一種適用于低頻輻射信號的濾波方法

羅琴

（江西科技學院 信息工程學院，江西 南昌 330098）

一種適用于低頻輻射信號的濾波方法

羅琴

（江西科技學院 信息工程學院，江西 南昌 330098）

對于低頻雷達目標，反輻射導引頭測量的導引信號中含有較多的噪聲信號，為得到高信噪比的導引信號，就需要剔除導引頭測量信號中的噪聲部分。在現(xiàn)有濾波器的基礎上，引入非線性環(huán)節(jié)處理方法，依據(jù)多路徑效應理論，對導引頭測量原始信號中的噪聲部分進行動態(tài)限幅處理，從而能夠提高導引信號的信噪比。針對非線性環(huán)節(jié)處理方法，使用基于靶試數(shù)據(jù)的數(shù)學仿真及試驗室半實物仿真對其進行驗證，結果表明所提方法能夠提高反輻射導引頭測量信號的信噪比。

反輻射導引頭；低頻信號；非線性；濾波器

0 引言

反輻射武器包括反輻射導彈和反輻射無人機，主要用來摧毀敵方雷達及其它輻射源目標。被動雷達導引頭是反輻射武器的核心部件，它具有準確探測、捕獲并穩(wěn)定跟蹤輻射源目標的能力。但戰(zhàn)場環(huán)境的復雜性，如雷達周圍地形、地面物體對電磁波傳播的影響，使得被動雷達導引頭不僅偵收到雷達信號直達波，而且也會接收到經地面、海面或其它物體反射后形成的多徑信號。多路徑效應會影響被動雷達導引頭截獲和跟蹤目標雷達的性能，從而導致反輻射武器脫靶量加大[1-2]。

針對多路徑效應對被動雷達導引頭性能的影響，文獻[3]根據(jù)脈沖前沿到達時間差分布情況，使用脈沖前沿跟蹤技術用以提高被動雷達導引頭在多路徑環(huán)境下的定向和測角能力。此外，有學者從不同角度提出了減小多路徑效應對被動雷達導引頭性能影響的方法[4-6]。

本文采用非線性處理方法對導引頭原始測量信號進行處理，在保證導引信號精度的前提下，盡量降低送給濾波器的角速度采樣門限，以減小多路徑效應對被動雷達導引頭性能的影響，從而提高信噪比，降低脫靶量。

1 多路徑效應影響

反輻射武器在俯沖攻擊目標時,由于目標周圍地面及物體等反射波的影響，被動雷達導引頭的接收信號是目標輻射信號和環(huán)境反射信號的疊加量。該疊加信號進入被動雷達導引頭天線后，引起跟蹤誤差信號在幅值和相位上的變化，這就相當于目標和其虛擬像之間發(fā)生角閃爍，從而導致被動雷達導引頭跟蹤目標的精度降低。嚴重的情況下，導引頭天線會出現(xiàn)劇烈抖動，造成目標跟蹤失效。

由以上分析能夠看出，多路徑效應對被動雷達導引頭的影響主要有以下幾個方面：

1.1 測角誤差

多路徑效應使得導引頭天線不能夠準確地指向目標，即導引頭測角誤差信號不為零。為了消除測角誤差信號，導引頭天線需要偏轉一個角度，以與多路徑效應引起的偏差信號抵消，該偏轉角度就是測角誤差。

1.2 導引頭天線抖動

由于測角誤差是多路徑效應引起的，且它隨彈-目距離及目標周圍環(huán)境的不同而變化，導引頭天線需要實時偏轉以對準目標，從而引起導引頭天線抖動，甚至可能導致導引頭丟失目標。

1.3 有用信號減小

導引頭天線接收到的是目標輻射有用信號和地面反射噪聲信號的疊加信號，它們之間存在相位差，相位差越大，導引頭天線接收到的有用信號越小。

綜上，多路徑效應影響反輻射武器導引頭的性能，為提高彈道品質和命中精度，需要采取有效的技術措施來降低多路徑效應對被動雷達導引頭的影響。

2 非線性處理技術

2.1 理論依據(jù)

當前，阻止多徑信號進入導引頭天線、消除多徑信號影響和估計出目標參數(shù)是學者們研究比較多的減小多路徑效應的技術途徑[7-10]。

對整個制導系統(tǒng)來說，被動雷達導引頭輸出信號送給制導回路供其形成導引指令使用，由于導引頭輸出信號中含有多徑造成的噪聲信號，使得導引指令偏離理論值，從而把反輻射武器帶離理論彈道，造成攻擊精度降低。

在保證目標輻射信號能夠被包含的前提下，盡量減小被動雷達導引頭輸出信號的門限，以減小多路徑反射波進入制導回路的比例。針對雷達導引頭輸出信號中因多路徑造成的噪聲信號，本文使用非線性處理技術對噪聲信號進行去除，最大程度減小導引頭輸出信號中噪聲信號的比例，以提高導引信號的信噪比。

2.2 非線性結構

由以上分析可知，減小被動雷達導引頭輸出信號中因多路徑產生的噪聲信號能夠提高導引信號精度，非線性環(huán)節(jié)的作用就是限制導引頭輸出信號中的噪聲信號。由于多路徑效應隨目標周圍環(huán)境、反輻射武器姿態(tài)和相對距離等因素變化。因此，非線性環(huán)節(jié)應能夠實時跟隨多路徑效應的變化，動態(tài)調整對噪聲信號的限制門限。非線性環(huán)節(jié)在制導系統(tǒng)中的位置如下圖1所示。

圖1 非線性環(huán)節(jié)在制導系統(tǒng)中位置

上圖1中，⑴表示被動雷達導引頭輸出信號；⑵表示經過非線性環(huán)節(jié)處理之后的信號；⑶表示經過濾波之后供制導回路使用的導引信號。

依據(jù)非線性環(huán)節(jié)的作用，借鑒工程經驗，可用下式對其功能進行表示：

上式中，M表示對導引頭輸出原始信號的限幅門限值，dq表示實時理論視線角速度，R表示反輻射武器與目標的距離，EB是導引頭俯仰框架角；R'與EB'分別表示制導回路接入導引信號時刻的相應參數(shù)值，k1與k2為可調節(jié)的正值常量參數(shù)。

為了得到較好的非線性環(huán)節(jié)濾波效果，上述表示反輻射武器-目標距離與導引頭俯仰框架角權重的參數(shù)k1與k2，需要做大量的數(shù)學仿真才能確定最優(yōu)值。得到最優(yōu)值后，使用該組參數(shù)進行半實物仿真，觀察彈道特性及脫靶量。

3 仿真驗證

按照公式（1）中的非線性環(huán)節(jié)處理方法，在經過大量數(shù)學仿真得到k1與k2值的基礎上，使用某型反輻射武器的外場靶試數(shù)據(jù)，以靶試中的理論視線角速度為判別標準，對非線性處理環(huán)節(jié)的有效性進行驗證。

3.1 仿真條件

1、仿真數(shù)據(jù)使用某型反輻射武器在外場靶試試驗時，導引頭獲得的低頻雷達目標原始信號（低頻雷達信號的信噪比較低）；

2、使用公式（1）中的模型對導引頭輸出送往制導濾波器的原始信號進行非線性環(huán)節(jié)處理；

3、依據(jù)反輻射武器飛行過程中的實時經緯度、速度、高度和目標位置等信息計算出理論視線角速度；

4、制導濾波器選用帶寬為0.9Hz的三階低通濾波器。

為驗證非線性處理對提高導引信號品質的作用，另外做一組對比仿真（即采用相同的原始數(shù)據(jù)，去掉非線性處理環(huán)節(jié)，使用同樣的制導濾波器對導引信號進行處理）。

3.2 仿真結果

利用Matlab/simink中的模塊搭建方法，構建的仿真結構示意圖如下：

圖2 仿真結構示意圖

按上圖進行仿真，輸入為導引頭測量到的視線角速度（原始數(shù)據(jù)），得到以下仿真結果。

3.2.1 導引頭測量的視線角速度

圖3 導引頭測量的視線角速度

3.2.2 經過濾波器之后的視線角速度

圖4 濾波之后的視線角速度

3.2.3 與理論視線角速度比較

3.2.4 均值、方差和脫靶量（半實物）比較

圖2仿真得到的視線角速度及理論視線角速度的均值和方差見下表1。

表1 視線角速度的均值和方差

3.3 結果分析

由仿真結果中的圖3～圖5及表1分析可知：導引頭輸出的原始信號中的噪聲較嚴重，所需導引信號淹沒在其中，信號濾波是提高其信噪比的有效手段。單純的三階低通濾波器雖然能夠去除大量噪聲，但其輸出信號的均值偏離理論值較遠，且信號的方差較大。加入非線性環(huán)節(jié)之后，相同濾波器輸出信號的均值更接近理論值，且信號的方差更小，從而既保證了末段攻擊彈道品質，又能提高命中精度。

圖5 非線性環(huán)節(jié)濾波值與理論值比較

4 總結

反輻射武器是對敵方雷達和其他輻射源進行硬殺傷的有效手段，也是進行電子戰(zhàn)的有效武器。然而，低頻雷達信號的信噪比較低，對反輻射武器來說，采用何種方法提高導引頭輸出信號的信噪比是當前研究的難點。

本文依據(jù)工程實踐經驗，提出了一種非線性環(huán)節(jié)處理方式，仿真驗證結果證明，它能夠提高導引頭輸出信號的信噪比，對提高反輻射武器的命中精度具有一定的工程應用意義。

[1]任子西.多路徑效應對反輻射導彈被動雷達導引頭性能的影響分析[J].戰(zhàn)術導彈技術,2009(3)：1-5.

[2]陳鑫，王浩丞，唐勇，符為.多徑環(huán)境中被動雷達導引頭測向性能分析[J].電子信息對抗技術，2011，26(4)：1-4.

[3]王晨陽，董文鋒，王正國.反輻射導引頭在多信號環(huán)境下的定向能力分析 [J].空軍雷達學院學報，2009，23(6)：423-428.

[4]吳海，劉艷蘋.一種解決多路徑效應影響的方法[J].現(xiàn)代雷達，2007(05).

[5]于智春，李中偉，盧長海.降低多路徑效應影響的研究[J].現(xiàn)代電子技術，2010(01).

[6]朱慶和.克服多路徑效應的自適應偏軸跟蹤方法[J].火力與指揮控制，2000(04).

[7]耿文東，王元欽，張若禹.雷達組網減小多路徑效應影響的探討[J].現(xiàn)代雷達，2006，28(4)：11-13.

[8]孫國平.雷達低角跟蹤[J].艦船電子對抗，2007，30(3)：49-51.

[9]劉繼東，吳金亮，孫書恩.某單脈沖雷達多路徑仰角跟蹤誤差建模與計算[J].裝備指揮技術學院學報，2007,18(1)：83-86.

[10]朱志宇，張冰，王建華.艦載雷達多路徑效應仿真研究[J].船舶，2005(2)：47-50.

（責任編輯：陳 輝）

A Filtering Method Suitable for Low Frequency Radiation Signal

LUO Qin
(Information Engineering Institute,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

For the low frequency radar target,guidance signal gathered by anti-radiation seeker contains many noisy signals,in order to obtain high quality signal with low noise ratio,we need to eliminate the noise in the measured signal of the seeker.On the basis of the existing filter,introducing the nonlinear link processing method and the multi path effect theory,the noise seeker measurement in the original signal dynamically limiting process can improve the signal-to-noise ratio of guidance signal.Aiming at the nonlinear link processing method,using the hardware in the loop simulation validated the mathematical simulation and laboratory based data,results show that the proposed method can improve the signal-to-noise ratio of anti-radiation seeker signal measurement.

anti-radiation seeker;low frequency signal;nonlinear;filter

TN713

A

123（2014）01-0042-04

2013-04-03

羅琴（1983-），女，江西撫州人，江西科技學院信息工程學院，講師，工學碩士。

研究方向：信號處理、網絡與信息系統(tǒng)安全。

2012年江西科技學院“校級自然科學研究”項目“無線傳感器網絡中基于模糊的能量均衡路由協(xié)議”（NO.ZR12YB10）。