抑制單脈沖雷達(dá)角閃爍方法研究?

鄭守鐸 張雷雷 范慶輝

（1.92941部隊(duì) 葫蘆島 125001）（2.北京遙感設(shè)備研究所 北京 100854）

1 引言

隨著精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，末制導(dǎo)雷達(dá)定位精度不斷提高。根據(jù)理論和實(shí)踐分析，在遠(yuǎn)距離上，由熱噪聲引起的角度測(cè)量誤差是主要誤差成分，而在近距離上，目標(biāo)角閃爍引起的測(cè)角偏差占主導(dǎo)地位［1～4］。

復(fù)雜目標(biāo)不同部位的散射強(qiáng)度和相對(duì)相位的隨機(jī)變化，造成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(dòng)必然引起測(cè)角誤差，即角閃爍。當(dāng)目標(biāo)接近雷達(dá)時(shí)，角閃爍大小可能使雷達(dá)指向目標(biāo)尺寸外，角閃爍成為目標(biāo)近距離跟蹤的主要跟蹤誤差源［5～6］，因此必須對(duì)角閃爍進(jìn)行有效抑制，以提高末制導(dǎo)雷達(dá)的定位精度。

文獻(xiàn)［7～8］研究了加權(quán)測(cè)角方式抑制角閃爍的方法，在抑制艦船目標(biāo)的角閃爍時(shí)獲得了良好的結(jié)果，文獻(xiàn)［9］引入中值濾波抑制角閃爍。針對(duì)近距離艦船目標(biāo)回波MTD處理后，艦船目標(biāo)跨越多個(gè)多普勒單元，使用區(qū)域平均加權(quán)方法解算角誤差，再對(duì)測(cè)角結(jié)果以小窗口中值加權(quán)濾波方式進(jìn)行處理。

2 振幅和差式單脈沖測(cè)角原理

振幅和差式測(cè)角原理［10～12］是在同一角平面內(nèi)發(fā)射兩個(gè)相同但部分重疊的波束，將其接收信號(hào)進(jìn)行和差處理。如果目標(biāo)處于兩波束的重疊方向（稱為等信號(hào)方向），則兩波束收到的信號(hào)強(qiáng)度相同，否則一個(gè)波束收到的信號(hào)強(qiáng)于另一波束收到的信號(hào)。

假設(shè)系統(tǒng)中不存在幅度或相位不平衡，天線和差器的兩個(gè)輸入端的信號(hào)為式（1）、式（2）中，A為雷達(dá)方程決定的常數(shù)，θ0為波束偏角，F(xiàn)(θ)為雷達(dá)波束方向性函數(shù)，ε為目標(biāo)偏離等信號(hào)強(qiáng)度點(diǎn)的角度，φ為回波信號(hào)初始相位為歸一化常數(shù)（角誤差斜率）。

一般來說，和差信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字下變頻、正交解調(diào)后，和差信號(hào)分解為同相和正交相兩部分，角誤差可表示為

一般來說解算角誤差使用的是非相參積累或相參積累以后的數(shù)據(jù)，本文計(jì)算角誤差使用的是相參積累后的數(shù)據(jù)。

多個(gè)脈沖積累可以有效地提高信噪比，從而改善雷達(dá)的檢測(cè)能力，在檢波前的積累稱為檢波前積累或中頻積累。信號(hào)在中頻積累時(shí)要求信號(hào)間有嚴(yán)格的相位關(guān)系，即信號(hào)是相參的，所以又稱為相參積累。零中頻信號(hào)保留了相位信息，可實(shí)現(xiàn)相參積累，這是當(dāng)前比較常用的方法，它將接收到的N個(gè)回波經(jīng)過相參積累后達(dá)到同相疊加的目的。

對(duì)于接收到的N個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖分別給出n個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)脈沖中第i個(gè)（1≤i≤n）樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置相同，以保證其相位相同，將N個(gè)脈沖縱向累加，即相參積累。對(duì)相參積累結(jié)果進(jìn)行求模所形成的三維圖反映了目標(biāo)的距離-多普勒特性，所以此圖也稱為R-D圖。

3 跟蹤點(diǎn)選擇

回波幅度最大的散射中心作為跟蹤點(diǎn)能抑制其它散射點(diǎn)對(duì)測(cè)角精度的影響，但如果回波幅度最大的散射中心其回波幅度隨彈目的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或目標(biāo)姿態(tài)的改變而起伏不定，會(huì)導(dǎo)致測(cè)角誤差偏大，甚至角跟蹤失敗。

而艦船目標(biāo)在R-D圖上一般要跨越幾個(gè)多普勒單元，選最大值點(diǎn)并不能完全使用R-D圖信息，而合理使用R-D圖信息才可減小目標(biāo)的幅度起伏、角閃爍等的影響，獲得穩(wěn)定的角跟蹤效果。

以和通道最大值的0.8倍作為門限，過門限的點(diǎn)保留，差通道選擇與和通道對(duì)應(yīng)的位置，使用這些點(diǎn)分別計(jì)算角誤差，若共取得N個(gè)角誤差信號(hào)序列，每個(gè)角誤差信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)視在位置，用點(diǎn)(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xN，yN)表示，并用 (xm，ym)表示 N個(gè)回波的加權(quán)中心，Ai表示每個(gè)回波的幅度，則

式（6）、（7）中，W(Ai)是對(duì)應(yīng)點(diǎn) (xi，yi)的加權(quán)幅度。

上式可寫成：

由于W(Ai)除以任何因子都不影響(xm，ym)，因此，權(quán)函數(shù)W(Ai)可以歸一化。

若以角誤差形式表示，則上式可改寫為

文獻(xiàn)［3］中提出抑制角閃爍比較好的方法是將各角誤差平均加權(quán)作為輸出的角誤差，即：

4 改進(jìn)的中值濾波方法

中值濾波可對(duì)長(zhǎng)拖尾概率分布的噪聲起到良好的平滑效果，且其運(yùn)算量小，在工程上廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［9］采用標(biāo)準(zhǔn)中值濾波方法抑制角閃爍，標(biāo)準(zhǔn)中值濾波對(duì)濾波窗口內(nèi)數(shù)據(jù)做排序（由小到大或由大到小），取排序后的數(shù)據(jù)中位于中間的元素的值（所謂的中值）作為輸出值。但標(biāo)準(zhǔn)中值濾波僅僅使用了鄰域的統(tǒng)計(jì)信息，破壞了鄰域的空間和結(jié)構(gòu)信息，為此本文使用一種改進(jìn)的中值濾波算法，以降低標(biāo)準(zhǔn)中值濾波對(duì)鄰域空間和結(jié)構(gòu)信息的破壞。

改進(jìn)的中值濾波算法為：對(duì)濾波窗口內(nèi)數(shù)據(jù)做排序（由小到大），取排序后的數(shù)據(jù)中位于中間的元素值及前后各一個(gè)元素，并采用以下加權(quán)方式計(jì)算出濾波值。

Mk為εk對(duì)應(yīng)目標(biāo)區(qū)域的最大值。

本文在仿真時(shí)濾波窗口選為11，則改進(jìn)算法可以表示為

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用某雷達(dá)照射8km、6km處運(yùn)動(dòng)的艦船所采集到的數(shù)據(jù)，由于海面波動(dòng)使船發(fā)生顛簸，船的姿態(tài)變化復(fù)雜，使船的起伏和角閃爍均較強(qiáng)。

圖1 艦船在8km處計(jì)算出的角閃爍

圖1 （a）中角誤差平均法角閃爍的均方差為6.5259m，圖1（b）中角誤差平均和標(biāo)準(zhǔn)中值濾波法聯(lián)合使用角閃爍的均方差為6.0519m，圖1（c）中角誤差平均和改進(jìn)中值濾波法聯(lián)合使用角閃爍的均方差為5.9304m；圖2（a）中角誤差平均法角閃爍的均方差為9.2051m，圖2（b）中角誤差平均和標(biāo)準(zhǔn)中值濾波法聯(lián)合使用角閃爍的均方差為7.9273m，圖2（c）中角誤差平均和改進(jìn)中值濾波法聯(lián)合使用角閃爍的均方差為7.8061m；由此可見角誤差平均和標(biāo)準(zhǔn)中值濾波聯(lián)合使用可有效降低角閃爍效應(yīng)，而改進(jìn)的中值濾波方法降低標(biāo)準(zhǔn)中值濾波對(duì)鄰域空間和結(jié)構(gòu)的破壞，在保留角誤差細(xì)節(jié)的同時(shí)改善了角閃爍的抑制能力。

圖2 艦船在6km處計(jì)算出的角閃爍

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)近距離艦船目標(biāo)回波進(jìn)行相參積累處理后，艦船目標(biāo)一般要跨越幾個(gè)多普勒單元，區(qū)域均勻加權(quán)法跟蹤點(diǎn)選擇方法可以抑制角閃爍；改進(jìn)的中值濾波方法降低標(biāo)準(zhǔn)中值濾波對(duì)鄰域空間和結(jié)構(gòu)的破壞，在保留角誤差細(xì)節(jié)的同時(shí)改善了角閃爍的抑制能力，此方法可有效減小目標(biāo)角閃爍對(duì)跟蹤的影響。