基于一种秩检测预处理器的频率捷变单脉冲雷达角闪烁抑制方法（通讯）

                   逯程¹，  李相平¹，  刘效武²，  孙文羽³

（1．海军航空工程学院电子信息工程系，山东烟台264001;2．中国人民解放军92941部队，辽宁葫芦岛125000；3．中国人民解放军92138部队，江苏常州213137）

摘要：当雷达接近目标时，角闪烁成为导引头寻的制导的主要跟踪误差源，其大小可能使雷达指向目标尺寸范围之外，因此为了提高角测量和角跟踪的精度，必须对角闪烁进行有效的抑制。在现有频率捷变与RCS幅度加权抑制角闪烁方法的基础上，提出了一种基于秩检测器预处理的方法，当雷达接收回波信号后，根据检测器输出值的大小去除有可能产生大角闪烁分量的回波脉冲，使其不参与加权测角。仿真实验表明，该方法对角闪烁现象有较好的抑制作用。

关键词：单脉冲雷达；角闪烁；频率捷变；幅度加权；秩检测器

中图分类号：TN953⁺．5 文章编号：1671  - 637X( 2016) 05 - 0066 - 05

0  引言

    角闪烁也称角噪声、目标噪声和角起伏，但通常称为角闪烁。复杂目标在雷达分辨单元内往往有多个散射中心，目标回波被看成这些散射中心的回波合成，回波合成等效为测角时的视在中心，视在中心对应角度值即为雷达实测角度值。随着弹目距离的不断减小，回波不断发生变化，导致雷达视在中心发生变化，目标的角度延伸越来越大，形成角闪烁，严重时角度测量可能偏离到目标几何尺寸之外，严重降低了雷达的跟踪性能。

    分集技术是现代雷达为抑制角闪烁现象所采取的一种主要手段，它从角闪烁产生的机理出发，利用目标对雷达分集的敏感，通过某种分集去除角闪烁误差的自相关性，获得独立的角闪烁样本从而达到抑制角闪烁的目的。频率分集技术抑制角闪烁的研究开展得较早也较深入，利用角闪烁线偏差的绝对值与雷达散射截面积( RCS)之间存在的弱负相关性，将频率捷变技术与RCS幅度加权的方法结合起来进行测角，使得测角结果更加接近目标的真实位置，有效抑制了角闪烁现象。本文在频率捷变和幅度加权抑制角闪烁的基础上提出了一种对回波进行预处理的秩检测器，在频率捷变周期内先去除大的针状( SPIKE)角闪烁分量，随后再进行幅度加权处理，仿真表明该方法比常规幅度加权方法测角精度更高。

1  单脉冲和差比幅测角原理

    单脉冲比幅测角是一种成熟的跟踪雷达测角技术，当目标被雷达跟踪时，目标基本处于波束中心。

2  频率捷变与幅度加权对角闪烁的抑制

2.1  频率捷变雷达的角闪烁去相关性能分析

    角闪烁现象主要在雷达与目标相对较近的距离上出现，而此时雷达在跟踪过程中往往采用频率捷变技术。由于目标的RCS与雷达工作载频密切相关，采用频率捷变技术就会使得相邻脉冲间的载频改变一个足够大的幅度，有效去除了相邻脉冲间的相关性，对角闪烁有很好的抑制效果。对于复杂目标，角闪烁的产生是由来自不同部位回波相对相位相干干扰的结果，假如人为地改变相位，得到完全不相关的N个样本，然后对这些样本进行算术平均，可以求出角闪烁方差比单个样本方差降低了N倍。

    频率捷变技术抑制角闪烁的效果取决于去相关性的性能，去相关性越好，对角闪烁的抑制作用越明显。对X波段某飞机的测试数据表明，当去相关频率为100 MHz时，相关系数为0.03。

    去相关频率与日标尺寸的关系满足关系式f=c/25，其中，S为目标尺寸。图1所示为两个雷达频率间隔变化时角闪烁线偏差相关系数的变化，当f≥64 MHz时，相关系数已普遍降到0.2以下，可由此判断雷达回波脉冲间已基本相互独立。

2.2  幅度加权抑制角闪烁的方法

    上文已经提及角闪烁主要发生在近距制导时，此时雷达接收机始终处于高信噪比的工作环境中，信噪比对角闪烁引起的雷达天线抖动的影响基本可以忽略不计。前人研究表明，角闪烁线偏差与RCS之间不具备相关性，但角闪烁线偏差绝对值与RCS之间存在较弱的负相关性。经过对多个飞机目标的计算和测量表明，在小RCS处，角闪烁与RCS的强负相关性是存在的，利用这种负相关性在雷达进行单脉冲测角时对角度值进行幅度加权是抑制角闪烁现象的有效方

3  角闪烁检测预处理的秩检测器

    从上文的分析中可以看出，频率捷变技术会使得各个脉冲的测角结果围绕真实值产生剧烈的抖动，虽然脉间回波去相关性能得到改善，但仍有部分观测点测量角度超出目标之外。采用幅度加权方法对角度进行平均可以使雷达视在中心更接近目标真实位置。即便如此，幅度加权的方法仍然用到了频率捷变周期内的所有测角结果，导致有个别误差很大的单脉冲测角值也参与了加权运算，如果事先对有可能产生大的角闪烁偏差的回波脉冲进行判断，使其不参与测角结果的加权运算，必然会大大提高测角精度。

    最早提出了用一种秩检测器来检测处理目标回波信号幅度的衰减，很容易联想到利用检测信息来判断雷达测角过程中可能出现的角误差测量，下面简单介绍这种秩检测器的工作过程。

    当弹目距离减小时，末制导雷达接收到的回波信号往往有很大的信噪比( RSN)，信号注入图2所示的秩检测器，每接收到一个脉冲回波就被记录在一个位置上。

的大小和测试单元两侧保卫单元数的大小有关。假设一种秩检测器的L值为20，且测试单元两侧各有两个保卫单元，当雷达接收的回波信号进入秩检测器处理后，输出结果如图3所示。

    从图3中可以看出，输出样本17对应一个很低的零值R1，已经通过实验证实，凡是当出现大的角闪烁线偏差时，回波幅度均处于起伏的谷处，所以样本17处很可能产生大的角闪烁偏差。同时从样本30~ 50号的结果可以清楚地看出，该检测器的输出结果R _i对回波RCS慢起伏并不敏感。该检测器秩值的输出范围为0～15，由于可能的秩值数的限制，零值的输出即可作为角闪烁发生的判断条件。秩检测器输出的性能可以通过改变秩检测单元数L和保卫单元的数目进行调整。

4角闪烁抑制方法仿真实验

4.1具体方法流程

    基于上文的分析，本文提出了利用一种秩检测器预处理的频率捷变RCS加权处理的角闪烁抑制方法：假设在某雷达跟踪过程中伺服系统响应时间内，共顺

    对脉冲回波进行预处理后，去除有可能产生大角闪烁的回波脉冲，再对目标的视在中心进行加权处理，理论上会对角闪烁有较好的抑制效果。下面介绍该方法的仿真实验结果。

4.2仿真实验

    由运动矢量合成定理可知，当雷达与日标存在相对运动时，合成后的运动相当于雷达不动，目标以合成速度运动。基于以上分析，如图4所示的仿真场景及参数设置如下：目标长40 m，宽20 m，目标存在5个散射点，中间一个为强散射点，幅度为1，其余4个为弱散射点，分别服从0～0.5的均匀分布。该目标中心起始坐标为（- 5000 m，5000 m），雷达位于原点0处，初始时刻=10⁰，目标以600 m/s的速度由．S点向E点运动，目标运动与雷达位置关系如图5所示。假设在跟踪过程中雷达天线波束始终对准目标中心，雷达中心频率f₀=15 GHz，跳频点数为16，在脉冲重频为1 kHz的捷变频周期内以跳频间隔= 80 MHz发射脉冲，幅度加权处理的脉冲个数为5，采用预处理的秩检测器长度，即秩检测单元数L=13。

图6所示分别为对应不同处理方法的测角偏差。   

 其中：图6a为目标运动过程中目标中心和雷达视线之间夹角理论值随时间的变化；图6b为常规单脉冲比幅测角偏差；图6c为频率捷变均匀加权处理后的测角偏差；图6d为在频率捷变的条件下采用秩处理器预处理后再进行均匀加权后的测角偏差；图6e为频率捷变平方加权后的测角偏差；图6f为在频率捷变的条件下采用秩处理器预处理后再进行平方加权后的测角偏差。从图6b中可以看出，常规单脉冲测角误差很大，计算得到的很多角度都已超出目标各散射点的角度，造成了比较严重的角闪烁现象。比较图6c、图6e和图6h可知，图6c、图6e的测角误差与图6b相比有了明显的减小，计算测得的角度基本上都在目标尺寸范围以内，说明频率捷变幅度加权的方法对角闪烁现象有不错的抑制作用。进一步比较图6d、图6f与图6c、图6e可知，在频率捷变的条件下，采用秩处理器预处理再进行幅度加权的方法比直接进行幅度加权得到的测角误差有大幅度的减小，角闪烁现象得到了很好的抑制。

    均匀加权和平方加权都用到了各散射点的幅度信息，角误差起伏都较小。比较图6f和图6e可知，均匀加权的结果要稍优于平方加权，这是因为在本文设定的仿真条件下，散射点的幅度服从均匀分布，实际情况下，散射模型会更加复杂，各种加权方法抑制角闪烁的性能有待进一步验证。

5结束语

    本文在频率捷变幅度加权抑制角闪烁方法的基础上，提出了基于一种秩检测器预处理再进行幅度加权的方法，在测角之前通过检测器的秩值输出去除有可能产生大角闪烁的脉冲分量，然后再进行幅度加权测角，使角度测量值进一步平滑。仿真实验结果表明该方法对角闪烁现象有较好的抑制效果。