江 露， 馬景潤， 包 飛

（1.中國人民解放軍駐上海地區(qū)軍事代表室，上海200090；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展，引信面臨著目標向多樣化、全空域、高速度范圍、強機動的發(fā)展趨勢。尤其以TBM 為代表的導(dǎo)彈類目標和制導(dǎo)炸彈、巡飛彈等為代表的“低、小、慢”目標，易損部件少、彈頭體積小、防護厚、毀傷難度大等特點。對于此類目標，必須實現(xiàn)對其徹底毀傷才能達到效果。在此情況下，傳統(tǒng)引信采用的側(cè)向探測和傳統(tǒng)引戰(zhàn)系統(tǒng)采用的環(huán)形殺傷體制，由于引信啟動區(qū)散布大、戰(zhàn)斗部飛散區(qū)大，已不能滿足未來作戰(zhàn)要求。這些需求使得引信必須具備定向起爆能力，而保證其定向起爆精度的則是對脫靶方位的精確識別。

現(xiàn)有的引信脫靶方位識別方法基本是采用GIF（Guidance Integrated Fuzing）技術(shù)，該技術(shù)可以利用導(dǎo)引頭測量的距離、角度信息，通過數(shù)據(jù)濾波算法估計識別目標脫靶方位所需的參數(shù)，實現(xiàn)脫靶方位識別的目的。GIF的關(guān)鍵技術(shù)是對導(dǎo)引頭測量信息的濾波處理，如果處理效果好則可以獲得高精度的脫靶方位估計結(jié)果。由于卡爾曼濾波算法具有良好的噪聲抑制能力，在GIF 中一般都以該算法為基礎(chǔ)進行濾波操作［1，2］。但是該技術(shù)的性能受制于導(dǎo)引頭探測信息的精確程度，當導(dǎo)引頭進入交會探測盲區(qū)或目標具有高機動性時，基于導(dǎo)引頭探測信息的脫靶方位識別性能將急劇下降。為了保證脫靶方位識別結(jié)果的穩(wěn)定性，引信應(yīng)具備自主方位識別能力。

空間譜估計技術(shù)被稱為“超分辨率估計”，可以突破并改善一個波束寬度內(nèi)空間不同來向信號的分辨能力。本文基于該技術(shù)在引信應(yīng)用的可行性進行了分析和研究，最終實現(xiàn)了具有自主識別能力的引信脫靶方位識別技術(shù)。

1 陣列形式選擇

空間譜估計的基本原理是利用信號到達天線陣列各個陣元的相位差來對信號的方向進行判斷，因此不同的應(yīng)用環(huán)境和背景會用到不同形式的陣列。由于引信位于彈體側(cè)面，無法選用復(fù)雜的陣列形式，可選用的形式可以為均勻線陣和均勻圓陣。

陣列測向中，在某方向上對信號源的分辨力與在該方向附近陣列導(dǎo)向矢量的變化率直接相關(guān)。在導(dǎo)向矢量變化較快的方向附近，隨信號源角度變化陣列快拍數(shù)據(jù)變化也大，相應(yīng)的分辨力也高。因此，可用下式來衡量分辨力為［3，4］

式中：D（θ）越大，表明在該方向上的分辨力也越高。

對于均勻線陣，陣列的導(dǎo)向矢量

對應(yīng)的

由上述測向范圍可知，對于均勻線陣，在檢測范圍［-90° 90°］內(nèi)，DT（θ）以余弦形式變化。在θ＝0°，即信號源方位角正好垂直于均勻線陣的軸線時具有最高的分辨力，而在沿線陣附近，DT（±π／2）≈0，也就是說明分辨力很差。

對于均勻圓陣流型轉(zhuǎn)換后獲得的虛擬陣列流型，其導(dǎo)向矢量為

此時分辨力表征量為

上式表明，均勻圓陣的分辨力不隨信號方位角的變化而變化，在檢測范圍［-180° 180°）內(nèi)，DV＝γ為一恒定常數(shù)，這說明均勻圓陣在全空間具有相同的分辨力。

由于脫靶方位識別技術(shù)的關(guān)鍵指標是測量角度的精確度，因此選取均勻圓陣作為引信測量陣列形式。如圖1所示，引信發(fā)射天線采用一維線陣，以獲得發(fā)射信號在空間的窄波束探測，接收為一個均勻圓陣，通過多路接收后利用接收信號建立數(shù)據(jù)矩陣，利用ESPRIT（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）方法對信號到達方向（即脫靶方位）進行估計。

2 彈體遮擋影響及消除方法研究

圖1 引信天線分布形式示意圖

在實際應(yīng)用時，由于彈體遮擋的影響，只有一半左右的陣元可以接收到回波信號（當陣元數(shù)N為奇數(shù)時，接收到回波的陣元為（N+1）／2，當陣元數(shù)N 為偶數(shù)時，接收到回波的陣元為N／2），如圖2所示。

圖2 彈體遮擋對陣元接收回波影響的示意圖

如果直接利用接收到信號的陣元數(shù)據(jù)進行估計，估計結(jié)果將會出現(xiàn)較大偏差。以入射角度分別為（17°，-140°）、（20°，30°）和（50°，-40°）為例，考慮彈體遮擋的情況，估計結(jié)果為圖3中星號所示?？梢钥闯龉烙嫿Y(jié)果和圓圈所示的實際值出現(xiàn)了較大的偏差，如此大的誤差的形成并不是簡單的孔徑損失造成的，而是破壞了原有陣列流型的規(guī)則性引起的。利用對稱性對接收到信號的陣元進行虛擬信號輸入可以有效解決該問題。

當陣元數(shù)為偶數(shù)時，均勻圓陣列流型具有對稱性，即對于陣元數(shù)為N 的均勻圓陣，其各個陣元的陣列流型An（n＝1，2，…，N），有An＝A＊n+N／2（n＝1，2，…，N／2）。于是對于各個陣元的輸入信號Xn（n＝1，2，…，N），有Xn＝X＊n+N／2（n＝1，2，…，N／2）。

基于該性質(zhì)，可以利用接收到回波的陣元信號對未接收到回波的陣元信號進行估計，獲得虛擬輸入信號，并建立矩陣對脫靶方位進行估計。經(jīng)過虛擬輸入處理的脫靶方位估計結(jié)果如圖3中綠色星號所示，可以看出，估計得到的結(jié)果和實際信號波達方向非常接近，證明該方法的有效性。

圖3 彈體遮擋對估計結(jié)果的影響及經(jīng)過修正的估計結(jié)果

3 近場目標散射中心估計性能分析

對于實際應(yīng)用中的目標，由于引信開機工作時彈目距離較近，目標回波不能按照點目標進行考慮，須考慮近場目標的多散射點特性。本節(jié)利用實際目標的多散射點回波建模，對實際彈目距離較近的情況下目標多散射點回波結(jié)果進行仿真計算，考察估計結(jié)果和實際目標重心位置的差距。

圖4所示為模擬的飛機模型散射點分布，所模擬的飛機機身長度和機翼寬度均為10m，取網(wǎng)格劃分精度為0.1m×0.1m，計算可知該模型實際的重心位于圖4內(nèi)坐標系（12.8，10）處。

圖4 仿真飛機散射點分布圖

對圖4中每個散射點的回波進行相加，再對其進行波達方向估計，可以獲得估計的散射中心入射角度信息，將此結(jié)果與模型重心實際位置的波達角進行對比，可以考察本項目所采用的分析方法能否適用于實際目標的近場作用情況。

圖5為估計結(jié)果和實際重心位置角度的對比，使用的陣元數(shù)為16，信噪比為-5dB，目標重心與陣列中心的方向位和俯仰位距離變化均為-10m～10m。

從圖中看到，估計得到的角度和實際目標重心角度吻合程度非常好，說明了該方法對于近場目標估計情況也非常適合。

圖5 估計散射中心和實際目標重心比較

4 結(jié)束語

為了應(yīng)對未來戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求，實現(xiàn)定向引信的自主脫靶方位識別功能，本文將空間譜估計技術(shù)引入引信系統(tǒng)。本文選用均勻圓陣陣列形式，不僅可以很好的符合彈體的外形結(jié)構(gòu)形態(tài)，更加可以實現(xiàn)全方位無模糊的精確測角需求。對于彈體遮擋對脫靶方位識別產(chǎn)生的影響，本文利用均勻圓陣陣列流型的對稱性，實現(xiàn)了無輸入陣元的虛擬信號輸入，很好的解決了這一問題。同時，對于遠場點目標和近場多散射點散射中心的測量效果，進行了仿真驗證，檢驗了本文所述方法的有效性。

［1］ 劉劍鋒，莊志洪，劉中.轉(zhuǎn)換測量卡爾曼濾波算法在導(dǎo)彈起爆控制技術(shù)中的應(yīng)用研究［J］.電子與信息學(xué)報，2005，（27）：1388-1392.

［2］ 簡金蕾，李靜，任宏濱.基于去偏轉(zhuǎn)換測量卡爾曼濾波的目標脫靶方向角識別［J］.航天控制，2010，（28）：23-32.

［3］ 馬常霖，彭應(yīng)寧，田立生.基于均勻圓陣模式空間噪聲流型的高分辨測向算法［J］.電子學(xué)報，1998，（26）：112-116.

［4］ 陳輝，王永良，萬山虎.非均勻線陣的模糊問題及方位估計［J］.空軍雷達學(xué)院學(xué)報，1999，（13）：7-10.