機載目標多普勒精確計算

王勇軍

(中國人民解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066001)

隨著電磁環境的日益復雜,電子戰設備要準確地選擇偵察目標并長期跟蹤某個目標變得越來越困難。由于流水線加工水平的提高,同類型輻射源的信號參數差異極小,因此利用常規的電子偵察設備幾乎不可能長期跟蹤某個目標。輻射源個體識別(SEI)被提出的最初目的就是為了解決這個問題。雷達信號的個體特征也稱為雷達的“指紋”,是指附加在雷達信號上的無意調制。無意調制指雷達采用某種形式的調制器而附加在雷達信號上的某種特性,如幅度起伏、頻率漂移等,是一部雷達所特有的信號屬性,也是一部雷達區別于另一部雷達的特征[1]。

通過輻射源個體識別系統,可以對感興趣的輻射源目標進行鎖定跟蹤。更重要的是,通過長期識別結果的時空關聯,可以獲取輻射源及其裝載平臺的部署、活動規律和戰術使用特點,甚至可以得到敵方武裝平臺的部署、兵力調配和軍事動向,同時收集戰區電子情報、監測戰場電磁信號環境,因此具有重要的戰略及戰術應用價值。

20世紀60年代中期,美國政府提出對某個特定的運動輻射源進行識別和跟蹤,隨后的40年間,Northrop Grumman Mission System對此展開研究。隨著數字化技術和復雜信號處理能力的不斷提升,已經有配備指紋識別的雷達和電子偵察系統的公開報道,如捷克ERA公司研制的維拉(VERA-E)無源雷達系統已經將雷達指紋分析功能集成到電子情報分析系統上[2]。

目前,雷達輻射源指紋識別算法主要針對慢速和固定目標進行識別,而機載目標機動性大、速度快,給輻射源特征帶來較大多普勒效應,導致輻射源信號本質特征不能有效提取[3]。本文根據平臺與目標之間的相對位置與運動姿態,提出一種基于多普勒效應積累的計算方法,消除平臺運動特性對信號特征的影響,實現對高速機動輻射源目標的脈沖重復間隔(PRI)或脈沖重復頻率(PRF)的精確測量,從而進一步解決機載平臺的輻射源個體識別問題。

1 頻率多普勒效應

多普勒頻率是指由目標與接收機之間的相對運動而產生的接收頻率與實際頻率之間的偏差,它的改變量與兩者的相對速度成正比。多普勒效應原理如圖1所示。

圖1 多普勒效應原理Fig.1 Principle of Doppler effect

(1)

式中:fd為多普勒頻率;v為輻射源和接收機之間的相對速度;θ為相對速度與輻射源和接收機連線間的夾角;c為光速;fo為輻射源的信號頻率。

目標和輻射源靠近時多普勒頻率fd為正,背離時fd為負。

2 脈沖重復頻率的多普勒效應

與頻率多普勒效應類似,脈沖重復頻率也存在相同的多普勒效應。目標和輻射源靠近時多普勒脈沖重復頻率pd為正,背離時pd為負。

(2)

式中:pd為多普勒脈沖重復頻率;po為輻射源的信號脈沖重復頻率。

在實際應用中,輻射源目標的速度是未知的,現有手段只能通過定位來計算速度,然而由于定位誤差較大,基于此定位誤差計算的速度誤差更大,并不能用于多普勒計算。

3 基于多普勒積累的脈沖重復頻率計算方法

運動目標多普勒效應原理如圖2所示。

圖2 運動目標多普勒效應原理Fig.2 Principle of Doppler effect for moving target

圖2中,A為目標起始位置,B為目標結束位置,R為接收機位置,v(t)為目標實時速度,θ(t)為目標速度與接收機夾角。多普勒效應計算原理如下所示:

(3)

對式(3)兩邊同時積分,可得

(4)

式中:t1為目標到達A位置的時刻;t2為目標到達B位置的時刻;|AR|為A到R的距離;|BR|為B到R的距離。

(5)

(6)

同理可得

(7)

假設在機動目標從A到B的過程中,對脈沖重復頻率進行N次直接測量,每次測量結果為pi,可得

(8)

由式(8)可得

(9)

脈沖重復頻率與脈沖重復間隔互為倒數關系,設輻射源的多普勒脈沖重復間隔為pt,可得

(10)

通過計算,測量精度分析結果為

(11)

式中:σpo為po測量值誤差的標準差;G為幾何精度因子。

上述分析都是針對偵察設備固定、目標運動的情況,同理可以將結論推廣到偵察設備運動、目標固定和偵察設備運動、目標運動的情況,如圖3所示。

圖3 運動平臺對運動目標多普勒效應Fig.3 Doppler effect for moving platform to moving target

圖3中,R1為接收機起始位置,R2為接收機結束位置。根據前述結論可以得到機載輻射源的脈沖重復間隔

(12)

從式(12)可以看出:當R1和R2為同一個點時,就是偵察設備固定、目標運動的情況;當A和B為同一個點時,就是偵察設備運動、目標固定的情況。

從上述分析得到以下結論:

(1)目標飛行過程中多普勒效應的平均影響效果只與起始及結束位置有關,與過程中航行線路無關。

(2)多普勒效應的平均影響效果就是平均速度的多普勒效應。

(3)通過長時間的積累處理,可以提高在多普勒效應影響下的輻射源脈沖重復間隔等特征參數的測量精度。

4 結語

通過對多普勒效應的時間積累計算處理,可以精確計算輻射源的多普勒脈沖重復頻率,從而間接計算目標本身的脈沖重復頻率和脈沖重復間隔,為機載輻射源目標精確識別和輻射源特征參數測量提供手段。