一種適用于低頻輻射信號(hào)的濾波方法

羅琴

（江西科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

一種適用于低頻輻射信號(hào)的濾波方法

羅琴

（江西科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

對(duì)于低頻雷達(dá)目標(biāo)，反輻射導(dǎo)引頭測(cè)量的導(dǎo)引信號(hào)中含有較多的噪聲信號(hào)，為得到高信噪比的導(dǎo)引信號(hào)，就需要剔除導(dǎo)引頭測(cè)量信號(hào)中的噪聲部分。在現(xiàn)有濾波器的基礎(chǔ)上，引入非線性環(huán)節(jié)處理方法，依據(jù)多路徑效應(yīng)理論，對(duì)導(dǎo)引頭測(cè)量原始信號(hào)中的噪聲部分進(jìn)行動(dòng)態(tài)限幅處理，從而能夠提高導(dǎo)引信號(hào)的信噪比。針對(duì)非線性環(huán)節(jié)處理方法，使用基于靶試數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)仿真及試驗(yàn)室半實(shí)物仿真對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方法能夠提高反輻射導(dǎo)引頭測(cè)量信號(hào)的信噪比。

反輻射導(dǎo)引頭；低頻信號(hào)；非線性；濾波器

0 引言

反輻射武器包括反輻射導(dǎo)彈和反輻射無人機(jī)，主要用來摧毀敵方雷達(dá)及其它輻射源目標(biāo)。被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭是反輻射武器的核心部件，它具有準(zhǔn)確探測(cè)、捕獲并穩(wěn)定跟蹤輻射源目標(biāo)的能力。但戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，如雷達(dá)周圍地形、地面物體對(duì)電磁波傳播的影響，使得被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭不僅偵收到雷達(dá)信號(hào)直達(dá)波，而且也會(huì)接收到經(jīng)地面、海面或其它物體反射后形成的多徑信號(hào)。多路徑效應(yīng)會(huì)影響被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭截獲和跟蹤目標(biāo)雷達(dá)的性能，從而導(dǎo)致反輻射武器脫靶量加大[1-2]。

針對(duì)多路徑效應(yīng)對(duì)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭性能的影響，文獻(xiàn)[3]根據(jù)脈沖前沿到達(dá)時(shí)間差分布情況，使用脈沖前沿跟蹤技術(shù)用以提高被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭在多路徑環(huán)境下的定向和測(cè)角能力。此外，有學(xué)者從不同角度提出了減小多路徑效應(yīng)對(duì)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭性能影響的方法[4-6]。

本文采用非線性處理方法對(duì)導(dǎo)引頭原始測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，在保證導(dǎo)引信號(hào)精度的前提下，盡量降低送給濾波器的角速度采樣門限，以減小多路徑效應(yīng)對(duì)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭性能的影響，從而提高信噪比，降低脫靶量。

1 多路徑效應(yīng)影響

反輻射武器在俯沖攻擊目標(biāo)時(shí),由于目標(biāo)周圍地面及物體等反射波的影響，被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的接收信號(hào)是目標(biāo)輻射信號(hào)和環(huán)境反射信號(hào)的疊加量。該疊加信號(hào)進(jìn)入被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭天線后，引起跟蹤誤差信號(hào)在幅值和相位上的變化，這就相當(dāng)于目標(biāo)和其虛擬像之間發(fā)生角閃爍，從而導(dǎo)致被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)的精度降低。嚴(yán)重的情況下，導(dǎo)引頭天線會(huì)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，造成目標(biāo)跟蹤失效。

由以上分析能夠看出，多路徑效應(yīng)對(duì)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的影響主要有以下幾個(gè)方面：

1.1 測(cè)角誤差

多路徑效應(yīng)使得導(dǎo)引頭天線不能夠準(zhǔn)確地指向目標(biāo)，即導(dǎo)引頭測(cè)角誤差信號(hào)不為零。為了消除測(cè)角誤差信號(hào)，導(dǎo)引頭天線需要偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，以與多路徑效應(yīng)引起的偏差信號(hào)抵消，該偏轉(zhuǎn)角度就是測(cè)角誤差。

1.2 導(dǎo)引頭天線抖動(dòng)

由于測(cè)角誤差是多路徑效應(yīng)引起的，且它隨彈-目距離及目標(biāo)周圍環(huán)境的不同而變化，導(dǎo)引頭天線需要實(shí)時(shí)偏轉(zhuǎn)以對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，從而引起導(dǎo)引頭天線抖動(dòng)，甚至可能導(dǎo)致導(dǎo)引頭丟失目標(biāo)。

1.3 有用信號(hào)減小

導(dǎo)引頭天線接收到的是目標(biāo)輻射有用信號(hào)和地面反射噪聲信號(hào)的疊加信號(hào)，它們之間存在相位差，相位差越大，導(dǎo)引頭天線接收到的有用信號(hào)越小。

綜上，多路徑效應(yīng)影響反輻射武器導(dǎo)引頭的性能，為提高彈道品質(zhì)和命中精度，需要采取有效的技術(shù)措施來降低多路徑效應(yīng)對(duì)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的影響。

2 非線性處理技術(shù)

2.1 理論依據(jù)

當(dāng)前，阻止多徑信號(hào)進(jìn)入導(dǎo)引頭天線、消除多徑信號(hào)影響和估計(jì)出目標(biāo)參數(shù)是學(xué)者們研究比較多的減小多路徑效應(yīng)的技術(shù)途徑[7-10]。

對(duì)整個(gè)制導(dǎo)系統(tǒng)來說，被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭輸出信號(hào)送給制導(dǎo)回路供其形成導(dǎo)引指令使用，由于導(dǎo)引頭輸出信號(hào)中含有多徑造成的噪聲信號(hào)，使得導(dǎo)引指令偏離理論值，從而把反輻射武器帶離理論彈道，造成攻擊精度降低。

在保證目標(biāo)輻射信號(hào)能夠被包含的前提下，盡量減小被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭輸出信號(hào)的門限，以減小多路徑反射波進(jìn)入制導(dǎo)回路的比例。針對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭輸出信號(hào)中因多路徑造成的噪聲信號(hào)，本文使用非線性處理技術(shù)對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行去除，最大程度減小導(dǎo)引頭輸出信號(hào)中噪聲信號(hào)的比例，以提高導(dǎo)引信號(hào)的信噪比。

2.2 非線性結(jié)構(gòu)

由以上分析可知，減小被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭輸出信號(hào)中因多路徑產(chǎn)生的噪聲信號(hào)能夠提高導(dǎo)引信號(hào)精度，非線性環(huán)節(jié)的作用就是限制導(dǎo)引頭輸出信號(hào)中的噪聲信號(hào)。由于多路徑效應(yīng)隨目標(biāo)周圍環(huán)境、反輻射武器姿態(tài)和相對(duì)距離等因素變化。因此，非線性環(huán)節(jié)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)跟隨多路徑效應(yīng)的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)噪聲信號(hào)的限制門限。非線性環(huán)節(jié)在制導(dǎo)系統(tǒng)中的位置如下圖1所示。

圖1 非線性環(huán)節(jié)在制導(dǎo)系統(tǒng)中位置

上圖1中，⑴表示被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭輸出信號(hào)；⑵表示經(jīng)過非線性環(huán)節(jié)處理之后的信號(hào)；⑶表示經(jīng)過濾波之后供制導(dǎo)回路使用的導(dǎo)引信號(hào)。

依據(jù)非線性環(huán)節(jié)的作用，借鑒工程經(jīng)驗(yàn)，可用下式對(duì)其功能進(jìn)行表示：

上式中，M表示對(duì)導(dǎo)引頭輸出原始信號(hào)的限幅門限值，dq表示實(shí)時(shí)理論視線角速度，R表示反輻射武器與目標(biāo)的距離，EB是導(dǎo)引頭俯仰框架角；R'與EB'分別表示制導(dǎo)回路接入導(dǎo)引信號(hào)時(shí)刻的相應(yīng)參數(shù)值，k1與k2為可調(diào)節(jié)的正值常量參數(shù)。

為了得到較好的非線性環(huán)節(jié)濾波效果，上述表示反輻射武器-目標(biāo)距離與導(dǎo)引頭俯仰框架角權(quán)重的參數(shù)k1與k2，需要做大量的數(shù)學(xué)仿真才能確定最優(yōu)值。得到最優(yōu)值后，使用該組參數(shù)進(jìn)行半實(shí)物仿真，觀察彈道特性及脫靶量。

3 仿真驗(yàn)證

按照公式（1）中的非線性環(huán)節(jié)處理方法，在經(jīng)過大量數(shù)學(xué)仿真得到k1與k2值的基礎(chǔ)上，使用某型反輻射武器的外場(chǎng)靶試數(shù)據(jù)，以靶試中的理論視線角速度為判別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)非線性處理環(huán)節(jié)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 仿真條件

1、仿真數(shù)據(jù)使用某型反輻射武器在外場(chǎng)靶試試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)引頭獲得的低頻雷達(dá)目標(biāo)原始信號(hào)（低頻雷達(dá)信號(hào)的信噪比較低）；

2、使用公式（1）中的模型對(duì)導(dǎo)引頭輸出送往制導(dǎo)濾波器的原始信號(hào)進(jìn)行非線性環(huán)節(jié)處理；

3、依據(jù)反輻射武器飛行過程中的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、速度、高度和目標(biāo)位置等信息計(jì)算出理論視線角速度；

4、制導(dǎo)濾波器選用帶寬為0.9Hz的三階低通濾波器。

為驗(yàn)證非線性處理對(duì)提高導(dǎo)引信號(hào)品質(zhì)的作用，另外做一組對(duì)比仿真（即采用相同的原始數(shù)據(jù)，去掉非線性處理環(huán)節(jié)，使用同樣的制導(dǎo)濾波器對(duì)導(dǎo)引信號(hào)進(jìn)行處理）。

3.2 仿真結(jié)果

利用Matlab/simink中的模塊搭建方法，構(gòu)建的仿真結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖2 仿真結(jié)構(gòu)示意圖

按上圖進(jìn)行仿真，輸入為導(dǎo)引頭測(cè)量到的視線角速度（原始數(shù)據(jù)），得到以下仿真結(jié)果。

3.2.1 導(dǎo)引頭測(cè)量的視線角速度

圖3 導(dǎo)引頭測(cè)量的視線角速度

3.2.2 經(jīng)過濾波器之后的視線角速度

圖4 濾波之后的視線角速度

3.2.3 與理論視線角速度比較

3.2.4 均值、方差和脫靶量（半實(shí)物）比較

圖2仿真得到的視線角速度及理論視線角速度的均值和方差見下表1。

表1 視線角速度的均值和方差

3.3 結(jié)果分析

由仿真結(jié)果中的圖3～圖5及表1分析可知：導(dǎo)引頭輸出的原始信號(hào)中的噪聲較嚴(yán)重，所需導(dǎo)引信號(hào)淹沒在其中，信號(hào)濾波是提高其信噪比的有效手段。單純的三階低通濾波器雖然能夠去除大量噪聲，但其輸出信號(hào)的均值偏離理論值較遠(yuǎn)，且信號(hào)的方差較大。加入非線性環(huán)節(jié)之后，相同濾波器輸出信號(hào)的均值更接近理論值，且信號(hào)的方差更小，從而既保證了末段攻擊彈道品質(zhì)，又能提高命中精度。

圖5 非線性環(huán)節(jié)濾波值與理論值比較

4 總結(jié)

反輻射武器是對(duì)敵方雷達(dá)和其他輻射源進(jìn)行硬殺傷的有效手段，也是進(jìn)行電子戰(zhàn)的有效武器。然而，低頻雷達(dá)信號(hào)的信噪比較低，對(duì)反輻射武器來說，采用何種方法提高導(dǎo)引頭輸出信號(hào)的信噪比是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。

本文依據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了一種非線性環(huán)節(jié)處理方式，仿真驗(yàn)證結(jié)果證明，它能夠提高導(dǎo)引頭輸出信號(hào)的信噪比，對(duì)提高反輻射武器的命中精度具有一定的工程應(yīng)用意義。

[1]任子西.多路徑效應(yīng)對(duì)反輻射導(dǎo)彈被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭性能的影響分析[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2009(3)：1-5.

[2]陳鑫，王浩丞，唐勇，符為.多徑環(huán)境中被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)向性能分析[J].電子信息對(duì)抗技術(shù)，2011，26(4)：1-4.

[3]王晨陽(yáng)，董文鋒，王正國(guó).反輻射導(dǎo)引頭在多信號(hào)環(huán)境下的定向能力分析 [J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23(6)：423-428.

[4]吳海，劉艷蘋.一種解決多路徑效應(yīng)影響的方法[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2007(05).

[5]于智春，李中偉，盧長(zhǎng)海.降低多路徑效應(yīng)影響的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(01).

[6]朱慶和.克服多路徑效應(yīng)的自適應(yīng)偏軸跟蹤方法[J].火力與指揮控制，2000(04).

[7]耿文東，王元?dú)J，張若禹.雷達(dá)組網(wǎng)減小多路徑效應(yīng)影響的探討[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(4)：11-13.

[8]孫國(guó)平.雷達(dá)低角跟蹤[J].艦船電子對(duì)抗，2007，30(3)：49-51.

[9]劉繼東，吳金亮，孫書恩.某單脈沖雷達(dá)多路徑仰角跟蹤誤差建模與計(jì)算[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,18(1)：83-86.

[10]朱志宇，張冰，王建華.艦載雷達(dá)多路徑效應(yīng)仿真研究[J].船舶，2005(2)：47-50.

（責(zé)任編輯：陳 輝）

A Filtering Method Suitable for Low Frequency Radiation Signal

LUO Qin
(Information Engineering Institute,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

For the low frequency radar target,guidance signal gathered by anti-radiation seeker contains many noisy signals,in order to obtain high quality signal with low noise ratio,we need to eliminate the noise in the measured signal of the seeker.On the basis of the existing filter,introducing the nonlinear link processing method and the multi path effect theory,the noise seeker measurement in the original signal dynamically limiting process can improve the signal-to-noise ratio of guidance signal.Aiming at the nonlinear link processing method,using the hardware in the loop simulation validated the mathematical simulation and laboratory based data,results show that the proposed method can improve the signal-to-noise ratio of anti-radiation seeker signal measurement.

anti-radiation seeker;low frequency signal;nonlinear;filter

TN713

A

123（2014）01-0042-04

2013-04-03

羅琴（1983-），女，江西撫州人，江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，講師，工學(xué)碩士。

研究方向：信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)安全。

2012年江西科技學(xué)院“校級(jí)自然科學(xué)研究”項(xiàng)目“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于模糊的能量均衡路由協(xié)議”（NO.ZR12YB10）。