1、引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，飛機或導彈的低空、超低空突襲，尤其是具有“低、小、快”戰(zhàn)術特性的掠海導彈，對水面艦艇的安全構成極大的威脅。因受到地球曲率、多路徑效應、背景雜波的影響，以及隱身技術的廣泛采用，雷達在較遠的距離，發(fā)現(xiàn)和穩(wěn)定跟蹤掠海導彈較困難，即使在近距離上發(fā)現(xiàn)和跟蹤這樣的高速目標，防御武器系統(tǒng)也很難有充足的反應時間。因此，水面艦艇探測系統(tǒng)必須解決好對低空掠海導彈的發(fā)現(xiàn)及穩(wěn)定跟蹤問題，保證艦載武器和系統(tǒng)能有效地攔截低空、超低空目標。

艦炮系統(tǒng)中一般配有火控雷達和光電系統(tǒng)等探測設備，這些傳感器一般只起互補的作用，一種傳感器由于被干擾或故障不能作用時，改用另一種傳感器。在多傳感器的使用上，僅僅做了優(yōu)化選擇，各種傳感器的信息沒有進行真正意義上的融合。若能充分利用這兩種傳感器的各自優(yōu)點，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術、復合跟蹤技術，可極大的提高艦炮系統(tǒng)對低空目標的發(fā)現(xiàn)和跟蹤性能。

2、 海面低空目標多路徑效應

2.1 多路徑幾何模型

雷達在探測低空掠海飛行的目標時，天線具有一定的仰角。雷達波束照射目標的同時必然會照射一定區(qū)域的海面，回波信號有可能直接或經過海面反射后到達雷達接收天線。直達波和反射波相互干涉，引起仰角誤差信號在幅度和相位上發(fā)生變化，引起的誤差為多路徑誤差。

海面多路徑反射分為兩部分：鏡面反射和漫反射。

（1） 鏡面反射：鏡面反射波與直達波是相關的，他滿足瑞利判據(jù)，即：

其中：△h是反射面高度的變化，Ψ是擦低角，λ是波長。如圖1所示。

（2） 漫反射：在海面除了鏡面反射，還有漫反射，他隨海水的運動起伏，漫反射波與直達波是不相關的，是由海面前向散射分量形成，多普勒頻移與直達波基本相同。

2.2 多路徑效應對角跟蹤系統(tǒng)的影響

多路徑效應對雷達低空目標跟蹤的主要影響表現(xiàn)在俯仰角上，根據(jù)反射信號（或鏡像目標）進入的雷達波束區(qū)域，分為3種誤差區(qū)域：

2.2.1 副瓣反射區(qū)

在副瓣反射區(qū)內，誤差主要是由鏡面反射引起的，主波束不照射到反射表面，反射信號指通過天線波束的副瓣進入雷達接收機，多路徑誤差是周期性的，其均方根誤差為：

其中，θB是天線仰角波瓣寬度，Gsc是波瓣主瓣的峰值功率與鏡像信號所在角度上的差波瓣旁瓣的峰值功率之比。

2.2.2 主瓣反射區(qū)

當目標仰角低到跟蹤雷達的主瓣一側照射表面時，反射信號將進入主瓣。跟蹤誤差為：

其中，△t∑t是直射波方向的差信號與和信號，△r∑t是反射波方向的差信號與和信號，ρ是表面反射系數(shù)，a是反射信號相對直射信號的總相移。

2.2.3 水平反射區(qū)

目標信號與反射信號在俯仰方向上非常接近，同時進入天線主瓣，接受信號功率衰落很大，此時，多路徑誤差為兩個反射體目標的閃爍誤差。跟蹤誤差為：

其中，e是相對于目標的距離誤差，ρ是表面反射系數(shù)，φr為直射路徑與反射路徑的路程差。

以單脈沖雷達為例仿真，假設目標高度為10 m，天線高度為15 m，反射系數(shù)ρ=0.8，勻速直線向雷達方向飛行，多路徑效應隨距離變化，引起的俯仰角誤差如圖2所示。

從圖2可以看出，雷達跟蹤低空掠海目標時，多路徑效應將嚴重目標俯仰角的測量，這種誤差可分為兩種：一種是高信噪比階段時近似恒定的偏差，另一種是低信噪比階段時的尖峰誤差。尖峰誤差出現(xiàn)在直達波和反射波的相位差約180°時，直達波和反射波相互抵消，此時信噪比最低，對應著尖峰誤差的峰值。由于信噪比非常低，俯仰角誤差幾乎為零，雷達非常容易丟失目標。

2.3 多路徑效應的抑制方法

目前，抑制雷達低角跟蹤時多路徑效應的方法，基本思想都是圍繞著設法補償因多路徑效應造成的信號衰落，去掉直射信號與反射信號的相關性，去除反射信號的干擾，以滿足對低空目標精確跟蹤要求。

2.3.1 經典多路徑抑制技術

經典多路徑效應抑制方法主要包括：毫米波技術、頻率分集和捷變技術、不對稱波瓣技術、雙零跟蹤、復角跟蹤技術、偏軸跟蹤技術等。

為解決低空目標跟蹤問題，各國都相繼研制了多種低角跟蹤雷達，主要包括：

（1） 美國“密集陣”近程反導系統(tǒng)，其雷達采用“重濾波”技術，解決低空多路徑效應問題。

（2） 荷蘭“守門員”近程反導系統(tǒng)，其雷達采用X／Ka雙波段技術，X波段用于快速捕捉目標，Ka波段波束寬度0.6°，用于低空目標的穩(wěn)定精確跟蹤。

（3） 俄羅斯“喀什坦”彈炮合一防空系統(tǒng)，其雷達采用毫米波技術，解決低空多路徑效應問題。

2.3.2 陣列信號處理多路徑抑制技術

采用陣列信號處理技術解決多路徑效應問題，這方面技術發(fā)展非常迅速。

超分辨率技術主要包括最大似然譜估計、自回歸模型、特征結構法譜估計、最小二乘法譜估計等。均突破傳統(tǒng)Fourier譜分析的瑞利極限，具有比Fourier譜分析更高的分辨率，能夠分辨角間隔小于一個波束寬度的多個信號。

基于特征結構的MUSIC算法目前研究較多，這種算法無法應用于相干信號源，必須去掉信號源的相干性，雷達低角跟蹤時多路徑效應的相干性非常強、起伏慢，將MUSIC算法應用于低角跟蹤，還需要做進一步的研究工作。

最大似然估計可應用于低角跟蹤，但由于運算量較大，因此，如何得到快速、穩(wěn)定、準確的結果，仍然需要進一步的研究。

2.3.3 多傳感器融合技術應用于低角跟蹤

多傳感器數(shù)據(jù)融合是對多源信息處理的方法，是將獲得的多傳感器數(shù)據(jù)信息通過檢測、關聯(lián)、跟蹤、估計、綜合等多級多功能處理，得到目標一致性描述，從而以更高的精度、較高的概率和置信度，得到所需的目標狀態(tài)和身份估計，以及完整、及時的態(tài)勢和威脅評估等決策信息。

與傳統(tǒng)的單傳感器信息處理相比，多傳感器數(shù)據(jù)融合在解決目標檢測、跟蹤和識別有如下優(yōu)勢：

（1） 擴展了空間覆蓋范圍和時間覆蓋范圍。

（2） 增加了測量空間的維數(shù)。

（3） 降低了目標的模糊度。

（4） 提高了信號的空間分辨率。

（5） 提高了系統(tǒng)的可靠性和可信度。

（6） 使系統(tǒng)具有良好的魯棒性。

對于單個跟蹤傳感器，其獲得目標跟蹤信息可能不全，跟蹤精度是不夠的。若采用多個互補的跟蹤傳感器，信息就有冗余性。通過多傳感器的數(shù)據(jù)融合可以充分利用多傳感器的資源，改善探測性能。

在對海低角跟蹤時，火控雷達探測距離遠，捕獲目標容易，但對低空目標低角跟蹤時，存在嚴重的多路徑效應影響，容易丟失目標。光電系統(tǒng)不存在多路徑效應影響，角跟蹤精度高，但視場較小，捕獲目標困難，跟蹤距離較近。將雷達與光電系統(tǒng)實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)融合，充分利用這兩種傳感器的各自優(yōu)點，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術，復合跟蹤技術，可極大地提高艦炮系統(tǒng)對低空目標的發(fā)現(xiàn)和跟蹤性能。

3 、雷達、光電數(shù)據(jù)融合技術解決多路徑效應

3.1 雷達、光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合跟蹤

在艦炮武器系統(tǒng)中，雷達與光電系統(tǒng)各自獨立對低空目標進行跟蹤，提供獨立的目標距離、方位、俯仰角等目標信息，由于雷達與光電系統(tǒng)各自的重復頻率不一致，組網后要求對雷達、光電系統(tǒng)時間和空間進行配準處理，否則，未經處理的不同步的傳感器數(shù)據(jù)融合，可能導致性能不如單獨使用一個傳感器。

雷達與光電系統(tǒng)對低空目標進行跟蹤采用各自獨立的測量方程，數(shù)據(jù)融合后，采用最佳數(shù)據(jù)壓縮處理方法進行融合后的數(shù)據(jù)濾波，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)融合。

3.2 雷達、光電系統(tǒng)組網時間配準

雷達與光電系統(tǒng)組網的時間配準，采用最小二乘規(guī)則配準法。跟蹤雷達的重復頻率比光電系統(tǒng)的要高，光電系統(tǒng)一個周期對應跟蹤雷達n個周期，將n個周期跟蹤雷達測量值融合成一個虛擬的測量值，再與光電系統(tǒng)的測量值進行融合，消除多傳感器不同步造成的對數(shù)據(jù)融合的影響。

3.3 雷達、光電系統(tǒng)組網空間配準

雷達與光電系統(tǒng)的空間配準誤差主要有：

（1） 傳感器之間的方位和距離上的組合失配。

（2） 傳感器位置誤差。

（3） 坐標變換的精度誤差。

雷達與光電系統(tǒng)組網的空間配準，采用最小二乘規(guī)則配準法。適合于同一平面內，距離較近的多傳感器空間配準。

3.4 雷達、光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)可信度水平

雷達和光電系統(tǒng)在對海面低空目標進行跟蹤時，數(shù)據(jù)的可信度是不一樣的，由于多路徑效應只影響雷達跟蹤，光電系統(tǒng)的跟蹤數(shù)據(jù)可信度要高于雷達的跟蹤數(shù)據(jù)可信度。

多路徑效應對雷達影響是周期性的，雷達的跟蹤數(shù)據(jù)可信度是非常重要的，必須剔除多路徑效應影響大的數(shù)據(jù)，否則雷達和光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的跟蹤精度和性能可能不如單個傳感器的跟蹤精度和性能。

3.5 雷達、光電系統(tǒng)組網濾波方式

采用雷達、光電系統(tǒng)組網對掠海目標進行跟蹤，要求雷達和光電系統(tǒng)同時對目標進行跟蹤濾波，雷達和光電系統(tǒng)的跟蹤誤差是已知的，而且各自的跟蹤濾波在統(tǒng)計上是相互獨立的。

對于雷達和光電系統(tǒng)組網后的系統(tǒng)濾波，采用最優(yōu)數(shù)據(jù)壓縮處理方法。

雷達測量值（R，α，β），光電系統(tǒng)測量值（Rt，αt，βt），經過最優(yōu)數(shù)據(jù)壓縮后，俯仰角測量誤差方差為：

以單脈沖雷達為例仿真，假設目標高度10 m，天線高度15 m，反射系數(shù)ρ=0.8，勻速直線向雷達方向飛行，如圖3所示。

通過圖2和圖3的比較可以看出，剔除掉可信度低的某些雷達大誤差數(shù)據(jù)，采用雷達、光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術復合跟蹤，可明顯改善對海低角跟蹤的精度和性能，也充分說明了多傳感器融合技術是解決對海低角跟蹤的又一條行之有效的途徑。

4 、結 語

未來的海戰(zhàn)將是廣泛使用各種高技術武器裝備在水下、海上、陸上、太空和電磁空間進行對抗的一體化網絡戰(zhàn)。水面艦艇對飛機或導彈的低空、超低空突襲的防范，不僅僅依賴于艦炮武器系統(tǒng)中所包含的雷達或光電系統(tǒng)等少量傳感器，而是建立在C4KISR系統(tǒng)下，能充分利用艦艇、空中、太空等各種傳感器，經過不同層次的數(shù)據(jù)融合，這樣才能過實現(xiàn)在遠距離對掠海低空小目標，早期預警、跟蹤，使得艦載防御武器系統(tǒng)有充足的反應時間進行攔截。

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