单脉冲雷达角度跟踪技术研究.docx

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单脉冲雷达角度跟踪技术研究

单脉冲雷达角度跟踪技术研究

【摘要】简单介绍了单脉冲雷达的特点及工作原理，重点分析了多部干扰机对单脉冲雷达的角度干扰问题，并对相干干扰和非相干干扰的干扰效果进行了讨论，指出两点源非相干干扰是实际工程中一种比较理想的干扰方式。

【关键词】单脉冲雷达、角度跟踪、相干干扰、非相干干扰

一、引言

对雷达进行干扰要对准雷达的四个系统：

显示系统、距离跟踪系统、速度跟踪系统和角度跟踪系统。

在雷达发展的早期，只要对前三个系统中的一个（或两

个）系统进行有效地干扰，就可达到破坏雷达角跟踪系统正常工作的目的。

现在随着新体制雷达的出现和抗干扰技术的不断提高，尤其是单脉冲雷达体制的出现，使很多干扰技术难以奏效。

本文以振幅和差式单脉冲雷达为例，讨论了用多部干扰机对单脉冲雷达实施干扰的情况。

二、分析

1.单脉冲雷达

定义

单脉冲雷达是指由单个回波脉冲即可获得目标空间角信息的雷达。

特点

单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。

它有较高的测角精度、分辨率和数据率，但设备比较复杂。

单脉冲雷达早在60年代就已广泛应用。

美国、英国、法国和日本等国军队大量装备单脉冲雷达，主要用于目标识别、靶场精密跟踪测量、弹道导弹预警和跟踪、导弹再入弹道测量、火箭和卫星跟踪、武器火力控制、炮位侦察、地形跟随、导航、地图测绘等；在民用上主要用于中交通管制。

目前使用的单脉冲雷达基本上都实现了模块化、系列化和通用化，具有多目标跟踪、动目标显示、故障自检、维修方便等特点。

分类

根据从回波中获取角信息的方式（测角法）不同，单脉冲雷达可分为振幅法（比幅）、相位法（比相）和综合法（振幅相位）3种。

这3种测角法又可用3种角度鉴别器（振幅式、相位式、和差式）中的任何一种来获得目标的角度信息，因此综合起来有9种形式的单脉冲雷达系统，其中以振幅和差式单脉冲雷达系统用的最多。

通常分为有振幅比较单脉冲雷达和相位比较单脉冲雷达两大类。

工作原理

单脉冲雷达每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出

目标的高低角和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实现对目标的测量和跟踪。

它具有圆锥扫描雷达所没有的优点：

获得角误差信息的时间短（以微秒计算）；不受回波振幅起伏变化的影响；测角精度高（0.1〜0.5mil）；测角支路抗幅度调制干扰（如回答式倒相干扰）的能力强。

振幅和差式单脉冲雷达系统的基本工作原理：

将两个比幅天线方向图所得的幅度不同的信号经过和差变换器之后，再把和信号（U刀）、差信号（UA）加到鉴相器得出差信号。

2雷达角跟踪技术

2.1信号处理和测量技术PD采用一种合适的且可以适当改变的配置方式及数据处理算法，可成功的实现跟

踪低仰角目标。

假定一种处理算法，地面的反射系数应有一个确定的模型（如镜

面反射和几何光学原理），重要的是要估计这样的算法偏离假定的反射模型的灵敏度如何。

在一个真实系统中，这样的偏差肯定会发生。

即使是光滑的镜面表面（理想的镜面反射），当雷达位于几倍天线直径大的该表面时，由物理光学原理即菲涅尔区，也需要校正。

关键的问题是，在反射的雷达信号中有多少是未知量，要确定这些未知量，雷达需要测量的量是多少，很明显，在多路径效应下，未知数的数量会增加。

雷达必须做更多的测量才能获得反射平面的信息以鉴别目标的真实仰角。

但是更多的工作是需要找到最优的算法，需要确定它们对不同反射系数模型的灵敏度。

冃标

目标癖

图I从平坦地面镜面反射产生的多路径问题示意图

下面介绍一种基于多路径信号传播模型的目标高度估计值。

如图i所示的平坦地

球表面反射几何模型，多路径回波理论上可以分解成3个部分，用多路径模型表

示为

KD=fi（O-2pSU-rm）+825（:

-2rJ

（1）

式中：

p表示镜面反射系数模型；r表示多路径延时

—宀—⑵

式中：

Hr和Ht分别表示雷达天线高度和目标高度；F为目标到雷达的径向距离。

如果已知Tm则可以通过式⑵直接计算出目标的高度，但由于r远比Tm目标的径向尺度小，3部分回波实际上是叠加在一起的，因此直接通过目标高分辨测量多路径延时是不可能的。

考虑到多路径分量与主路径分量在时间域的强相关作用可以通过目标像（含多路径分量）的自相关函数来估计Tm

心心⑴〕=5（0）-4p3（rJ^6p28（2tJ-

4/讯3匚）十讥（4丁J⑶

2.2频率捷变技术

雷达工作频率动态变化的能力有助于改善低角跟踪性能。

通常的低角跟踪问题只有当目标和它的镜象之间的距离小到多普勒滤波和距离波门不能把目标分离出来时，才会遇到。

因此根据接收到的信噪比通过合适的频率变化，一部带宽非常

宽的雷达就能把目标和镜像信号分开。

这些动态一一相移技术是与频谱展宽技术密切相关的，特别是对着扫描区域进行精确跟踪时，更为突出。

要完成这个工作，一种方法就是递归地估计出目标距离、高度和反射信号相位，并根据这些估计出目标和镜象的高度差。

于是我们可选择下一个试探频率以改变相对相位使得天线信号交替地变为极大和极小。

这样，我们并不是根据天线的位置来获得目标高度，而是根据频率差、距离测量值和已知的雷达站的几何关系求出目标高度。

拓宽捷变频率范围、提高捷变频率速度和向自适应方向发展是频率捷变雷达的发展趋势。

自适应抗干扰频率捷变雷达能测出干扰信号频谱中的最弱点频率，并能自动地快速捷变到这一频率。

自适应频率捷变跟踪雷达还能自动跳到回波幅度最强即角误差最小的频率。

目前，人们正在研究把频率捷变同自适应旁瓣对消技术结合起来，以便同时具备对抗自备式干扰机和掩护式干扰机的能力。

2．3双波段组合技术通常可利用高频窄波束雷达与常规跟踪雷达组合一体的技术来克服多路径效应。

用于阻止多路径信号进入天线的最简单的方法是采用极窄的波束宽度，以防止波束全部打地，从而避免接收多路径反射信号，但是极窄波束将导致捕获时间较长，而且对于常规火控雷达工作频率来说，还需要大口径天线。

将高频窄波束雷达与常规跟踪雷达有效的组合在一起，可以较好地弥补二者的不足。

常规跟踪雷达主要用于跟踪远距离目标，其波束宽，反应速度快，跟踪精度低。

当目标进入近距离时，高频窄波束雷达已获得足够的目标信息，系统转向高频率窄脉冲波段自动跟踪，其波束窄受多路径影响小，跟踪精度高。

通常窄波束雷达频率可在K波段和Ka波段之间选择，如图2所示。

图2X/Ka双波段组合式跟踪雷达

2.4雷达组网技术

把几个雷达站联成一体是改进整个系统性能，包括低角跟踪性能的一种有效方法。

由于目标的雷达反射截面积是仰角和波长的函数，目标运动时各站所对应的目标反射截面积是起伏的，从而影响单站对目标的捕获和跟踪，而通过对多部雷达特别是其中的低空补盲雷达所测数据进行融合处理，可以提高发现概率并获得稳定跟踪，从而改善低空性能。

首先一个或多个雷达站跟踪同一个目标，它将它们的垂直扫描误差信号进行混合平均，这样可将来自不相关的反射产生的误差信号进行有效的对消，而来自目标的直达信号可相干叠加。

这是能改善低角跟踪性能的一种比较简单的方法，特别是如果有两部以上的雷达跟踪同一个目标，即使只有一部在发射也是有用的。

然而多部发射能大大改善低角跟踪性能。

例如，考虑3

部单脉冲雷达站（以不同频率工作），它们正在跟踪同一目标，但它们以各自的频率用各自的接收天线各自获得有关仰角和差信号的回波脉冲强度方面的信息，它

们可以相互交换这种信息。

提高雷达组网技术，设计和建造新的雷达信息综合处理系统和信息分发系统，在结构上采用分布式来避免过于集中，使雷达网的工作效能更高，生存能力更强，避免战争中防空雷达全面瘫痪的局面。

3.用多部干扰机对单脉冲雷达的干扰

在角度系统不可分辨的角度范围内，出现两个或两个以上的目标或干扰源，就能破坏跟踪系统对目标（干扰源）的跟踪，这种方法叫多点干扰法。

根据各干扰源之间干扰信号的相位关系，多点干扰可分为3种不同的情况：

非相干干扰（两个干扰源在高频相位上是无关的）、相干干扰（两个干扰源在高频相位上存在一定的关系）和扫频干扰。

2.1非相干干扰

非相干干扰是由散布在空间的两个不相干的干扰源所产生的干扰。

假定单脉冲雷达天线的等信号方向和第一个干扰源Oj1第二个干扰源Oj2之间的夹角分别为B1、92,而两干扰源Oj、Oj2之间的夹角为△9，天线方向图为F（9）。

当天线A1、A2受到两干扰源Oj、Oj2和两目标同时作用时，它们分别为

=趴一JcosWjt+一cosc（>2f

n2=t/j+Jcosid,：

+6q+tf2）cosd>2£

（1）

杠（円）

图1单脉冲雷达跟踪系统天线方向图

式中：

U、w1为来自第一个干扰源Oj1的干扰信号振幅和角频率；U2、w2为来自第一个干扰源Oj2的干扰信号振幅和角频率；u1.u2同时包含干扰信号和回波信号。

加入到和支路的信号为u1+u2差支路的信号为u1-u2两者经过变频、中放、鉴相后输出的误差电压为（当厶9较小时，天线方向图F（9）在9=9。

处近似为线性）

■

~4KfdF（0d）[

L

系统跟踪在平衡位置时，误差电压uFD为零，这时可以解得

从式（3）可以看出，在两个目标信号共同作用下，天线偏离两目标的角度大

小与两目标的辐射功率成反比。

下面分3种情况进行讨论：

（1）两个不带干扰机的目标

设目标2是飞机，目标1是假目标（假定其有效反射面积为飞机的三倍），那么，雷达便跟踪在飞机和假目标之间离飞机3/4的距离上。

若两目标为同类飞机编队飞行，雷达将跟踪在两架飞机连线中心，并随目标回波起伏作随机摆动，造成跟踪误差，并且若两者距离足够大，那么导弹将从两者之间穿过，不会摧毁任何一个目标。

（2）两个带干扰机的目标

如果两个干扰机按一定程序断续地开机，这时跟踪干扰机的雷达，将时而跟踪这一目标，时而跟踪另一目标，随着干扰转换的节拍而产生追摆（闪烁）。

闪烁干扰的作用使两目标之间的最小分辨角显著增加。

这种干扰的一个重要参数是干

扰机的交换频，若交换频率过高，则雷达跟踪系统不能及时反应。

通常，干扰机的交换频率△F约为0.5〜1Hz。

（3）对寻的导弹的误引干扰

对寻的导弹的误引干扰是空间两点干扰原理的一种具体运用，其原理是在导弹跟踪系统不可分辨的角度范围内，用两部以上的干扰机，采取顺序开机的办法，把导弹引导到目标和干扰机之外。

2.2相干干扰

相干干扰就是由散布于空间的两个在高频相位上存在一定关系的干扰源所产生的干扰。

它是利用两个相干干扰源同时作用产生合成波，人为地造成相位波前畸变，对雷达测角系统进行欺骗干扰，所以又叫相位波前失真干扰。

从原理上

讲，相干干扰可使雷达天线等信号轴方向跟踪在两干扰源连线之外，所以干扰效

果比非相干干扰更理想。

在一般情况下，设两相干干扰源在天线孔径处产生的电

（4）

B，相位差

场相位差为a，通过计算可求得，天线将跟踪的方向B满足下式

2jBr+2^cos^>+1

考虑到角度B很小，tan9~B,所以

—

20’+2j8cos^p+1

式中：

9为误差角；B为两个信号的振幅比；△9为两个干扰源之间的角差。

从式（5）中我们可得出：

（1）两相干干扰源产生的相位波前失真，取决于干扰源的振幅比以及两干扰源的角差a。

当固定，相位相反和振幅相等时，相位波前失真最大，而与雷达的天线方向图形状无关。

（2）相干干扰对任何测角系统都有效，单脉冲雷达在对抗相干干扰方面，和其他测角系统相比，并无优越之处。

和非相干干扰效果相比，相干干扰效果好。

但是，在实际应用中，相干干扰受到很多限制：

两个点源信号在天线口面的相位差控制在5。

以内；干扰机必须有很大的功率；两个干扰源需要一定的间距等。

2.3扫频干扰

扫频干扰是以一定的调谐速度在整个干扰频段内周期性地改变干扰频率，它

可使干扰频段内的所有雷达都受到干扰。

适当选择干扰机的扫频速度，可以使被干扰的雷达接收机的灵敏度在两次干扰作用之间不能完全恢复，或者造成雷达画

面闪动。

扫频干扰用来干扰角跟踪系统时，应根据测角支路的反应速度而适当降低扫频速度。

从原理上讲，也可以起到闪烁干扰的作用。

可见选取重要密度函数时，需要从中P采样的能力，并且要能够计算出的值。

这在为有限集或二Z）为高斯函数时是可能的，对于其它模型则仍然需要构造最佳重要密度的近似。

选取重要密度

函数最简单和易于实现的方法是使之等于先验密度，即

qg\XL.ZJ=PgI

此时，g；

实用中可根据具体情况选择各种不同的重要密度函数，这已经成为粒子滤波器设计中最关键的步骤。

三、结论

目前所采用的干扰技术，主要是噪声干扰、距离拖引干扰、速度拖引干扰等技术。

从理论上讲，任何由“一点”产生的回答式调幅干扰、噪声干扰对单脉冲雷达的角度系统干扰效果都不大，而采用两部干扰机同时对其作用则可获得较理想的干扰效果。

在实际工程中，两点源相干干扰虽然干扰效果比较理想，但因为条件难以满足，其应用受到很大限制；两点源非相干干扰是一种比较合适的干扰方式。

过去一直采取解析形式对非线性系统进行近似，得到次优滤波估计值。

为提高算法的精确性、实时性和鲁棒性，随着计算存储成本的降低，采用非参数法的序贯蒙特卡罗粒子滤波器获得了广泛关注。

尽管它可能存在退化现象，但通过合理选择重要密度和再采样技术的引入，可以得到有效遏制，因而成为极有前途的一种估计方法。

参考文献

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