基于偵察幅度信息的雷達行為及特征分析

宋新超，吳連慧，王星宇

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

雷達偵察設備測量的脈沖幅度(PA)信息[1]反映的是雷達輻射源相對于偵察設備功率的大小，而雷達電磁波到達偵察設備的功率變化又反映了雷達天線的波束指向或掃描方式的改變。因此，通過分析雷達幅度的強弱變化可以挖掘雷達波束變化規律以及搜索、跟蹤特性，進而推斷雷達目標的行為、意圖以及模式變化規律。

1 基于幅度信息的雷達掃描特征分析

通過幅度信息來判斷雷達處于跟蹤或搜索狀態，是最常用的方法。通常原則是幅度值恒定不變(或小范圍起伏)，可以判定為跟蹤，而幅度大范圍起伏變化，則基本可以判定為搜索狀態。目前雷達常見的幾種規則掃描方式包括圓掃、扇掃、錐掃等[2]，如圖1所示。

圖1 雷達掃描特性示意圖

對搜索體制雷達的掃描特性分析[3]通常有2種方法：一是通過計算相鄰2個雷達掃描包絡的首脈沖到達時間間隔來獲得掃描周期，如圖2(a)；另一種方式是首先找到包絡中幅度最大的脈沖，即包絡波峰，然后計算波峰之間到達時間間隔，即為掃描周期，如圖2(b)。方法一實現簡單，只需記錄截獲包絡的首脈沖到達時間，不需要區分主副瓣，但是在雷達功率較大時，會出現較長的副瓣且不穩定。如圖3所示的外場實際采集的雷達掃描包絡圖，這樣計算得到的掃描周期存在較大的誤差，甚至無法獲得穩定的掃描周期。而方法二利用包絡主瓣波峰的時間差來計算掃描周期，能夠避免因副瓣丟失或不穩定造成的計算誤差，從而獲得較為精確的掃描周期值。

圖2 掃描周期示意圖

圖3 超長雷達副瓣

2 基于幅度信息的末制導雷達行為特征分析

通常導彈末制導雷達工作模式轉變示意圖如圖4所示。雷達在搜索、小搜、跟蹤等行為轉變過程中，其相對于偵察設備的功率會發生變化。因此利用偵察設備測量的雷達幅度變化特征，可快速確定威脅目標當前的行為方式以及對我方的威脅程度。

圖4 末制導雷達工作模式轉換示意圖

對末制導雷達的行為識別過程如圖5所示，首先從偵察設備獲取威脅輻射源脈沖序列，生成幅度隨時間變化的波形，對這個幅度波形提取幅度直方圖、峰值、谷值以及峰值之差、谷值之差等參數，綜合利用這些參數特征可對末制導雷達的行為進行識別。具體步驟如下：

圖5 對末制導雷達的行為識別示意圖

(1) 計算幅度直方圖。將參數匹配的脈沖串的幅度依次添加到直方圖中，直方圖橫軸為幅度值，縱軸為脈沖個數。統計后的幅度直方圖如圖6所示。

圖6 搜索和跟蹤目標的幅度直方圖示意圖

(2) 提取幅度峰值和谷值。采用統計學中的“百分位數”方法進行幅度峰值(Amax)和谷值(Amin)提取，剔除異常值對幅度峰值和谷值的影響，設脈沖串脈沖數為N。獲取的幅度峰值(Amax)、幅度谷值(Amin)如圖6所示；采用“百分位數”進行幅度峰值提取的流程圖如圖7(a)所示，進行幅度谷值提取的流程圖如圖7(b)所示。

(3) 分類判決。設置幅度容差ΔA(如5 dB)，根據幅度峰值、谷值與幅度容差之間的關系，進行搜索狀態和跟蹤狀態判斷。

① 計算相鄰2個時間片t的Amax的變化量和Amin的變化量：

Amax的變化量：dAmax=Amax(t)-Amax(t-1)；

Amin的變化量：dAmin=Amin(t)-Amin(t-1)；

分別統計2 s時間段內dAmax和dAmin的值：若存在|dAmax|>ΔA或|dAmin|>ΔA，判斷為搜索狀態；若|dAmax|<ΔA且|dAmin|<ΔA，判斷為跟蹤狀態。

圖7 幅度峰值和幅度谷值提取流程圖

圖8 雷達行為識別驗證

如圖8所示，左側為外場采集的某雷達脈沖幅度數據，右側為提取的dAmax和dAmin值以及判斷結果?？梢?，采取幅度統計的方法能夠對雷達行為進行有效識別。

3 基于幅度信息的相控陣雷達波束特征分析

3.1 相控陣天線波束離散掃描的工作方式

與常規的機械掃描天線不同，相控陣雷達既要完成搜索任務，同時又要完成跟蹤任務[4]，其通過調整陣面上各陣元之間的相對相位來實現波束掃描，并通過時間資源的分配實現波束之間的駐留和切換，因此相控陣天線一般具有“駐留—切換—駐留”的離散掃描工作方式。

相控陣天線離散掃描的工作方式將導致偵察接收機截獲的信號具有階梯型的幅度特征。如圖9(a)所示，偵察接收機對天線的旁瓣進行接收，在波束指向方向1并駐留期間，天線增益保持不變，偵察接收機截獲到一串相同幅度的脈沖列信號；波束切換到方向2后，由于天線陣面上的相位分布發生改變，整個天線的方向圖隨之發生變化，波束切換后的方向圖如圖9(a)中虛線所示。可見，在波束切換前后的很短時間內，在偵察接收機方向，天線的增益發生了改變，這將導致接收信號幅度相應地發生跳變，得到如圖9(b)所示的階梯型的脈沖幅度序列，幅度跳變的時刻對應波束指向切換的時刻。圖10為偵察設備外場采集的真實相控陣雷達幅度數據，其規律與上述描述一致。

圖9 相控陣波束掃描及幅度關系示意圖

圖10 相控陣雷達幅度圖

3.2 波形單元提取

相控陣雷達通過執行一系列的雷達任務來實現雷達功能，不同的雷達任務一般對應著不同的波束指向，并在該波束的駐留期間發射一個或多個波形單元。因此，在波束指向切換前后，發射的波形單元也隨之改變，如圖11所示。波形單元的改變一般與相控陣天線波束指向的切換同步發生，波束指向的切換將導致截獲信號的幅度發生跳變。因此，可以用信號幅度發生跳變的時刻作為邊界，將截獲信號劃分成多個區域，每個區域對應一個波形單元，實現波形單元提取。

4 結束語

本文介紹了基于幅度信息的雷達行為及特征分析的3種典型用法，并結合外場實際數據對相關內容進行了驗證和說明。由于電磁波在傳輸過程中受環境及多徑影響較大，測量存在較大誤差，目前幅度信息沒有得到充分利用。因此對偵察設備而言，一方面要提高偵察接收機信號檢測能力，另一方面要加強對幅度信息的特征挖掘，進一步提高偵察設備對目標特征的感知能力。

圖11 波形單元提取示意圖