng)比較嚴(yán)重，最后除法運(yùn)算計算量較大［6］。

　　對于測量雷達(dá)所使用場景，由于海雜波的嚴(yán)重不均勻性，也不太關(guān)注可能出現(xiàn)的緊鄰目標(biāo)，相對于目標(biāo)遮蔽效應(yīng)，更加關(guān)注海雜波邊緣的虛警。因此采用改進(jìn)的單元平均CFAR，使用單元平均選大CFAR（GOCFAR），如圖2所示。分別對前后參考窗內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，門限由兩個估計量中較大值決定。 GOCFAR在雜波邊緣處能成功規(guī)避虛警，與傳統(tǒng)CACFAR相比，會產(chǎn)生一個附加的恒虛警處理損失。

　　快門限CFAR主要作用于雜波區(qū)，用于抑制剩余雜波的影響，第二檢測門限采用N/M的判斷準(zhǔn)則，即M個待檢測單元有N個超過門限就滿足檢測條件。

　　注：N為形成左右門限的積累數(shù)；M為保護(hù)單元點(diǎn)數(shù)，

　　由脈寬和采樣率決定；Factor為門限乘子?！?/p>

　　1.3動態(tài)靈敏度時間控制（STC）和應(yīng)答工作模式

　　為了避免在強(qiáng)海雜波下接收機(jī)出現(xiàn)飽和，采用時間靈敏度控制（STC），減小近程海雜波的絕對強(qiáng)度，使近程海雜波達(dá)到噪聲電平。但由于實(shí)際環(huán)境海雜波強(qiáng)度無法預(yù)計，造成STC靜態(tài)設(shè)置不能準(zhǔn)確抑制海雜波。設(shè)置衰減過小，易引起接收機(jī)飽和，使雜波頻譜展寬，造成雷達(dá)性能下降；若設(shè)置衰減過大，則易引起接收信號偏弱，影響雷達(dá)對小目標(biāo)的探測。因此需要根據(jù)雷達(dá)所處環(huán)境，計算出不同方位、俯仰、距離動態(tài)STC值，解決靜態(tài)STC設(shè)置問題。

　　雷達(dá)最大輸入動態(tài)范圍計算方法［7］：

　　式中，Rmax、Rmin為最大、最小作用距離;σt為目標(biāo)RCS;σc為雜波面積；S/N為單一脈沖檢測信噪比;σ0為海雜波后向散射系數(shù);λ為雷達(dá)波長；τ為脈沖寬度；θ0為方位波束寬度;ξ為最大方位掃描角;LBS為波束形狀損失。

　　設(shè)在距離R處輸入動態(tài)范圍為Din，輸出動態(tài)范圍為Dout，則距離R處的STC 值DRSTC=Din-Dout。

　　對于具有應(yīng)答模式的合作目標(biāo)，應(yīng)答工作時，在保持應(yīng)答機(jī)觸發(fā)條件下，應(yīng)盡可能大地使發(fā)射機(jī)輸出功率衰減，以減少海雜波回波強(qiáng)度。由于應(yīng)答機(jī)輸出功率恒定，此方法將有效提高信雜比，有利于改善低空跟蹤質(zhì)量，利用應(yīng)答機(jī)信號與海雜波信號的幅度差異消除海雜波的影響。

2低仰角跟蹤技術(shù)

　　單脈沖雷達(dá)在低仰角跟蹤狀態(tài)，由于多徑效應(yīng)的存在，雷達(dá)和差通道信號由目標(biāo)和鏡像信號組成，誤差電壓表示為：

　　式中,∑、Δ分別表示和、差信號；f∑、fΔ 表示和、差方向圖；θb為雷達(dá)波束指向；θt為目標(biāo)仰角；ρ為反射系數(shù)；ψ為擦地角；D為擴(kuò)散因子；δ為直射波與反射波路程差；Φ為反射系數(shù)的相角。

　　單脈沖雷達(dá)在跟蹤低空目標(biāo)時，由于鏡像目標(biāo)存在，發(fā)射路徑與接收路徑不一致，兩個波在雷達(dá)進(jìn)行疊加，會產(chǎn)生相位差，該相位差將會影響雷達(dá)對目標(biāo)的跟蹤，使得雷達(dá)測角精度降低。

　　2.1偏軸跟蹤技術(shù)

　　偏軸跟蹤技術(shù)是一種用來擴(kuò)展主瓣反射區(qū)（目標(biāo)范圍為0.3θb<θt<1.5θb）穩(wěn)定數(shù)據(jù)的有效方法。當(dāng)雷達(dá)探測低空目標(biāo)時，為防止主波束觸海面而引入大量干擾，不再用波束中心去跟蹤目標(biāo)，而是用偏軸指向某一角度，目的是使直射波由雷達(dá)主波瓣進(jìn)入接收機(jī)信號放大，反射波由副瓣進(jìn)入接收機(jī)信號衰減，達(dá)到克服多路徑效應(yīng)的目的。

　　由于偏軸跟蹤避開了和通道中可能出現(xiàn)的鏡面反射導(dǎo)致的強(qiáng)衰減(deep fades),漫反射分量可以認(rèn)為是對差通道噪聲分量的貢獻(xiàn)。偏軸單脈沖技術(shù)不能有效地應(yīng)用于θt在0.15θb以下的情況，盡管此時仍能給出目標(biāo)角度，但其3σE(均方根)誤差會超出目標(biāo)的俯仰角。圖3給出了不同反射面下采用偏軸單脈沖測量技術(shù)的俯仰角歸一化誤差［8］。

　　因偏軸跟蹤固定值具有一定限制，如果低空目標(biāo)仰角變化范圍比較大，固定波束俯仰方向，可能使直射波脫離主瓣，使目標(biāo)穿出波束，導(dǎo)致丟失目標(biāo)。為了克服上述問題以及偏軸技術(shù)在水平反射區(qū)測角誤差大的不足，可增加自適應(yīng)偏軸功能以及將偏軸跟蹤與C2算法相結(jié)合以保證跟蹤穩(wěn)定性。

　?。?）自適應(yīng)偏軸控制

　　采用自適應(yīng)偏軸控制，通過不斷地改變偏軸角以保證目標(biāo)的直射波在主瓣內(nèi)，鏡像的反射波在主瓣之外。進(jìn)行自適應(yīng)偏軸處理時，俯仰偏軸角度需根據(jù)俯仰角度開環(huán)預(yù)測值分檔控制，控制可采用如表1所示的準(zhǔn)則，當(dāng)俯仰開環(huán)預(yù)測值大于1.5°（波束寬度為1°）時取消偏軸跟蹤狀態(tài)，恢復(fù)正常跟蹤。

　　C2算法是將低仰角目標(biāo)及其鏡像分別當(dāng)作兩個很接近的獨(dú)立目標(biāo)，用復(fù)數(shù)分別表示和、差通道的數(shù)據(jù)，利用一串脈沖的測量結(jié)果估計出目標(biāo)和鏡像組合的幾何中心位置以及角度分布范圍的數(shù)值，從而推算出目標(biāo)的角坐標(biāo)。具體算法略，見文獻(xiàn)［9］。

　　由于C2算法是多目標(biāo)角度分辨算法，將海面反射看作是來源于鏡像目標(biāo)的回波，并將多目標(biāo)重心位置看作幾何中心位置來推算目標(biāo)仰角，因此可以將偏軸角確定為更低的臨界角度，甚至是負(fù)角度。

　　2.2頻率分集

　　當(dāng)雷達(dá)接近目標(biāo)時，目標(biāo)角閃爍已成為雷達(dá)測角誤差的主要來源，尤其當(dāng)跟蹤大的擴(kuò)展目標(biāo)時，目標(biāo)角閃爍已成為提高雷達(dá)角跟蹤精度的主要障礙［10］。分集技術(shù)是抑制角閃爍的一類重要方法，它主要是利用角閃爍在不同的輸入激勵下具有不同規(guī)律的原理來進(jìn)行平滑。常見的分集技術(shù)有空間分集、極化分集和頻率分集［11］。

　　頻率分集是指使用具有足夠大頻率間隔的雷達(dá)發(fā)射信號照射目標(biāo),使得角閃爍數(shù)據(jù)的相關(guān)性降低,從而達(dá)到抑制角閃爍的目的。當(dāng)直射信號與反射信號的相位差約為180°時,和通道接收的信號電壓衰減最嚴(yán)重，此時的俯仰角測量誤差也最大。相位差主要是由直接路徑和反射路徑的路程差引起的，它取決于波長，因此如果頻率發(fā)生變化，該誤差的最大值就會在距離上發(fā)生漂移。當(dāng)直接信號和反射信號同相時，雷達(dá)對目標(biāo)及其鏡像的“重心”進(jìn)行跟蹤。如果使用多個頻率跟蹤目標(biāo)，始終選擇誤差最小的那個頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)就可以避免最大峰值誤差的出現(xiàn)，達(dá)到穩(wěn)定跟蹤的目的。

　　2.3雷達(dá)遙測協(xié)同跟蹤

　　協(xié)同跟蹤是指根據(jù)實(shí)際環(huán)境的約束條件建立衡量不同傳感器對目標(biāo)跟蹤能力的標(biāo)準(zhǔn)［12］，綜合利用不同跟蹤手段使跟蹤性能最優(yōu)，通過傳感器間的接力、協(xié)作跟蹤完成監(jiān)視區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的跟蹤任務(wù)。對于具有遙測信息發(fā)射的合作目標(biāo)，遙測載波的獲取無疑是一種有效的跟蹤源。雷達(dá)主要任務(wù)是精密跟蹤測量，因而波束寬度和脈沖寬度都很窄，特別是在海雜波背景下的低仰角截獲跟蹤受到很大限制。將雷達(dá)和遙測協(xié)同進(jìn)行了一體化設(shè)計，雷達(dá)和遙測引導(dǎo)設(shè)備天線共面，具有相同的伺服系統(tǒng)，遙測作為雷達(dá)的一個引導(dǎo)源，直接將其跟蹤接收機(jī)誤差電壓送共同的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，雷、遙之間跟蹤可以相互切換。此時遙測引導(dǎo)分系統(tǒng)設(shè)置為協(xié)同狀態(tài)，測量雷達(dá)發(fā)射高功率脈沖信號，雷達(dá)饋源接收處理目標(biāo)回波信號，而遙測不發(fā)射信號，從遙測饋源接收處理下行遙測信號。目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)波束后遙測引導(dǎo)系統(tǒng)首先鎖定跟蹤目標(biāo)，通過接收遙測接收機(jī)送來的角度誤差信號完成雷達(dá)的低仰角捕獲跟蹤。

3結(jié)束語

　　隨著對海雜波認(rèn)識的不斷深入，以及雷達(dá)信號處理能力的逐步增強(qiáng)，海雜波抑制手段和低仰角跟蹤技術(shù)將變得更加可行、有效。某跟蹤測量雷達(dá)根據(jù)不同的測量對象、不同的海況環(huán)境，靈活采用以上雜波抑制手段和低仰角跟蹤技術(shù)，取得了較好的跟蹤測量效果，獲取了有效的測量數(shù)據(jù)。

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