1引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，飛機(jī)或?qū)椀牡涂?、超低空突襲，尤其是具有“低、小、快”戰(zhàn)術(shù)特性的掠海導(dǎo)彈，對(duì)水面艦艇的安全構(gòu)成極大的威脅。因受到地球曲率、多路徑效應(yīng)、背景雜波的影響，以及隱身技術(shù)的廣泛采用，雷達(dá)在較遠(yuǎn)的距離，發(fā)現(xiàn)和穩(wěn)定跟蹤掠海導(dǎo)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(biāo)，防御武器系統(tǒng)也很難有充足的反應(yīng)時(shí)間。因此，水面艦艇探測(cè)系統(tǒng)必須解決好對(duì)低空掠海導(dǎo)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?cái)r截低空、超低空目標(biāo)。

艦炮系統(tǒng)中一般配有火控雷達(dá)和光電系統(tǒng)等探測(cè)設(shè)備，這些傳感器一般只起互補(bǔ)的作用，一種傳感器由于被干擾或故障不能作用時(shí)，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(jìn)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(diǎn)，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、復(fù)合跟蹤技術(shù)，可極大的提高艦炮系統(tǒng)對(duì)低空目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和跟蹤性能。

2 海面低空目標(biāo)多路徑效應(yīng)

2.1 多路徑幾何模型

雷達(dá)在探測(cè)低空掠海飛行的目標(biāo)時(shí)，天線具有一定的仰角。雷達(dá)波束照射目標(biāo)的同時(shí)必然會(huì)照射一定區(qū)域的海面，回波信號(hào)有可能直接或經(jīng)過海面反射后到達(dá)雷達(dá)接收天線。直達(dá)波和反射波相互干涉，引起仰角誤差信號(hào)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(dá)波是相關(guān)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(yùn)動(dòng)起伏，漫反射波與直達(dá)波是不相關(guān)的，是由海面前向散射分量形成，多普勒頻移與直達(dá)波基本相同。

2.2 多路徑效應(yīng)對(duì)角跟蹤系統(tǒng)的影響

多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)低空目標(biāo)跟蹤的主要影響表現(xiàn)在俯仰角上，根據(jù)反射信號(hào)(或鏡像目標(biāo))進(jìn)入的雷達(dá)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(nèi)，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(hào)指通過天線波束的副瓣進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，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(hào)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(dāng)目標(biāo)仰角低到跟蹤雷達(dá)的主瓣一側(cè)照射表面時(shí)，反射信號(hào)將進(jìn)入主瓣。跟蹤誤差為：

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

2.2.3 水平反射區(qū)

目標(biāo)信號(hào)與反射信號(hào)在俯仰方向上非常接近，同時(shí)進(jìn)入天線主瓣，接受信號(hào)功率衰落很大，此時(shí)，多路徑誤差為兩個(gè)反射體目標(biāo)的閃爍誤差。跟蹤誤差為：



其中，e是相對(duì)于目標(biāo)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(dá)為例仿真，假設(shè)目標(biāo)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(dá)方向飛行，多路徑效應(yīng)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(dá)跟蹤低空掠海目標(biāo)時(shí)，多路徑效應(yīng)將嚴(yán)重目標(biāo)俯仰角的測(cè)量，這種誤差可分為兩種：一種是高信噪比階段時(shí)近似恒定的偏差，另一種是低信噪比階段時(shí)的尖峰誤差。尖峰誤差出現(xiàn)在直達(dá)波和反射波的相位差約180°時(shí)，直達(dá)波和反射波相互抵消，此時(shí)信噪比最低，對(duì)應(yīng)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(dá)非常容易丟失目標(biāo)。

2.3 多路徑效應(yīng)的抑制方法

目前，抑制雷達(dá)低角跟蹤時(shí)多路徑效應(yīng)的方法，基本思想都是圍繞著設(shè)法補(bǔ)償因多路徑效應(yīng)造成的信號(hào)衰落，去掉直射信號(hào)與反射信號(hào)的相關(guān)性，去除反射信號(hào)的干擾，以滿足對(duì)低空目標(biāo)精確跟蹤要求。

2.3.1 經(jīng)典多路徑抑制技術(shù)

經(jīng)典多路徑效應(yīng)抑制方法主要包括：毫米波技術(shù)、頻率分集和捷變技術(shù)、不對(duì)稱波瓣技術(shù)、雙零跟蹤、復(fù)角跟蹤技術(shù)、偏軸跟蹤技術(shù)等。

為解決低空目標(biāo)跟蹤問題，各國都相繼研制了多種低角跟蹤雷達(dá)，主要包括：

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

(2) 荷蘭“守門員”近程反導(dǎo)系統(tǒng)，其雷達(dá)采用X／Ka雙波段技術(shù)，X波段用于快速捕捉目標(biāo)，Ka波段波束寬度0.6°，用于低空目標(biāo)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(dá)采用毫米波技術(shù)，解決低空多路徑效應(yīng)問題。

2.3.2 陣列信號(hào)處理多路徑抑制技術(shù)

采用陣列信號(hào)處理技術(shù)解決多路徑效應(yīng)問題，這方面技術(shù)發(fā)展非常迅速。

超分辨率技術(shù)主要包括最大似然譜估計(jì)、自回歸模型、特征結(jié)構(gòu)法譜估計(jì)、最小二乘法譜估計(jì)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(gè)波束寬度的多個(gè)信號(hào)。

基于特征結(jié)構(gòu)的MUSIC算法目前研究較多，這種算法無法應(yīng)用于相干信號(hào)源，必須去掉信號(hào)源的相干性，雷達(dá)低角跟蹤時(shí)多路徑效應(yīng)的相干性非常強(qiáng)、起伏慢，將MUSIC算法應(yīng)用于低角跟蹤，還需要做進(jìn)一步的研究工作。

最大似然估計(jì)可應(yīng)用于低角跟蹤，但由于運(yùn)算量較大，因此，如何得到快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的結(jié)果，仍然需要進(jìn)一步的研究。

2.3.3 多傳感器融合技術(shù)應(yīng)用于低角跟蹤

多傳感器數(shù)據(jù)融合是對(duì)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(cè)、關(guān)聯(lián)、跟蹤、估計(jì)、綜合等多級(jí)多功能處理，得到目標(biāo)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(biāo)狀態(tài)和身份估計(jì)，以及完整、及時(shí)的態(tài)勢(shì)和威脅評(píng)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(biāo)檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別有如下優(yōu)勢(shì)：

(1) 擴(kuò)展了空間覆蓋范圍和時(shí)間覆蓋范圍。

(2) 增加了測(cè)量空間的維數(shù)。

(3) 降低了目標(biāo)的模糊度。

(4) 提高了信號(hào)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(duì)于單個(gè)跟蹤傳感器，其獲得目標(biāo)跟蹤信息可能不全，跟蹤精度是不夠的。若采用多個(gè)互補(bǔ)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(cè)性能。

在對(duì)海低角跟蹤時(shí)，火控雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，捕獲目標(biāo)容易，但對(duì)低空目標(biāo)低角跟蹤時(shí)，存在嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)影響，容易丟失目標(biāo)。光電系統(tǒng)不存在多路徑效應(yīng)影響，角跟蹤精度高，但視場(chǎng)較小，捕獲目標(biāo)困難，跟蹤距離較近。將雷達(dá)與光電系統(tǒng)實(shí)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(diǎn)，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，復(fù)合跟蹤技術(shù)，可極大地提高艦炮系統(tǒng)對(duì)低空目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和跟蹤性能。

3 雷達(dá)、光電數(shù)據(jù)融合技術(shù)解決多路徑效應(yīng)

3.1 雷達(dá)、光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合跟蹤

在艦炮武器系統(tǒng)中，雷達(dá)與光電系統(tǒng)各自獨(dú)立對(duì)低空目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，提供獨(dú)立的目標(biāo)距離、方位、俯仰角等目標(biāo)信息，由于雷達(dá)與光電系統(tǒng)各自的重復(fù)頻率不一致，組網(wǎng)后要求對(duì)雷達(dá)、光電系統(tǒng)時(shí)間和空間進(jìn)行配準(zhǔn)處理，否則，未經(jīng)處理的不同步的傳感器數(shù)據(jù)融合，可能導(dǎo)致性能不如單獨(dú)使用一個(gè)傳感器。

雷達(dá)與光電系統(tǒng)對(duì)低空目標(biāo)進(jìn)行跟蹤采用各自獨(dú)立的測(cè)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(jìn)行融合后的數(shù)據(jù)濾波，實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)融合。

3.2 雷達(dá)、光電系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)間配準(zhǔn)

雷達(dá)與光電系統(tǒng)組網(wǎng)的時(shí)間配準(zhǔn)，采用最小二乘規(guī)則配準(zhǔn)法。跟蹤雷達(dá)的重復(fù)頻率比光電系統(tǒng)的要高，光電系統(tǒng)一個(gè)周期對(duì)應(yīng)跟蹤雷達(dá)n個(gè)周期，將n個(gè)周期跟蹤雷達(dá)測(cè)量值融合成一個(gè)虛擬的測(cè)量值，再與光電系統(tǒng)的測(cè)量值進(jìn)行融合，消除多傳感器不同步造成的對(duì)數(shù)據(jù)融合的影響。

3.3 雷達(dá)、光電系統(tǒng)組網(wǎng)空間配準(zhǔn)

雷達(dá)與光電系統(tǒng)的空間配準(zhǔn)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(biāo)變換的精度誤差。

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

3.4 雷達(dá)、光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)可信度水平

雷達(dá)和光電系統(tǒng)在對(duì)海面低空目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，數(shù)據(jù)的可信度是不一樣的，由于多路徑效應(yīng)只影響雷達(dá)跟蹤，光電系統(tǒng)的跟蹤數(shù)據(jù)可信度要高于雷達(dá)的跟蹤數(shù)據(jù)可信度。

多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)影響是周期性的，雷達(dá)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(yīng)影響大的數(shù)據(jù)，否則雷達(dá)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(gè)傳感器的跟蹤精度和性能。

3.5 雷達(dá)、光電系統(tǒng)組網(wǎng)濾波方式

采用雷達(dá)、光電系統(tǒng)組網(wǎng)對(duì)掠海目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，要求雷達(dá)和光電系統(tǒng)同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤濾波，雷達(dá)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(jì)上是相互獨(dú)立的。

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

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

以單脈沖雷達(dá)為例仿真，假設(shè)目標(biāo)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(dá)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(dá)大誤差數(shù)據(jù)，采用雷達(dá)、光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)復(fù)合跟蹤，可明顯改善對(duì)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(shù)是解決對(duì)海低角跟蹤的又一條行之有效的途徑。

4 結(jié) 語

未來的海戰(zhàn)將是廣泛使用各種高技術(shù)武器裝備在水下、海上、陸上、太空和電磁空間進(jìn)行對(duì)抗的一體化網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)。水面艦艇對(duì)飛機(jī)或?qū)椀牡涂?、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(dá)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(jīng)過不同層次的數(shù)據(jù)融合，這樣才能過實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離對(duì)掠海低空小目標(biāo)，早期預(yù)警、跟蹤，使得艦載防御武器系統(tǒng)有充足的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行攔截。