單脈沖雷達抗同頻信號干擾處理方法研究

趙 梅，韓大偉，彭漁露

(西昌衛星發射中心，四川 西昌615000)

0 引言

在航天發射測控領域，為實現對運載器的長距離跟蹤和定位，地面雷達采用接力和交會的工作模式來完成對運載器空間位置的測量。為此，工作在同一頻率的多臺雷達，在信號跟蹤過程中不僅能收到自己的反射信號和應答信號，也可接收到他站雷達的反射信號和應答信號，這個信號相對于本站雷達回波信號來說就是他站異步干擾回波信號，當異步干擾信號穿越本站雷達跟蹤波門時就會妨礙對目標的跟蹤，甚至導致跟蹤目標的丟失。為了盡可能降低同頻異步干擾信號對雷達跟蹤的影響，雷達設備主要采用在跟蹤波門前方設立衛門區，通過檢測衛門區域干擾信號并結合移相的方法避免同頻干擾[1-3]。經過工程實踐應用發現，只采取前衛門檢測的方式，會遺漏較多的特殊同頻干擾情況[4]。近年來，隨著航天測控事業的蓬勃發展，對如何抵抗同頻干擾問題展開了諸多研究[5-7]。文獻[4]強調了手動移相時機和移相距離的重要性；有的從管理角度提出了各臺雷達同步執行跟蹤任務時的移相操作的統一約定問題；還有的提出了調整各雷達發射信號特征以區分各自跟蹤信號的方法[8-9]；文獻[10]中的民用導航雷達通常采用相鄰2～3周期的目標回波相加后再除以周期數的方法，來削弱同頻異步干擾的幅度。這些措施過于依賴崗位人員的操作經驗，設備使用的自動化、智能化不足，不能解決特殊時機的移相避干擾行為，有的試圖改變當前的單脈沖雷達鏈跟蹤體制，但是，由于涉及整個箭上箭下的體制更改，只局限于某次跟蹤任務的幾臺設備，不具有操作性。本文提出的基于全程跟蹤信號運動特性檢測的方法，結合建立的移相條件和移項準則，不僅可以解決設備移相的自動化操作，而且可以充分識別各種干擾信號，防止信號偷漏，從而解決各種同頻異步干擾問題。

1 衛門移相防同頻干擾方法的不足

多臺同頻單脈沖雷達在跟蹤測量過程中，相互干擾的表現其實質就是雷達跟蹤不斷變化的運動目標，距離顯示器上各站同頻信號表現為相對或同向運動，逐漸靠近，目標信號交會而對跟蹤產生影響。因此，多站接力跟蹤防同頻干擾的目的就是通過采取一定的措施保持本站信號與他站信號間的相對位置，以避免因2個信號的接近而引起信號偷漏。現有雷達大多采用前衛門檢測移相的方法來解決該問題[11-12]，但是在實際工程應用中發現其衛門帶來的信號被壓制問題也同樣突出，對雷達的穩定跟蹤帶來了較為嚴重的影響。主要表現在以下幾個方面：

① 移相距離不匹配。移相條件滿足時前方移相距離處正好有干擾信號，移相后本站信號再次落入干擾信號附近，導致信號丟失或再次移相。

② 移相競爭。干擾信號從前后方同時逼近，本站和他站都可能會采取移相措施，產生移相競爭以及反復多次移相；如果2部雷達一次移相的距離相同，將導致本站雷達信號被壓制，以致目標丟失。

③ 異步信號直接落入衛門。異步雷達干擾信號因手動、自動移相或等待點跟蹤(中途上高壓)等原因落入本站雷達反射信號區域，本站雷達信號被異步干擾信號所壓制，造成本站雷達無法判斷異步信號而不能自動移相。

④ 前衛門不起作用。在目前的測控雷達鏈中只設置了前衛門，當雷達處于搜索、避盲、解距離模糊等狀態時，前衛門無效，此時前衛門區域中若出現異步信號將不能再次移相，就會造成本站信號被偷漏；若穿越波門的相對速度較慢，長于本站偷漏期間采用的記憶跟蹤時間，則會導致目標丟失。

⑤ 殘骸進入衛門。由于殘骸反射信號為本站相參同步信號，本站在衛門中檢測到該信號后實施自動移相，并不能把該信號移出前衛門，但會導致本站信號重復移相，從而對他站信號造成沖擊，并引起他站信號連續移相。

2 同頻異步干擾信號處理策略

通過對以上出現頻繁移相問題的分析，究其實質是未對衛門中的信號進行正確識別、不了解信號間的相對運動特性而導致在該移相時沒有啟動移相，在不該進行移相時卻盲目移相。為此，本文從全程信號特性檢測和自適應距離移相等方面入手，完善移相機制。

2.1 改進硬件系統，實現全程信號特性檢測

為了克服常用移相方式沒有判斷分析信號彼此間在時間軸上的相對運動情況、降低了移相后正常跟蹤的成功概率和增加了盲目移相次數的不足，采取在雷達信號處理系統對量程范圍內所檢測到的有效回波信號進行多目標點跡記錄，并提取回波信號運動特性的方法，實現對異步信號相對本站信號的視頻特性信息(距離、速度、加速度和運動方向)識別，從根本上解決移相條件、移相時機和移相位置的確定問題，多目標回波特性檢測步驟如下：

① 通過信號檢測確認雷達回波信號點跡。對經雷達信號處理系統通過下變頻獲取的每個PRF的視頻信號進行距離單元CFAR檢測[13]，利用N/M 準則，把在全距離量程范圍內通過檢測門限的信號均認為是回波信號，將檢測到的有效回波稱為點跡。

② 對通過CFAR檢測所得的回波進行距離處理獲得回波距離信息。對通過恒虛警處理的回波信號，記錄其前后沿位置，并以此計算出回波信號的中心點，這個中心點的距離可作為回波信號的實際距離值。

③ 采用濾波外推和波門相關檢測算法[14-15]，建立不同雷達回波信號航跡。雷達在某一時間段可能檢測到多個回波信號，對這些回波信號與上一周期的回波信號進行相關處理，確定前后多個周期的回波信號是否為同一個運動回波，將同一個回波信號在多個重頻周期連續運動的多個點跡稱為一個航跡，由此相關出多個航跡。建立回波航跡處理的算法主要有濾波遞推計算和波門區域相關計算。

濾波計算采用α-β-γ濾波，預測外推回波在下一個重頻周期的位置。波門相關根據點跡-點跡相關、點跡-航跡相關以及航跡-點跡相關的不同處理要求，在距離上分別設置大、中、小3種波門相關區域。航跡確認時，首先對連續幾個周期的目標距離用濾波器外推一個預測點(即點跡)，以點跡為中心建立一個相關區域，當新采集的點跡落在該區域內，則認為二者相關并以此建立新的航跡，初始點跡-點跡相關區域用于建立初始航跡，因此可適當選擇大一些以免漏檢，但又不能太大而產生回波混淆。點跡-航跡相關選用中等相關區域，將新采集的點跡與已有的航跡進行相關計算，找出與之相關的所有航跡，將結果存入臨時相關表。航跡-點跡相關是從與該航跡相關的所有點跡中錄取最合理的點跡作為該航跡的新點跡，錄取新點跡時選用小波門相關，對航跡質量進行管理。

在初始僅有一個測量點的情況下建立新的目標點跡，沒有目標速度信息可以利用，因此只能根據其位置和可能的最小速度Vmin、最大速度Vmax確定一個區域，一旦新得到的測量數據落入到該區域中，可以初步認為原點跡與新來的數據反映了同一個空中運動目標的特性，從而建立起初始運算的基礎數據，一旦基礎數據建立起來，則相關區域可以根據建立的數據計算目標的運動速度，然后根據目標的運動速度建立一個比較合理的相關區域，落在相關區域內的點即為首選的確認目標點。因此合適的波門相關區域選擇至關重要，相關區域計算公式為：

(1)

式中，ΔR為相關區域的距離寬度(m)；T為采樣周期(m/s)；Vmax為目標最大速度(m/s)；LT為目標長度(m)；σRM為雷達距離測量的均方誤差；k為決定目標落入相關波門的概率系數(相關概率系數)，若誤差按高斯分布考慮，則當k=1時，相關概率為0.683；k=2時，相關概率為0.955；k=3時，相關概率為0.997。

④不同航跡目標運動特性計算。對全程范圍內的回波信號進行處理后，就可以確定出量程內的每個回波信號是屬于一個孤立的點跡，還是屬于一個已有的航路，對已有的航路根據前后多個周期的數據進行一階差分計算就可以計算出回波運動的速度，二階差分計算可以計算出回波運動的加速度，回波速度的正負極性可以確定回波的運動方向。

2.2 設置移相距離干擾信號檢測區，實現移相自適應距離選取

移相條件滿足后，移相距離的選擇也很重要。移相距離要大于2站前衛門寬度之和，以保證信號交會期間、自動移相后，后站信號不會落入前站的前衛門中。基本移相距離確定后，也并不能保證移相成功。如果前方移相距離附近存在其他的異步干擾，則移相的結果是避開了其中一個干擾，又落入另一個干擾附近，威脅繼續存在。因此，移相處理技術除了檢測衛門里的干擾信號外，還需要檢測前方移相距離附近有無潛在威脅的干擾信號，其方法是按照前面實現的全程信號特性檢測，完成對回波信號位置和運動特性(運動方向、速度和加速度)記錄，根據移相條件判斷是否需要進行移相，當需要進行移相時，依次判斷n*L±4 km區域是否存在其他干擾信號，若在移相距離檢測寬度內未檢測到干擾信號，則根據式(2)計算移相距離：

S=L+n*Sδ，

(2)

式中，S為將要移相的距離大小；L為基準移相距離；n為可變移相距離的個數；Sδ為可變移相距離，該距離的大小取決于目標應答機的響應時間。

通過對將要移相區域的檢測，將本站信號移相到安全距離處，從而避免了移相后又引起的反復移相或移相失效。

2.3 完善特殊情況的移相處理

2.3.1 解距離模糊和避盲

目前單脈沖雷達受工作頻率限制，是通過解距離模糊來實現長距離跟蹤。目標在不斷向更遠距離運動的過程中，其回波會一次次地穿越盲區(主波區域)，導致本站雷達信號在他站雷達顯示器上的位置不斷發生變化，對他站雷達跟蹤造成影響。對于雷達解距離模糊和避盲衛門不起作用、不做移相處理的情況，一是通過開窗式后衛門對異步信號從后方逼近衛門而未移相的情況，按照他站信號前衛門失效狀態判定，并采取主動移相；二是在雷達避盲前，提前檢測±Rmax/2(Rmax=150 000/prf) km附近距離段有無信號，如果有干擾信號，則計算并連續保留該信號的運動特性，為避盲做好比較和記憶跟蹤的準備，以實現在噪聲信號中提取目標回波信號，避免記憶跟蹤到干擾信號上的情況發生。

2.3.2 目標分離時的移相處理

目標分離過程中，殘骸的反射回波信號會有一段時間落在前衛門里。采取對目標分離進行工作狀態標記的方法，當識別出目標分離時，標志T_Flag=1，同時對殘骸回波信號進行檢測，當殘骸在前衛門里時，不做移相處理；分離結束后置工作狀態T_Flag=0，對前衛門里的其他干擾信號才進行移相處理；但若T_Flag=1時，前衛門里同時也檢測到有多個有效的脈沖信號，則此時按正常做移相處理。

3 集成仿真驗證

以上提出的雷達抗同頻異步干擾信號處理方法均在雷達信號處理系統完成。要在信號處理系統實現全量程范圍內的多目標檢測和跟蹤，需在毫秒級甚至微秒級時間內完成高速數據采集、存儲和大量的數據運算處理[16]。本文以FPGA，DSP為數據處理基礎進行了半實物仿真驗證，仿真硬件原理如圖1所示。

圖1 同頻干擾信號自適應識別控制系統原理

該驗證系統包含監控計算機和異步信號干擾處理電路，模擬雷達的監控系統、信號處理系統、頻綜和發射系統。

在系統現場試驗中，通過設置各種信號運動屬性、改變目標和干擾信號的前、后衛門有效命令，對目標和干擾進行手動移相等方式，完整地模擬了各類干擾情況，對干擾信號識別正確率、信號堵塞恢復情況、移項正確率以及信號識別時間進行了有效驗證，試驗結果如圖2所示。不僅從硬件實現上證明了所提方案的可行性，也從軟件算法上驗證了所提策略的正確性。

圖2 自動識別移相前后回波信號位置示意

4 結束語

在提出采用全程信號特性檢測的基礎上，配合移相條件的完善，從根本上解決了移相條件、移相時機以及移項位置在實際操作中難以確定和把握的問題，不僅可避免雷達信號因相互沖擊而導致的頻繁移相和移相失敗，而且自適應距離移相識別概率高，響應快，該方法在解決基于目前跟蹤條件下多站同頻異步信號干擾問題上可行而有效，對于提升靶場雷達測量數據的完備性和穩定性具有重要的現實意義。由于提出的方法需要實時進行較大的數據處理，下一步在工程應用時一方面要做好硬件選型，另一方面還要加強高效數據處理算法的研究。