雷達捷變頻技術對干擾源定位的方法研究*

魏永峰

(91404部隊92分隊 秦皇島 066000)

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雷達捷變頻技術對干擾源定位的方法研究*

魏永峰

(91404部隊92分隊 秦皇島 066000)

針對新體制具有回波信號數字化顯示處理的警戒雷達,利用雷達捷變頻技術實現對雷達干擾源進行低精度定位。采用灰度質心法計算雷達干擾源位置、并對計算結果進行誤差分析,為實時跟蹤定位運動干擾源位置的可行性提供方法。該方法有利于實現作戰系統快速判研和對戰場對抗態勢的全局掌握,是一種有效的雷達輔助探測功能。

捷變頻; 干擾; 灰度質心法; 警戒雷達

Class Number TN95

1 引言

現代戰爭中,警戒雷達遭遇最嚴重的威脅來自有源干擾。由于威脅目標的雷達回波可能被掩蓋在干擾雜波中,導致指揮系統不能確定空空或空海導彈的發射時機,無法引導飛機在安全距離上完成攻擊任務。為了打擊和摧毀干擾輻射源,輻射源定位技術伴隨雷達電子對抗產生。輻射源定位技術最基本的定位方法是平面定位法和空間定位法,根據定位條件的不同,又可分為單點定位和多點定位。單點定位有飛越目標定位法、方位/仰角定位法,多點定位有測向交叉定位法、多重采樣相關定位法等[1～5]。本文提出的基于灰度質心法的雷達捷變頻技術干擾源定位方法屬于單點定位法。利用雷達捷變頻技術,采用灰度質心算法對干擾源進行定位,即可掌握對方干擾掩護的方位,又可實現為飛機提供干擾源打擊的概略引導信息。

2 定位技術實現的原理及條件

2.1 實現條件

基于灰度質心法的雷達捷變頻技術干擾源定位方法需要在特定的條件下完成。

1) 雷達具有超低副瓣或副瓣抑制能力,且干擾機與雷達有一定的距離;

2) 雷達具有捷變頻功能,且干擾信號基于頻率瞄準或儲頻轉發式;

3) 雷達具有數字化信號處理顯示功能。

超低副瓣的雷達天線設計技術不僅可以聚焦輻射功率,增大雷達的探測距離,也可以有效避免干擾信號從雷達的副瓣進入,提高雷達的抗干擾能力。這種技術迫使干擾信號僅能從雷達主瓣進入,見圖1(a),從而使干擾信號攜帶了方向信息,為干擾源定位提供了基礎條件。

捷變頻是一種抗干擾技術,即雷達快速改變射頻頻率,以迫使遠距離干擾機和威脅目標自帶的干擾機分散其現有的干擾功率,來覆蓋增寬了的射頻帶寬。如果遠距離干擾機堅持采用窄帶瞄頻或數字儲頻轉發方式產生干擾信號,干擾信號進入雷達接收機就存在一個延遲時間,這個延遲由干擾機與雷達之間的雙程信號傳輸距離、干擾機偵察測頻處理時間、干擾機內部射頻線長度等因素決定。脈間或脈組高速捷變頻技術恰好利用了這個延遲,其高速的頻率跳變使遠距離干擾機無法緊隨雷達信號實施干擾,造成相同頻率的干擾信號在干擾機與雷達距離之內傳播滯后于雷達回波,此距離內的雷達回波處理未受到干擾,形成如圖1(c)的效果[6～7]。

雷達數字化顯示處理使干擾雜波與目標回波以點跡形式在雷達顯示,有利于對干擾源位置的數據采集,減少誤差,如圖1(b)、1(c)。

圖1 雷達數字化顯示及采取捷變頻效果圖

2.2 實現原理

在真實戰場條件中,當雷達與干擾機距離較遠時,大多數情況,干擾能量僅能從雷達的主瓣和第一副瓣進入,并在雷達顯示器上形成主瓣式條狀干擾扇區。如果雷達采用捷變頻抗干擾手段有效,往往可以消弱干擾的能量,并能去除干擾機與雷達之間的干擾亮區。這時,可以清晰觀測干擾亮區的起始位置,在經過十幾個掃描周期的采樣后,可構畫出干擾機位置分布圖,之后使用定位算法可計算出干擾機位置。如果針對一部雷達進行多次干擾源定位誤差校準,可進一步縮小結果誤差,減少計算所需的數據采集樣本,達成對運動干擾源的準實時定位[8～10]。過程原理如圖2所示。

圖2 定位方法實現的過程原理示意圖

3 定位技術方法

采用灰度質心算法的雷達捷變頻技術對干擾源進行定位方法[11],是一種以灰度為權值的加權型心法,干擾點分布數據為I(i,j,p),以I(i,j,p)數據為坐標點重構圖像矩陣W(i,j,p),分布圖像的質心S(x0,y0,z0)為

(1)

(2)

(3)

其中W(i,j,p)為權值,灰度值為0/1,0代表無數據,1代表有數據。由于干擾點的測量受到每個掃描周期雷達回波處理差異的影響,副瓣干擾形成的數據點會成為質心計算的偏離點,因此在進行計算前應設定取值閾值。L為劃分分布區域的閾值。

(4)

干擾源位置以干擾噪點的起始點為準,數量N=n×T/t,其中T為采集區間的時間長度,t為雷達天線的掃描周期,n為每個周期干擾源數量。例如,圖2(c)是雷達的某次掃描圖像,圖上有n=6個干擾源位置點。表1中列出了數據的部分樣本。為了便于計算,數據由經緯度值轉換為X/Y坐標系,由于無高度信息,Z坐標省略。

根據式(1)、式(2),計算并畫出干擾機位置,效果如圖3所示,式(1)得到數據在X軸投影的質心,式(2)得到數據在Y軸投影的質心。由于數據分布集中在兩個位置,在計算之前應劃分數據區域1、區域2,并且利用式(4)剔除偏離點,這樣就能在圖中得到兩個質心S1(1645.83,1014.9),S2(1142.67,1262.6),以”+”表示;干擾機真實位置R1=(1608,1107),R2=(1104,1401),以“*”表示。

圖3 干擾點采樣位置分布圖

4 定位結果分析

根據圖3所示,比例尺為1∶91.86(單位:m),區域1的質心距離實際點9146.41m,區域2的質心距離實際點13200.68m。由于無校準的定位誤差較大,需要進行進一步處理才能獲得理想結果[12～13]。

4.1 隨機誤差

采樣點相對質心的分布趨勢表現數據的隨機性,圖4、圖5顯示了位置數據的均值和波動,經計算,區域1數據的標準差為7.95km,區域2的標準差為10.09km。

圖4 區域1采樣點較質心離散情況

圖5 區域2采樣點較質心離散情況

圖3中,區域1、區域2采樣點集中分布于區域底部,構成較明顯的集中區,其它分散點采樣來自于副瓣干擾,在質心閾值設置時可以剔除;區域2中形成了兩個集中區,從雷達屏幕觀察上部集中區可能是副瓣干擾,在采樣時可以濾除上部的集中區域。經過閾值優化設置后,隨機誤差得到降低,如圖6所示。

圖6 經閾值優化設置后質心計算結果

經過閾值優化設置后,區域1數據的標準差為4918.9m,區域2的標準差為1810.8m,區域1的質心S1(1639.5,1047.4)距離實際點6192.64m,區域2的質心S2(1118.9,1374.8)距離實際點2768.77m,誤差分別降低32.3%和79%。事實上,S1點的干擾機較S2點干擾機的干擾信號能量及能量起伏較大,對雷達副瓣的干擾不穩定,使得雷達對S1的定位不準確,因此在數據采樣時可以考慮選擇距離最新的干擾點,即每次掃描周期只錄取干擾方向上最近的干擾點。這種錄取方法操作簡單,結果精度高,但對分辨主瓣干擾的能力要求較高。

4.2 系統誤差

由圖3、圖6所示,質心在同一個方向上偏離實際點,這是由于干擾機內部在轉發雷達信號或測量雷達信號存在系統延遲T,這個延遲導致雷達觀測到的干擾機位置比實際的位置要遠一些,不同的干擾機系統延遲T是不同的,同一部干擾機工作在不同頻率時T也會不同。另外一個系統誤差來自雷達本身,由于雷達精度與量程、天線掃描方式、工作頻率等有關,在對干擾機定位時應考慮以上因素。

5 結語

數據處理結果表明雷達捷變頻技術的干擾源定位方法不能實現高精度定位,該方法的實際應用價值在于可以利用現有雷達裝備提供干擾威脅源位置的估計信息,定位誤差小于5km。該方法不屬于高精度雷達目標跟蹤功能,而是一種雷達探測能力的延伸,其最大的優勢在于可以估計運動干擾源的移動線路,比如描繪攜帶干擾源飛機的航線,有利于對敏感空域或海域敵情的偵察預警。從經濟條件和現有技術條件來看,該方法在雷達上推廣易實現,技術改造需求少,是一種行之有效的雷達輔助探測功能。

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Interference Localization Method for Warming Radar Based on Radar Frequency Agile Technology

WEI Yongfeng

(Unit 92, No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao 066000)

For warming radar which echo digitization, the low-precision interference localization method is studied by using radar frequency agile technology. The interference localization is calculated based on gray centroid algorithm, and the error analysis of calculation result is made, which provides the feasible instruction method for the real-time localization of movement interference. The method is in favor of the realization of rapid judgment and study on combat system and the global mastery of battlefield confrontation situation. It is an effective aided detecting function of warming radar.

frequency agile, interference, gray centroid algorithm, warming radar

2015年4月5日,

2015年5月26日

魏永峰,男,碩士,工程師,研究方向:電子對抗。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.020