单脉冲雷达抗同频信号干扰处理方法研究

赵 梅，韩大伟，彭渔露

(西昌卫星发射中心，四川 西昌615000)

0 引言

在航天发射测控领域，为实现对运载器的长距离跟踪和定位，地面雷达采用接力和交会的工作模式来完成对运载器空间位置的测量。为此，工作在同一频率的多台雷达，在信号跟踪过程中不仅能收到自己的反射信号和应答信号，也可接收到他站雷达的反射信号和应答信号，这个信号相对于本站雷达回波信号来说就是他站异步干扰回波信号，当异步干扰信号穿越本站雷达跟踪波门时就会妨碍对目标的跟踪，甚至导致跟踪目标的丢失。为了尽可能降低同频异步干扰信号对雷达跟踪的影响，雷达设备主要采用在跟踪波门前方设立卫门区，通过检测卫门区域干扰信号并结合移相的方法避免同频干扰[1-3]。经过工程实践应用发现，只采取前卫门检测的方式，会遗漏较多的特殊同频干扰情况[4]。近年来，随着航天测控事业的蓬勃发展，对如何抵抗同频干扰问题展开了诸多研究[5-7]。文献[4]强调了手动移相时机和移相距离的重要性；有的从管理角度提出了各台雷达同步执行跟踪任务时的移相操作的统一约定问题；还有的提出了调整各雷达发射信号特征以区分各自跟踪信号的方法[8-9]；文献[10]中的民用导航雷达通常采用相邻2～3周期的目标回波相加后再除以周期数的方法，来削弱同频异步干扰的幅度。这些措施过于依赖岗位人员的操作经验，设备使用的自动化、智能化不足，不能解决特殊时机的移相避干扰行为，有的试图改变当前的单脉冲雷达链跟踪体制，但是，由于涉及整个箭上箭下的体制更改，只局限于某次跟踪任务的几台设备，不具有操作性。本文提出的基于全程跟踪信号运动特性检测的方法，结合建立的移相条件和移项准则，不仅可以解决设备移相的自动化操作，而且可以充分识别各种干扰信号，防止信号偷漏，从而解决各种同频异步干扰问题。

1 卫门移相防同频干扰方法的不足

多台同频单脉冲雷达在跟踪测量过程中，相互干扰的表现其实质就是雷达跟踪不断变化的运动目标，距离显示器上各站同频信号表现为相对或同向运动，逐渐靠近，目标信号交会而对跟踪产生影响。因此，多站接力跟踪防同频干扰的目的就是通过采取一定的措施保持本站信号与他站信号间的相对位置，以避免因2个信号的接近而引起信号偷漏。现有雷达大多采用前卫门检测移相的方法来解决该问题[11-12]，但是在实际工程应用中发现其卫门带来的信号被压制问题也同样突出，对雷达的稳定跟踪带来了较为严重的影响。主要表现在以下几个方面：

① 移相距离不匹配。移相条件满足时前方移相距离处正好有干扰信号，移相后本站信号再次落入干扰信号附近，导致信号丢失或再次移相。

② 移相竞争。干扰信号从前后方同时逼近，本站和他站都可能会采取移相措施，产生移相竞争以及反复多次移相；如果2部雷达一次移相的距离相同，将导致本站雷达信号被压制，以致目标丢失。

③ 异步信号直接落入卫门。异步雷达干扰信号因手动、自动移相或等待点跟踪(中途上高压)等原因落入本站雷达反射信号区域，本站雷达信号被异步干扰信号所压制，造成本站雷达无法判断异步信号而不能自动移相。

④ 前卫门不起作用。在目前的测控雷达链中只设置了前卫门，当雷达处于搜索、避盲、解距离模糊等状态时，前卫门无效，此时前卫门区域中若出现异步信号将不能再次移相，就会造成本站信号被偷漏；若穿越波门的相对速度较慢，长于本站偷漏期间采用的记忆跟踪时间，则会导致目标丢失。

⑤ 残骸进入卫门。由于残骸反射信号为本站相参同步信号，本站在卫门中检测到该信号后实施自动移相，并不能把该信号移出前卫门，但会导致本站信号重复移相，从而对他站信号造成冲击，并引起他站信号连续移相。

2 同频异步干扰信号处理策略

通过对以上出现频繁移相问题的分析，究其实质是未对卫门中的信号进行正确识别、不了解信号间的相对运动特性而导致在该移相时没有启动移相，在不该进行移相时却盲目移相。为此，本文从全程信号特性检测和自适应距离移相等方面入手，完善移相机制。

2.1 改进硬件系统，实现全程信号特性检测

为了克服常用移相方式没有判断分析信号彼此间在时间轴上的相对运动情况、降低了移相后正常跟踪的成功概率和增加了盲目移相次数的不足，采取在雷达信号处理系统对量程范围内所检测到的有效回波信号进行多目标点迹记录，并提取回波信号运动特性的方法，实现对异步信号相对本站信号的视频特性信息(距离、速度、加速度和运动方向)识别，从根本上解决移相条件、移相时机和移相位置的确定问题，多目标回波特性检测步骤如下：

① 通过信号检测确认雷达回波信号点迹。对经雷达信号处理系统通过下变频获取的每个PRF的视频信号进行距离单元CFAR检测[13]，利用N/M 准则，把在全距离量程范围内通过检测门限的信号均认为是回波信号，将检测到的有效回波称为点迹。

② 对通过CFAR检测所得的回波进行距离处理获得回波距离信息。对通过恒虚警处理的回波信号，记录其前后沿位置，并以此计算出回波信号的中心点，这个中心点的距离可作为回波信号的实际距离值。

③ 采用滤波外推和波门相关检测算法[14-15]，建立不同雷达回波信号航迹。雷达在某一时间段可能检测到多个回波信号，对这些回波信号与上一周期的回波信号进行相关处理，确定前后多个周期的回波信号是否为同一个运动回波，将同一个回波信号在多个重频周期连续运动的多个点迹称为一个航迹，由此相关出多个航迹。建立回波航迹处理的算法主要有滤波递推计算和波门区域相关计算。

滤波计算采用α-β-γ滤波，预测外推回波在下一个重频周期的位置。波门相关根据点迹-点迹相关、点迹-航迹相关以及航迹-点迹相关的不同处理要求，在距离上分别设置大、中、小3种波门相关区域。航迹确认时，首先对连续几个周期的目标距离用滤波器外推一个预测点(即点迹)，以点迹为中心建立一个相关区域，当新采集的点迹落在该区域内，则认为二者相关并以此建立新的航迹，初始点迹-点迹相关区域用于建立初始航迹，因此可适当选择大一些以免漏检，但又不能太大而产生回波混淆。点迹-航迹相关选用中等相关区域，将新采集的点迹与已有的航迹进行相关计算，找出与之相关的所有航迹，将结果存入临时相关表。航迹-点迹相关是从与该航迹相关的所有点迹中录取最合理的点迹作为该航迹的新点迹，录取新点迹时选用小波门相关，对航迹质量进行管理。

在初始仅有一个测量点的情况下建立新的目标点迹，没有目标速度信息可以利用，因此只能根据其位置和可能的最小速度Vmin、最大速度Vmax确定一个区域，一旦新得到的测量数据落入到该区域中，可以初步认为原点迹与新来的数据反映了同一个空中运动目标的特性，从而建立起初始运算的基础数据，一旦基础数据建立起来，则相关区域可以根据建立的数据计算目标的运动速度，然后根据目标的运动速度建立一个比较合理的相关区域，落在相关区域内的点即为首选的确认目标点。因此合适的波门相关区域选择至关重要，相关区域计算公式为：

(1)

式中，ΔR为相关区域的距离宽度(m)；T为采样周期(m/s)；Vmax为目标最大速度(m/s)；LT为目标长度(m)；σRM为雷达距离测量的均方误差；k为决定目标落入相关波门的概率系数(相关概率系数)，若误差按高斯分布考虑，则当k=1时，相关概率为0.683；k=2时，相关概率为0.955；k=3时，相关概率为0.997。

④不同航迹目标运动特性计算。对全程范围内的回波信号进行处理后，就可以确定出量程内的每个回波信号是属于一个孤立的点迹，还是属于一个已有的航路，对已有的航路根据前后多个周期的数据进行一阶差分计算就可以计算出回波运动的速度，二阶差分计算可以计算出回波运动的加速度，回波速度的正负极性可以确定回波的运动方向。

2.2 设置移相距离干扰信号检测区，实现移相自适应距离选取

移相条件满足后，移相距离的选择也很重要。移相距离要大于2站前卫门宽度之和，以保证信号交会期间、自动移相后，后站信号不会落入前站的前卫门中。基本移相距离确定后，也并不能保证移相成功。如果前方移相距离附近存在其他的异步干扰，则移相的结果是避开了其中一个干扰，又落入另一个干扰附近，威胁继续存在。因此，移相处理技术除了检测卫门里的干扰信号外，还需要检测前方移相距离附近有无潜在威胁的干扰信号，其方法是按照前面实现的全程信号特性检测，完成对回波信号位置和运动特性(运动方向、速度和加速度)记录，根据移相条件判断是否需要进行移相，当需要进行移相时，依次判断n*L±4 km区域是否存在其他干扰信号，若在移相距离检测宽度内未检测到干扰信号，则根据式(2)计算移相距离：

S=L+n*Sδ，

(2)

式中，S为将要移相的距离大小；L为基准移相距离；n为可变移相距离的个数；Sδ为可变移相距离，该距离的大小取决于目标应答机的响应时间。

通过对将要移相区域的检测，将本站信号移相到安全距离处，从而避免了移相后又引起的反复移相或移相失效。

2.3 完善特殊情况的移相处理

2.3.1 解距离模糊和避盲

目前单脉冲雷达受工作频率限制，是通过解距离模糊来实现长距离跟踪。目标在不断向更远距离运动的过程中，其回波会一次次地穿越盲区(主波区域)，导致本站雷达信号在他站雷达显示器上的位置不断发生变化，对他站雷达跟踪造成影响。对于雷达解距离模糊和避盲卫门不起作用、不做移相处理的情况，一是通过开窗式后卫门对异步信号从后方逼近卫门而未移相的情况，按照他站信号前卫门失效状态判定，并采取主动移相；二是在雷达避盲前，提前检测±Rmax/2(Rmax=150 000/prf) km附近距离段有无信号，如果有干扰信号，则计算并连续保留该信号的运动特性，为避盲做好比较和记忆跟踪的准备，以实现在噪声信号中提取目标回波信号，避免记忆跟踪到干扰信号上的情况发生。

2.3.2 目标分离时的移相处理

目标分离过程中，残骸的反射回波信号会有一段时间落在前卫门里。采取对目标分离进行工作状态标记的方法，当识别出目标分离时，标志T_Flag=1，同时对残骸回波信号进行检测，当残骸在前卫门里时，不做移相处理；分离结束后置工作状态T_Flag=0，对前卫门里的其他干扰信号才进行移相处理；但若T_Flag=1时，前卫门里同时也检测到有多个有效的脉冲信号，则此时按正常做移相处理。

3 集成仿真验证

以上提出的雷达抗同频异步干扰信号处理方法均在雷达信号处理系统完成。要在信号处理系统实现全量程范围内的多目标检测和跟踪，需在毫秒级甚至微秒级时间内完成高速数据采集、存储和大量的数据运算处理[16]。本文以FPGA，DSP为数据处理基础进行了半实物仿真验证，仿真硬件原理如图1所示。

图1 同频干扰信号自适应识别控制系统原理

该验证系统包含监控计算机和异步信号干扰处理电路，模拟雷达的监控系统、信号处理系统、频综和发射系统。

在系统现场试验中，通过设置各种信号运动属性、改变目标和干扰信号的前、后卫门有效命令，对目标和干扰进行手动移相等方式，完整地模拟了各类干扰情况，对干扰信号识别正确率、信号堵塞恢复情况、移项正确率以及信号识别时间进行了有效验证，试验结果如图2所示。不仅从硬件实现上证明了所提方案的可行性，也从软件算法上验证了所提策略的正确性。

图2 自动识别移相前后回波信号位置示意

4 结束语

在提出采用全程信号特性检测的基础上，配合移相条件的完善，从根本上解决了移相条件、移相时机以及移项位置在实际操作中难以确定和把握的问题，不仅可避免雷达信号因相互冲击而导致的频繁移相和移相失败，而且自适应距离移相识别概率高，响应快，该方法在解决基于目前跟踪条件下多站同频异步信号干扰问题上可行而有效，对于提升靶场雷达测量数据的完备性和稳定性具有重要的现实意义。由于提出的方法需要实时进行较大的数据处理，下一步在工程应用时一方面要做好硬件选型，另一方面还要加强高效数据处理算法的研究。