一種適應復雜電磁環(huán)境的重頻跟蹤方法

摘要：針對現代電子戰日益復雜的電磁環(huán)境以及不斷涌現的新體制雷達，本文采用脈沖預測的方法對指定的雷達信號進(jìn)行重頻跟蹤。由于脈沖預測的特征規律與目標雷達重復周期精確一致，重頻跟蹤器解決了如何在復雜電磁環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)信號跟蹤的問(wèn)題，并且能夠適應多種不同體制的雷達信號。

關(guān)鍵詞：脈沖預測;復雜電磁環(huán)境;新體制雷達;重頻跟蹤器

隨著(zhù)雷達向集群和組網(wǎng)化的趨勢發(fā)展，現代電子戰的電磁環(huán)境日益復雜?，F在的武器平臺受到各方威脅的來(lái)源越來(lái)越多，可能會(huì )同時(shí)受到搜索雷達、跟蹤雷達、炮瞄雷達甚至精密制導導彈的多重威脅，電子對抗輻射源的數目急劇增加，使得雷達對抗信號異常密集。同時(shí)新體制雷達的不斷涌現.其抗干擾能力也在不斷地發(fā)展和完善。所有這些都對電子戰的信號實(shí)時(shí)分選與跟蹤技術(shù)提出了嚴峻的考驗。這要求干擾設備能夠在密集、復雜的信號環(huán)境中，在一連串混雜在一起的脈沖流中分離出來(lái)自同一發(fā)射源的脈沖信號序列，同時(shí)針對不同的目標確定相對應的干擾手段并實(shí)施干擾，以顯著(zhù)增強自身或者其他受保護的電子裝備的戰場(chǎng)生存能力。

隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微機技術(shù)、DSP技術(shù)(數字信號處理)及FPGA技術(shù)都已經(jīng)應用于實(shí)時(shí)跟蹤系統中，使得實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)向前發(fā)展了一大步。很多干擾設備也都采用了實(shí)時(shí)重頻跟蹤的技術(shù)，并且在一般的電子環(huán)境條件下，能夠有效跟蹤雷達信號。目前重頻跟蹤技術(shù)的研究，主要集中在如何適應復雜多變的電磁環(huán)境，以及如何在此環(huán)境下對日益先進(jìn)的復雜體制雷達信號進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的重頻跟蹤。

1 技術(shù)方案設計

由于需要在密集復雜的信號環(huán)境下實(shí)現對復雜體制雷達的重頻跟蹤，因此在總結已有的重頻跟蹤技術(shù)的基礎上，本文采用脈沖預測的方法來(lái)對指定的雷達信號進(jìn)行重頻跟蹤。

現采用的技術(shù)設計方案如圖1所示。首先，信號分選軟件將得到信號的重頻周期(PRI)變化規律參數預置給重頻跟蹤器，當密集復雜的雷達信號到達后，進(jìn)入起始脈沖建立電路，在起始脈沖建立電路的相關(guān)算法下，快速確定正確的起始脈沖以后，根據跟蹤PRI的變化規律，采用脈沖預測的方法。在預測下一脈沖到來(lái)時(shí)給出有效的波門(mén)窗口范圍;在有效波門(mén)窗口范圍內進(jìn)行重頻特征的相關(guān)處理，查找正確的跟蹤脈沖，得到正確脈沖后進(jìn)行波門(mén)展寬并給出跟蹤有效標志;再根據雷達的重頻周期規律調整下一個(gè)PRI計數周期，繼續進(jìn)行跟蹤，最終得到穩定可靠的重頻跟蹤波門(mén)信號。當跟蹤出現丟失時(shí)，根據判斷跟蹤丟失的標準及時(shí)給出跟蹤失效標志，并通知上一級決策系統進(jìn)行相應的處理。

2 起始脈沖建立電路的設計

起始脈沖建立電路從輸入的高密度組合脈沖列中選取任一脈沖作為基準，啟動(dòng)一個(gè)PRI計數，PRI值由信號分選軟件預置為需要跟蹤信號的PRI值。當一個(gè)正常的PRI計數快結束時(shí)，波門(mén)產(chǎn)生電路輸出一個(gè)具有一定容差范圍的波門(mén)窗口。如果在有效波門(mén)窗口內有脈沖到達，則表示起始脈沖建立成功，繼續進(jìn)行下一個(gè) PRI計數;如果在有效波門(mén)窗口內沒(méi)有脈沖到達，則表示起始脈沖建立失敗，重新進(jìn)行起始脈沖的建立。

在密集復雜的信號環(huán)境下，由于輸入的脈沖很多，根據概率論中的假設檢驗理論，如果按照跟蹤脈沖的重復周期特征得到第一個(gè)脈沖時(shí)，此脈沖不一定就是我們需要跟蹤的脈沖信號，而只有在連續正確得到一定數量的脈沖后，才能以一定的置信水平確認該脈沖正確存在。因此我們可以規定在連續正確得到一定數量的脈沖信號后才準許對外輸出跟蹤波門(mén)。

起始脈沖建立電路在實(shí)際應用中的最大難題就是很難在信號密集的環(huán)境下確定起始脈沖。由于它對輸入的脈沖列進(jìn)行隨機采樣，因此在輸入脈沖很多的情況下，特別是在高重頻脈沖中對付某個(gè)低重頻的雷達信號時(shí)，得到起始脈沖的機會(huì )很小，可能需要花費很長(cháng)時(shí)間，根本不適用于實(shí)時(shí)跟蹤系統。這樣如何提高起始脈沖建立的概率成了應用此方法的關(guān)鍵。

為了解決這個(gè)棘手的問(wèn)題，我們的方法是將上面提到的整個(gè)起始脈沖建立電路單獨作為一個(gè)模塊，并行使用若干個(gè)相同的模塊，輪流進(jìn)行觸發(fā)。在每一個(gè)輸入脈沖到來(lái)時(shí)，自動(dòng)選擇下一個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行建立，這時(shí)最終得到的起始脈沖就是各個(gè)模塊的“或”。如果某一路模塊失敗，則重新輪流并行進(jìn)行建立，只要其中一路模塊建立有效，就會(huì )輸出跟蹤有效標志，并主動(dòng)停止其他所有模塊的建立。設計框圖如圖2所示。

由于此電路的輸出為各個(gè)模塊輸出的“或”，因此最終得到起始脈沖的概率應該為n個(gè)子模塊的n倍。并且各個(gè)模塊并行使用，不會(huì )增加整個(gè)起始脈沖建立電路的建立時(shí)間。如果采用大規模FPGA進(jìn)行設計，可以根據硬件的資源盡量加大模塊的個(gè)數，這樣就能大大提高起始脈沖建立的概率，即使在密集復雜的信號環(huán)境中也能快速得到需要跟蹤信號的起始脈沖。

3 波門(mén)產(chǎn)生電路的設計

波門(mén)產(chǎn)生電路的目的是在需要跟蹤信號脈沖出現的位置給出一個(gè)跟蹤波門(mén)，用于后級的干擾技術(shù)產(chǎn)生器。在跟蹤信號的起始脈沖成功建立后，根據信號分選得到的重頻周期進(jìn)行脈沖周期預測，啟動(dòng)重頻PRI計數，每次PRI計數快結束時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)有效波門(mén)窗口，在有效波門(mén)窗口內找到正確的跟蹤脈沖，同時(shí)產(chǎn)生跟蹤波門(mén)。

波門(mén)窗口的容差范圍應當以保證正確脈沖能夠進(jìn)入波門(mén)的前提下，脈沖數量最少為依據原則，根據信號分選得到的重復周期的置信精度來(lái)確定。如果信號分選得到的重復周期精度很高，波門(mén)窗口容差可以設得較小，相反，如果信號分選得到的重復周期精度不高，則波門(mén)窗口容差可以適當設大，以確保正確的脈沖能夠進(jìn)入波門(mén)窗口。

PRI計數調整電路用于決定當前應該輸入的是哪一個(gè)PRI值。每次正確脈沖到來(lái)的時(shí)候，PRI計數調整電路將這個(gè)PRI值打入PRI計數器，并允許它開(kāi)始計數。當跟蹤脈沖為常規PRI脈沖時(shí)，每次PRI計數值一致;當跟蹤脈沖為參差PRI或組變PRI脈沖時(shí)，每次PRI計數值應當按照參差PRI或組變 PRI脈沖的每一個(gè)小周期值依次進(jìn)行計數，每個(gè)小周期的前后順序應當與參差PRI或組變PRI脈沖保持一致;當跟蹤脈沖為抖動(dòng)PRI脈沖時(shí)，每次按照抖動(dòng) PRI的基準值進(jìn)行計數，然后根據PRI的抖動(dòng)范圍將有效波門(mén)窗口的容差值放大，允許最大抖動(dòng)范圍內的脈沖都能夠進(jìn)入到波門(mén)窗口。

4 波門(mén)內有效脈沖的處理方法

在實(shí)時(shí)跟蹤的過(guò)程中，如果信號環(huán)境比較密集復雜的情況下，有效波門(mén)窗口的容差范圍內往往不一定只存在需要跟蹤的正確脈沖。雖然我們可以將波門(mén)窗口的容差盡量放窄，但還是有可能進(jìn)來(lái)錯誤的脈沖。

當有效波門(mén)窗口內出現兩個(gè)脈沖時(shí)，一般情況下重頻跟蹤器總是把第一個(gè)脈沖作為正確的脈沖而啟動(dòng)下一個(gè)跟蹤周期，而實(shí)際情況中往往可能第二個(gè)脈沖才是正確的脈沖。

由于虛假錯誤脈沖的出現是隨機的，這種虛假脈沖將會(huì )使波門(mén)協(xié)調電路帶來(lái)累積誤差，將下一個(gè)跟蹤的啟動(dòng)時(shí)間提前，最終使得重頻跟蹤器完全偏離正確的跟蹤目標，從而造成跟蹤丟失。

為了消除由虛假錯誤脈沖引起的跟蹤丟失，我們可以對有效波門(mén)窗口內出現脈沖的情況進(jìn)行分析處理。如果有效波門(mén)內只有1個(gè)脈沖信號出現，一般情況下為正確脈沖的可能性非常大，下一個(gè)PRI計數就以此信號出現的時(shí)間為基準開(kāi)始進(jìn)行;如果有效波門(mén)內不止1個(gè)脈沖信號出現，則采用變波門(mén)跟蹤技術(shù)，即對下一次跟蹤的啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行改進(jìn)，使每

一次跟蹤啟動(dòng)由最接近有效波門(mén)窗口中央的脈沖進(jìn)行觸發(fā)，盡管該脈沖不一定就是正確的脈沖，但它為正確脈沖的概率還是最大，并且這樣不會(huì )因為虛假錯誤脈沖出現的隨機性而引起累積誤差。改進(jìn)后的變波門(mén)時(shí)序如圖3所示。

有效波門(mén)窗口的調整方法如下：假使有效波門(mén)窗口的初始寬度為T(mén)，當在時(shí)間TP時(shí)出現脈沖，如果TP

脈沖，TS>TP，則繼續改變有效波門(mén)窗口的寬度為T(mén)2=T-2×TS;否則，沒(méi)有脈沖出現就停止有效波門(mén)窗口的改變，以最后一個(gè)脈沖產(chǎn)生跟蹤波門(mén)，并啟動(dòng)下一個(gè)跟蹤周期的PRI計

數，同時(shí)有效波門(mén)窗口的寬度恢復初始寬度。

變波門(mén)跟蹤技術(shù)的改進(jìn)都是基于正確脈沖一般應該出現在有效波門(mén)窗口中央的前提下。由于需要跟蹤脈沖的重復周期參數是信號分選軟件預置，因此在保證信號分選得到的

重復周期精度的情況下，對于常規PRI、參差PRI和組變PRI信號，重復周期的特征規律已知，應當符合正確脈沖一般應該出現在有效波門(mén)窗口中央的規律。但對于抖動(dòng)PRI信號，由于本身正確脈沖出現的時(shí)刻具有隨機性，因此我們仍然采用進(jìn)入有效波門(mén)窗口的第一個(gè)脈沖為跟蹤波門(mén)輸出，而對于下一個(gè)跟蹤周期的 PRI計數以抖動(dòng)PRI的基值為準。

通過(guò)變波門(mén)跟蹤技術(shù)的處理.重頻跟蹤器對大部分體制的雷達信號具備了自適應去除部分虛假錯誤脈沖的能力，并且最大限度避免了由于累積誤差造成的跟蹤丟失的現象，有效提高了跟蹤的穩定性。

5 波門(mén)控制電路的設計

波門(mén)控制電路就是在跟蹤成功時(shí)給出跟蹤有效標志，在跟蹤丟失時(shí)給出跟蹤失效標志，并將該標志回傳上級決策系統。

波門(mén)控制電路應當在起始脈沖建立電路成功時(shí)給出波門(mén)跟蹤有效標志，表明已經(jīng)有效跟蹤。而當跟蹤出現丟失時(shí)，為提高系統抗干擾能力，波門(mén)控制電路不能在丟失一個(gè)脈沖就馬上給出跟蹤失效標志。因為產(chǎn)生脈沖丟失的原因有很多，也很復雜，信號的丟失是系統常見(jiàn)的現象。一個(gè)好的跟蹤器必須在信號丟失幾個(gè)信號脈沖的情況下，能夠維持對信號的跟蹤。波門(mén)控制電路只有在連續丟失的脈沖個(gè)數超過(guò)一定的門(mén)限值時(shí)，才會(huì )給出跟蹤丟失標志，而這個(gè)門(mén)限值可以根據信號環(huán)境的復雜程度由上級決策系統進(jìn)行可變設置。

對于已經(jīng)建立跟蹤的雷達，重頻跟蹤器一旦給出跟蹤丟失標志，由上級決策系統進(jìn)行判別雷達信號是暫時(shí)消失還是雷達改變了工作模式。判別方式主要依據所記錄的歷史參數與信號處理實(shí)時(shí)分選結果進(jìn)行對比，如果在記錄的參數中，沒(méi)有出現新的參數變化，則認為信號是真的消失了，重頻跟蹤器對其進(jìn)行記憶跟蹤，根據需要跟蹤雷達重復周期的規律，在真實(shí)脈沖可能到達的位置進(jìn)行補波門(mén)處理，利用補充的波門(mén)送到后級的干擾技術(shù)產(chǎn)生器進(jìn)行干擾。如果出現了新的參數，則認為雷達改變了工作模式，決策系統將新的參數預置給重頻跟蹤器，重新對目標進(jìn)行跟蹤。

6 結論

由于采用與目標雷達重復周期相同的特征規律進(jìn)行脈沖預測，并且根據抖動(dòng)PRI雷達的重頻抖動(dòng)范圍調整有效波門(mén)窗口，因此，基于脈沖預測技術(shù)設計的重頻跟蹤器能夠適應常規、參差、抖動(dòng)以及組變等不同體制的雷達信號。同時(shí)由于重頻跟蹤器對每一部目標雷達單獨進(jìn)行脈沖預測，只要選擇合理的硬件資源，就能實(shí)現對多部雷達信號的跟蹤。如果同時(shí)存在多部參數接近的雷達信號時(shí)，通過(guò)脈沖預測的相關(guān)設計，可能會(huì )有所影響重頻跟蹤的實(shí)時(shí)截獲時(shí)間，但能大大提高重頻跟蹤的概率。