基于多重MTI算法的抗質(zhì)心式箔條干擾研究*

徐光耀，鄭 娜，費(fèi)惠佳，徐 海

（1 91336部隊(duì)，河北秦皇島 066300；2西北工業(yè)大學(xué)軟件與微電子學(xué)院，西安 710072）

0 引言

水面艦艇受到的主要威脅來自于反艦導(dǎo)彈，而質(zhì)心式箔條干擾無疑是目前水面艦艇反導(dǎo)的一種簡便而有效的方法。

反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)對抗質(zhì)心式箔條干擾主要受以下幾個(gè)因素的制約[1]：受體積及重量的限制，抗質(zhì)心式箔條干擾的硬件可行性受限；工作時(shí)間較短，對干擾的反應(yīng)時(shí)間要求高；信號處理通常以時(shí)域處理為主，其跟蹤精度及分辨率有限。隨著末制導(dǎo)雷達(dá)信號處理軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，采用高速的數(shù)字化處理方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法，這使得通過信號處理對抗箔條式質(zhì)心干擾成為可能。文中通過研究質(zhì)心式箔條干擾對末制導(dǎo)雷達(dá)的影響機(jī)理，以目標(biāo)回波與箔條干擾在多普勒維的差異為切入點(diǎn)，在分析了常規(guī)MTI濾波器的基礎(chǔ)上采用了多重MTI算法，并應(yīng)用Matlab軟件仿真了多重MTI算法對質(zhì)心式箔條干擾的改善效果。

1 質(zhì)心式箔條干擾分析

1.1 質(zhì)心式箔條干擾的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用

通常質(zhì)心式箔條干擾的施放時(shí)機(jī)是在末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤階段，目標(biāo)艦得到末制導(dǎo)雷達(dá)的位置信息后立即發(fā)射箔條彈，迅速形成一、二個(gè)巨大RCS（雷達(dá)截面積）的箔條干擾云。箔條云要與目標(biāo)艦處在末制導(dǎo)雷達(dá)天線波束的同一個(gè)分辨單元，這樣末制導(dǎo)雷達(dá)天線就指向于目標(biāo)艦和箔條云的能量質(zhì)心（即等效能量中心）。圖1是質(zhì)心式箔條干擾的示意圖。

在實(shí)際作戰(zhàn)過程中，實(shí)施有效的質(zhì)心式箔條干擾，需滿足以下幾個(gè)基本條件[2]：箔條云在距離上位于反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的距離分辨單元內(nèi)；箔條云在方位和俯仰上位于反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)波束范圍內(nèi)；箔條云有足夠的滯空時(shí)間，以保證反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)能夠跟蹤到箔條與艦船的質(zhì)心，確保干擾的有效性。

圖1 質(zhì)心式箔條干擾示意圖

1.2 質(zhì)心式箔條干擾的模型

箔條云由大量具有大RCS值小RF反射體的偶極子散射體組成，近來大部分箔條由具有導(dǎo)電涂層的更剛性的纖維玻璃制成。當(dāng)單個(gè)箔條偶極子的長度為雷達(dá)波長的一半時(shí)，箔條具有最大的RCS，在雷達(dá)分辨體積內(nèi)的總箔條RCS為：

其中：ND為總的偶極子數(shù)；VR為雷達(dá)分辨單元體積；VCS為箔條散射體積；Lbeam為箔條云的雷達(dá)天線波束形狀損耗。

單個(gè)散射體具有隨機(jī)的相位和幅度，因此箔條云回波的相位和幅度通常也是隨機(jī)的，并且具有類似熱噪聲的性質(zhì)。由于這些特點(diǎn)，箔條通常用高斯分布的概率密度函數(shù)來統(tǒng)計(jì)描述[2]。

1.3 抗質(zhì)心式箔條干擾

針對上述質(zhì)心式箔條干擾的原理和特點(diǎn)，抗質(zhì)心式箔條干擾主要有以下幾個(gè)途徑：

1）導(dǎo)引頭體制抗質(zhì)心式箔條干擾，一些具有低截獲、高分辨率的末制導(dǎo)雷達(dá)，如脈沖壓縮多普勒體制的末制導(dǎo)雷達(dá)具有抗質(zhì)心式箔條干擾的能力[4]，這種方法研究投入大、周期長、技術(shù)復(fù)雜；

2）目標(biāo)識別算法抗質(zhì)心式箔條干擾，通過目標(biāo)回波與干擾在小波變換不同尺度的不同表現(xiàn)形態(tài)，利用灰色關(guān)聯(lián)度可進(jìn)行干擾下的目標(biāo)檢測[5]，這種方法算法較復(fù)雜，對處理器性能要求高，區(qū)分目標(biāo)和箔條的精度有限；

3）信號處理角度質(zhì)心式箔條干擾，在末制導(dǎo)雷達(dá)信號處理階段，通過采用相應(yīng)的處理算法，濾除干擾的影響，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。這種方法投入小，實(shí)現(xiàn)簡單，但對硬件的處理速度及實(shí)時(shí)性要求高。

文中采用的多重MTI算法主要是從信號處理的角度，利用信號與干擾在多普勒維的差異，消除干擾保留回波信號，從而跟蹤真實(shí)目標(biāo)。

2 多重MTI算法實(shí)現(xiàn)原理

多重MTI算法的設(shè)計(jì)思想來源于專門消除雜波的常規(guī)MTI濾波器，通過常規(guī)MTI濾波器使回波信號在特定的多普勒頻率處有足夠的增益，并行處理多個(gè)MTI濾波器在目標(biāo)回波與干擾在多普勒維的差異來消除干擾的影響。

2.1 常規(guī) MTI濾波器[3]

常規(guī)的MTI濾波器可以采用延遲線對消器來實(shí)現(xiàn)，下面以三脈沖對消器作簡要分析，原理如圖2所示。

圖2 三脈沖對消器

三脈沖對消器的沖激響應(yīng)和功率增益分別如式（2）、式（3）所示：

三脈沖對消器的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 三脈沖對消器的歸一化頻率響應(yīng)

可知，常規(guī)MTI濾波器可以消除位于f＝0或者多普勒頻率為雷達(dá)重頻fr整數(shù)倍處的雜波。但隨著對消脈沖數(shù)的增加，阻帶凹口會變寬，對一些功率譜較寬的雜波，如質(zhì)心式箔條干擾，通帶的幅頻響應(yīng)平坦性差，而且對多普勒頻率fd≠ifr＋f／2的目標(biāo)回波信號帶來一定的損失。

2.2 多MTI算法原理

多MTI濾波器的設(shè)計(jì)是通過設(shè)計(jì)動目標(biāo)顯示多普勒橫向?yàn)V波器組，對于特定多普勒頻率處提供足夠的增益，再并行處理多個(gè)MTI多普勒濾波器，以檢測艦船相對于箔條云的多普勒頻率差，當(dāng)在正確的多普勒頻率差處積分時(shí)，可以檢測出目標(biāo)而消除質(zhì)心式箔條干擾。多MTI濾波器覆蓋從0到末制導(dǎo)雷達(dá)重頻fr頻率范圍內(nèi)的N個(gè)MTI濾波器組，能夠?qū)崿F(xiàn)超過常規(guī)MTI的性能。其權(quán)值為：

其中，索引k在0到N－1之間，對應(yīng)于N個(gè)MTI濾波器組，傳遞函數(shù)為：

因此，其幅頻響應(yīng)為：

文中在算法實(shí)現(xiàn)過程中第一級MTI采用的是三抽頭MTI，并行處理MTI的個(gè)數(shù)N＝8，其方框圖和對應(yīng)的幅頻率響應(yīng)如圖4、圖5所示。

圖4 多MTI算法的方框圖

可見，多MTI濾波器每個(gè)子濾波器占據(jù)大約1／N的雜波和信號帶寬，可以消除更多的雜波，并能準(zhǔn)確區(qū)分多普勒頻率差異。所以多MTI濾波器的組合性能遠(yuǎn)超過沒有利用多普勒信息的單延遲線對消器。

圖5 MTI濾波器（N ＝8，重周125μs）的頻率響應(yīng)

3 仿真結(jié)果分析

在上述對于質(zhì)心式箔條干擾模型和多重MTI算法分析的基礎(chǔ)上，通過與實(shí)際可比的算例對處理效果進(jìn)行了仿真。假設(shè)一部X波段的反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)，分辨單元300m；箔條云包含1百萬個(gè)偶極子，占據(jù)1km距離范圍；目標(biāo)的RCS為5000m2，多普勒頻率為100Hz；信號處理采樣率為100MHz，抽取率50，回波脈沖數(shù)144個(gè)。圖6給出了淹沒在箔條云中的單個(gè)目標(biāo)回波信號的距離－多普勒（144×32）二維圖像，圖中目標(biāo)回波信號完全無法和干擾區(qū)分開來，目標(biāo)回波與干擾的信干比大約為7dB。

圖6 未處理的回波信號的距離－多普勒圖像

只采用常規(guī)MTI濾波器的結(jié)果如圖7所示，對于質(zhì)心式箔條干擾基本沒有改善。

采用的多重MTI算法處理后的回波信號如圖8所示。

圖7 常規(guī)MTI處理后的回波信號的距離－多普勒圖像

從結(jié)果看采用多重MTI算法處理后，目標(biāo)回波與干擾的信干比約為18dB，箔條干擾基本消除，由此而造成的目標(biāo)回波的幅度損失約為2～3dB?？傊梢缘贸鼋Y(jié)論，采用多重MTI算法對于質(zhì)心式箔條干擾有較好的改善效果。

圖8 多MTI處理后的回波信號的距離－多普勒二維圖像

4 結(jié)束語

多重MTI算法是從信號處理的角度考慮抗質(zhì)心式箔條干擾的問題。文中給出了多重MTI算法的實(shí)現(xiàn)框圖，并通過Matlab軟件仿真了常規(guī)MTI及多重MTI算法對于質(zhì)心式箔條干擾的影響。仿真結(jié)果表明，多重MTI算法對于質(zhì)心式箔條干擾具有較好的改善效果。立足實(shí)際應(yīng)用，下一步研究的重點(diǎn)是該算法的具體實(shí)現(xiàn)及其實(shí)時(shí)性問題。

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[2]Bassemr Mahafza，Atef Z Elsherbeni.雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].朱國富，黃曉濤，黎向陽，等，譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]丁鷺飛，耿富錄，陳建春.雷達(dá)原理[M].4版.西安：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]蒲書縉，鄒波，高路，等.脈壓多普勒末制導(dǎo)雷達(dá)抗質(zhì)心式箔條干擾技術(shù)[J].制導(dǎo)與引信，2008，29（4）：10－12.

[5]馮有前，張善文，宋國鄉(xiāng).箔條干擾的一種雷達(dá)目標(biāo)小波識別方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，30（3）：346－347.

[6]J Michael Madewell.Mitigating the effects of chaff in ballistic missile deffence[C]／／2003IEEE Radar Conference Huntsville，AL，May 2003.