基于有源/無源融合的雷達抗欺騙干擾方法研究

劉 瀛,徐佳婧,蘇 偉,左家駿

(空軍預警學院，武漢 430019)

基于有源/無源融合的雷達抗欺騙干擾方法研究

劉 瀛,徐佳婧,蘇 偉,左家駿

(空軍預警學院，武漢 430019)

針對自衛(wèi)式欺騙干擾對雷達的嚴重威脅，研究了一種基于有源/無源融合的雷達抗欺騙干擾新方法。首先論證了單站無源定位方法對欺騙干擾源定位的可行性，設計了一種增加無源處理通道的雷達結構。然后在有源、無源融合的基礎上，提出了一種改進的概率數(shù)據(jù)互聯(lián)(PDA)濾波器，通過對輻射源的無源定位抑制假目標對波門的拖引。仿真表明該方法具有較好的抗欺騙干擾性能。

自衛(wèi)式欺騙干擾；單站無源定位；概率數(shù)據(jù)互聯(lián)濾波器

0 引 言

欺騙干擾是一種常用的電子干擾樣式，廣泛應用于武器系統(tǒng)的自衛(wèi)電子對抗系統(tǒng)，以對抗各種火炮和導彈系統(tǒng)配備的跟蹤雷達[1]。與壓制式干擾相比，欺騙干擾具有發(fā)射功率小、能量利用率高等獨特優(yōu)勢。通過數(shù)字射頻存儲器(DRFM)的運用，欺騙干擾能夠高度模擬真實目標回波，從雷達主瓣進入接收機之后，使雷達處理器分辨不出真假，以假當真，從而達到破壞雷達對真目標檢測、跟蹤的目的。

目前對抗欺騙干擾的技術研究主要集中在雷達信號處理方面，即利用欺騙信號與目標回波的特征差異，通過信號處理技術提取干擾信號的特征參數(shù)，盡可能地在時域、頻域或者極化域上識別并剔除欺騙干擾信號[2-4]。

實際情況中不可避免地存在假目標點跡進入雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，此時雷達主要依賴在數(shù)據(jù)處理階段對抗欺騙干擾。國內外學者做了很多這方面的研究：記憶波門法[5]在干擾出現(xiàn)時，采用干擾前目標運動速度勻速移動距離波門，保持波門不被拖引，但如果記憶的速度不準確或者干擾期間目標速度變化較大，都容易丟失目標；邊沿跟蹤法[6]在干擾出現(xiàn)時，轉向跟蹤回波信號的邊沿，保持距離跟蹤正常；χ2檢驗法[7]根據(jù)目標與拖距干擾假目標位于同一測量角以及測角誤差近似服從高斯分布的規(guī)律，構造χ2檢驗對抗距離后拖干擾。文獻[7]、[8]利用分解融合方法對抗距離欺騙干擾，即將同角量測值分解為目標-假目標對和雜波對分別進行濾波，然后再將結果進行融合從而得出最終的濾波值。文獻[7]、[9]提出交互式多模型數(shù)據(jù)互聯(lián)(IMMPDA)算法對抗距離拖引干擾，在PDA算法中降低遠距離目標量測的加權概率，提高近距離量測的加權概率，使雷達在受到干擾的有限時間內不被干擾拖走，但降低了對機動目標的互聯(lián)成功率。文獻[10]、[11]提出利用多假設濾波對抗距離拖引干擾的方法。

可以看到基于數(shù)據(jù)處理的抗欺騙干擾措施起到了一定的效果，但由于缺乏對欺騙干擾的有效信息，在采用抗欺騙干擾措施后，一定程度上降低了數(shù)據(jù)處理穩(wěn)定性，容易丟失真目標。本文從提高雷達整體抗干擾能力的角度出發(fā)，針對當前常規(guī)體制雷達缺乏有效對抗自衛(wèi)式欺騙干擾手段的現(xiàn)狀，提出一種新的雷達抗欺騙干擾技術。即在雷達中增加一路無源處理通道，通過數(shù)字信號處理方法測量欺騙干擾信號的多普勒頻率變化實現(xiàn)對自衛(wèi)式欺騙干擾源的有效定位[12]。在雷達不能有效獲取自衛(wèi)式欺騙干擾源的參數(shù)信息時，一方面可以通過無源定位的方法，實現(xiàn)對自衛(wèi)式欺騙干擾源的定位與跟蹤；另一方面，通過無源通道獲取的目標可信信息，能夠設置更多約束條件，在數(shù)據(jù)處理的過程中將不符合相關條件的假目標點跡去除，從而達到對抗欺騙干擾的效果。

1 欺騙干擾源的單站無源定位原理

1.1 欺騙干擾信號建模

欺騙干擾按照欺騙的參數(shù)可分為距離欺騙干擾和速度欺騙干擾。然而，單獨采用拖距或拖速干擾只能欺騙僅有距離或速度檢測、跟蹤能力的雷達，無法欺騙具有二維信息同時檢測、跟蹤能力的雷達，如脈沖多普勒(PD)雷達。因為速度是距離變化率，通過濾波的方法，這類雷達可以檢查目標的距離變化率與測得的目標多普勒速度之間的一致性來抗干擾。因此要達到干擾PD雷達的目的，必須同時對距離和速度信息進行干擾，即距離-速度同步拖引干擾。信號模型可以表示為[1]：

(1)

在距離-速度同步拖引干擾中，一般采用線性拖速、加速拖距的方案。為了達到距離欺騙與頻率欺騙的同步，式中時間延時與多普勒頻率增量須滿足下面的要求：

(2)

(3)

1.2 欺騙干擾源的單站無源定位原理

有源雷達通過比較接收到的回波信號和發(fā)射信號來探測目標并測定其坐標和運動參數(shù)。欺騙干擾正是利用這一原理，通過時間延時欺騙距離信息、調制多普勒頻率欺騙速度信息。而無源定位方法在體制上不同，不利用時間延時計算目標距離，通過時延轉發(fā)的距離欺騙干擾對其定位沒有影響。同時無源定位也不利用目標的多普勒頻率測速，即通過調制多普勒頻率的速度欺騙干擾對其也無影響。

采用基于空頻域信息的單站無源定位方法對目標輻射源進行定位，通過運動學的分析可以得到目標輻射源斜距計算式[13-14]：

(4)

由式(4)可知，只要能夠高精度地測量欺騙干擾輻射源的角度、角速度、多普勒頻率變化率信息，就能夠計算目標斜距，再結合方位角與俯仰角可得出輻射源的位置參數(shù)，這一定位方法能夠實現(xiàn)對欺騙干擾源的定位。

2 干擾判斷

常規(guī)雷達對欺騙干擾判決主要有以下幾點：

(1) 最大速度、加速度檢測

(2) 距離速度匹配檢測

當雷達正常工作時，速度跟蹤系統(tǒng)測得的速度值應當與距離跟蹤系統(tǒng)測得的距離變化率相匹配。當只存在距離欺騙或者速度欺騙時，二者會出現(xiàn)較大差異。該方法的缺點是無法判斷距離-速度同步欺騙。

(3) 能量檢測

在自衛(wèi)式干擾中，干擾信號從雷達主瓣進入，雷達天線對接收回波信號與干擾信號具有相同增益，并且干擾機與目標距雷達距離相同。此時雷達接收機輸入端的干擾與目標回波信號功率比J/S(干信比)為:

(5)

式中:Pt、Gt為雷達發(fā)射功率和天線增益；σ為目標雷達截面積;λ為波長；Rt為目標干擾機與雷達之間的距離；PJ、GJ為干擾機發(fā)射功率和發(fā)射天線增益；γJ為干擾信號與雷達信號的極化失配損失系數(shù)(在雷達天線采用線極化、干擾信號采用圓極化時，γJ=0.5)。

圖1 自衛(wèi)干擾中干信比隨距離變化曲線

圖1表示的是在干擾發(fā)射功率恒定時，典型自衛(wèi)干擾場景中干信比隨距離變化曲線。仿真條件為：雷達發(fā)射功率Pt=500 kW、雷達天線增益Gt=2 000，目標干擾機雷達截面積σ=5 m2，雷達工作波長λ=0.1 m，干擾機恒定發(fā)射功率PJ=200 W，干擾發(fā)射天線增益GJ=20，極化失配損失系數(shù)γJ=0.5。從圖1可以看到，自衛(wèi)式干擾在遠距離上具有更大的干擾效能，在距雷達10 km處，干信比已達到15 dB。在這種條件下，雷達通過檢測信號能量，可以判別是否存在干擾。

上述對欺騙干擾的判別方法具有一定的局限性，需進一步研究更為有效的判別方法。

3 有源、無源傳感器數(shù)據(jù)融合

3.1 融合的雷達結構設計

無源定位跟蹤具有隱蔽性、抗干擾等優(yōu)點，然而缺點也十分明顯。尤其是單站無源定位跟蹤的誤差大，濾波收斂速度慢，難以對遠距離目標實現(xiàn)高精度的跟蹤。而所謂數(shù)據(jù)融合就是將來自多個傳感器或多源的信息進行綜合處理，從而得出更為準確、可靠的結論[16]。若實現(xiàn)有源、無源信息的融合，可以綜合提高雷達系統(tǒng)的探測能力與抗干擾能力。

本文提出一種混合式的數(shù)據(jù)融合結構，它同時具有集中式和分布式的結構優(yōu)點，既能使系統(tǒng)信息損失最小，也能保留局部獨立跟蹤的能力。

圖2 混合式融合雷達結構

如圖2所示，混合式融合結構基本保持了傳統(tǒng)分布式融合結構的框架，融合處理的流程為：首先，對有源、無源傳感器獲得的數(shù)據(jù)進行預處理，完成時間同步和空間配準；然后各個傳感器分別單獨對目標進行跟蹤濾波形成局部航跡，送入融合中心；最后在中心級融合處理器完成有源、無源航跡的關聯(lián)和融合，在融合中心進行復合跟蹤與濾波。

在這個過程中,航跡關聯(lián)是一個關鍵的環(huán)節(jié)，其目的就是判斷有源、無源獲取的目標航跡屬于同一個目標，基于這種判斷，才能夠對同一目標進行綜合處理，實現(xiàn)二者的融合。有源、無源數(shù)據(jù)融合的理論已有許多，本文對融合的具體過程不作研究，主要探討融合基礎上的抗欺騙干擾措施。

3.2 融合后的功能實現(xiàn)

該融合結構具有以下幾種功能：

(1) 有源通道獨立跟蹤的能力

有源定位具有跟蹤精度高、獲取目標信息穩(wěn)定等優(yōu)點。在沒有干擾時，主要利用有源定位完成探測目標、獲取目標狀態(tài)信息的任務。

(2) 無源通道獨立跟蹤的能力

當干擾出現(xiàn)，有源跟蹤丟失目標，并且融合跟蹤也不穩(wěn)定時，可以通過單純無源跟蹤的方式獲取目標航跡，保證不丟失目標。由于無源定位的可觀測性弱、參數(shù)測量精度低等因素，使得無源定位與跟蹤的誤差通常較大，因此只在有源雷達跟蹤丟失目標時采用。

(3) 抗欺騙干擾的有源跟蹤濾波

為了提高跟蹤精度，同時又具有抗欺騙干擾的能力，當判斷有源、無源的航跡來自同一目標后，可以根據(jù)可靠(不受欺騙)的無源信息指導有源跟蹤。具體方法即第4節(jié)內容。

4 基于融合的改進概率數(shù)據(jù)互聯(lián)(PDA)抗欺騙干擾算法

在雷達目標跟蹤的過程中，某一時刻會得到許多量測數(shù)據(jù)，但只有一個是屬于被跟蹤目標的量測。選擇哪一個作為目標的量測與已有的航跡相關聯(lián)——即數(shù)據(jù)互聯(lián)的問題，是雷達數(shù)據(jù)處理中的關鍵問題之一。而相關波門則是以目標的預測位置為中心，劃定的一個目標量測可能出現(xiàn)的區(qū)域，只在該區(qū)域內進行數(shù)據(jù)互聯(lián)[17]。一般而言，相關波門中的點跡包含目標回波和雜波，但在干擾存在的環(huán)境中，由于欺騙干擾所形成的假目標也會被雷達檢測到，在相關波門中是一個不同于真目標的確定點，若將假目標與航跡相關聯(lián)，就形成了虛假航跡。因此在數(shù)據(jù)關聯(lián)時，避免這一情況的發(fā)生是數(shù)據(jù)處理抗欺騙干擾的主要任務。

本文提出一種改進的概率數(shù)據(jù)互聯(lián)抗欺騙干擾方法。該方法在有源、無源融合的基礎上，通過單站無源定位獲得的目標位置信息控制距離相關波門的中心。由于單站無源定位能夠定位干擾輻射源，以無源定位濾波位置值為中心建立的相關波門能夠保證真實目標回波始終處于其中，當干擾關閉后，雷達也不會丟失目標。在數(shù)據(jù)互聯(lián)的過程中，即使錯誤地將假目標量測與當前航跡相關，也能保證相關波門不受到欺騙干擾拖引，從而避免了形成假目標航跡。該方法具有較好的互聯(lián)成功率與跟蹤穩(wěn)定性，能夠在距離欺騙干擾及距離-速度同步拖引干擾中保持距離信息的正常跟蹤。

4.1 觀測方程及坐標轉換

目標狀態(tài)方程一般建立在直角坐標系中，而有源雷達對目標的測量是在極坐標中完成的，一般兩坐標雷達的觀測量為距離和方位角，為避免非線性的處理過程，有源雷達跟蹤時一般采用坐標轉換的方法將極坐標系下的觀測值轉換到直角坐標系下，本文采用無偏量測轉換技術，經(jīng)過極-直坐標轉化后，目標觀測量為Z(k)=[x(k),y(k)]T，表示目標k時刻x、y方向的距離?？山⒛繕擞^測方程:

(6)

H(k)為觀測矩陣:

(7)

W(k)為雷達觀測噪聲向量，其協(xié)方差矩陣為:

(8)

4.2 相關波門的產(chǎn)生

相關波門或確認區(qū)域的形成是目標跟蹤過程中首當其沖的問題。相關波門是指以被跟蹤目標的預測位置為中心，用來確定該目標的觀測值可能出現(xiàn)的一塊區(qū)域。通常對相關波門的設計只考慮它的大小和形狀，其目的是使回波落入相關波門內的概率盡可能大，同時使波門內無關點跡的數(shù)量盡可能少。

欺騙干擾環(huán)境中，假目標的存在使得對目標的預測位置發(fā)生偏差，使相關波門逐漸被拖離目標真實位置。根據(jù)前面的分析，單站無源定位得到的目標位置信息不受欺騙干擾，是輻射源的真實位置，如果將這一位置信息作為有源跟蹤中相關波門的中心，可以保證相關波門不會隨著干擾移動，從而達到抗欺騙干擾的目的。

本節(jié)設計一種改進的矩形波門，設有源濾波過程中，位置坐標的新息向量V(k)、轉換量測Z(k)和無源濾波得到的狀態(tài)估計量Zp(k)的第i個分量分別用vi(k)、z(k)、zp(k)表示，如下建立距離跟蹤波門，即量測Z(k)對所有分量需滿足關系：

(9)

(10)

n維矩形波門的面(體)積為:

(11)

與常規(guī)的矩形波門相比，這種波門是將量測的一步預測替換為無源定位的濾波值，將對應的一步預測協(xié)方差替換為無源定位狀態(tài)更新協(xié)方差。由于無源定位誤差大于有源定位誤差，由式(11)可知，改變后波門的體積將會有一定程度的增大，導致落入波門當中的雜波點數(shù)增多，增大計算量。因此使用中應待無源定位收斂至較高精度后再使用無源定位控制波門。

4.3 概率數(shù)據(jù)互聯(lián)

在確定了相關波門之后，落入相關波門的回波稱為候選回波，數(shù)據(jù)互聯(lián)的目的就是從中選擇測量值用于對目標狀態(tài)的更新。概率數(shù)據(jù)互聯(lián)濾波器(PDA)就是其中一種典型的數(shù)據(jù)互聯(lián)算法，它將落入相關波門內的所有候選回波都考慮在內，根據(jù)不同的相關情況計算出各回波來自目標的概率，然后利用這些概率值對相關波門內的所有回波進行加權，得到一個等效回波，并將其作為目標的等效狀態(tài)進行更新。通過等效回波的處理，可以進一步弱化假目標回波的影響。

改進的PDA算法流程如下：

(1) 狀態(tài)和誤差協(xié)方差矩陣的預測:

X(k,k-1)=Φ(k-1)X(k-1,k-1)+ Γ(k-1)V(k-1)

(12)

P(k,k-1)=Φ(k-1)P(k-1,k-1)ΦT(k-1)+Γ(k-1)Q(k-1)ΓT(k-1)

(13)

(2) 干擾判斷及波門建立

綜合運用第3節(jié)介紹的干擾判決方法，當判斷存在欺騙干擾時，采用4.2節(jié)設計的波門進行處理，否則采用正常跟蹤波門。

(3) 計算組合新息及對應協(xié)方差矩陣：

(14)

(15)

(16)

(4) 濾波增益：

K(k)=P(k,k-1)HT(k)· [H(k)P(k,k-1)HT(k)+R(k)]-1

(17)

(5) 狀態(tài)和誤差協(xié)方差矩陣的更新：

(18)

(19)

Pc(k,k)=[I-K(k)H(k)]P(k|k-1)

(20)

(21)

基于融合的改進PDA抗欺騙干擾方法的基本流程如圖3所示。

在雷達數(shù)據(jù)互聯(lián)的過程中，濾波器的結果在輸出之前，首先經(jīng)過干擾判斷，若判斷沒有干擾，則以濾波器對目標的預測位置為中心建立相關波門，正常進行數(shù)據(jù)互聯(lián)；若判斷存在欺騙干擾，則以無源定位的濾波位置為中心建立相關波門，后續(xù)處理不變。采用第3節(jié)的干擾判決，綜合應用常規(guī)判決方法和基于融合的判決方法，以降低虛警，提高檢測概率。

圖3 改進PDA算法流程圖

5 仿真分析

為驗證基于融合的改進PDA算法抗欺騙干擾的有效性，進行以下仿真。場景設置：以雷達為坐標原點，建立二維平面直角坐標系，干擾機位于(20,40) km處，以300 m/s的速度向x軸正方向運動，干擾機采用距離-速度同步拖引干擾，從第40 s開始拖引。從零時刻開始有源、無源通道同時開始工作，分別單獨對目標進行跟蹤濾波，跟蹤時間為100 s。

5.1 欺騙干擾環(huán)境中傳統(tǒng)PDA算法仿真分析

仿真參數(shù)設置：有源通道數(shù)據(jù)處理過程中采用PDA算法對目標進行跟蹤。設有源定位的距離測量誤差均方根σR=200 m，方位角測量誤差均方根σθ=4 mrad，采樣間隔T=1 s，檢測概率Pd=0.998，單位面積雜波數(shù)為1×10-5。進行500次蒙特卡羅仿真試驗。圖4是2種不同拖引加速度時，欺騙干擾環(huán)境中傳統(tǒng)PDA算法對目標跟蹤曲線。

圖4 欺騙干擾環(huán)境中PDA算法目標跟蹤曲線

圖4(a)中干擾拖引加速度aj=20m/s2，當干擾與目標分離后，PDA估計的航跡完全跟蹤假目標，此時干擾達到了最優(yōu)的效果；圖4(b)中干擾拖引加速度aj=60m/s2，可以看到在干擾出現(xiàn)之后，跟蹤航跡逐漸偏離目標真實位置，但并沒有完全跟上干擾。其原因是距離拖引干擾初期，PDA算法通過概率加權得到的等效回波處于干擾與真實目標之間，當干擾速度過快時，假目標點跡很快脫離了相關波門，一段時間后相關波門中既無目標回波，也無干擾假目標，此時PDA算法處于跟蹤雜波點跡的狀態(tài)，因此濾波曲線近似為一條直線。實際中若相關波門內連續(xù)若干次無任何點跡時，將啟動航跡關閉程序，雷達轉入搜索模式。

圖4表明，無論欺騙效果是否最優(yōu)，干擾對傳統(tǒng)PDA算法的影響都非常大，在欺騙干擾環(huán)境中，傳統(tǒng)PDA算法難以有效跟蹤目標。

5.2 改進的PDA算法抗欺騙干擾效果分析

圖5是欺騙干擾環(huán)境中在不同時刻采用改進PDA算法的目標跟蹤曲線。

圖5 欺騙干擾環(huán)境中改進的PDA算法目標跟蹤曲線

圖5(a)的場景是在干擾開始拖引時即判斷出干擾，并立刻采用波門控制時的情況。可以看到當干擾假目標與真實目標分離后，跟蹤受到假目標的影響，濾波軌跡開始偏離真實目標位置。但通過波門的控制，其誤差并沒有進一步增大，一段時間后目標跟蹤恢復正常，整個過程中雷達始終保持跟蹤真實目標。

圖5(b)的場景是在干擾開始拖引時沒有立刻判斷出干擾，經(jīng)過10 s后判斷有干擾并采用波門控制時的情況。從圖中可以看出，當干擾假目標與真實目標分離后，由于沒有及時判斷干擾的出現(xiàn)，有源跟蹤軌跡出現(xiàn)較大的偏差。10 s后通過波門的控制，有源跟蹤軌跡逐漸回到真目標位置繼續(xù)跟蹤，并且跟蹤誤差快速收斂。

該仿真表明，改進的PDA算法具有良好的抗欺騙干擾性能，在沒有及時獲知干擾出現(xiàn)的情況下，采用改進算法后也能保證后續(xù)跟蹤的正常。另一方面，相對于單站無源定位，該方法的收斂速度以及跟蹤精度都有較大提升?；谌诤系母倪MPDA算法是一種兼具高精度和良好抗干擾能力的數(shù)據(jù)處理抗欺騙干擾方法。

6 結束語

本文針對單站無源定位精度差、跟蹤收斂速度慢導致抗欺騙干擾效果有限的問題，在雷達加入無源通道的基礎上，提出一種基于融合的數(shù)據(jù)處理抗欺騙干擾方法。文章首先介紹了一種雷達中的數(shù)據(jù)融合結構，探討了融合后雷達能夠實現(xiàn)的不同跟蹤模式；然后對欺騙干擾判決進行了論述，作為雷達切換跟蹤模式的基礎；最后重點提出以一種基于融合的改進PDA抗欺騙干擾算法，將同一目標的無源狀態(tài)估計值控制有源數(shù)據(jù)處理中的相關波門，保持波門不被干擾拖引，在航跡關聯(lián)過程中避免出現(xiàn)假目標航跡。仿真結果表明，在存在距離拖引干擾的環(huán)境中，該方法能夠保持距離的正常跟蹤，具有較好的抗欺騙干擾效能。

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Research into Radar Anti-deception Jamming Method Based on Active and Passive Fusion

LIU Ying,XU Jia-jing，SU Wei,ZUO Jia-jun

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

Aiming at the serious threat of self-defense deception jamming to radar,this paper studies a new method of radar anti-deception jamming based on the active and passive fusion,firstly demonstrates the feasibility of single-station passive location method to deception jamming sources location,designs a radar structure increasing passive processing channels,then presents an improved probabilistic data association (PDA) filter on the basis of active and passive fusion,which suppresses the drawing-out of false target to gate through the passive location of radiation source.The simulation results indicate that the new method has good anti-deception jamming performance.

self-defense deception jamming;single-station passive location;probabilistic data association filter

2016-03-30

TN974

A

CN32-1413(2016)06-0019-08

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.004