基于偵察幅度信息的雷達(dá)行為及特征分析

宋新超，吳連慧，王星宇

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

雷達(dá)偵察設(shè)備測(cè)量的脈沖幅度(PA)信息[1]反映的是雷達(dá)輻射源相對(duì)于偵察設(shè)備功率的大小，而雷達(dá)電磁波到達(dá)偵察設(shè)備的功率變化又反映了雷達(dá)天線(xiàn)的波束指向或掃描方式的改變。因此，通過(guò)分析雷達(dá)幅度的強(qiáng)弱變化可以挖掘雷達(dá)波束變化規(guī)律以及搜索、跟蹤特性，進(jìn)而推斷雷達(dá)目標(biāo)的行為、意圖以及模式變化規(guī)律。

1 基于幅度信息的雷達(dá)掃描特征分析

通過(guò)幅度信息來(lái)判斷雷達(dá)處于跟蹤或搜索狀態(tài)，是最常用的方法。通常原則是幅度值恒定不變(或小范圍起伏)，可以判定為跟蹤，而幅度大范圍起伏變化，則基本可以判定為搜索狀態(tài)。目前雷達(dá)常見(jiàn)的幾種規(guī)則掃描方式包括圓掃、扇掃、錐掃等[2]，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)掃描特性示意圖

對(duì)搜索體制雷達(dá)的掃描特性分析[3]通常有2種方法：一是通過(guò)計(jì)算相鄰2個(gè)雷達(dá)掃描包絡(luò)的首脈沖到達(dá)時(shí)間間隔來(lái)獲得掃描周期，如圖2(a)；另一種方式是首先找到包絡(luò)中幅度最大的脈沖，即包絡(luò)波峰，然后計(jì)算波峰之間到達(dá)時(shí)間間隔，即為掃描周期，如圖2(b)。方法一實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只需記錄截獲包絡(luò)的首脈沖到達(dá)時(shí)間，不需要區(qū)分主副瓣，但是在雷達(dá)功率較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)的副瓣且不穩(wěn)定。如圖3所示的外場(chǎng)實(shí)際采集的雷達(dá)掃描包絡(luò)圖，這樣計(jì)算得到的掃描周期存在較大的誤差，甚至無(wú)法獲得穩(wěn)定的掃描周期。而方法二利用包絡(luò)主瓣波峰的時(shí)間差來(lái)計(jì)算掃描周期，能夠避免因副瓣丟失或不穩(wěn)定造成的計(jì)算誤差，從而獲得較為精確的掃描周期值。

圖2 掃描周期示意圖

圖3 超長(zhǎng)雷達(dá)副瓣

2 基于幅度信息的末制導(dǎo)雷達(dá)行為特征分析

通常導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)工作模式轉(zhuǎn)變示意圖如圖4所示。雷達(dá)在搜索、小搜、跟蹤等行為轉(zhuǎn)變過(guò)程中，其相對(duì)于偵察設(shè)備的功率會(huì)發(fā)生變化。因此利用偵察設(shè)備測(cè)量的雷達(dá)幅度變化特征，可快速確定威脅目標(biāo)當(dāng)前的行為方式以及對(duì)我方的威脅程度。

圖4 末制導(dǎo)雷達(dá)工作模式轉(zhuǎn)換示意圖

對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)的行為識(shí)別過(guò)程如圖5所示，首先從偵察設(shè)備獲取威脅輻射源脈沖序列，生成幅度隨時(shí)間變化的波形，對(duì)這個(gè)幅度波形提取幅度直方圖、峰值、谷值以及峰值之差、谷值之差等參數(shù)，綜合利用這些參數(shù)特征可對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)的行為進(jìn)行識(shí)別。具體步驟如下：

圖5 對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)的行為識(shí)別示意圖

(1) 計(jì)算幅度直方圖。將參數(shù)匹配的脈沖串的幅度依次添加到直方圖中，直方圖橫軸為幅度值，縱軸為脈沖個(gè)數(shù)。統(tǒng)計(jì)后的幅度直方圖如圖6所示。

圖6 搜索和跟蹤目標(biāo)的幅度直方圖示意圖

(2) 提取幅度峰值和谷值。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的“百分位數(shù)”方法進(jìn)行幅度峰值(Amax)和谷值(Amin)提取，剔除異常值對(duì)幅度峰值和谷值的影響，設(shè)脈沖串脈沖數(shù)為N。獲取的幅度峰值(Amax)、幅度谷值(Amin)如圖6所示；采用“百分位數(shù)”進(jìn)行幅度峰值提取的流程圖如圖7(a)所示，進(jìn)行幅度谷值提取的流程圖如圖7(b)所示。

(3) 分類(lèi)判決。設(shè)置幅度容差ΔA(如5 dB)，根據(jù)幅度峰值、谷值與幅度容差之間的關(guān)系，進(jìn)行搜索狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)判斷。

① 計(jì)算相鄰2個(gè)時(shí)間片t的Amax的變化量和Amin的變化量：

Amax的變化量：dAmax=Amax(t)-Amax(t-1)；

Amin的變化量：dAmin=Amin(t)-Amin(t-1)；

分別統(tǒng)計(jì)2 s時(shí)間段內(nèi)dAmax和dAmin的值：若存在|dAmax|>ΔA或|dAmin|>ΔA，判斷為搜索狀態(tài)；若|dAmax|<ΔA且|dAmin|<ΔA，判斷為跟蹤狀態(tài)。

圖7 幅度峰值和幅度谷值提取流程圖

圖8 雷達(dá)行為識(shí)別驗(yàn)證

如圖8所示，左側(cè)為外場(chǎng)采集的某雷達(dá)脈沖幅度數(shù)據(jù)，右側(cè)為提取的dAmax和dAmin值以及判斷結(jié)果?？梢?jiàn)，采取幅度統(tǒng)計(jì)的方法能夠?qū)走_(dá)行為進(jìn)行有效識(shí)別。

3 基于幅度信息的相控陣?yán)走_(dá)波束特征分析

3.1 相控陣天線(xiàn)波束離散掃描的工作方式

與常規(guī)的機(jī)械掃描天線(xiàn)不同，相控陣?yán)走_(dá)既要完成搜索任務(wù)，同時(shí)又要完成跟蹤任務(wù)[4]，其通過(guò)調(diào)整陣面上各陣元之間的相對(duì)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)波束掃描，并通過(guò)時(shí)間資源的分配實(shí)現(xiàn)波束之間的駐留和切換，因此相控陣天線(xiàn)一般具有“駐留—切換—駐留”的離散掃描工作方式。

相控陣天線(xiàn)離散掃描的工作方式將導(dǎo)致偵察接收機(jī)截獲的信號(hào)具有階梯型的幅度特征。如圖9(a)所示，偵察接收機(jī)對(duì)天線(xiàn)的旁瓣進(jìn)行接收，在波束指向方向1并駐留期間，天線(xiàn)增益保持不變，偵察接收機(jī)截獲到一串相同幅度的脈沖列信號(hào)；波束切換到方向2后，由于天線(xiàn)陣面上的相位分布發(fā)生改變，整個(gè)天線(xiàn)的方向圖隨之發(fā)生變化，波束切換后的方向圖如圖9(a)中虛線(xiàn)所示。可見(jiàn)，在波束切換前后的很短時(shí)間內(nèi)，在偵察接收機(jī)方向，天線(xiàn)的增益發(fā)生了改變，這將導(dǎo)致接收信號(hào)幅度相應(yīng)地發(fā)生跳變，得到如圖9(b)所示的階梯型的脈沖幅度序列，幅度跳變的時(shí)刻對(duì)應(yīng)波束指向切換的時(shí)刻。圖10為偵察設(shè)備外場(chǎng)采集的真實(shí)相控陣?yán)走_(dá)幅度數(shù)據(jù)，其規(guī)律與上述描述一致。

圖9 相控陣波束掃描及幅度關(guān)系示意圖

圖10 相控陣?yán)走_(dá)幅度圖

3.2 波形單元提取

相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)執(zhí)行一系列的雷達(dá)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)功能，不同的雷達(dá)任務(wù)一般對(duì)應(yīng)著不同的波束指向，并在該波束的駐留期間發(fā)射一個(gè)或多個(gè)波形單元。因此，在波束指向切換前后，發(fā)射的波形單元也隨之改變，如圖11所示。波形單元的改變一般與相控陣天線(xiàn)波束指向的切換同步發(fā)生，波束指向的切換將導(dǎo)致截獲信號(hào)的幅度發(fā)生跳變。因此，可以用信號(hào)幅度發(fā)生跳變的時(shí)刻作為邊界，將截獲信號(hào)劃分成多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)波形單元，實(shí)現(xiàn)波形單元提取。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于幅度信息的雷達(dá)行為及特征分析的3種典型用法，并結(jié)合外場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了驗(yàn)證和說(shuō)明。由于電磁波在傳輸過(guò)程中受環(huán)境及多徑影響較大，測(cè)量存在較大誤差，目前幅度信息沒(méi)有得到充分利用。因此對(duì)偵察設(shè)備而言，一方面要提高偵察接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)能力，另一方面要加強(qiáng)對(duì)幅度信息的特征挖掘，進(jìn)一步提高偵察設(shè)備對(duì)目標(biāo)特征的感知能力。

圖11 波形單元提取示意圖