王勇軍

(中國人民解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066001)

隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜,電子戰(zhàn)設(shè)備要準(zhǔn)確地選擇偵察目標(biāo)并長期跟蹤某個目標(biāo)變得越來越困難。由于流水線加工水平的提高,同類型輻射源的信號參數(shù)差異極小,因此利用常規(guī)的電子偵察設(shè)備幾乎不可能長期跟蹤某個目標(biāo)。輻射源個體識別(SEI)被提出的最初目的就是為了解決這個問題。雷達(dá)信號的個體特征也稱為雷達(dá)的“指紋”,是指附加在雷達(dá)信號上的無意調(diào)制。無意調(diào)制指雷達(dá)采用某種形式的調(diào)制器而附加在雷達(dá)信號上的某種特性,如幅度起伏、頻率漂移等,是一部雷達(dá)所特有的信號屬性,也是一部雷達(dá)區(qū)別于另一部雷達(dá)的特征[1]。

通過輻射源個體識別系統(tǒng),可以對感興趣的輻射源目標(biāo)進(jìn)行鎖定跟蹤。更重要的是,通過長期識別結(jié)果的時空關(guān)聯(lián),可以獲取輻射源及其裝載平臺的部署、活動規(guī)律和戰(zhàn)術(shù)使用特點,甚至可以得到敵方武裝平臺的部署、兵力調(diào)配和軍事動向,同時收集戰(zhàn)區(qū)電子情報、監(jiān)測戰(zhàn)場電磁信號環(huán)境,因此具有重要的戰(zhàn)略及戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用價值。

20世紀(jì)60年代中期,美國政府提出對某個特定的運動輻射源進(jìn)行識別和跟蹤,隨后的40年間,Northrop Grumman Mission System對此展開研究。隨著數(shù)字化技術(shù)和復(fù)雜信號處理能力的不斷提升,已經(jīng)有配備指紋識別的雷達(dá)和電子偵察系統(tǒng)的公開報道,如捷克ERA公司研制的維拉(VERA-E)無源雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)將雷達(dá)指紋分析功能集成到電子情報分析系統(tǒng)上[2]。

目前,雷達(dá)輻射源指紋識別算法主要針對慢速和固定目標(biāo)進(jìn)行識別,而機(jī)載目標(biāo)機(jī)動性大、速度快,給輻射源特征帶來較大多普勒效應(yīng),導(dǎo)致輻射源信號本質(zhì)特征不能有效提取[3]。本文根據(jù)平臺與目標(biāo)之間的相對位置與運動姿態(tài),提出一種基于多普勒效應(yīng)積累的計算方法,消除平臺運動特性對信號特征的影響,實現(xiàn)對高速機(jī)動輻射源目標(biāo)的脈沖重復(fù)間隔(PRI)或脈沖重復(fù)頻率(PRF)的精確測量,從而進(jìn)一步解決機(jī)載平臺的輻射源個體識別問題。

1 頻率多普勒效應(yīng)

多普勒頻率是指由目標(biāo)與接收機(jī)之間的相對運動而產(chǎn)生的接收頻率與實際頻率之間的偏差,它的改變量與兩者的相對速度成正比。多普勒效應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 多普勒效應(yīng)原理Fig.1 Principle of Doppler effect

(1)

式中:fd為多普勒頻率;v為輻射源和接收機(jī)之間的相對速度;θ為相對速度與輻射源和接收機(jī)連線間的夾角;c為光速;fo為輻射源的信號頻率。

目標(biāo)和輻射源靠近時多普勒頻率fd為正,背離時fd為負(fù)。

2 脈沖重復(fù)頻率的多普勒效應(yīng)

與頻率多普勒效應(yīng)類似,脈沖重復(fù)頻率也存在相同的多普勒效應(yīng)。目標(biāo)和輻射源靠近時多普勒脈沖重復(fù)頻率pd為正,背離時pd為負(fù)。

(2)

式中:pd為多普勒脈沖重復(fù)頻率;po為輻射源的信號脈沖重復(fù)頻率。

在實際應(yīng)用中,輻射源目標(biāo)的速度是未知的,現(xiàn)有手段只能通過定位來計算速度,然而由于定位誤差較大,基于此定位誤差計算的速度誤差更大,并不能用于多普勒計算。

3 基于多普勒積累的脈沖重復(fù)頻率計算方法

運動目標(biāo)多普勒效應(yīng)原理如圖2所示。

圖2 運動目標(biāo)多普勒效應(yīng)原理Fig.2 Principle of Doppler effect for moving target

圖2中,A為目標(biāo)起始位置,B為目標(biāo)結(jié)束位置,R為接收機(jī)位置,v(t)為目標(biāo)實時速度,θ(t)為目標(biāo)速度與接收機(jī)夾角。多普勒效應(yīng)計算原理如下所示:

(3)

對式(3)兩邊同時積分,可得

(4)

式中:t1為目標(biāo)到達(dá)A位置的時刻;t2為目標(biāo)到達(dá)B位置的時刻;|AR|為A到R的距離;|BR|為B到R的距離。

(5)

(6)

同理可得

(7)

假設(shè)在機(jī)動目標(biāo)從A到B的過程中,對脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行N次直接測量,每次測量結(jié)果為pi,可得

(8)

由式(8)可得

(9)

脈沖重復(fù)頻率與脈沖重復(fù)間隔互為倒數(shù)關(guān)系,設(shè)輻射源的多普勒脈沖重復(fù)間隔為pt,可得

(10)

通過計算,測量精度分析結(jié)果為

(11)

式中:σpo為po測量值誤差的標(biāo)準(zhǔn)差;G為幾何精度因子。

上述分析都是針對偵察設(shè)備固定、目標(biāo)運動的情況,同理可以將結(jié)論推廣到偵察設(shè)備運動、目標(biāo)固定和偵察設(shè)備運動、目標(biāo)運動的情況,如圖3所示。

圖3 運動平臺對運動目標(biāo)多普勒效應(yīng)Fig.3 Doppler effect for moving platform to moving target

圖3中,R1為接收機(jī)起始位置,R2為接收機(jī)結(jié)束位置。根據(jù)前述結(jié)論可以得到機(jī)載輻射源的脈沖重復(fù)間隔

(12)

從式(12)可以看出:當(dāng)R1和R2為同一個點時,就是偵察設(shè)備固定、目標(biāo)運動的情況;當(dāng)A和B為同一個點時,就是偵察設(shè)備運動、目標(biāo)固定的情況。

從上述分析得到以下結(jié)論:

(1)目標(biāo)飛行過程中多普勒效應(yīng)的平均影響效果只與起始及結(jié)束位置有關(guān),與過程中航行線路無關(guān)。

(2)多普勒效應(yīng)的平均影響效果就是平均速度的多普勒效應(yīng)。

(3)通過長時間的積累處理,可以提高在多普勒效應(yīng)影響下的輻射源脈沖重復(fù)間隔等特征參數(shù)的測量精度。

4 結(jié)語

通過對多普勒效應(yīng)的時間積累計算處理,可以精確計算輻射源的多普勒脈沖重復(fù)頻率,從而間接計算目標(biāo)本身的脈沖重復(fù)頻率和脈沖重復(fù)間隔,為機(jī)載輻射源目標(biāo)精確識別和輻射源特征參數(shù)測量提供手段。