抗箔條質(zhì)心干擾新方法研究*

孫迎豐，曾維貴，田燕妮，王新政

(海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001)

0 引言

箔條干擾是目前最為成熟的無源干擾技術(shù)之一，其使用簡單、效費(fèi)比高，在電子干擾對抗領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。特別是現(xiàn)代海戰(zhàn)中，箔條質(zhì)心干擾是艦船常用的可有效對抗反艦導(dǎo)彈的干擾樣式。因此，對雷達(dá)導(dǎo)引頭抗質(zhì)心干擾問題的研究具有重要意義。

現(xiàn)有抗箔條干擾方法多從信號處理的角度出發(fā)，利用箔條干擾與真實(shí)目標(biāo)的信號差異濾除干擾信號的影響。但是質(zhì)心干擾情況下的箔條與目標(biāo)在空間上不可分辨，兩者的回波混雜在一起，信號時域特征難以被利用。而且在海戰(zhàn)場景下，艦船的速度和隨風(fēng)運(yùn)動的箔條速度差別不大，多普勒濾波方法難以奏效。基于極化信息的抗干擾方法是雷達(dá)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，文獻(xiàn)［1-3］利用目標(biāo)和箔條極化特性差異進(jìn)行了抗質(zhì)心干擾的研究，該類方法需要獲取目標(biāo)和箔條的先驗(yàn)極化信息，且抗干擾效果與兩者的極化特性差異程度有關(guān)。

文獻(xiàn)［4］根據(jù)箔條與目標(biāo)的高分辨距離像特性差異，提出基于幾何推理的匹配抗箔條干擾方法。該方法理論性較強(qiáng)，但是基于高分辨技術(shù)抗干擾的思路值得借鑒。文中首先分析箔條質(zhì)心干擾作用機(jī)理及單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭的角信息處理方法，結(jié)合距離高分辨的技術(shù)特點(diǎn)，提出了抗質(zhì)心干擾的角跟蹤新方法，最后通過對典型的箔條質(zhì)心干擾海戰(zhàn)場景的仿真驗(yàn)證該方法的有效性。

1 箔條質(zhì)心干擾及機(jī)理分析

箔條是用金屬或鍍敷金屬的介質(zhì)制成的細(xì)絲。根據(jù)電磁輻射理論，箔條在雷達(dá)電磁波的作用下會產(chǎn)生二次輻射。通過將大量箔條散布空中形成箔條云團(tuán)，便能在一定的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的雷達(dá)回波，干擾雷達(dá)對目標(biāo)的檢測和目標(biāo)真實(shí)信息的提取。

箔條質(zhì)心干擾主要應(yīng)用在雷達(dá)導(dǎo)引頭對目標(biāo)跟蹤的末段階段，如圖1所示。當(dāng)雷達(dá)導(dǎo)引頭已經(jīng)跟蹤上艦船目標(biāo)以后，艦船在其周圍布放箔條形成干擾假目標(biāo)，由于干擾假目標(biāo)處于雷達(dá)導(dǎo)引頭的跟蹤范圍內(nèi)，雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤真、假目標(biāo)的能量質(zhì)心;隨著導(dǎo)彈飛臨目標(biāo)所在區(qū)域，雷達(dá)導(dǎo)引頭的跟蹤范圍縮小，在一定條件下，雷達(dá)導(dǎo)引頭將從跟蹤質(zhì)心逐漸轉(zhuǎn)向跟蹤箔條干擾假目標(biāo)。

圖1 箔條質(zhì)心干擾原理示意圖

對雷達(dá)導(dǎo)引頭的目標(biāo)跟蹤而言，箔條質(zhì)心干擾的作用機(jī)理為:箔條干擾與艦船目標(biāo)處于相同的雷達(dá)空間分辨單元內(nèi)，干擾信號與目標(biāo)回波信號混疊在一起，雷達(dá)導(dǎo)引頭無法從接收信號中獲取準(zhǔn)確的目標(biāo)位置信息，由于雷達(dá)導(dǎo)引頭通常以跟蹤波門內(nèi)信號能量質(zhì)心作為跟蹤點(diǎn)，而在此情況下，該跟蹤點(diǎn)往往偏離被攻擊的艦船。

隨著過程的推進(jìn)，箔條若能憑干信比優(yōu)勢將跟蹤點(diǎn)轉(zhuǎn)移至干擾假目標(biāo)，則可破壞雷達(dá)導(dǎo)引頭對目標(biāo)跟蹤。可見，箔條質(zhì)心干擾是一個動態(tài)過程，只有實(shí)現(xiàn)對質(zhì)心效應(yīng)所產(chǎn)生誤差的有效累積，才能干擾成功。

2 基于角偏差加權(quán)的抗干擾方法

2.1 單脈沖測角信息處理

箔條質(zhì)心干擾情況下，雷達(dá)導(dǎo)引頭無法獲取準(zhǔn)確的目標(biāo)位置信息，即同時存在測距偏差和測角偏差，其中，測角偏差是導(dǎo)致導(dǎo)彈無法命中目標(biāo)的主要原因。

雷達(dá)導(dǎo)引頭的角跟蹤環(huán)路多采用單脈沖測角技術(shù)，其中以振幅和差法應(yīng)用最為廣泛。其原理是在同一角平面內(nèi)形成兩個形狀相同并對稱于天線軸線的傾斜波束，對兩波束同時接收的信號進(jìn)行和差處理，從中獲取目標(biāo)偏離天線軸的角度信息。

設(shè)兩個波束的方向性函數(shù)為F(θ)，與天線軸線的傾斜角為±θ0，和、差波束方向圖函數(shù)分別為FΣ(θ)和 FΔ(θ)，則有:

目標(biāo)回波經(jīng)單脈沖天線接收并輸出的和信號SΣ(t)與差信號SΔ(t)，分別送入單脈沖接收機(jī)的和通道、差通道進(jìn)行混頻及中頻放大等處理，得到兩通道輸出的信號為:

其中:KΣ、KΔ分別為和、差通道的信號傳輸系數(shù);φΣ、φΔ分別為和、差通道中的相移。

經(jīng)分析可知，當(dāng)目標(biāo)偏離等天線軸的角度不大時，差信號Δ的幅度與偏離角的大小成正比;為消除回波幅度變化的影響，需要利用和信號Σ對差信號Δ進(jìn)行幅度歸一化處理，其比值大小與偏離角呈線性關(guān)系，和差信號的相位差也與偏離角的方向相關(guān)。因此，通過對和差通道輸出信號的幅相比較，可以得到目標(biāo)相對于天線軸線的偏離角，即單脈沖角度測量公式為:

式中φ為和差信號的相位差，理想情況下，其取值為0°或180°。對于角度測量，該角度用來對目標(biāo)角度進(jìn)行估值;對于角度跟蹤，該角度作為角誤差用來控制天線波束位置向誤差減小的方向運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)角跟蹤。

2.2 抗箔條質(zhì)心干擾新方法

早期雷達(dá)導(dǎo)引頭的分辨率較低，在此探測條件下只能將目標(biāo)視為點(diǎn)目標(biāo)，且認(rèn)為對跟蹤波門內(nèi)回波能量質(zhì)心的跟蹤即是對目標(biāo)的可靠跟蹤。但是隨著雷達(dá)分辨率的提高，且對于大中型艦船，距離分辨率遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸，雷達(dá)目標(biāo)回波中包含了更豐富的目標(biāo)細(xì)節(jié)信息，將有利于目標(biāo)的識別和跟蹤。

當(dāng)箔條干擾與艦船目標(biāo)在空間分開的情況下，利用艦船目標(biāo)與箔條干擾的高分辨距離像相關(guān)特征差異有可能區(qū)分二者，進(jìn)而能抑制箔條干擾。但是，在質(zhì)心干擾情況下，箔條干擾與艦船目標(biāo)回波混雜在一起，回波中所包含的目標(biāo)信息受到嚴(yán)重污染，因此，基于信號處理的抗箔條質(zhì)心干擾方法的有效性將受到質(zhì)疑。

在距離高分辨條件下，艦船等目標(biāo)可被描述為由多個散射中心組成的復(fù)雜擴(kuò)展目標(biāo)，且各個散射中心在一定程度上被分離到不同的距離單元中。通過信號檢測可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)散射中心的提取，再對強(qiáng)散射中心進(jìn)行單脈沖測角處理，雷達(dá)導(dǎo)引頭即可獲得目標(biāo)在多個距離單元上的角度值，這正是高分辨雷達(dá)提供的技術(shù)優(yōu)勢，也是文中抗質(zhì)心干擾方法的基礎(chǔ)。

借鑒距離跟蹤系統(tǒng)中常用的分裂波門法，文中提出了新的抗質(zhì)心干擾角跟蹤方法，基本思路為:當(dāng)雷達(dá)導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo)轉(zhuǎn)入自動跟蹤狀態(tài)后，以天線軸線為中心，建立左右兩個角度波門，分別獲取目標(biāo)的左右角偏差，并對其進(jìn)行融合處理輸出控制天線運(yùn)動的角誤差信號。

假設(shè)由單脈沖測角處理得到的角度測量為θi，i=1，2，…，N，N 為測量值數(shù)目，角度波門寬度為 θw，則落入左右波門的角度測量為:

左右波門通過融合處理分別輸出左右角偏差:

對兩偏差信號再次進(jìn)行融合處理，得:

其中:f(·)用于提取角偏差信號，一般可取平均算子;α、β為自適應(yīng)加權(quán)因子。

該角跟蹤方法通過建立角度波門不僅可抑制角偏差較大的測量值，而且還增加了角跟蹤過程中可利用的信息量。在目標(biāo)跟蹤的動態(tài)過程中，無干擾條件下，雷達(dá)天線基本對準(zhǔn)目標(biāo)，左右角偏差信號θL和θR保持相對穩(wěn)定;而在實(shí)施質(zhì)心干擾后，根據(jù)其干擾作用機(jī)理，天線某一側(cè)的角偏差信號勢必明顯增大。因此θL和θR能描述受干擾前后角跟蹤的狀態(tài)變化，可利用自適應(yīng)的α和β對其加權(quán)處理，使^θ更靠近目標(biāo)真實(shí)位置。可見，該方法有利于提高跟蹤穩(wěn)定性及抗干擾能力。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證文中所提方法的有效性，文中采用信號仿真方法對雷達(dá)導(dǎo)引頭接收和信息處理全過程建立了高精度的仿真模型。其中，箔條干擾仿真采用相干散射模型［5］，該模型能準(zhǔn)確反映箔條回波信號的諸多特性，包括時域、頻域、極化域等。艦船采用多散射中心模型［6］來描述，也是高分辨雷達(dá)信號仿真中常用的目標(biāo)回波模型。關(guān)于其它仿真模型的研究，有關(guān)文獻(xiàn)論述較多，文中暫不贅述。

仿真中以艦船初始位置為原點(diǎn)，以正東方向?yàn)閄軸，以正北方向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系，角度定義為與正北方向的夾角，順時針為正。設(shè)風(fēng)速為8 m/s，風(fēng)向?yàn)椋?5°。艦船長約150 m，寬約30 m，在仿真過程中，艦船不實(shí)施機(jī)動，保持勻速直線航行，航速為14 m/s，航向?yàn)椋?0°。初始時刻的導(dǎo)彈位置為(－4 000 m，－4 000 m)，導(dǎo)彈飛行速度為300 m/s。雷達(dá)導(dǎo)引頭采用LFM脈沖壓縮體制，主要參數(shù)為:工作頻率X波段，LFM 信號的脈沖寬度為10 μs，帶寬為10 MHz，對應(yīng)的距離分辨率為15 m;天線波束3 dB寬度為5°。

假定初始時刻，雷達(dá)導(dǎo)引頭已對艦船進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤。仿真時間為2 s時，艦船向相對于艦船的(150 m，－150 m)位置施放箔條干擾。圖2所示為仿真時間為2.1s時，無干擾條件下的艦船回波信號圖2(a)和質(zhì)心干擾條件下的艦船與箔條混合回波信號圖2(b)。從中可以看出，箔條干擾信號幅度約為艦船回波信號幅度的2倍，且干擾信號在距離維上與艦船回波混雜在一起，嚴(yán)重破壞了艦船回波的時域特性，滿足干擾成功的前提條件。同時，這也從信號層次上驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

圖2 脈沖壓縮匹配濾波后的仿真信號

圖3 質(zhì)心跟蹤法的仿真數(shù)據(jù)

圖3所示為采用傳統(tǒng)的質(zhì)心跟蹤法在箔條干擾條件下的仿真數(shù)據(jù)。圖3(a)為導(dǎo)彈、艦船中心和箔條中心的運(yùn)動軌跡，可以看出，在此對抗場景中，箔條質(zhì)心干擾成功將導(dǎo)彈引偏，致使導(dǎo)彈未能命中目標(biāo)。圖3(b)所示為雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤點(diǎn)分別與艦船幾何中心和箔條中心的距離(雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤點(diǎn)是指由其信息處理系統(tǒng)輸出的所跟蹤“目標(biāo)”的距離和角度，再經(jīng)轉(zhuǎn)換至仿真坐標(biāo)系中的位置點(diǎn));從中可明顯看出:箔條干擾實(shí)施以后，雷達(dá)導(dǎo)引頭的跟蹤點(diǎn)明顯偏離艦船，而且在一定時間2～8 s內(nèi)，箔條與艦船在雷達(dá)跟蹤點(diǎn)的爭奪過程較為激烈;隨著時間的推移，艦船、箔條與雷達(dá)導(dǎo)引頭三者的相對態(tài)勢發(fā)生變化，跟蹤點(diǎn)最終偏向箔條，質(zhì)心干擾成功，導(dǎo)彈飛向箔條云所在位置。

圖4 波門跟蹤法的仿真數(shù)據(jù)

圖4所示為采用文中所提的抗干擾跟蹤法在箔條干擾條件下的仿真數(shù)據(jù)。圖4(a)所示為各仿真實(shí)體的運(yùn)動軌跡，左上角的小圖顯示了導(dǎo)彈命中艦船時刻的位置。由圖4(b)可以看出，箔條干擾實(shí)施以后，未能將跟蹤點(diǎn)誘偏，但是在相當(dāng)一段時間2～13 s內(nèi)，跟蹤點(diǎn)與艦船幾何中心的距離逐漸增大，這是因?yàn)椴瓧l干擾盡管得到抑制，但未能從根本上濾除其影響;同樣隨時間推移，三者相對態(tài)勢發(fā)生改變，導(dǎo)引頭跟蹤范圍內(nèi)只存在艦船目標(biāo)，導(dǎo)彈最終命中目標(biāo)。

4 結(jié)論

文中分析了箔條質(zhì)心干擾作用機(jī)理及單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭的角信息處理方法，首次提出了利用角度波門抑制角誤差、提高信息利用率的角跟蹤方法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法抗箔條質(zhì)心干擾的有效性。必須指出，該方法并未從根本上消除干擾信號，只是在一定程度上抑制質(zhì)心干擾對角跟蹤環(huán)路的影響。對于現(xiàn)有的技術(shù)水平而言，該方法不失為一種實(shí)用的好方法。

［1］趙宜楠，金銘，喬曉林.利用極化單脈沖雷達(dá)抗質(zhì)心干擾的研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(12):45-46.

［2］來慶福，趙晶，馮德軍，等.斜投影極化濾波的雷達(dá)導(dǎo)引頭抗箔條干擾方法［J］.信號處理，2011，27(7):1016-1021.

［3］李金梁，來慶福，李永禎，等.基于極化對比增強(qiáng)的導(dǎo)引頭抗箔條算法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33(2):268-271.

［4］晏行偉，張軍，譚志國，等.一種基于幾何推理的匹配抗箔條質(zhì)心干擾新方法［J］.信號處理，2010，26(11):1657-1662.

［5］高路，黃勇.高分辨雷達(dá)箔條干擾仿真方法［J］.制導(dǎo)與引信，2007，28(3):35-40.

［6］張安，盧再奇，范紅旗，等.基于散射中心模型的艦船LFM雷達(dá)回波仿真［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2011，9(4):316-320.