一種適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的重頻跟蹤方法

摘要：針對(duì)現(xiàn)代電子戰(zhàn)日益復(fù)雜的電磁環(huán)境以及不斷涌現(xiàn)的新體制雷達(dá)，本文采用脈沖預(yù)測(cè)的方法對(duì)指定的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行重頻跟蹤。由于脈沖預(yù)測(cè)的特征規(guī)律與目標(biāo)雷達(dá)重復(fù)周期精確一致，重頻跟蹤器解決了如何在復(fù)雜電磁環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)跟蹤的問(wèn)題，并且能夠適應(yīng)多種不同體制的雷達(dá)信號(hào)。

關(guān)鍵詞：脈沖預(yù)測(cè);復(fù)雜電磁環(huán)境;新體制雷達(dá);重頻跟蹤器

隨著雷達(dá)向集群和組網(wǎng)化的趨勢(shì)發(fā)展，現(xiàn)代電子戰(zhàn)的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。現(xiàn)在的武器平臺(tái)受到各方威脅的來(lái)源越來(lái)越多，可能會(huì)同時(shí)受到搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、炮瞄雷達(dá)甚至精密制導(dǎo)導(dǎo)彈的多重威脅，電子對(duì)抗輻射源的數(shù)目急劇增加，使得雷達(dá)對(duì)抗信號(hào)異常密集。同時(shí)新體制雷達(dá)的不斷涌現(xiàn).其抗干擾能力也在不斷地發(fā)展和完善。所有這些都對(duì)電子戰(zhàn)的信號(hào)實(shí)時(shí)分選與跟蹤技術(shù)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。這要求干擾設(shè)備能夠在密集、復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境中，在一連串混雜在一起的脈沖流中分離出來(lái)自同一發(fā)射源的脈沖信號(hào)序列，同時(shí)針對(duì)不同的目標(biāo)確定相對(duì)應(yīng)的干擾手段并實(shí)施干擾，以顯著增強(qiáng)自身或者其他受保護(hù)的電子裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微機(jī)技術(shù)、DSP技術(shù)(數(shù)字信號(hào)處理)及FPGA技術(shù)都已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)中，使得實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)向前發(fā)展了一大步。很多干擾設(shè)備也都采用了實(shí)時(shí)重頻跟蹤的技術(shù)，并且在一般的電子環(huán)境條件下，能夠有效跟蹤雷達(dá)信號(hào)。目前重頻跟蹤技術(shù)的研究，主要集中在如何適應(yīng)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，以及如何在此環(huán)境下對(duì)日益先進(jìn)的復(fù)雜體制雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的重頻跟蹤。

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

由于需要在密集復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜體制雷達(dá)的重頻跟蹤，因此在總結(jié)已有的重頻跟蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文采用脈沖預(yù)測(cè)的方法來(lái)對(duì)指定的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行重頻跟蹤。

現(xiàn)采用的技術(shù)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。首先，信號(hào)分選軟件將得到信號(hào)的重頻周期(PRI)變化規(guī)律參數(shù)預(yù)置給重頻跟蹤器，當(dāng)密集復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)到達(dá)后，進(jìn)入起始脈沖建立電路，在起始脈沖建立電路的相關(guān)算法下，快速確定正確的起始脈沖以后，根據(jù)跟蹤PRI的變化規(guī)律，采用脈沖預(yù)測(cè)的方法。在預(yù)測(cè)下一脈沖到來(lái)時(shí)給出有效的波門窗口范圍;在有效波門窗口范圍內(nèi)進(jìn)行重頻特征的相關(guān)處理，查找正確的跟蹤脈沖，得到正確脈沖后進(jìn)行波門展寬并給出跟蹤有效標(biāo)志;再根據(jù)雷達(dá)的重頻周期規(guī)律調(diào)整下一個(gè)PRI計(jì)數(shù)周期，繼續(xù)進(jìn)行跟蹤，最終得到穩(wěn)定可靠的重頻跟蹤波門信號(hào)。當(dāng)跟蹤出現(xiàn)丟失時(shí)，根據(jù)判斷跟蹤丟失的標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)給出跟蹤失效標(biāo)志，并通知上一級(jí)決策系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

2 起始脈沖建立電路的設(shè)計(jì)

起始脈沖建立電路從輸入的高密度組合脈沖列中選取任一脈沖作為基準(zhǔn)，啟動(dòng)一個(gè)PRI計(jì)數(shù)，PRI值由信號(hào)分選軟件預(yù)置為需要跟蹤信號(hào)的PRI值。當(dāng)一個(gè)正常的PRI計(jì)數(shù)快結(jié)束時(shí)，波門產(chǎn)生電路輸出一個(gè)具有一定容差范圍的波門窗口。如果在有效波門窗口內(nèi)有脈沖到達(dá)，則表示起始脈沖建立成功，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè) PRI計(jì)數(shù);如果在有效波門窗口內(nèi)沒(méi)有脈沖到達(dá)，則表示起始脈沖建立失敗，重新進(jìn)行起始脈沖的建立。

在密集復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境下，由于輸入的脈沖很多，根據(jù)概率論中的假設(shè)檢驗(yàn)理論，如果按照跟蹤脈沖的重復(fù)周期特征得到第一個(gè)脈沖時(shí)，此脈沖不一定就是我們需要跟蹤的脈沖信號(hào)，而只有在連續(xù)正確得到一定數(shù)量的脈沖后，才能以一定的置信水平確認(rèn)該脈沖正確存在。因此我們可以規(guī)定在連續(xù)正確得到一定數(shù)量的脈沖信號(hào)后才準(zhǔn)許對(duì)外輸出跟蹤波門。

起始脈沖建立電路在實(shí)際應(yīng)用中的最大難題就是很難在信號(hào)密集的環(huán)境下確定起始脈沖。由于它對(duì)輸入的脈沖列進(jìn)行隨機(jī)采樣，因此在輸入脈沖很多的情況下，特別是在高重頻脈沖中對(duì)付某個(gè)低重頻的雷達(dá)信號(hào)時(shí)，得到起始脈沖的機(jī)會(huì)很小，可能需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，根本不適用于實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。這樣如何提高起始脈沖建立的概率成了應(yīng)用此方法的關(guān)鍵。

為了解決這個(gè)棘手的問(wèn)題，我們的方法是將上面提到的整個(gè)起始脈沖建立電路單獨(dú)作為一個(gè)模塊，并行使用若干個(gè)相同的模塊，輪流進(jìn)行觸發(fā)。在每一個(gè)輸入脈沖到來(lái)時(shí)，自動(dòng)選擇下一個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行建立，這時(shí)最終得到的起始脈沖就是各個(gè)模塊的“或”。如果某一路模塊失敗，則重新輪流并行進(jìn)行建立，只要其中一路模塊建立有效，就會(huì)輸出跟蹤有效標(biāo)志，并主動(dòng)停止其他所有模塊的建立。設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

由于此電路的輸出為各個(gè)模塊輸出的“或”，因此最終得到起始脈沖的概率應(yīng)該為n個(gè)子模塊的n倍。并且各個(gè)模塊并行使用，不會(huì)增加整個(gè)起始脈沖建立電路的建立時(shí)間。如果采用大規(guī)模FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以根據(jù)硬件的資源盡量加大模塊的個(gè)數(shù)，這樣就能大大提高起始脈沖建立的概率，即使在密集復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境中也能快速得到需要跟蹤信號(hào)的起始脈沖。

3 波門產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

波門產(chǎn)生電路的目的是在需要跟蹤信號(hào)脈沖出現(xiàn)的位置給出一個(gè)跟蹤波門，用于后級(jí)的干擾技術(shù)產(chǎn)生器。在跟蹤信號(hào)的起始脈沖成功建立后，根據(jù)信號(hào)分選得到的重頻周期進(jìn)行脈沖周期預(yù)測(cè)，啟動(dòng)重頻PRI計(jì)數(shù)，每次PRI計(jì)數(shù)快結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)有效波門窗口，在有效波門窗口內(nèi)找到正確的跟蹤脈沖，同時(shí)產(chǎn)生跟蹤波門。

波門窗口的容差范圍應(yīng)當(dāng)以保證正確脈沖能夠進(jìn)入波門的前提下，脈沖數(shù)量最少為依據(jù)原則，根據(jù)信號(hào)分選得到的重復(fù)周期的置信精度來(lái)確定。如果信號(hào)分選得到的重復(fù)周期精度很高，波門窗口容差可以設(shè)得較小，相反，如果信號(hào)分選得到的重復(fù)周期精度不高，則波門窗口容差可以適當(dāng)設(shè)大，以確保正確的脈沖能夠進(jìn)入波門窗口。

PRI計(jì)數(shù)調(diào)整電路用于決定當(dāng)前應(yīng)該輸入的是哪一個(gè)PRI值。每次正確脈沖到來(lái)的時(shí)候，PRI計(jì)數(shù)調(diào)整電路將這個(gè)PRI值打入PRI計(jì)數(shù)器，并允許它開始計(jì)數(shù)。當(dāng)跟蹤脈沖為常規(guī)PRI脈沖時(shí)，每次PRI計(jì)數(shù)值一致;當(dāng)跟蹤脈沖為參差PRI或組變PRI脈沖時(shí)，每次PRI計(jì)數(shù)值應(yīng)當(dāng)按照參差PRI或組變 PRI脈沖的每一個(gè)小周期值依次進(jìn)行計(jì)數(shù)，每個(gè)小周期的前后順序應(yīng)當(dāng)與參差PRI或組變PRI脈沖保持一致;當(dāng)跟蹤脈沖為抖動(dòng)PRI脈沖時(shí)，每次按照抖動(dòng) PRI的基準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后根據(jù)PRI的抖動(dòng)范圍將有效波門窗口的容差值放大，允許最大抖動(dòng)范圍內(nèi)的脈沖都能夠進(jìn)入到波門窗口。

4 波門內(nèi)有效脈沖的處理方法

在實(shí)時(shí)跟蹤的過(guò)程中，如果信號(hào)環(huán)境比較密集復(fù)雜的情況下，有效波門窗口的容差范圍內(nèi)往往不一定只存在需要跟蹤的正確脈沖。雖然我們可以將波門窗口的容差盡量放窄，但還是有可能進(jìn)來(lái)錯(cuò)誤的脈沖。

當(dāng)有效波門窗口內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)脈沖時(shí)，一般情況下重頻跟蹤器總是把第一個(gè)脈沖作為正確的脈沖而啟動(dòng)下一個(gè)跟蹤周期，而實(shí)際情況中往往可能第二個(gè)脈沖才是正確的脈沖。

由于虛假錯(cuò)誤脈沖的出現(xiàn)是隨機(jī)的，這種虛假脈沖將會(huì)使波門協(xié)調(diào)電路帶來(lái)累積誤差，將下一個(gè)跟蹤的啟動(dòng)時(shí)間提前，最終使得重頻跟蹤器完全偏離正確的跟蹤目標(biāo)，從而造成跟蹤丟失。

為了消除由虛假錯(cuò)誤脈沖引起的跟蹤丟失，我們可以對(duì)有效波門窗口內(nèi)出現(xiàn)脈沖的情況進(jìn)行分析處理。如果有效波門內(nèi)只有1個(gè)脈沖信號(hào)出現(xiàn)，一般情況下為正確脈沖的可能性非常大，下一個(gè)PRI計(jì)數(shù)就以此信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間為基準(zhǔn)開始進(jìn)行;如果有效波門內(nèi)不止1個(gè)脈沖信號(hào)出現(xiàn)，則采用變波門跟蹤技術(shù)，即對(duì)下一次跟蹤的啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行改進(jìn)，使每

一次跟蹤啟動(dòng)由最接近有效波門窗口中央的脈沖進(jìn)行觸發(fā)，盡管該脈沖不一定就是正確的脈沖，但它為正確脈沖的概率還是最大，并且這樣不會(huì)因?yàn)樘摷馘e(cuò)誤脈沖出現(xiàn)的隨機(jī)性而引起累積誤差。改進(jìn)后的變波門時(shí)序如圖3所示。

有效波門窗口的調(diào)整方法如下：假使有效波門窗口的初始寬度為T，當(dāng)在時(shí)間TP時(shí)出現(xiàn)脈沖，如果TP

脈沖，TS>TP，則繼續(xù)改變有效波門窗口的寬度為T2=T-2×TS;否則，沒(méi)有脈沖出現(xiàn)就停止有效波門窗口的改變，以最后一個(gè)脈沖產(chǎn)生跟蹤波門，并啟動(dòng)下一個(gè)跟蹤周期的PRI計(jì)

數(shù)，同時(shí)有效波門窗口的寬度恢復(fù)初始寬度。

變波門跟蹤技術(shù)的改進(jìn)都是基于正確脈沖一般應(yīng)該出現(xiàn)在有效波門窗口中央的前提下。由于需要跟蹤脈沖的重復(fù)周期參數(shù)是信號(hào)分選軟件預(yù)置，因此在保證信號(hào)分選得到的

重復(fù)周期精度的情況下，對(duì)于常規(guī)PRI、參差PRI和組變PRI信號(hào)，重復(fù)周期的特征規(guī)律已知，應(yīng)當(dāng)符合正確脈沖一般應(yīng)該出現(xiàn)在有效波門窗口中央的規(guī)律。但對(duì)于抖動(dòng)PRI信號(hào)，由于本身正確脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻具有隨機(jī)性，因此我們?nèi)匀徊捎眠M(jìn)入有效波門窗口的第一個(gè)脈沖為跟蹤波門輸出，而對(duì)于下一個(gè)跟蹤周期的 PRI計(jì)數(shù)以抖動(dòng)PRI的基值為準(zhǔn)。

通過(guò)變波門跟蹤技術(shù)的處理.重頻跟蹤器對(duì)大部分體制的雷達(dá)信號(hào)具備了自適應(yīng)去除部分虛假錯(cuò)誤脈沖的能力，并且最大限度避免了由于累積誤差造成的跟蹤丟失的現(xiàn)象，有效提高了跟蹤的穩(wěn)定性。

5 波門控制電路的設(shè)計(jì)

波門控制電路就是在跟蹤成功時(shí)給出跟蹤有效標(biāo)志，在跟蹤丟失時(shí)給出跟蹤失效標(biāo)志，并將該標(biāo)志回傳上級(jí)決策系統(tǒng)。

波門控制電路應(yīng)當(dāng)在起始脈沖建立電路成功時(shí)給出波門跟蹤有效標(biāo)志，表明已經(jīng)有效跟蹤。而當(dāng)跟蹤出現(xiàn)丟失時(shí)，為提高系統(tǒng)抗干擾能力，波門控制電路不能在丟失一個(gè)脈沖就馬上給出跟蹤失效標(biāo)志。因?yàn)楫a(chǎn)生脈沖丟失的原因有很多，也很復(fù)雜，信號(hào)的丟失是系統(tǒng)常見的現(xiàn)象。一個(gè)好的跟蹤器必須在信號(hào)丟失幾個(gè)信號(hào)脈沖的情況下，能夠維持對(duì)信號(hào)的跟蹤。波門控制電路只有在連續(xù)丟失的脈沖個(gè)數(shù)超過(guò)一定的門限值時(shí)，才會(huì)給出跟蹤丟失標(biāo)志，而這個(gè)門限值可以根據(jù)信號(hào)環(huán)境的復(fù)雜程度由上級(jí)決策系統(tǒng)進(jìn)行可變?cè)O(shè)置。

對(duì)于已經(jīng)建立跟蹤的雷達(dá)，重頻跟蹤器一旦給出跟蹤丟失標(biāo)志，由上級(jí)決策系統(tǒng)進(jìn)行判別雷達(dá)信號(hào)是暫時(shí)消失還是雷達(dá)改變了工作模式。判別方式主要依據(jù)所記錄的歷史參數(shù)與信號(hào)處理實(shí)時(shí)分選結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果在記錄的參數(shù)中，沒(méi)有出現(xiàn)新的參數(shù)變化，則認(rèn)為信號(hào)是真的消失了，重頻跟蹤器對(duì)其進(jìn)行記憶跟蹤，根據(jù)需要跟蹤雷達(dá)重復(fù)周期的規(guī)律，在真實(shí)脈沖可能到達(dá)的位置進(jìn)行補(bǔ)波門處理，利用補(bǔ)充的波門送到后級(jí)的干擾技術(shù)產(chǎn)生器進(jìn)行干擾。如果出現(xiàn)了新的參數(shù)，則認(rèn)為雷達(dá)改變了工作模式，決策系統(tǒng)將新的參數(shù)預(yù)置給重頻跟蹤器，重新對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

6 結(jié)論

由于采用與目標(biāo)雷達(dá)重復(fù)周期相同的特征規(guī)律進(jìn)行脈沖預(yù)測(cè)，并且根據(jù)抖動(dòng)PRI雷達(dá)的重頻抖動(dòng)范圍調(diào)整有效波門窗口，因此，基于脈沖預(yù)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)的重頻跟蹤器能夠適應(yīng)常規(guī)、參差、抖動(dòng)以及組變等不同體制的雷達(dá)信號(hào)。同時(shí)由于重頻跟蹤器對(duì)每一部目標(biāo)雷達(dá)單獨(dú)進(jìn)行脈沖預(yù)測(cè)，只要選擇合理的硬件資源，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)多部雷達(dá)信號(hào)的跟蹤。如果同時(shí)存在多部參數(shù)接近的雷達(dá)信號(hào)時(shí)，通過(guò)脈沖預(yù)測(cè)的相關(guān)設(shè)計(jì)，可能會(huì)有所影響重頻跟蹤的實(shí)時(shí)截獲時(shí)間，但能大大提高重頻跟蹤的概率。