LFMCW雷达导引头大下视角对地探测时搜索波门自适应设置方法

高文冀 李喜民 王建超 伍建辉

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

智能弹药以其优异的“效费比”而受到世界各国军事装备研究的广泛重视。目前，国内外应用于智能弹药的导引头以激光半主动和红外体制为主，该类型光学导引头性能受天气及战场烟雾等环境影响较大，实际应用中存在一定的局限性。近年来，随着雷达技术的发展，小型化、耐高过载雷达导引头应用于智能弹药已成为可能，其所具备的“全天候工作”及“打了不管”特性，可对上述光学体制导引头形成有效补充，具有广泛的应用前景。

雷达导引头与上述光学导引头工作原理不同，其主要依靠距离维的搜索来锁定目标，因此导引头工作时，实时、准确的弹地相对距离信息对导引头十分重要，导引头需依据该信息设置搜索波门，并在波门内搜索目标。

智能弹药受成本限制，所搭载的弹上设备无法在飞行中为雷达导引头实时提供准确的弹地相对距离参数，只能根据理论弹道参数进行计算。而在弹体实际飞行中，受气象、海拔高和地形等因素影响，弹药飞行轨迹将发生改变，导致根据理论弹道计算的弹地距离与真实值存在较大散布(一般该误差值在50～200m左右，如射程超过20km，该散布将进一步增大)，无法满足雷达导引头搜索时波门设置的需求。

为解决上述问题，本文以LFMCW雷达导引头为应用背景，提出一种新的搜索波门自适应跟踪方法，使得雷达导引头在不依靠外部信息的前提下，仅通过自身回波数据分析实时获取弹地距离，实现搜索波门的自适应随动，延长导引头对地探测中的搜索时间，以提高导引头对目标的捕获概率，增加制导弹药使用时的灵活性。

1 LFMCW雷达导引头工作原理

本文以发射信号为锯齿波调频方式的LFMCW雷达导引头为应用背景，LFMCW雷达在有效扫频周期的理想发射信号可表示为:

(1)

其中A0为发射信号幅度，f0为射频的初始频率，即发射信号的中心频率，φ0为发射信号的随机初始相位，T为调频周期，B为调频带宽，K=B/T为调频斜率。

根据式(1)，初始距离(t=0时刻)为R0，初始回波延迟为τ0=2R0/c的静止点目标产生的回波信号可表示为：

(2)

其中Kr为传输损耗因子，θ0为目标反射引起的附加相移，c为光速。

把该点目标产生的回波信号与发射信号通过混频器进行混频，然后通过低通滤波滤除高频分量，得到如下所示的波形：

(3)

根据式(3)可知，在调制参数T、B一定的条件下，差频信号f与距离R成正比，对差频信号f进行FFT变换，就可通过频谱求出目标的距离R。

本文后续试验以某项目毫米波LFMCW雷达导引头为验证平台，其具体参数为：

1)发射功率400mW;

2)工作频段:Ka波段;

3)调频形式：线性正斜率锯齿波;

4)调频周期：1ms;

5)调频带宽：510MHz。

2 原有LFMCW雷达导引头波门设置方法

在原导引头应用中，雷达导引头只能采用固定位置波门，根据理论弹道计算，在发射前完成波门位置及导引头开始搜索时间设定，在实际飞行中导引头按设定时间开始搜索，等待目标在波门内出现并截获目标。具体流程如图2所示：

采用这种方式主要有以下几个问题：

1)当受气象或海拔高因素影响时，弹体实际飞行轨迹与理论计算将产生较大偏差，有可能导致因波门位置偏差，而无法截获目标的情况，降低了制导弹药的环境适应性；

2)实际应用中，导引头波门位置需根据不同射击参数(射角和射向)和弹着点高度差进行调整，为弹药的实际使用造成困难，降低了弹药发射时的反应速度；

3)为保证截获目标，一般波门位置应比当前弹地距离更近，以实现目标自远及近通过波门，该方法将导致弹体起控时间推后，影响修正能力；

4)目标通过波门时间有限，如导引头因外界因素无法一次成功截获目标，一般无法完成二次目标搜索；

5)当导引头跟踪过程中丢失目标后，无法通过重新搜索再次截获目标。

3 一种新的搜索波门自适应设置方法

在智能弹药对地攻击应用中，目标所处位置必然包含在地杂波范围内，因此本方法将实现LFMCW雷达全距离范围内地杂波位置的自动快速定位，并以此设置搜索波门，使得搜索波门始终跟随地杂波移动，保证对目标的持续搜索。

本算法处理流程如图3所示：

从上述流程图中可以看出，本方法实现的关键是如何根据导引头探测数据准确、快速地估计出地杂波的位置。下面将对该关键算法进行详细叙述。

4 基于一维距离像的地杂波位置快速估计算法

在大下视角条件下，主瓣地杂波往往拥有较强的回波功率。在导引头大下视角(约45°～60°)对地探测时，主瓣地杂位置将出现与天线方向图相匹配的回波突起，而其余距离范围回波功率较小(如图5所示)，通过测量全距离范围内主瓣杂波的突起的位置，便可以确定地杂波所处距离及宽度，并依此设置搜索波门。图4、5为毫米波LFMCW雷达导引头高塔试验时的实采地杂波数据。

由上述试验数据中可以看出，当导引头转向天空时，回波功率较小且相对均匀(如图4所示)，而当导引头在高塔上以大下视角对地探测时，地杂波位置有较强的回波功率突起(如图5所示，其中最高峰值为角反射体目标回波)，该回波功率突起的位置即代表了导引头此时距地面的距离。

为了保证估计的实时性，本算法设计时将采用适合并行运算特点的一维滑窗平均算法，以减小杂波估计的计算时间。由于杂波回波主要体现在回波功率在距离上的变化，拟采用一维滑窗平均算法对回波进行平滑，随后对平滑后的数据利用门限检测的方式确定地杂波位置，从而获取杂波相对于导引头的实际距离。对上述实采回波数据，以64点一维滑窗平均算法进行平滑可得如图6所示曲线。

对图6及图7中的64点平滑滤波后曲线采用最大值的三分之一作为门限进行判别，过门限部分判定为地杂波区域，依照上述算法，通过实时自动估计回波中的地杂波位置，得到相应的弹地距离。所得如图8所示。

利用上述算法对不同条件下采集的回波数据进行计算可得到图9、10结果。从计算结果中可以看出，对应不同数据，依据本算法均可检测出回波功率突起的位置，通过门限检测准确地估计出地杂波相对于导引头的实时距离，并依此设置搜索距离波门，实现导引头搜索波门的随动，延长导引头搜索时间，提高智能弹药用导引头正确截获目标的概率。

5 结束语

本文提出了一种新的搜索波门自适应设置方式，并利用高塔实采数据对该方法中的关键算法(基于一维距离像的地杂波位置快速估计算法)进行仿真，验证了该算法的通用型及有效性。目前该方法已经在导引头高塔试验中进行了的验证，可有效解决低成本毫米波智能化弹药对地探测时波门位置设置偏差问题，进一步提高地面目标的截获成功率。