基于副通道強制賦零的空間主要目標捕獲技術研究*

閆興鳳，呂久明，達通航，鄭 晴

(中國酒泉衛星發射中心，甘肅 蘭州 732750)

0 引言

目前，在空間運動目標捕獲跟蹤過程中，主要是通過在地面部署多個單脈沖雷達，組成雷達測量鏈，承擔空間目標的位置和速度等運動參數的持續測量任務[1]。由雷達工作方式分析可知，空間運動目標捕獲跟蹤方式主要有：一類是應答跟蹤，即在空間運動目標上安裝應答機，作為雷達測量的合作測量目標，由地面單脈沖雷達發射上行脈沖信號，空間運動目標應答機收到應答信號后，定時延遲并轉發該信號，地面雷達收到轉發信號后通過時延處理計算，獲得空間運動目標的運動參數信息，該方式具有作用距離遠、測量精度高、可靠性高等突出特點[2]；另一類是反射跟蹤，即對未安裝應答機的空間運行目標非合作測量，地面單脈沖雷達發射電磁脈沖信號，并接收空間運動目標表面對該信號的反射回波信號，通過時延計算獲得空間目標運動參數信息，與應答工作相比，該工作方式下雷達作用距離較短，精度較低，但更符合實際應用場景[3]。因此，在空間目標未安裝應答機的情況下，單脈沖雷達需以反射方式來完成運動參數的測量任務。

現代測量雷達常采用先進的信號處理技術，如空時二維信號處理來抑制來自目標背景的回波，降低虛警率、提高發現概率，主要技術包括地雜波和噪聲抑制、多基線的雷達同步、沿航跡干涉干涉處理、多基線雷達的陣列處理等空時自適應信號處理技術[4]。而在捕獲跟蹤空間目標過程中，常會出現目標分離現象，且空間主要目標信號弱于空間伴飛目標信號，造成強伴飛目標信號常會干擾空間主要目標捕獲跟蹤現象，本文分析雷達主副通道間目標固定映射關系，獲取伴飛目標在副通道的精準位置，并對該位置區間進行強制賦零操作，抑制伴飛目標對雷達副通道形成的干擾，以提升單脈沖雷達的主要空間運動目標捕獲跟蹤能力，特別是在目標分離階段對空間弱小目標的捕獲效能。

1 空間目標捕獲過程分析

因單脈沖測量雷達的多目標捕獲跟蹤能力有限[5]，在非合作工作方式下，當單脈沖雷達遇到多目標情況時，容易丟失對空間主要感興趣目標的捕獲跟蹤，特別是在空間目標分離階段，單脈沖雷達難以及時捕獲空間主要目標，甚至出現跟蹤伴飛目標而丟失主要目標跟蹤的現象主要表現在以下兩個方面：一是多目標捕獲時間窗口短，傳統的單脈沖精密測量雷達僅能跟蹤3～5個目標，且這些目標必須處在同一波束內，而作為精密測量雷達，其天線波束一般較窄，而主要空間目標與其他空間伴飛目標速度一般差別明顯，導致多目標在雷達波束內共同駐留時間普遍較短，操作手辨識、捕獲空間主要目標的反應時間非常有限；二是單脈沖雷達的多目標識別及處理能力普遍較弱，基本依靠雷達操作手根據屏顯信息進行實時判別和選擇，所以在多目標捕獲及跟蹤方面效率普遍較低[6]。

1.1 空間主要目標捕獲方式

在非合作工作方式下，單脈沖雷達在空間目標分離階段的作業過程通常是：空間目標分離之前，雷達主通道保持對空間目標信號的穩定跟蹤；分離開始后，依據信噪比優先原則，主通道在無外界干預的情況下會自動保持對主要目標信號的跟蹤，在主要目標信號與伴飛目標信號不斷拉開距離時，操作手要及時識別出主要目標信號；當分離距離達到雷達距離分辨力時，雷達操作手即刻使用副通道對空間主要目標進行手動捕獲，完成跟蹤后快速進行主副通道目標切換，實現單脈沖雷達對空間主要目標的捕獲及跟蹤[7]。

1.2 目標捕獲過程分析

受雷達工作體制所限，難以改變時間窗口，但雷達后端多目標處理能力弱的問題可以通過在信號處理環節增加適當的多目標處理方法加以改善[8]，而研究采用單脈沖雷達副通道精準區間強制賦零方法，可以改進單脈沖雷達通道多目標工作方式，提升多目標捕獲跟蹤能力，有效提高空間目標分離過程單脈沖雷達捕獲跟蹤主要空間目標的效率。

假設某雷達共有一主三副4個測量通道，能夠同時跟蹤和測量同波束內多個目標，其4個通道設計的工作方式如表1所示。

表1 雷達各通道設計工作方式

雷達對目標信息的提取和處理主要是在信號處理分系統完成[9]，多目標工作原理如圖1所示。信號處理分系統各通道采用串行工作方式，其工作過程是：首先確定主目標，并使用主通道搜索波門進行搜索跟蹤，當主通道完成目標跟蹤后，使能副1通道搜索波門，在副1通道完成目標跟蹤后，使能副2通道搜索波門，以此類推。但前級通道在完成目標跟蹤后，并未對已跟蹤目標進行屏蔽，使得已完成跟蹤目標數據繼續向下一級傳遞，而該雷達設計規則又允許不同通道能夠以相同方式跟蹤同一目標，因此雷達捕獲跟蹤多目標工作情況下，副通道經常在前級通道已跟蹤目標的情況下反復捕獲已跟蹤目標的現象。

圖1 雷達信號處理分系統工作原理

假設在空間目標分離階段，雷達主波束內出現了三個目標，則各通道信號處理單元的輸入信號數據為圖2所示(其中目標0為主要伴飛目標，目標1為主要目標信號，目標2為其它伴飛物)，主通道會自動捕獲主要伴飛目標，并且一般會穩定持續跟蹤，但在副1通道捕獲空間主要目標時就會不可避免地出現主要伴飛目標重復捕獲及跟蹤的問題。其原因主要有：一是主要伴飛目標尺寸遠大于空間主要目標，因此主要伴飛回波信號比空間主要目標回波信號一般至少強幾十分貝；二是空間主要目標與主要伴飛目標在波束內共同駐留時間極其有限，所以一般情況下，只要兩者距離達到雷達距離分辨力，操作手即開始手動捕獲空間主要目標，此時操作時間相對充足，但錯誤跟蹤空間主要目標的風險相對較高，如圖3(圖中δ為雷達最小分辨距離)所示；三是受空間各種目標姿態變化、大氣傳播路徑變化、無線電信號多徑干擾等因素影響，雷達屏顯圖像中目標回波信號起伏閃爍較為嚴重，導致雷達操作手在手搖波門過程中無法有效避開主要伴飛目標的強干擾。

圖2 雷達各通道輸入數據示意圖

圖3 副通道搜索波門內目標示意圖

在副通道錯跟主要伴飛目標后，需要立即對錯跟目標進行手動清除，再重新對空間主要目標進行手動捕獲，由于所有動作都是雷達操作手通過手動搖桿+按鍵方式完成，所以在空間目標分離階段，副通道通常會多次重復鎖定主要伴飛目標并被手動清除，導致單脈沖雷達捕獲空間主要目標效率很低，常會出現丟失空間主要目標現象。同理，當主通道、副1通道完成目標捕獲跟蹤后，副2及其隨后通道在目標捕獲時亦存在同樣問題，大幅削弱了單脈沖雷達的多目標捕獲跟蹤能力。

2 基于副通道精準區間強制賦零的目標捕獲實現方法

該方法在單脈沖雷達副通道原信號處理單元之前增加一個預處理單元[10]，如圖4所示，在本通道信號數據處理時對雷達前級各通道已跟蹤目標進行精準定位并強制賦零，以消除其對本通道搜索波門捕獲目標時造成的干擾。

圖4 副通道預處理單元設計原理圖

在雷達信號處理系統采用DSP編程技術[11]，實現基于副通道精準區間強制賦零，副通道預處理單元程序流程圖，如圖5所示。

具體實現步驟如下：

第1步：對本通道待處理數據序列中前級通道已完成跟蹤目標進行精準定位[12]。單脈沖雷達在多目標工作情況下，同一目標在不同通道間具有固定的位置映射關系，根據這一關系進行相關計算，可以得到雷達已跟蹤目標在本通道的精確位置。在空間目標分離階段，雷達主通道、副1通道和副2通道同時工作時，信號處理分系統輸入的目標信號數據流按順序打包傳送(見圖6)，其中主通道數據共1285點，副通道數據分別為805點。當主通道完成對主要伴飛目標的自動跟蹤后，目標0將自動被置于主通道中心位置，其第640～646共七個點的數據為主要伴飛目標數據，通過映射關系可知，副通道數據序列中第400～406點的數據為主要伴飛目標。

圖5 副通道預處理單元程序流程圖

圖6 雷達各通道目標數據傳輸順序

第2步：對副通道待處理數據序列中主要伴飛目標進行強制賦零操作。主要伴飛目標數據寬度取為本通道數據中心位置點再加左右各三個點的區間，距離維上能覆蓋主要伴飛目標中心點左右數十米，通過程序操作對該區間內數據全部賦零，如圖7所示。由圖7可知，經過副1通道預處理單元后，數據中的目標0信號被強制賦零，徹底屏蔽了主要伴飛強信號對副1通道搜索波門捕獲空間主要目標(目標1)時的干擾。同理，在副2通道進行目標捕獲時，其預處理單元對目標0和目標1同時進行了賦零操作。

圖7 預處理單元賦零操作示意圖

第3步：對賦零區間進行噪聲回填處理。賦零操作在屏蔽特定目標的同時，將該區間內噪聲徹底消除，而在預處理單元之后，信號處理系統進行以信噪比為判別依據的目標檢測，賦零區間很可能導致信噪比異常情況出現，因此為保證后續單元正常工作，預處理單元在賦零操作完成后對賦零區間進行噪聲回填處理，具體實現方法為：讀取本通道雷達工作方式，查找并獲取該方式對應的噪聲統計電平值，將該值填充至賦零區間，如圖8所示。

圖8 賦零區間噪聲回填處理示意圖

綜上可知，在空間目標分離階段，預處理單元有效剔除了雷達副通道重復出現的主要伴飛目標的回波信號，徹底抑制了其在空間主要目標捕獲過程中造成的強伴隨干擾，使雷達副通道搜索波門能夠高效工作，提高了單脈沖雷達在復雜場景下的多目標捕獲跟蹤能力和效率。

3 結束語

本文提出在空間目標分離階段，采用副通道精準區間強制賦零方法，解決了單脈沖雷達在空間目標分離階段時出現的副通道主要伴飛目標干擾問題，減少了單脈沖雷達操作手在捕獲空間主要目標過程中的復雜度和工作量，在有限的主要目標捕獲窗口內為操作手保證了更多的有效時間，提高了單脈沖雷達在空間目標分離階段對空間主要目標的捕獲效能。而且，在雷達工作于多目標捕獲跟蹤場景時，尤其是在空間目標分離為多目標群內捕獲相對感興趣的弱小目標時，該方法適用性較好、效果明顯。