LFMCW雷達(dá)導(dǎo)引頭大下視角對(duì)地探測(cè)時(shí)搜索波門自適應(yīng)設(shè)置方法

高文冀 李喜民 王建超 伍建輝

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

智能彈藥以其優(yōu)異的“效費(fèi)比”而受到世界各國(guó)軍事裝備研究的廣泛重視。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于智能彈藥的導(dǎo)引頭以激光半主動(dòng)和紅外體制為主，該類型光學(xué)導(dǎo)引頭性能受天氣及戰(zhàn)場(chǎng)煙霧等環(huán)境影響較大，實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。近年來(lái)，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，小型化、耐高過(guò)載雷達(dá)導(dǎo)引頭應(yīng)用于智能彈藥已成為可能，其所具備的“全天候工作”及“打了不管”特性，可對(duì)上述光學(xué)體制導(dǎo)引頭形成有效補(bǔ)充，具有廣泛的應(yīng)用前景。

雷達(dá)導(dǎo)引頭與上述光學(xué)導(dǎo)引頭工作原理不同，其主要依靠距離維的搜索來(lái)鎖定目標(biāo)，因此導(dǎo)引頭工作時(shí)，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的彈地相對(duì)距離信息對(duì)導(dǎo)引頭十分重要，導(dǎo)引頭需依據(jù)該信息設(shè)置搜索波門，并在波門內(nèi)搜索目標(biāo)。

智能彈藥受成本限制，所搭載的彈上設(shè)備無(wú)法在飛行中為雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的彈地相對(duì)距離參數(shù)，只能根據(jù)理論彈道參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。而在彈體實(shí)際飛行中，受氣象、海拔高和地形等因素影響，彈藥飛行軌跡將發(fā)生改變，導(dǎo)致根據(jù)理論彈道計(jì)算的彈地距離與真實(shí)值存在較大散布(一般該誤差值在50～200m左右，如射程超過(guò)20km，該散布將進(jìn)一步增大)，無(wú)法滿足雷達(dá)導(dǎo)引頭搜索時(shí)波門設(shè)置的需求。

為解決上述問(wèn)題，本文以LFMCW雷達(dá)導(dǎo)引頭為應(yīng)用背景，提出一種新的搜索波門自適應(yīng)跟蹤方法，使得雷達(dá)導(dǎo)引頭在不依靠外部信息的前提下，僅通過(guò)自身回波數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)獲取彈地距離，實(shí)現(xiàn)搜索波門的自適應(yīng)隨動(dòng)，延長(zhǎng)導(dǎo)引頭對(duì)地探測(cè)中的搜索時(shí)間，以提高導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的捕獲概率，增加制導(dǎo)彈藥使用時(shí)的靈活性。

1 LFMCW雷達(dá)導(dǎo)引頭工作原理

本文以發(fā)射信號(hào)為鋸齒波調(diào)頻方式的LFMCW雷達(dá)導(dǎo)引頭為應(yīng)用背景，LFMCW雷達(dá)在有效掃頻周期的理想發(fā)射信號(hào)可表示為:

(1)

其中A0為發(fā)射信號(hào)幅度，f0為射頻的初始頻率，即發(fā)射信號(hào)的中心頻率，φ0為發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)初始相位，T為調(diào)頻周期，B為調(diào)頻帶寬，K=B/T為調(diào)頻斜率。

根據(jù)式(1)，初始距離(t=0時(shí)刻)為R0，初始回波延遲為τ0=2R0/c的靜止點(diǎn)目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號(hào)可表示為：

(2)

其中Kr為傳輸損耗因子，θ0為目標(biāo)反射引起的附加相移，c為光速。

把該點(diǎn)目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)通過(guò)混頻器進(jìn)行混頻，然后通過(guò)低通濾波濾除高頻分量，得到如下所示的波形：

(3)

根據(jù)式(3)可知，在調(diào)制參數(shù)T、B一定的條件下，差頻信號(hào)f與距離R成正比，對(duì)差頻信號(hào)f進(jìn)行FFT變換，就可通過(guò)頻譜求出目標(biāo)的距離R。

本文后續(xù)試驗(yàn)以某項(xiàng)目毫米波LFMCW雷達(dá)導(dǎo)引頭為驗(yàn)證平臺(tái)，其具體參數(shù)為：

1)發(fā)射功率400mW;

2)工作頻段:Ka波段;

3)調(diào)頻形式：線性正斜率鋸齒波;

4)調(diào)頻周期：1ms;

5)調(diào)頻帶寬：510MHz。

2 原有LFMCW雷達(dá)導(dǎo)引頭波門設(shè)置方法

在原導(dǎo)引頭應(yīng)用中，雷達(dá)導(dǎo)引頭只能采用固定位置波門，根據(jù)理論彈道計(jì)算，在發(fā)射前完成波門位置及導(dǎo)引頭開始搜索時(shí)間設(shè)定，在實(shí)際飛行中導(dǎo)引頭按設(shè)定時(shí)間開始搜索，等待目標(biāo)在波門內(nèi)出現(xiàn)并截獲目標(biāo)。具體流程如圖2所示：

采用這種方式主要有以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)當(dāng)受氣象或海拔高因素影響時(shí)，彈體實(shí)際飛行軌跡與理論計(jì)算將產(chǎn)生較大偏差，有可能導(dǎo)致因波門位置偏差，而無(wú)法截獲目標(biāo)的情況，降低了制導(dǎo)彈藥的環(huán)境適應(yīng)性；

2)實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)引頭波門位置需根據(jù)不同射擊參數(shù)(射角和射向)和彈著點(diǎn)高度差進(jìn)行調(diào)整，為彈藥的實(shí)際使用造成困難，降低了彈藥發(fā)射時(shí)的反應(yīng)速度；

3)為保證截獲目標(biāo)，一般波門位置應(yīng)比當(dāng)前彈地距離更近，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自遠(yuǎn)及近通過(guò)波門，該方法將導(dǎo)致彈體起控時(shí)間推后，影響修正能力；

4)目標(biāo)通過(guò)波門時(shí)間有限，如導(dǎo)引頭因外界因素?zé)o法一次成功截獲目標(biāo)，一般無(wú)法完成二次目標(biāo)搜索；

5)當(dāng)導(dǎo)引頭跟蹤過(guò)程中丟失目標(biāo)后，無(wú)法通過(guò)重新搜索再次截獲目標(biāo)。

3 一種新的搜索波門自適應(yīng)設(shè)置方法

在智能彈藥對(duì)地攻擊應(yīng)用中，目標(biāo)所處位置必然包含在地雜波范圍內(nèi)，因此本方法將實(shí)現(xiàn)LFMCW雷達(dá)全距離范圍內(nèi)地雜波位置的自動(dòng)快速定位，并以此設(shè)置搜索波門，使得搜索波門始終跟隨地雜波移動(dòng)，保證對(duì)目標(biāo)的持續(xù)搜索。

本算法處理流程如圖3所示：

從上述流程圖中可以看出，本方法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是如何根據(jù)導(dǎo)引頭探測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速地估計(jì)出地雜波的位置。下面將對(duì)該關(guān)鍵算法進(jìn)行詳細(xì)敘述。

4 基于一維距離像的地雜波位置快速估計(jì)算法

在大下視角條件下，主瓣地雜波往往擁有較強(qiáng)的回波功率。在導(dǎo)引頭大下視角(約45°～60°)對(duì)地探測(cè)時(shí)，主瓣地雜位置將出現(xiàn)與天線方向圖相匹配的回波突起，而其余距離范圍回波功率較小(如圖5所示)，通過(guò)測(cè)量全距離范圍內(nèi)主瓣雜波的突起的位置，便可以確定地雜波所處距離及寬度，并依此設(shè)置搜索波門。圖4、5為毫米波LFMCW雷達(dá)導(dǎo)引頭高塔試驗(yàn)時(shí)的實(shí)采地雜波數(shù)據(jù)。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)向天空時(shí)，回波功率較小且相對(duì)均勻(如圖4所示)，而當(dāng)導(dǎo)引頭在高塔上以大下視角對(duì)地探測(cè)時(shí)，地雜波位置有較強(qiáng)的回波功率突起(如圖5所示，其中最高峰值為角反射體目標(biāo)回波)，該回波功率突起的位置即代表了導(dǎo)引頭此時(shí)距地面的距離。

為了保證估計(jì)的實(shí)時(shí)性，本算法設(shè)計(jì)時(shí)將采用適合并行運(yùn)算特點(diǎn)的一維滑窗平均算法，以減小雜波估計(jì)的計(jì)算時(shí)間。由于雜波回波主要體現(xiàn)在回波功率在距離上的變化，擬采用一維滑窗平均算法對(duì)回波進(jìn)行平滑，隨后對(duì)平滑后的數(shù)據(jù)利用門限檢測(cè)的方式確定地雜波位置，從而獲取雜波相對(duì)于導(dǎo)引頭的實(shí)際距離。對(duì)上述實(shí)采回波數(shù)據(jù)，以64點(diǎn)一維滑窗平均算法進(jìn)行平滑可得如圖6所示曲線。

對(duì)圖6及圖7中的64點(diǎn)平滑濾波后曲線采用最大值的三分之一作為門限進(jìn)行判別，過(guò)門限部分判定為地雜波區(qū)域，依照上述算法，通過(guò)實(shí)時(shí)自動(dòng)估計(jì)回波中的地雜波位置，得到相應(yīng)的彈地距離。所得如圖8所示。

利用上述算法對(duì)不同條件下采集的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可得到圖9、10結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，對(duì)應(yīng)不同數(shù)據(jù)，依據(jù)本算法均可檢測(cè)出回波功率突起的位置，通過(guò)門限檢測(cè)準(zhǔn)確地估計(jì)出地雜波相對(duì)于導(dǎo)引頭的實(shí)時(shí)距離，并依此設(shè)置搜索距離波門，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭搜索波門的隨動(dòng)，延長(zhǎng)導(dǎo)引頭搜索時(shí)間，提高智能彈藥用導(dǎo)引頭正確截獲目標(biāo)的概率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的搜索波門自適應(yīng)設(shè)置方式，并利用高塔實(shí)采數(shù)據(jù)對(duì)該方法中的關(guān)鍵算法(基于一維距離像的地雜波位置快速估計(jì)算法)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該算法的通用型及有效性。目前該方法已經(jīng)在導(dǎo)引頭高塔試驗(yàn)中進(jìn)行了的驗(yàn)證，可有效解決低成本毫米波智能化彈藥對(duì)地探測(cè)時(shí)波門位置設(shè)置偏差問(wèn)題，進(jìn)一步提高地面目標(biāo)的截獲成功率。