基于C²算法海雜波抑制在低仰角跟蹤時的應(yīng)用

摘 要： 由于多徑反射信號的干擾，雷達低仰角測量一直是一個難點。結(jié)合脈沖測量雷達技術(shù)特點，闡述了測量雷達常用的低仰角跟蹤技術(shù)，通過分析多徑誤差機理，提出了利用[C2]算法、海雜波抑制處理技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜背景環(huán)境條件下對低空目標的跟蹤策略，給出了理論分析與驗證成果。

關(guān)鍵詞： 多徑干擾； 低仰角跟蹤； [C2]算法； 海雜波抑制

中圖分類號： TN957?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0025?03

Application of sea clutter suppression based on [C2] algorithm in low?elevation

angle radar tracking

JIANG Lai?chun

（Unit 91550 of PLA， Dalian 116023， China）

Abstract： The low elevation angle measurement of radar is a technical difficulty due to multipath signal interference. Based on technical feature of pulse instrumentation radar， the frequently?used low?elevation angle tracking technology is stated in this paper. Through analysis of multipath error principle， low?altitude target tracking strategy in complex background can be realized by use of [C2] algorithm and sea clutter suppression technology. The related theoretical analysis and validated result are proposed in this paper.

Keywords： multipath interference； low?elevation angle tracking； [C2] algorithm； sea clutter suppression

0 引 言

單脈沖雷達廣泛應(yīng)用于角度精密跟蹤測量。雷達在地面或海面背景下跟蹤低仰角目標時， 雷達波束指向基本為0°，甚至達到負角度，多路徑和海雜波對雷達發(fā)現(xiàn)和跟蹤低空目標的性能影響巨大，無法發(fā)現(xiàn)目標或需要長時間搜索才能確定目標位置，跟蹤精度差，無法提供較高精度的目標參數(shù)，嚴重時導(dǎo)致目標丟失。因此低俯仰角跟蹤是脈沖雷達一直需要重點解決的問題[1]。

基于數(shù)字信號處理器ADSP?TS201為核心的信號處理機，硬件上采用通用的CPCI總線為平臺，數(shù)據(jù)采用并行處理，為通用的并行處理機。高速處理器的應(yīng)用，大大提高數(shù)據(jù)處理的精度、速度和內(nèi)容的多樣性。信號處理機主要完成恒虛警檢測（CFAR）（含一次門限檢測、二次門限檢測、衛(wèi)門檢測等）、目標角誤差和目標距離誤差提取、動目標檢測（MTI）和動目標顯示（MTD）處理、[C2]算法計算、自動增益控制（AGC）、自動頻率控制（AFC）等功能。

1 海雜波特性分析

雷達對低空飛行的導(dǎo)彈目標進行跟蹤測量時，雷達的視軸俯仰角很低甚至達到負角度，主波束直接掃過海面，多路徑反射信號嚴重干擾了雷達對目標俯仰角的測量[2]；同時多徑效應(yīng)使雷達接收回波信號周期性的增強或衰減，很難用通常的頻域信號處理方法加以改善，大大降低了雷達的測量性能。

海面的多徑效應(yīng)影響會隨著仰角的降低而加劇，一般多徑影響隨仰角的不斷降低分為三個區(qū)域[3]：

旁瓣反射區(qū)，[θt>1.5θb]（[θt]為天線俯仰角，[θb]為天線波束寬度）。海面反射只進入天線波束旁瓣的仰角區(qū)域。此時主瓣不照射海面，因而海面反射信號較小，對跟蹤影響較小。在海情很差的情況下，只需考慮旁瓣海雜波的消除。

主瓣反射區(qū)，[1.5θb>θt>0.15θb。]該區(qū)域內(nèi)海面反射進入天線主瓣，信號很強，海面的多徑反射對跟蹤影響較大。

不穩(wěn)定跟蹤區(qū)，[θt<0.15θb]。又稱水平反射區(qū)，此時較強的鏡面反射信號可以完全抑制通道中的直射信號，使仰角跟蹤系統(tǒng)完全處于不穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，是多徑效應(yīng)最為嚴重的區(qū)域。

2 低仰角跟蹤技術(shù)

2.1 偏軸跟蹤技術(shù)與[C2]算法相結(jié)合[4]

偏軸跟蹤技術(shù)是雷達探測低空目標時，為防止主波束觸海面而引入大量干擾，不再用波束中心去跟蹤目標而是采用偏零跟蹤技術(shù)以減小干擾的測量技術(shù)。當目標仰角小于某臨界角時，雷達天線仰角不再降低，而是指向此臨界角。

[C2]算法[5]是將低仰角目標及其鏡像分別當作兩個很接近的獨立目標，用復(fù)數(shù)分別表示和、差通道的數(shù)據(jù)，利用一串脈沖的測量結(jié)果估計出目標和鏡像組合的幾何中心位置以及角度分布范圍的數(shù)值，從而推算出目標的角坐標。

雷達天線接收到的回波和差信號[6]分別表示為[Σ]和[Δ]：

[Σ=ΣI+ΣQ， Δ=ΔI+ΔQ]

[C2]算法給出目標和鏡像組合的重心位置估計[B]（在此近似為幾何中心位置）和角度分布范圍估計[C]：

[B=Σ*ΔΣ*Σ=ΣΔ*Σ*Σ， C2=ΔΔ*ΣΣ*-B2]

在實際應(yīng)用過程中，對角度中心[B]和角度分布范圍[C2]的估計計算法表示如下，通常由時間平均來代替計算樣本均值：

[Bn=i=n-N+1nRe（Δ*iΣi）i=n-N+1n（Σ*Σ）]， [C2n=i=n-N+1nΔ*iΔii=n-N+1n（Σ*Σ）-B2n]

為了消除時間平均而帶來的非平穩(wěn)性問題，測量值再通過一階回歸濾波，[n]時刻的濾波輸出為：

[xnfilter=αxnobserved+（1-α）xn-1filter]

目標與雷達波束軸夾角[θ]可計算得到：

[θ=B+12C2]

由于[C2]算法是多目標角度分辨算法，將海面反射看作是來源于鏡像目標的回波，并用多目標重心位置看作幾何中心位置來推算目標仰角，因此可以將偏軸角確定為更低的臨界角度，甚至是負角度。所以偏軸跟蹤技術(shù)和[C2]算法相結(jié)合用于主瓣反射區(qū)和不穩(wěn)定跟蹤區(qū)的目標跟蹤測量。最佳偏軸角的具體值由目標和雷達高度和距離具體參數(shù)來決定。為了達到最佳的測量效果，偏軸角隨目標高度的降低要調(diào)低。

2.2 海雜波抑制技術(shù)

抗海雜波干擾是單脈沖雷達需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。為保證對低空運動目標的跟蹤測量，必須抑制海雜波。通過對消海雜波、檢測運動目標徑向速度的方法，有效檢測低空飛行的導(dǎo)彈目標。

采用瞬時靈敏度時間控制[7]（STC）抑制技術(shù)來直接減小海雜波干擾絕對強度。在中高海情時，選用適當?shù)腟TC，能有效的控制接收通道的飽和，使得其他抗海雜波措施充分發(fā)揮作用。為了適應(yīng)海雜波的復(fù)雜多變，雷達中預(yù)存多條STC曲線，針對強、中、弱等各種海情分別采用不同的STC曲線，盡可能使STC曲線與變化的海情相匹配。無論在何種海情下，雷達的回波信號都能控制在接收機的線性范圍之內(nèi)。

（1）應(yīng)用MTI、MTD技術(shù)[8]。MTI采用三脈沖對消，滑窗處理。MTD在MTI預(yù)對消后接8位或16位多普勒濾波器組。

（2）采用數(shù)字恒虛警率（CFAR）技術(shù)。 CFAR信號處理技術(shù)是減小海雜波影響的又一有效措施。在海雜波背景下檢測目標采用固定門限檢測必然導(dǎo)致虛警增多。在單元平均CFAR中，用直接計算若干個參考單元平均幅度的方法來估計測試單元的干擾強度，實現(xiàn)了對目標的浮動門限檢測處理，能夠大大降低虛警率。為提高CFAR處理對付各種干擾的適應(yīng)能力，采用單元平均選大的恒虛警率處理方法。

（3）采用發(fā)射信號控制技術(shù)（饋線系統(tǒng)功率程控），在海情較差的情況下可降低海雜波的幅度，同時保證雷達上行信號可正常觸發(fā)目標應(yīng)答機，利用應(yīng)答機信號與海雜波信號的幅度差異消除海雜波的影響。

3 雷達信號處理技術(shù)在低仰角跟蹤時的應(yīng)用

單脈沖雷達信號處理分系統(tǒng)有兩種工作方式：一種是常規(guī)工作模式，只考慮噪聲對雷達檢測目標的影響，不考慮海雜波和多徑效應(yīng)；另一種是低仰角工作模式，在這種工作模式下要考慮海雜波和海面多徑效應(yīng)的影響。

低仰角下工作方式：

在低仰角情況下，動目標檢測和抗多徑干擾的選用比較靈活，兩種檢測既可以單獨使用，又可以互相結(jié)合。

對海雜波進行處理時，信號處理機首先對接收機送來的和支路I、Q信號先進行3脈沖對消，MTD在MTI預(yù)對消后接8位或16位多普勒濾波器組[9]。進行多普勒濾波處理（構(gòu)成FIR濾波器或直接做FFT），再進行CFAR處理和目標檢測，將目標檢測結(jié)果送測距機。

在雷達仰角更低時，信號處理機將和差信號同時進行MTI[10]，接多普勒濾波進行MTD處理，雷達的濾波器組選用綜合的橫向（FIR）濾波器或直接做FFT處理[11]。采用脈組間頻率參差變化來消除盲速并顯露出運動雜波隱藏的運動目標，PRF做20%的變化。再進行C2計算，以消除多徑影響，得到目標位置信息。

工作流程圖[2]如圖1所示。

圖1 信號處理機低仰角搜索跟蹤流程圖

某型單脈沖雷達信號處理器為ADSP?TS201，采用了[C2]算法、海雜波抑制等低仰角信號處理技術(shù)，當目標距離[R]=20 km，天線仰角[θt]=0°，信號處理機分別采用常規(guī)模式和MTD模式跟蹤時，距離A/R顯示器分別記錄跟蹤目標時目標回波及噪聲效果實時情況。當采用MTD模式時，距離A/R顯示器顯示噪聲消除干凈，目標跟蹤穩(wěn)定。兩種模式工作時目標回波及噪聲效果圖如圖2所示。

圖2 低仰角跟蹤時目標回波及噪聲顯示效果圖

4 結(jié) 語

在計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天，無線電設(shè)備低仰角跟蹤的問題得到了很大改善。從靶場試驗應(yīng)用的角度來考慮，在今后的靶場建設(shè)中，增加設(shè)備對相關(guān)新技術(shù)的應(yīng)用，必將進一步加強對海面低仰角目標跟蹤的穩(wěn)定性，為低空戰(zhàn)術(shù)武器試驗提供更全面、可靠的一手資料，為提高靶場的試驗?zāi)芰蛿U大靶場的試驗范圍迎來更大的發(fā)展空間。

參考文獻

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