雷达导引头角闪烁抑制与处理算法研究

薛安翔　郑超　马瑞

摘要：角闪烁现象是制约雷达导引头末端跟踪和命中精度的重要因素。针对雷达导引头实际应用背景，对角闪烁现象产生的原因进行了阐述，在此基础上分别分析了基于导引头系统设计的分集技术和基于后处理技术的角闪烁加权抑制算法之间的优缺点。根据导引头应用背景设计运动平台试验对各种加权算法进行了对比，并针对实际情况，在加权算法的基础上加入了奇异值的剔除处理。研究具有较强的针对性，对解决工程实际问题具有一定的借鉴价值。

关键词：导引头；角闪烁；分集技术；加权算法

DOIDOI：10.11907/rjdk.151700

中图分类号：TP312

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）008008603

作者简介作者简介：薛安翔（1984-），男，陕西户县人，硕士，北方通用电子集团有限公司雷达部工程师，研究方向为雷达导引头系统设计、数据处理软件算法；郑超（1986-），男，陕西户县人，硕士，北方通用电子集团有限公司雷达部工程师，研究方向为相控阵雷达软件算法；马瑞（1986-），男，陕西西安人，硕士，北方通用电子集团有限公司雷达部工程师，研究方向为雷达导引头软件算法与仿真。

0 引言

雷达导引头与红外、激光制导体制相比，具有全天候工作的特点，可适应各种复杂的战场环境，但受工作频率与导弹口径的制约，雷达导引头角分辨能力通常远低于红外、激光导引头，导致角跟踪精度较低。在近距离跟踪扩展目标时，角闪烁现象尤为严重，导致雷达导引头角跟踪精度急剧恶化，对跟踪稳定性产生较大影响。目标角闪烁特性属于目标自身固有的特征信号，是雷达角跟踪过程中客观存在的。理论上，当目标尺寸与雷达波长相当时，具有两个或两个以上等效散射点的任何体目标，都会产生角闪烁现象[1]。现代战争对精确制导武器命中精度要求越来越高，角闪烁抑制成为雷达导引头研究中的关键问题。

1 理论分析

角闪烁由于扩展目标上多散射点间的相互干涉而产生，对角闪烁机理通常存在两种物理概念解释：能流倾斜和相位畸变。能流倾斜原理常用于角闪烁的理论计算，相位畸变原理常用于测相系统中测量角闪烁。两种概念从不同角度对角闪烁机理进行了描述，理论表明[2]，这两种解释在几何光学条件近似时是一致的。角闪烁原理如图1所示。

角闪烁线偏差取决于相位函数的畸变，其大小与目标距离无关，但角闪烁角偏差与距离一次方成反比，即 = a taneθ /r。距离越近，角偏差越大，因此，目标角闪烁角偏差严重影响了末端雷达导引头角跟踪精度。

图1 角闪烁原理

图2为角闪烁角偏差与目标距离关系的仿真分析。通过建模仿真可知，角闪烁现象会引起跟踪视在中心的起伏变化，且距离越近，角偏差越大。

角闪烁具有以下特征[3]：①角闪烁角偏差与距离成反比，距离越近，角偏差越大；②角闪烁误差分布呈非高斯长拖尾分布；③角闪烁与各散射点之间的位置分布有关；④角闪烁与各散射点之间的幅度起伏呈负相关性。

本文在分析角闪烁机理的基础上，着重对工程中可实现的角闪烁抑制方法进行研究。从雷达导引头设计的角度看，角闪烁抑制技术通常可以分为两种，一种是通过雷达分集技术抑制角闪烁，其原理是利用雷达系统设计技术，对不同频率、空间和偏振方式上的多散射点目标回波进行分集接收和处理；另一种是基于单脉冲测角的信号与数据后处理技术。前者充分利用现代雷达中的高分辨、捷变频、多极化等技术，从雷达体制上解决角闪烁抑制问题，但这种方式无疑会增加系统设计难度；后者利用信号处理中的各种滤波技术，对雷达测角信息进行处理以实现角闪烁的抑制效果，这种方式的优点是不改变原雷达系统设计，具有较好的适应性。

图2 角闪烁与距离的关系仿真

2 分集技术

采用分集技术抑制角闪烁的目的是打破角闪烁误差的长自相关性，去相关性能越好，通过后续算法减小角闪烁误差的效果就越好。

雷达导引头中常用的分集技术包括时域分集、空域分集、偏振（极化）分集和频域分集等，角闪烁抑制的效果取决于目标角闪烁特征对所用分集技术的敏感性。时域分集指调整雷达PRF，使雷达回波之间间隔时间足够长，一般很难用在实际工程中。空域分集常采用多部天线，得到目标不同角度的回波信号，此时目标径向分布不同，角闪烁误差的相关性大大降低。频域分集与时域分集原理类似，指增加雷达发射频率间隔，从而降低回波角闪烁的相关性。偏振分集[4]指利用目标自身的偏振敏感性，采用多偏振天线以不同偏振方式接收目标回波信息，以此减弱目标角闪烁误差的相关性。

时域分集要求极低的PRF，实际工程中无法适用，空域分集不适用于空间狭小的弹上雷达导引头。频域分集需要系统具备较高的工作带宽，连续的跳频也会增加系统工作难度，偏振分集需要系统至少具备双偏振工作能力。采用这些技术均会增加系统设计的复杂程度。

3 后处理技术

角闪烁线偏差与目标雷达反射截面（radar cross section，RCS）之间虽不存在相关性，但是普遍认为角闪烁线偏差绝对值与目标RCS之间存在较弱的负相关性。利用角闪烁的这种特性，对雷达测角的结果进行加权处理，可以达到降低角闪烁相关性的目的。

采用高分辨体制的单脉冲雷达可同时得到扩展目标的多个散射点测角信息，利用测角信息与RCS之间的负相关性，对多点测角信息进行不同的加权处理，可得到较好的角闪烁抑制效果。常用的加权算法[5]有平均加权、幅度加权和功率加权等。

平均加权法的原理是假设所有测角值全部反映了扩展目标各散射点的真实位置，则平均加权后的角误差反应了目标的几何中心。幅度加权和功率加权法利用测角信息与RCS之间的负相关性，认为RCS较小的散射点测角信息更易受到角闪烁的影响，从而对RCS较大的散射点分配更大的权重，综合计算可得到目标测角信息。

4 试验验证

目前，国内外对角闪烁现象的研究主要局限在平台静止、目标静止的条件下。实际导引头应用中，由于平台运动、目标观测角度变化，加上扩展目标多散射点之间相位畸变更加严重，角闪烁现象远比静止平台复杂。常规试验中采用静止平台、静止目标开环测角，对比角误差均方根值的方法，不能完全反映真实情况下的角闪烁现象。本文采用跑车试验模拟弹载运动平台，对角闪烁后处理方法进行对比，其结果更具工程价值。

为对比各种后处理算法的有效性，采用某毫米波导引头样机进行跑车试验验证。试验方法为：扩展目标摆放在平台运动方向，导引头跟踪目标之后，车辆开始朝向目标运动，直到进入盲区停止工作。

图3为某雷达导引头角闪烁抑制前的角速度信号，图4—图6分别为进行了均匀加权、幅度加权、功率加权之后的角速度信号。可以看出，通过对角误差信号进行加权处理，可以有效地抑制角闪烁现象，功率加权算法比其它两种算法效果更好。

5 结语

本文介绍了角闪烁现象产生的原理，在此基础上对导引头角闪烁抑制方法进行了研究。通过理论分析与实际试验形成如下结论：①导引头系统设计中，在具备条件的情况下，应考虑采用多极化或超大带宽技术，从体制上对角闪烁进行分集抑制；②运动平台角闪烁现象与静止平台存在较大差别，应采用运动平台试验对导引头角闪烁抑制效果进行评估；③导引头后处理中，利用角闪烁与RCS之间负相关特性的功率加权算法抑制效果比其它加权算法更好。以上结论不仅仅局限于雷达导引头应用背景，其对常规雷达角闪烁抑制也有借鉴价值。

参考文献：

[1] 吴昌英，李建周.目标角闪烁的抑制算法研究[J].弹箭与制导学报，2005，25 （4）：572574.

[2] 殷红成，黄培康.再论扩展目标的角闪烁[J].系统工程与电子技术，2007，29（4）：499504.

[3] 苏宏艳，朱淮城.毫米波雷达高分辨抑制角闪烁试验研究[J].雷达科学与技术，2007，5（5）：335337.

[4] 王涛，王雪松.一种极化测量雷达的角闪烁抑制方法[J].电波科学学报，2004，19（6）：702707.

[5] 周振宇，贺志毅.基于目标RCS加权滤波方法抑制角闪烁的研究[J].现代防御技术，2012，40（2）：9197.

（责任编辑：孙 娟）