單脈沖目標識別數據處理技術

胡 振，房崇鑫 ，張正華

(1.中電科技揚州寶軍電子有限公司，江蘇 揚州 225003；2.揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

單脈沖作為區別于常規雷達體制發展起來的先進技術 ，在現代航空領域得到廣泛應用[1]，但在目標識別系統中尚未采用該項技術。方位精度作為目標識別系統的重要技術指標，其精度對整個系統至關重要，為此，本文在目標識別系統中采用單脈沖技術，并通過采用OBA自動校準[2-3]、最小二乘法測角[4]和數字鑒相[5]等關鍵技術，大大降低了目標識別系統識別目標的方位誤差，具有非常重要的現實意義。

1 單脈沖目標識別數據處理系統

單脈沖[6]目標識別數據處理系統的組成部分有CPU模塊、智能并行接口模塊、多協議智能通信串口模塊和監控采集模塊。其他外接設備(如鍵盤和顯示器等)在維修調試時使用。其中，CPU模塊集成顯卡、網卡，并提供電子盤接口，電子盤中存儲有應答處理、點跡/航跡[7]處理程序和監控處理程序，以及需要加載的初始數據。系統組成如圖1所示。

圖1 單脈沖目標識別數據處理系統組成

數據處理與信號處理主要通過CPCI總線、網口通信實現，與一次雷達采用網口通信。

數據處理實現雷達工作參數的接收與加載、故障采集與故障信息診斷、目標點跡凝聚和航跡生成以及系統初始化設置(中斷設置、任務優先權設置、硬件初始化設置)、輸出目標報告、應答報告、接收雷達方位信號(方位信號來自一次雷達，信號形式為穩定坐標系下的絕對方位碼，通過網口傳送)等功能。數據處理執行程序固化在一個4 GB的電子盤中，處理器具備看門狗功能，實現系統故障后的自動恢復。根據每次詢問的回答脈沖，經單脈沖天線Σ和Δ通道送Σ和Δ接收機，經接收機混頻后，由信號處理單元進行處理。

單脈沖雷達目標的方位角通過當前天線方位加上偏離瞄準軸角[8]，計算Σ和Δ幅度比SDR：

SDR=和log(∑)-差log(Δ)。

(1)

根據SDR值與偏離瞄準軸角偏值的對應關系以獲得偏離瞄準軸角值，可通過對Σ和Δ的中頻信號進行鑒相可以獲取偏離瞄準軸角值的符號(天線軸向指示)，再加上天線的指向角度可以得到目標的方位角度。

2 單脈沖目標識別數據處理軟件組成及功能

數據處理軟件組成如圖2所示。

圖2 數據處理軟件組成

2.1 初始化模塊

加電后，數據處理軟件完成自動加載。實現參數文件的裝訂、硬件初始化和實時任務的創建。主要包括：串口、網絡、中斷和CPCI總線等硬件初始化、全局數據申請、工作任務創建及優先級分配和最新工作參數加載。

2.2 接收數據模塊

在接收數據模塊工作的每個周期內，信號處理分系統將形成的目標識別應答報告放在CPCI總線的I/O口上，然后以中斷方式傳遞至數據處理分系統，后者做出應答接收并將進程送至I/O地址讀取數據[9]。最終，信號處理分系統將形成目標識別的報文通過網口送至數據處理分系統。

2.3 目標識別處理模塊

目標識別處理流程如圖3所示。

圖3 目標識別軟件處理流程

2.3.1 點跡處理模塊

點跡處理模塊主要是對應答報告緩存區內的數據進行處理，其功能包括建立應答群的啟動、確定距離方位、促進應答群凝聚、計算目標距離和方位以及剔除錯誤與虛假目標[11]等，實現網絡和串口發送點跡數據的作用。

點跡處理的主要過程如下：

① 多余的應答(如多路徑反射應答)；

② 計算應答報告中目標的真實方位；

③ 應答群起始；

④ 點跡相關運算；

⑤ 應答群更新；

⑥ 一次碰撞處理；

⑦ 原始目標報告生成，通過接口送往航跡處理器。

點跡處理模塊將波束駐留期內新接收的目標應答信號與以前重復周期內所接收的應答信號(群)進行比較，其中新的應答信號必須滿足以下4個條件：應答信號和群之間的距離差不超過一個給定的閥值；應答信號和群之間的方位角差不超過一個給定的閥值；應答群不和應答信號當前重復周期內的另一個應答信號相關；應答信號和應答群模式相同。

如果應答信號和應答群相關，那么用新的應答信號中的信息去更新存在的和其相關的應答群的信息，否則這個新的應答信號作為一個變量，在以后的重復周期內做相關比較使用。對任何一個目標而言，當波束駐留期內所有的應答信號被處理，應答群可能宣告完成，而應答群最終完成生成目標報告。

2.3.2 航跡處理模塊

航跡處理模塊的主要功能為：接收點跡處理送來的原始目標報告、檢測存在誤差的目標報告并對其進行修正、航跡起始與航跡的相關檢測(其中包含航跡的距離、方位、代碼、高度和速度等)、航跡信息的更新和計算目標的速度與航向[11-12]。

航跡處理過程如下：

① 目標報告的整理；

② 碼交換處理；

③ 目標高度計算；

④ 扇區計算、劃分；

⑤ 航跡起始；

⑥ 距離、方位、代碼、高度、速度檢測；

⑦ 航跡信息更新；

⑧ 計算目標的航向、速度；

⑨ 存在誤差的目標剔除(包含反射、非同步干擾、分裂目標和環繞目標等)；

⑩ 刪除過期航跡。

2.4 BIT處理模塊

BIT處理模塊主要負責實時監測系統的供電、通信等工作狀態是否正常，并上報給顯控。一旦出現工作異常，可準確進行故障定位。

2.5 公共模塊

公共模塊是系統的外圍通信接口，包括網絡通信接口和串口通信接口。目標識別系統可通過公共模塊與外圍設備(上位機、雷達等)進行數據通信。

3 關鍵技術及測量精度分析與驗證

3.1 OBA表自動校準

采用和差單脈沖測角方法，每個應答脈沖都帶有測角的幅相信息，且接收信號信噪比高，所以測角精度高。角敏函數(OBA)表的正確性嚴重影響單脈沖測角精度。因雷達陣地電磁環境、天饋系統性能與內場測試狀況差異，內場標定的OBA表無法準確符合實際情況。可通過自動校準技術獲得高精度OBA表數據，提高單脈沖測角精度[13-14]。

通過以下方法對OBA表進行校準：架設固定應答模擬器，統計該應答模擬器信號在不同頻率點和在不同偏軸角下的SDR值，并對統計值求平均，然后采用高階曲線對平均值進行擬合，得到實際的OBA曲線。再對該曲線進行離散化，生成不同SDR值與目標偏軸角對應[14]。

實際中，天線波束不完全對稱，且回波的SDR值集中在某區間段。因此對左、右半波束的OBA表分別進行校準，并合理判斷應答回波的SDR值[14]。校準后結果如圖4所示。

圖4 OBA表自動校準后結果

3.2 最小二乘法測角

當目標距離遠、信噪比低、目標過頂或者雷達接收通道幅相發生漂移時，單脈沖比幅測角性能會嚴重惡化。在這些情況下，為了保證測角精度，通常采用最大幅度測角法和進出波束測角法進行替代。最大幅度測角法是將目標回波幅度最大時的波束指向確定為目標方位。進出波束測角法是將目標進出波束角度的均值作為目標方位。上述方法容易工程實現，但存在Δθ=ω/f的量化誤差(ω為天線旋轉角速度；f為雷達脈沖重復頻率)。通過分析數據得知，一些目標回波幅度最大值附近比較平坦且存在隨機起伏，一些目標回波形狀并不完全對稱，都會影響測角精度[14]。

本文采用最小二乘法測角替代單脈沖比幅測角的方法。實現過程采用式(2)的多項式逼近一組雷達測量值(θi，Ai)：

(2)

式中，θi為天線方位指向角；Ai為和通道信號幅度值。

選取適當的系數aj，使式(3)的值最小，得到該組測量值的最小二乘擬和曲線：

(3)

對式(3)求導，得：

(4)

取極值點時刻對應的角度作為目標方位角。最小二乘法測角如圖5所示。

圖5 最小二乘法測角

最小二乘法測角不需要OBA表，也不存在上述2種方法的量化誤差。對于回波幅度起伏以及波形不對稱的情況均能獲得較好的測角精度。通過對和差幅度的比較，確定識別目標方位精度[14]。

數據處理分系統要完成點跡/航跡處理任務。具體方法是從應答報告中計算出目標的距離和方位，對應答碼進行解碼，對干擾進行濾波，充分利用脈沖幅度信息、應答間相關信息、掃描間相關等信息。數據處理分系統選用的計算機功能強大，可將全機的工作狀態和故障監測、設置控制等任務集成，分別采用獨立的程序模塊實現。

3.3 數字鑒相技術

數字鑒相技術主要應用在信號處理模塊。信號處理根據和差零中頻信號進行相位計算，確定在掃描識別目標時天線軸向在識別目標的左邊或右邊。數據處理根據和信號幅度和軸向可以初步確定目標的方位。

3.4 測量精度分析及驗證情況

目標識別系統測量方位角度測量誤差主要由應答模擬器頻率漂移、接收系統熱噪聲以及A/D量化誤差三方面因素決定。經過計算，上述誤差因素引起的誤差合計為0.06°(均方值)[14]。

2016年以來，經過多次檢飛驗證，該方案可實現測量精度達到0.06°(均方值，天線8 m)。

4 結束語

針對傳統目標識別系統測量目標方位角度誤差大的問題，在目標識別系統中引進單脈沖測角技術，經過理論計算與方案論證，最終通過硬件實現以及檢飛驗證，達到預期效果。系統在多目標測量、人機界面、可靠性方面仍有不足，如何通過優化算法提高對多目標方位測量的實時性并進一步提高測量精度是下一步研究的重點。