基于角閃爍抑制的高分辨雷達(dá)角跟蹤技術(shù)

隨著精確制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)彈應(yīng)具有直接瞄準(zhǔn)目標(biāo)并打擊其要害部位，這就要求雷達(dá)不僅能對目標(biāo)整體進(jìn)行測量、跟蹤，而且還要從角度上分辨出目標(biāo)不同的部位，因此雷達(dá)必須具有很高的測角精度。但是當(dāng)高分辨導(dǎo)引頭雷達(dá)接近目標(biāo)時(shí)，角閃爍成為雷達(dá)測角的主要誤差來源，因?yàn)榇藭r(shí)目標(biāo)不再是點(diǎn)目標(biāo)，而是由幾個(gè)強(qiáng)散射中心組成的分布式目標(biāo)，回波信號由這些散射中心的回波矢量合成，這個(gè)合成等
效為一個(gè)視在中心的結(jié)果，中心位置就是實(shí)際測量的位置。隨著目標(biāo)相對運(yùn)動，散射中心的反射不斷變化，導(dǎo)致回波相位波前面的畸變，波前在接收天線口徑面上的傾斜和隨機(jī)擺動從而產(chǎn)生測角誤差，這種現(xiàn)象稱為“角閃爍”，嚴(yán)重時(shí)角閃爍將會導(dǎo)致跟蹤點(diǎn)偏離到目標(biāo)之外。因此角閃爍抑制問題是導(dǎo)引頭雷達(dá)必須解決的問題。
    國內(nèi)在高分辨雷達(dá)角閃爍抑制方面作了許多研究，提出了基于和差通道距離像的單脈沖測角，但是這種算法中沒有考慮天線方向的影響，測角精度不高。本文基于此并對其不足有所改進(jìn)，從高分辨雷達(dá)角閃爍產(chǎn)生的根本原因入手，提出一種基于高分辨雷達(dá)測角算法。該算法在測角前首先對目標(biāo)回波信號和差通道進(jìn)行一維成像，然后根據(jù)單脈沖雷達(dá)測角原理得到目標(biāo)在各個(gè)距離單元的角度信息，最后通過加平
均處理得到目標(biāo)幾何中心空間角度。

1 高分辨雷達(dá)的角閃爍特性分析
    線性調(diào)頻步進(jìn)信號是高分辨雷達(dá)常用的一種形式，該信號是把步進(jìn)頻率中的常載頻子脈沖換成線性調(diào)頻子脈沖，其優(yōu)點(diǎn)是保持步進(jìn)頻率信號能量和總帶寬不變的同時(shí)減少步進(jìn)階梯的周期數(shù)，從而提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用率。信號的表達(dá)式為
   
    其中，為基帶線性調(diào)頻子脈沖；線性調(diào)頻子脈沖個(gè)數(shù)為N；Tr為子脈沖重復(fù)周期；Tp為時(shí)寬；子脈沖帶寬BN=B／N；調(diào)頻斜率K=BN／Tp。相鄰子脈沖間的載頻增量為△f；第一個(gè)子脈沖的中心頻率為fo；則第i個(gè)子脈沖的中心頻率為fci=fo+iBN；其中i=0，1，2，…，N-1。
    毫米波雷達(dá)發(fā)射信號波長遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸，工作在目標(biāo)光學(xué)區(qū)，后向散射回波可以認(rèn)為目標(biāo)上強(qiáng)散射中心回波合成。設(shè)目標(biāo)上有M個(gè)散射中心到雷達(dá)的徑向距離分別Rk，k=1，2，…，M，不考慮目標(biāo)和導(dǎo)引頭之間相對運(yùn)動，則第i個(gè)子脈沖回波為
   
    式中，Tk=2Rk／c為第k個(gè)散射點(diǎn)延遲，將回波信號與本振信號混頻，輸出視頻信號為
   
    由式(3)可以看出，調(diào)頻步進(jìn)信號視頻回波由兩部分組成，信號處理可以分為兩個(gè)步驟：首先在各個(gè)PRT內(nèi)進(jìn)行線性調(diào)頻信號脈沖壓縮，其次對壓縮后進(jìn)行PRT之間的IDFT處理。
    不考慮目標(biāo)和導(dǎo)引頭之間的相對運(yùn)動，線形調(diào)頻信號的脈沖壓縮結(jié)果為

    取采樣時(shí)刻為t=iTr+τk可得采樣后第i個(gè)子脈沖的回波輸出為
  
    這樣就實(shí)現(xiàn)了對N個(gè)脈沖串的壓縮，合成一個(gè)大帶寬脈沖信號，其總帶寬B=N△f，距離分辨率為△R=c／2B。當(dāng)△R目標(biāo)徑向尺寸時(shí)，IDFT處理所得的序列幅度{x(m)| m=1，2，…，M}反映了目標(biāo)上強(qiáng)散射中心的雷達(dá)散射截面積在徑向距離軸上的投影分布，稱為目標(biāo)的一維距離像。

2 高分辨雷達(dá)的角閃爍抑制
    高分辨雷達(dá)由于在和、方位差、俯仰差3個(gè)通道都實(shí)現(xiàn)了高分辨處理，因此在3個(gè)通道均可以得到目標(biāo)高分辨距離像。以方位差通道為例，設(shè)目標(biāo)上有M個(gè)散射中心，第i(i=1，2，…，M)個(gè)散射中心的強(qiáng)度為ui，和通道目標(biāo)距離像用于目標(biāo)檢測，如果在和通道檢測到目標(biāo)，則根據(jù)單脈沖測角原理，把目標(biāo)區(qū)域的通過和通道檢測的目標(biāo)譜峰所對應(yīng)的距離單元的方位差通道一維像幅度用對應(yīng)的和通道一維像幅度歸
一化，就可以得到目標(biāo)在該距離單元的方位角。即
   
    式中，u∑(i)為和通道目標(biāo)距離像第i個(gè)散射點(diǎn)的幅度；u△(i)是差通道目標(biāo)距離像第i個(gè)散射點(diǎn)的幅度；Re表示取實(shí)部。F(θ)為雷達(dá)接收天線方向函數(shù)，用sin函數(shù)來描述
   
    式中，θo為天線等信號軸指向；θk為波束最大值方向與等信號軸方向的夾角；F'(θ)為其導(dǎo)數(shù)。由此可以求得以距離單元m為變量的目標(biāo)方位角度值，同樣方法可以求出以距離單元m為變量的目標(biāo)俯仰角度值。
    目標(biāo)譜峰檢測的目的是為了去除弱散射截面距離單元對角度平滑的影響，使之不參與目標(biāo)幾何中心角度的估計(jì)過程。因?yàn)楦鶕?jù)角閃爍原理，幅度越小的單元對應(yīng)的角閃爍越大，最后經(jīng)過加權(quán)平滑處理后目標(biāo)徑向幾何中心的方位角為
   
    式中，am為加權(quán)平滑算子，一般取線性加權(quán)算子W(am)=1。
    高分辨距離像單脈沖測角算法步驟總結(jié)如下：
    (1)回波信號高分辨出處理，得到3個(gè)通道的一維距離像。
    (2)以和通道距離像用于目標(biāo)檢測，得到超過檢測電平的距離單元數(shù)目m。
    (3)對兩個(gè)差通道的距離像用對應(yīng)距離單元m處距離像幅度用和通道幅度進(jìn)行歸一化，得到θm。
    (4)把各個(gè)距離單元處的角度數(shù)據(jù)合成為整個(gè)目標(biāo)的幾何中心角度θ。

3 仿真與實(shí)測結(jié)果分析
    為了驗(yàn)證算法的有效性，設(shè)目標(biāo)上有4個(gè)強(qiáng)散射中心，信號參數(shù)：帶寬B=200 MHz，初始頻率fo=60 MHz，脈沖個(gè)數(shù)N=20。目標(biāo)參數(shù)：ri是第i個(gè)散射中心與雷達(dá)的相對徑向距離，r=[196，198，200，202]，單位：cm，θi是第i個(gè)散射中心相對雷達(dá)視線的方位角，θ=[0．0410，-0．010 2，0．019 0，-0．050]，單位：弧度，所有散射點(diǎn)散射強(qiáng)度均相等均為1。根據(jù)以上一維成像算法可以得到目標(biāo)和通道、差通道距離像分別如圖1和圖2所示。采用高分辨距離像測角算法測量的角度θ=[0．042 0，-0．014 2，0．020，-0．056]，從以上可以看出測的目標(biāo)角度與實(shí)際目標(biāo)散射中心的角度是相當(dāng)吻合，均勻加權(quán)后得到目標(biāo)徑向幾何中心的方位角θ=-2．05×10-3。

     下面以某導(dǎo)引頭雷達(dá)對某飛機(jī)跟蹤過程為例仿真，信號和目標(biāo)參數(shù)如上，跟蹤距離為390～210 m，目標(biāo)在水平面內(nèi)做勻速運(yùn)動，目標(biāo)上有4個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)。圖3是分別采用點(diǎn)目標(biāo)測角算法與高分辨測角算法得到的跟蹤角度與目標(biāo)真實(shí)角度值偏差比較，可以看出后者的誤差遠(yuǎn)小于前者，已經(jīng)處于目標(biāo)尺寸范圍之內(nèi)。

4 結(jié)束語
    從目標(biāo)角閃爍產(chǎn)生的根本原因入手，分別在和差通道對回波信號進(jìn)行一維成像處理后，通過高分辨測角算法求出其對應(yīng)距離單元的方位角與俯仰角，然后將多個(gè)距離單元角度進(jìn)行加權(quán)平均處理，得到目標(biāo)徑向幾何中心對應(yīng)的空間角度。仿真結(jié)果表明，能夠很好地抑制角閃爍引起的角度測量偏差，是提高角跟蹤精度的有效途徑之一。