末制導雷達目標角閃爍抑制技術研究綜述

王瑞奇，逯 程，劉 宇，王伊婧心

(1.海軍航空大學 岸防兵學院, 山東 煙臺 264001； 2.中國人民解放軍91206部隊， 山東 青島 266041；3.海軍航空大學 航空基礎學院， 山東 煙臺 264001)

20世紀70年代以來，美國逐步形成了所謂“精確制導武器革命”的防務模式，并在30多年的時間里維持了美國的軍事技術和戰略領導地位。進入21世紀，精確制導武器的大規模應用已改變了傳統的戰爭格局，利比亞內戰、烏克蘭沖突等局部戰爭又再次讓世人領略了其對戰場的精確打擊能力。2014年9月，美國防部部長哈格爾表示，美國國防部正在制定美軍史上“第三個改變游戲規則的對消戰略”。對消戰略不是軍事戰略，而是一種國防發展戰略，其目的在于保持美軍的決定性技術優勢，而作為美軍核心軍事優勢之一的精確制導武器無疑會在未來得到更進一步的發展。

精確制導技術是精確制導武器的關鍵技術，它能夠控制導彈的飛行并引導其命中目標，在這個過程中要利用到自身探測獲取或外部數據鏈輸入的各種信息，不斷對目標進行識別與跟蹤[1]。目前，精確制導技術已廣泛應用于空空、空地、艦空導彈等武器系統中，由于其具有很遠的作用距離與很強的全天候作戰能力，因此成為歐美各國和一些發展中國家當前重點發展的軍事技術之一。

尋的末制導雷達是精確制導技術的最后環節，也是核心環節，末制導雷達常常工作在厘米波和毫米波波段，這正處于目標的光學區波段。像艦船、飛機等一些復雜的軍事目標，它們受到雷達波束照射后會表現出局部散射特性，因此，目標往往被看成由多散射中心組成的擴展目標，影響導彈末制導階段角跟蹤精度的一個主要因素就是目標的角閃爍(Angular glint)現象。

當導彈與目標處于高速相對運動的狀態時，隨著二者距離的不斷減小，由角閃爍引入的導引頭角度測量誤差會越來越大，甚至會引起導彈脫靶，嚴重影響制導精度。因此，抑制角閃爍現象成為亟需解決的一個關鍵問題。

1 毫米波雷達特性分析

近年來，隨著現代電子技術及精確制導技術的發展,毫米波技術成了國際上的研究熱點。從國外精確制導技術在毫米波領域迅速發展的過程中可以看出,研制質量輕、體積小的毫米波導引頭是精確制導的關鍵。毫米波雷達制導兼有微波制導和紅外制導的優點，在大氣層內，毫米波四個主要傳輸窗口(35、94、140和220 GHz),雖較微波對云、雨引起的衰減要大一些，但毫米波系統體積小、重量輕、易于高度集成化和系統化，而且頻帶寬、分辨率高、敵方難于截獲、抗干擾性能強；與紅外制導相比則分辨率差一些，但通過煙、霧、灰、塵的能力強，具有較好的全天候戰斗能力。因此，毫米波制導系統已成為精確制導(特別是尋的制導系統)的主要發展方向之一。

但是由于大氣的吸收和衰減，即使在氣候條件較好時，毫米波雷達導引頭的作用距離也只有10～20 km。當有云、霧和雨時，作用距離還將減小，而且大氣損耗隨頻率增高而增大。這樣出現的一個問題就是主動式毫米波導引頭在距離目標較近時受目標角閃爍噪聲影響較大，特別是使用窄波束(采用毫米波段)并要攻擊大目標(如艦船等)時，角閃爍隨著距離的減小而逐漸增大，引起雷達瞄準點漂移，嚴重影響測角精度，甚至使雷達不能精確制導。

角閃爍是指復雜目標的多反射體散射的合成，使得目標視在散射中心產生跳動。在末制導雷達發射的電磁波照射下，目標表現出局部散射特性，一般都視為擴展目標，可以模型化為多個散射中心的組合體。目標角閃爍在本質上屬于目標的特征信號,是跟蹤制導雷達本身所無法克服的。在有關擴展目標的雷達制導信息處理技術中，角閃爍是必須要面對的一個問題。

毫米波雷達相對于微波雷達而言，更容易實現寬帶調制，采用毫米波寬帶成像技術兼有探測精度高和全天候工作的能力。利用寬帶成像技術可以獲得目標的高分辨一維距離像(HRRP)，此目標回波不再是點目標，而是在徑向距離上的幾個散射中心組成，且這些散射中心代表了目標的物理特征，通過這些散射點可以獲取目標的精細結構信息，進行目標識別與攻擊點的選取，提高測角精度，從而實現精確制導。

2 角閃爍形成機理

雷達目標角閃爍是指：由于雷達擴展目標中各散射單元間的相互影響，從而引起的在目標角度測量和角度跟蹤上的固有誤差源。由目標角閃爍現象引起的測角和角跟蹤誤差被稱之為角閃爍誤差。角閃爍誤差屬于目標噪聲，是雷達目標的一種特征信號，并不是雷達測角和跟蹤系統產生的。角閃爍誤差通常用角閃爍線偏差量來表征，這種線偏差與觀察他的雷達遠近無關，是目標的特征量。

目標角閃爍的概念與雷達擴展目標的概念是緊密聯系的。從目標特性研究的觀點來看，凡是尺度能和波長相比擬，具有兩個或兩個以上散射中心的任何體目標，都會產生角閃爍線偏差，這類體目標都可稱為擴展目標。而在實際應用中，在遠距離情況下，由目標角閃爍線偏差引起的角度誤差非常小，幾乎不影響角度跟蹤，目標一般作為點目標來考慮。在近距離內，當目標角閃爍線偏差引起的角度誤差對雷達角度跟蹤產生顯著影響時，該目標就被認為是擴展目標。擴展目標一定存在多個散射中心，如圖1所示。

圖1 視線坐標系中目標多散射中心模型

針對目標角閃爍特性對末制導精度的影響，相關學者已開展許多卓有成效的仿真研究。袁俊超等[2-4]提出了一種基于模塊化思想計算地空導彈末制導角閃爍實時仿真的方法,建立了彈目交會模型,通過矩陣變換計算出彈目相對位置與雷達視線角的關系,對目標角閃爍進行了實時仿真。隨后又借助商業電磁仿真軟件FEKO獲取目標動態散射特性,通過仿真獲得目標俯沖機動條件下及隱身飛機目標的角閃爍對制導精度的影響。劉趙云[5]根據電磁場理論推導出了艦船的雷達散射截面，給出了一種針對反艦導彈的目標角閃爍特性計算方法。

3 角閃爍抑制方法

國外關于角閃爍問題的研究起步較早，早在20世紀50年代末，角閃爍的波前畸變概念[6]就被D.D.Howard和美國海軍實驗室(NRL)首先提出了。隨后在60年代末，Howard的概念得到了Lindsay的擴展[7]，他首次給出了角閃爍的定量計算方法—相位梯度法。同年，D.D.Howard又與J.H.Dunn共同提出了角閃爍的能流傾斜概念，在設定的N個電偶極子滿足共線非均勻分布的條件下，他們通過對該目標模型進行分析后得到了這一重要理論[8]。隨后，這兩種觀點便成為角閃爍產生機理的基本觀點。國內對角閃爍研究的起步較晚，1995年，殷紅成和黃培康[9]證明了兩種概念的統一性，這需要在近似幾何光學條件下，媒質滿足各向同性的要求。

通過對角閃爍特性的分析，國內外主要從三個角度對角閃爍的抑制技術進行研究。通過雷達分集技術對角閃爍進行抑制是第一類，也是研究最為成熟的一類；第二類是改變雷達體制，在高分辨力體制雷達上對角閃爍進行抑制；第三類是不對雷達體制進行改進，用現代信號處理技術抑制角閃爍。

3.1 頻率分集技術

頻率捷變技術可以有效地去除相鄰回波脈沖間的相關性，即人為地改變目標不同部位回波的相對相位關系，再經過加權處理，使散射點的角閃爍現象得到了有效抑制。由于目標的RCS與雷達工作的載頻密切相關，因此可以采用頻率捷變技術使相鄰發射脈沖的雷達載頻改變了一個足夠大的量，有效地去除了相鄰回波脈沖間的相關性，對角閃爍現象有很好的抑制作用，再對捷變頻率下的樣本進行幅度加權處理，抑制角閃爍的效果會更好。

對于復雜目標，角閃爍的產生是由來自目標不同部位回波相對相位相干作用的結果，假如我們人為地改變相位，得到完全不相關的N個樣本，然后對這些樣本進行算術平均，可以求出角閃爍方差比單個樣本方差降低了N倍。基于這種思想，對于單脈沖雷達和差測角可以采用頻率捷變技術來抑制角閃爍。

常見的雷達分集技術有頻率分集、空間分集和極化分集。頻率分集技術對角閃爍的抑制研究起步最早，Loomis和Graf[10]為了去除或減弱雷達角閃爍數據的相關性，提出了增加電磁波信號頻率間隔的方法。隨后，國外的學者針對頻率捷變抑制角閃爍的方法又做了很多相關研究[11-13]。孫文峰[14]等用一種飛機目標的確定性模型所做的頻率分集實驗，證明了其對角閃爍具有較好的抑制效果。喬曉林[15]等利用角閃爍與雷達散射截面積(RCS)的負相關性，通過頻率捷變與RCS加權結合的方法對角閃爍現象進行了抑制。Sim和Graf[16]的研究首次證實在空間分集情況下，即使間距很小，角閃爍誤差依然能夠得到有效減小。房志斌[17]等用多天線獲得目標回波的多樣本，再采用與RCS加權方法，有效地降低了角閃爍線偏差。極化分集是通過改變天線的極化方式而達到降低角閃爍相關性的目的，原理是由于目標對發射信號方式的敏感性不同。關于極化分集，國內外的相關研究公開資料較少，Dinger[18]利用極化分集對一個兩點目標的角閃爍現象進行了抑制實驗。王濤[19]等以兩半波陣子為目標模型，提出了一種全極化雷達的角閃爍抑制方法。逯程[20]在現有頻率捷變與RCS幅度加權抑制角閃爍方法的基礎上,提出了一種基于秩檢測器預處理的方法,當雷達接收回波信號后,根據檢測器輸出值的大小去除有可能產生大角閃爍分量的回波脈沖,使其不參與加權測角。仿真實驗表明,該方法對角閃爍現象有較好的抑制作用。薛安翔[21]在此基礎上分析了基于導引頭系統設計的分集技術和基于后處理技術的角閃爍加權抑制算法之間的優缺點。根據導引頭應用背景設計運動平臺試驗對各種加權算法進行了對比，并針對實際情況，在加權算法的基礎上加入了奇異值的剔除處理。

3.2 高分辨技術

高分辨力雷達可以將目標上多個散射中心分開，這類方法從角閃爍產生機理出發，逐漸成為角閃爍抑制的一種主要途徑，常用的方法有基于距離高分辨[22-25]和頻域高分辨[26-29]的技術等。在高距離分辨體制下，對于同一目標，在不同的距離單元中，散射點的分布情況各不相同。對于振幅和差式測角來說，只有在距離單元中存在一個散射點時，不會發生角閃爍，或角閃爍較小。因此有必要對散射點在距離單元中的分布及其對測角的影響進行分析。S.W.Leung和K.H.Yeung[30]提出了利用高分辨間隔像分離目標幾何中心的方法，并以此為基礎，提出了利用間隔像分離散射中心來抑制角閃爍的方法。

近幾年，精確制導技術在毫米波領域得到了迅猛地發展，關于高分辨體制下的角閃爍抑制技術，國內的學者做了大量卓有成效的研究。趙宏鐘和何松華[31]為了提高寬帶毫米波雷達的角跟蹤精度，提出了一種角閃爍抑制技術的通用思路，即基于高分辨距離像的單脈沖測角算法。它通過對三個通道的回波信號進行一維距離像成像，在目標各距離單元內進行比幅測角，得到方位或俯仰方位上的角度值，然后用加權平滑的方法得到目標的空間角度。逯程[32]提出了一種結合一維距離像信息的高分辨測角新方法，該方法更充分地利用了一維距離像的距離和幅度信息，仿真實驗表明該方法對目標的角閃爍具有明顯的抑制作用。王克讓[33]等在連續波體制的毫米波雷達中，利用目標的微多普勒特征分離信號，然后再對微動散射點和非微動散射點進行融合測角，取得了較好的角閃爍抑制效果。夏桂芬[34]等提出基于頻域高分辨像的單脈沖測角算法，該算法通過對和差通道的回波信號分別進行一維頻域成像，然后在頻域做比幅測角，獲得了頻域單元的角度值，最后加權濾波處理得到了目標的空間角度，從而有效抑制了毫米波末制導雷達角跟蹤中的角閃爍現象。蘇宏艷[35]還開展了毫米波單脈沖雷達角閃爍試驗，室內試驗結果證明由于目標多散射中心相互干涉而引起的角閃爍現象完全可以通過高分辨技術而得到有效抑制。郭琨毅[36]研究發現高分辨成像對角閃爍的抑制效果與散射中心類型以及其方位特性相關，并從理論上分析了局部型、分布型、滑動型等不同的散射中心類型對角跟蹤產生的影響，然后通過全波法電磁計算結果驗證理論分析結論。

3.3 信號處理技術

基于經典信號處理技術的角閃爍抑制技術的研究需要分析角閃爍的統計模型。Delano[37]以多點輻射源為模型得出了角閃爍服從兩個自由度的學生氏t分布。Masreliez和Martin[38]利用兩個高斯分布來描述角閃爍噪聲的統計特性，閃爍分量的大小由其方差決定，這就是經典的高斯混合模型。在學術界，角閃爍噪聲呈現出長拖尾、非高斯的特性已經得到公認[39]，而卡爾曼濾波器這類線性濾波器在處理角閃爍這種非線性噪聲時效果并不理想，因此利用現代信號處理技術抑制角閃爍的方法又有兩種途徑。

一類是在濾波之前通過預處理使角噪聲白化。Hewer等[40]提出在卡爾曼濾波前使用一種魯棒性的預處理器，其核心思想是穩健性M估計器(M-ESTIMATES)。同時，針對大角閃爍分量(spike)的問題，他們還提出了一種先剔除再處理的方法，解決這一問題的關鍵就是smoother-cleaner濾波器。Chang和Wu[41]用一種以目標速度作為反饋量的反饋中值濾波預處理的方法提高了算法的實時性，解決了直接中值濾波可能產生的方差發散現象。王微[42]提出了一種用期望最大化(EM)算法抑制角閃爍的預處理方法，EM算法是一種基于數據添加思想的迭代算法，可以簡化對位置變量s的最大似然預估計算，從而有效克服角閃爍噪聲對目標實際位置值所造成的干擾。

另一類為改進的卡爾曼濾波方法或其他濾波方法。Greene和Stensby[43]以一個時變的非線性函數來定義狀態轉移矩陣，用擴展卡爾曼濾波(EKF)的方法對角閃爍進行抑制。Masreliez[44]提出在卡爾曼濾波算法中，應用非線性核函數的方法來進行目標位置和速度的狀態估計。但由于其需要大量的卷積運算而實用性并不顯著。Wu[45]對Masreliez的方法進行了改進，簡化了非線性函數估計的運算量，正態擴展了量測預測量的分布，但這也僅僅是非高斯、長拖尾噪聲環境中的一種次優方法。BILIK和TABRIKIAN[46]提出了一種基于最小均方誤差準則的非線性混合卡爾曼濾波(NL-GMKF)方法，該方法在機動目標跟蹤和角閃爍測量中都表現出了良好的工作性能。Daeipour和Bar-Shalom[47]提出利用多模型交互(IMM)算法，使兩個擴展卡爾曼濾波器同時在角閃爍背景下進行信號處理。為提高運算速度，Song和Lee[48]基于混合角閃爍模型提出了一種可以并行處理的IMM方法。國內方面，徐長愛[49]等人改進了IMM算法，用轉換卡爾曼濾波代替了擴展卡爾曼濾波。近年來隨著粒子濾波技術的興起與發展，李保國[50]提出了角閃爍背景下基于粒子濾波器的目標跟蹤技術，體現了粒子濾波器這種非線性濾波器在處理非線性非高斯噪聲中的獨特優勢。逯程[51]等針對粒子濾波在角閃爍背景下目標跟蹤過程中精度不足的問題,提出了一種改進的擴展卡爾曼粒子濾波(EKPF)算法,并將其應用在角閃爍噪聲背景下的目標跟蹤問題中。許紅[52]給出角閃爍下基于變分貝葉斯參數學習的跟蹤濾波理論框架。其次,提出一種聯合估計運動狀態和閃爍噪聲分布的變分貝葉斯-交互式多模型(VB-IMM)算法,該算法通過設計多個并行的跟蹤模型處理角閃爍的跟蹤問題,同時利用變分貝葉斯方法實現閃爍噪聲分布參數的在線學習,并反饋給跟蹤模型,實時調整跟蹤模型參數。最后,設計了仿真實驗對算法在閃爍噪聲分布未知和非平穩條件下的跟蹤性能進行了驗證。

4 結論

1) 雖然大量學者在角閃爍抑制技術方面做了一定的研究，但仍有很多不完善之處。在下一步研究要解決一些更深層次的問題。

2) 作為一種隨機的非線性噪聲，研究角閃爍線偏差時間序列的非線性動力特性，即混沌特性，利用其短期可預測性，通過非線性檢測方法對角閃爍進行抑制。

3) 僅利用上述3種方法對角閃爍的抑制效果有限[53]，如極化分集等理論上可行的新技術及多種技術融合將會不斷應用于實際中。