主動防護雷達多徑效應(yīng)抑制方法

馬 可 李慧敏 張漢光 王 毅

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

主動防護雷達是坦克、裝甲車輛硬殺傷主動防護系統(tǒng)[1]的重要組成部分，主要功能是探測一定區(qū)域內(nèi)的高速運動目標(biāo)，精確測量目標(biāo)距離、方位、俯仰和速度，判斷目標(biāo)威脅性，對測量數(shù)據(jù)進行濾波處理，輸出濾波數(shù)據(jù)，為火控解算提供數(shù)據(jù)源。由于觀測目標(biāo)的軌跡通常是貼地飛行，因此探測時的多徑效應(yīng)嚴(yán)重影響著雷達的精度，從而導(dǎo)致主動防護系統(tǒng)攔截效率降低。

雷達的多徑效應(yīng)抑制技術(shù)可以根據(jù)不同雷達的應(yīng)用場景綜合實現(xiàn)[2]。本文針對主動防護雷達的應(yīng)用特點，從數(shù)據(jù)處理方面入手，通過實測數(shù)據(jù)分析，提出了一種基于分組選擇算法的多徑抑制方法，該方法可以有效降低多徑效應(yīng)對主動防護雷達的影響。

1 多徑效應(yīng)影響分析

主動防護系統(tǒng)是坦克裝甲車輛用于攔截、摧毀或迷惑敵方來襲彈藥，使之不能命中的自衛(wèi)系統(tǒng)。系統(tǒng)由以下三大部分組成：第一部分是戰(zhàn)場威脅探測告警系統(tǒng)，負(fù)責(zé)感知車輛所受的戰(zhàn)場威脅；第二部分是信號處理及決策系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對威脅信號進行處理、分析并做出對抗決策；第三部分是綜合對抗系統(tǒng)，負(fù)責(zé)響應(yīng)決策執(zhí)行對抗。對于攔截型主動防護系統(tǒng)，其對抗形式是利用中近距離反導(dǎo)防御系統(tǒng)，在敵方彈藥擊中車輛前對其進行攔截和摧毀[3]。

為保證攔截彈藥準(zhǔn)確地與來襲目標(biāo)交會，進而對其造成毀傷，需要獲得來襲目標(biāo)的距離、速度、方位等信息。通常利用安裝在坦克裝甲車輛不同方位的多部主動防護超近程探測雷達，來實現(xiàn)對于車體周向的全方位探測[4]。

本課題設(shè)計的主動防護系統(tǒng)主要工作流程如圖1所示。當(dāng)坦克裝甲車輛進入作戰(zhàn)狀態(tài)后，主動防護雷達進入搜索狀態(tài)，對作用范圍內(nèi)的區(qū)域進行目標(biāo)搜索，此時雷達對探測到的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有目標(biāo)攻擊車輛時，轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)并向系統(tǒng)主控制器輸出經(jīng)過濾波的航跡數(shù)據(jù)；主控制器收到雷達給出的數(shù)據(jù)后，進行航跡擬合與彈道外推，并利用外推數(shù)據(jù)調(diào)轉(zhuǎn)攔截彈藥發(fā)射器，使攔截彈對準(zhǔn)目標(biāo)的來襲方向，經(jīng)過火控解算適時發(fā)送點火信號發(fā)射攔截彈藥對來襲目標(biāo)進行毀傷[5]。

圖1 主動防護系統(tǒng)工作流程

由于主動防護雷達安裝在車體上，安裝高度很低，而且探測目標(biāo)主要是貼地飛行的反坦克火箭彈、導(dǎo)彈等，使得目標(biāo)直接回波和地面反射回波共同進入接收天線，形式上相當(dāng)于雷達同時探測到兩個目標(biāo)：真實目標(biāo)和其鏡像。多徑效應(yīng)[6]使得這兩個目標(biāo)的回波信號疊加，且疊加模式隨著距離而起伏變化，導(dǎo)致俯仰測角值精度降低[7]，如圖2所示。俯仰測角精度低會使得攔截彈藥發(fā)射器調(diào)轉(zhuǎn)不到位，最終會導(dǎo)致主動防護系統(tǒng)攔截概率降低。

圖2 主動防護雷達多徑效應(yīng)

為了具備對同一方向來襲目標(biāo)的多次攔截能力，現(xiàn)代主動防護系統(tǒng)攔截彈藥發(fā)射器逐漸由固定安裝式向隨動轉(zhuǎn)臺式發(fā)展[8-9]。因此，主動防護雷達需要提供精確的目標(biāo)信息，才能保證主動防護系統(tǒng)的攔截概率。所以必須克服多徑效應(yīng)對主動防護雷達的影響。

2 多徑效應(yīng)抑制方法

多徑效應(yīng)對于雷達的俯仰測角影響較大[10]。地面發(fā)射的反坦克火箭彈、導(dǎo)彈的飛行高度一般與坦克裝甲車輛底盤高度相當(dāng)。雷達在探測此類貼地飛行的高速小目標(biāo)時，受多徑效應(yīng)影響，俯仰測角出現(xiàn)高低起伏，測角性能惡化[11]，部分情況下無法滿足攔截系統(tǒng)精度要求。通常抑制多徑效應(yīng)的方法有：提高雷達高度[12]、偏軸跟蹤技術(shù)[13]、采用垂直極化[14]等，本課題在采用了上述方法后，經(jīng)過外場試驗采集數(shù)據(jù)表明，多徑效應(yīng)對雷達的影響有所改善。但在某些環(huán)境下，仍然不能滿足主動防護系統(tǒng)對雷達俯仰測角精度的要求。主動防護雷達在采用上述抑制多徑效應(yīng)方法后的某次俯仰角實測結(jié)果如圖3所示。

圖3 實測俯仰角數(shù)據(jù)

由于雷達使用環(huán)境已經(jīng)確定，上述抑制多徑效應(yīng)的方法只能起到部分作用。因此，考慮在將航跡數(shù)據(jù)輸出給主控制器前，通過數(shù)據(jù)處理的方法，用分組選擇算法將受多徑效應(yīng)影響的俯仰角測角野值剔除、真值保留，以達到抑制多徑效應(yīng)的效果。該分組選擇算法的步驟如下：

1)將主動防護雷達測量得到的原始俯仰角數(shù)據(jù)前M個依次做差，并記錄差值與數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系；

2)將得到的差值從小到大進行排序，將差值按照一定間隔將M個數(shù)據(jù)分成N組；

3)統(tǒng)計N組內(nèi)每組數(shù)據(jù)點的個數(shù)；

4)將數(shù)據(jù)點最多的那一組數(shù)作為真值，并進行平滑濾波；

5)從第M+1個數(shù)據(jù)開始向主控制器輸出濾波后的航跡數(shù)據(jù)；

6)第M+1個數(shù)據(jù)后，每次數(shù)據(jù)處理時將俯仰角數(shù)據(jù)與之前時刻俯仰角數(shù)據(jù)的濾波值進行做差，觀測差值是否穩(wěn)定，如異常即剔除，并進行外推。

步驟2中的數(shù)據(jù)間隔可以通過應(yīng)用文獻[15]中的自適應(yīng)門限選擇法來確定。步驟4中的平滑濾波可以利用最小二乘法[16]來實現(xiàn)。采用上述分組選擇算法進行俯仰角數(shù)據(jù)處理后，可以有效降低多徑效應(yīng)對雷達探測的影響。在實際處理中，應(yīng)結(jié)合雷達測量目標(biāo)的其它信息，進行綜合的數(shù)據(jù)處理。

3 實測結(jié)果

將上述基于分組選擇算法的多徑效應(yīng)抑制方法集成到主動防護雷達數(shù)據(jù)處理軟件中，并在不同的試驗場地對其進行測試，試驗中的目標(biāo)為距離地面高度1～2 m的高速小彈丸。試驗中選取M=21。圖4、5、6、7分別為主動防護雷達在平坦的草地、柏油路、凹凸不平的草地以及戈壁灘的試驗場地實測俯仰角原始數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)對比圖。

圖4 平坦的草地

圖5 柏油路面

圖6 凹凸不平的草地

圖7 戈壁灘

從不同試驗場地的試驗實測結(jié)果來看，不同場地的多徑效應(yīng)對雷達俯仰角原始數(shù)據(jù)的影響不同。在采用了上節(jié)多徑效應(yīng)抑制方法后，主動防護雷達向主控制器輸出的俯仰角數(shù)據(jù)平穩(wěn)，不同試驗場地的俯仰測角精度對比如表1所示。從表1中可以看出，經(jīng)過上節(jié)方法處理的數(shù)據(jù)精度明顯提高。

表1 俯仰測角精度對比

4 結(jié)束語

多徑效應(yīng)對于主動防護雷達俯仰測角精度影響較大。采用基于分組選擇的俯仰角數(shù)據(jù)濾波算法，并結(jié)合常用的抑制多徑效應(yīng)的方法，可以使雷達的俯仰角測量精度提高。并通過在不同環(huán)境條件下的外場試驗，驗證了該方法的有效性。這種方法已經(jīng)在某型主動防護雷達中得到了工程應(yīng)用。