朱永杰，蘇 巧，嚴(yán) 超，薛廣然

（1.西安電子工程研究所，西安 710100；2.陸裝駐西安地區(qū)第六軍代室，西安 710100）

0 引言

搜索雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中肩負(fù)著指定空域的監(jiān)視任務(wù)，對空中目標(biāo)進(jìn)行搜索、發(fā)現(xiàn)和跟蹤，并將目標(biāo)位置信息提供給防空武器系統(tǒng)。隨著制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，有些搜索雷達(dá)可直接為武器系統(tǒng)提供中制導(dǎo)信息。因此，搜索雷達(dá)對目標(biāo)探測的穩(wěn)定性和探測精度提出更高的要求，尤其是對于已進(jìn)入攔截火力分配通道的目標(biāo)。傳統(tǒng)搜索雷達(dá)采用邊搜索邊跟蹤（TWS）模式，對監(jiān)視空域進(jìn)行波束順序掃描［1-2］，雷達(dá)空間資源配置固定，數(shù)據(jù)率偏低。在強(qiáng)氣象、地物雜波及電磁干擾環(huán)境下，易出現(xiàn)目標(biāo)檢測概率下降、航跡拉偏斷航等狀況，難以滿足武器系統(tǒng)對特定目標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定跟蹤的要求［3］。針對上述問題，本文提出為搜索雷達(dá)設(shè)計(jì)跟蹤波束，對特定目標(biāo)采用基于目標(biāo)預(yù)測信息的多組參差中重頻檢測方式工作。通過設(shè)置多組中重復(fù)頻率探測波形組合，可以有效擴(kuò)展速度檢測清晰區(qū)范圍，相對常規(guī)的低重頻探測波形，能夠有效抑制慢速氣象雜波及強(qiáng)地物雜波剩余，并改善因速度模糊導(dǎo)致的檢測性能下降；通過預(yù)測信息實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離、速度雙模糊的快速解算，提高探測精度（速度精度）；同時(shí)，跟蹤波束對特定目標(biāo)進(jìn)行空域集能處理，有效地增加目標(biāo)觀測能量和觀測數(shù)據(jù)率，提高特定目標(biāo)的檢測概率［4-5］。

1 跟蹤波束設(shè)計(jì)

某技術(shù)體制為方位機(jī)械旋轉(zhuǎn)加俯仰維相掃有源三坐標(biāo)雷達(dá)，主要作戰(zhàn)模式下，天線以15 r/min 的轉(zhuǎn)速在方位上勻速轉(zhuǎn)動，根據(jù)被觀測目標(biāo)的仰角位置的不同，波束在俯仰上通過電掃順序發(fā)射x 個(gè)波束寬度約為6°的發(fā)射波束，形成2x 個(gè)寬度約為3°的接收波束，對要求空域進(jìn)行覆蓋，該雷達(dá)在當(dāng)前作戰(zhàn)模式下無跟蹤波束。

針對該雷達(dá)上述作戰(zhàn)模式需求，設(shè)計(jì)跟蹤波束，當(dāng)被跟蹤目標(biāo)釋放有源干擾或需要對某一目標(biāo)重點(diǎn)關(guān)注時(shí)，犧牲對該目標(biāo)所在方位上其他仰角區(qū)域的空域監(jiān)視，對該干擾目標(biāo)實(shí)施集能工作方式，即天線在方位上旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)所在角度時(shí)，波束在俯仰角上不再掃描，而是將方位波束駐留時(shí)間內(nèi)的所有能量集中在被觀測目標(biāo)上，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)目標(biāo)的跟蹤。其處理流程如下：

1）雷達(dá)在傳統(tǒng)TWS 搜索模式下獲得目標(biāo)航跡；

2）發(fā)現(xiàn)需特別關(guān)注的目標(biāo)后，通過終端控制進(jìn)入跟蹤模式，輸入需進(jìn)行跟蹤的目標(biāo)批號；

3）終端通過數(shù)據(jù)處理預(yù)測該目標(biāo)下一幀位置，并在天線掃至該目標(biāo)前向信號處理及前端預(yù)置方位、俯仰信息；

4）當(dāng)天線掃至預(yù)置方位時(shí)，雷達(dá)由俯仰順序掃描方式變?yōu)椴捎弥兄仡l脈組的固定波束，該波束指向?yàn)閿?shù)據(jù)處理預(yù)測俯仰波位；

5）信號處理按組進(jìn)行MTI-MTD 處理，CFAR檢測后輸出目標(biāo)信息；

6）信號處理根據(jù)數(shù)據(jù)處理的預(yù)測信息對實(shí)際探測的目標(biāo)信息進(jìn)行距離、速度解模糊；

7）信號處理對探測多次的目標(biāo)信息進(jìn)行凝聚，并輸出給終端；

8）終端的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)處理，最終形成點(diǎn)跡并顯示。

2 基于目標(biāo)先驗(yàn)信息的波束調(diào)度設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理收到信號處理發(fā)送的目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)后，剔除虛假航跡，經(jīng)濾波相關(guān)后形成目標(biāo)的真實(shí)航跡，并預(yù)測目標(biāo)下一幀位置。雷達(dá)進(jìn)入跟蹤模式后，在需跟蹤目標(biāo)所在方位采用固定波位探測方式，其他方位仍然使用順序掃描方式。啟用固定波位探測方式，需要根據(jù)航跡預(yù)測結(jié)果確定啟用固定波位探測的方位角，同時(shí)設(shè)定波束的俯仰指向角。

啟用固定波位探測方式的天線碼盤轉(zhuǎn)角，按照下式設(shè)計(jì)：

其中，Preazimuth 為跟蹤目標(biāo)預(yù)測方位角，Azimuth-Code 為方位碼盤，Amend 為修正量，補(bǔ)充因處理和通信延時(shí)引起的指向滯后問題，BeamWid 為雷達(dá)方位波束寬度，滿足該條件時(shí)啟用固定波位探測，否則采用順序掃描方式。

圖1 跟蹤模式處理流程

3 中重復(fù)頻率波形設(shè)計(jì)

在對跟蹤目標(biāo)進(jìn)行固定波位跟蹤探測時(shí)，采用中重頻探測波形［7］。根據(jù)時(shí)序設(shè)計(jì)要求，方位駐留時(shí)長與原搜索模式的順序掃描保持一致，在駐留時(shí)間內(nèi)，設(shè)計(jì)4 組脈沖串進(jìn)行探測：第1 組為低重復(fù)頻率脈沖串，含8 個(gè)脈沖，進(jìn)行距離不模糊探測（簡化解模糊）；后3 組為頻點(diǎn)和PRF 都不同的中重頻脈沖串，每組按16 個(gè)脈沖設(shè)計(jì)，采用2 點(diǎn)MTI（或3點(diǎn)MTI）級聯(lián)16 點(diǎn)FFT 濾波器處理。如表1 所示。

表1 跟蹤模式下的波形設(shè)計(jì)

采用如上所述3 組MPRI 的濾波器聯(lián)合響應(yīng)仿真結(jié)果如圖2 所示，反應(yīng)雷達(dá)RD 探測特性的斑馬圖如圖3 所示。由仿真結(jié)果知，采用3 組MPRI 的時(shí)序配置可有效降低目標(biāo)落入盲速區(qū)所帶來的影響，具有較好的探測覆蓋能力，再加上第1 組的常規(guī)探測脈沖，能夠較好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤探測。

該設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)低重頻順序掃描的探測，在一個(gè)方位駐留內(nèi)可進(jìn)行4 次檢測，若雷達(dá)單次檢測概率為90%，則理論上可將該方位駐留內(nèi)的檢測概率提高至1-（1-90 %）^4=99.99 %；多組MFRI 讓雷達(dá)具有更大的速度清潔區(qū)以及更好的低速雜波抑制能力，提高單次測速能力和測速精度。

圖2 3 組MPRI 濾波器聯(lián)合響應(yīng)

4 目標(biāo)先驗(yàn)信息的距離/速度解模糊

圖3 3 組PRI 形成的探測斑馬圖

圖4 距離解模糊方法

如果單視處理中有不止一次的目標(biāo)檢測，或者在單視處理中目標(biāo)檢測與另一類不同目標(biāo)發(fā)生相關(guān)，相關(guān)處理得出的距離可能并非是真實(shí)距離，此所謂距離幻影現(xiàn)象（如圖中圓圈中）。通常使用附加的準(zhǔn)則來排除距離幻影，如選擇M/N 比值最高的相關(guān)距離（其中，M 為檢測報(bào)告次數(shù)，N 為PRF 重?cái)?shù)），選擇M 個(gè)檢測中方差最小的檢測判決等。但此類算法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，因此，采用一組距離不模糊的低重頻PRF 和3 組距離模糊的中重頻PRF 探測目標(biāo)，相關(guān)處理運(yùn)算量變的簡單，如圖5 所示。

圖5 低重頻PRF 和中重頻PRF 配合解模糊示意圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證跟蹤波束設(shè)計(jì)對搜索雷達(dá)特定目標(biāo)探測性能的提升，將該搜索雷達(dá)按照本文設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，增加跟蹤模式。該雷達(dá)在對S200 靶機(jī)繞飛試驗(yàn)中，靶機(jī)飛出段采用常規(guī)搜索模式，進(jìn)入段改用參差MPRI 波束的跟蹤模式。

選取檢飛過程中同一強(qiáng)雜波點(diǎn)在不同重頻下的多普勒頻譜，由圖6 可知，通過將重頻的增加，能夠?qū)㈦s波的基底電平降低7 dB 左右，同樣提高目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。

檢飛過程中檢測情況如圖7 所示（圖為雷達(dá)實(shí)際PPI 畫面截屏），圖中白色點(diǎn)表示雷達(dá)未檢測到目標(biāo)情況下數(shù)據(jù)處理外推點(diǎn)，常規(guī)搜索模式下，雷達(dá)多次出現(xiàn)“丟點(diǎn)”情況；在跟蹤模式下，雷達(dá)只在盲區(qū)附近出現(xiàn)一次“丟點(diǎn)”，由對比知，采用參差MPRI波束的跟蹤模式使雷達(dá)特定目標(biāo)的檢測概率大大提高。對S200 靶機(jī)，戰(zhàn)斗機(jī)等多機(jī)型、多架次檢飛試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，跟蹤模式下雷達(dá)檢測概率能夠有效提升，測試可達(dá)98%以上，原狀態(tài)下檢飛時(shí)跟蹤上述類型目標(biāo)，檢測概率均值為81%。圖7 為一次S200 靶機(jī)實(shí)際飛行過程雷達(dá)界面的截屏圖。靶機(jī)背離過程中，采用原工作模式跟蹤，全程丟檢測一次點(diǎn)跡7 個(gè)；靶機(jī)由背離陣地調(diào)轉(zhuǎn)航向變?yōu)檫M(jìn)入陣地狀態(tài)后，采用中重復(fù)頻率的跟蹤模式跟蹤該目標(biāo)，進(jìn)入全程只丟失檢測一次點(diǎn)跡1 個(gè)；而靶機(jī)近入時(shí)的RCS 較背離時(shí)小，會造成目標(biāo)檢測概率下降，但通過跟蹤模式的使用，檢測概率卻有明顯的提升。

6 精度分析

圖6 強(qiáng)雜波點(diǎn)在不同重頻下的頻譜

圖7 雷達(dá)對靶機(jī)檢測情況截圖

對使用中重復(fù)頻率的跟蹤模式探測S200 型靶機(jī)的實(shí)際檢飛數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析。由于該靶機(jī)提供的真值數(shù)據(jù)中包括GPS 位置信息（LongTgt/LatitudeTgt/HightTgt）、GPS 速度（VgpsTgt）、航向（YawTgt）和俯仰角（PitchTgt）等信息，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將目標(biāo)的GPS 位置轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系的XYZ 值。然后，將目標(biāo)的速度在大地直角坐標(biāo)系中進(jìn)行分解：

圖8 跟蹤模式下目標(biāo)速度對比（機(jī)動目標(biāo)）

圖9 跟蹤模式下測速精度分析（機(jī)動目標(biāo)）

從圖9 可以看出，目標(biāo)徑向速度從20 m/s 到100 m/s 的變化（機(jī)動轉(zhuǎn)彎造成徑向速度的變化），中重復(fù)頻率跟蹤模式下測速的均方根值小于5 m/s。原模式下，由于使用低重頻無法進(jìn)行速度解模糊，因此，信號處理上報(bào)的點(diǎn)跡無速度信息。中重復(fù)頻率的跟蹤模式下給出點(diǎn)跡的速度信息，在數(shù)據(jù)處理中使用速度信息設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)波門。從圖中可以看出，中重復(fù)頻率的跟蹤模式下目標(biāo)的測速精度較高，跟蹤波門可以設(shè)計(jì)的很小，從而提高航跡關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性，提升航跡質(zhì)量［9］。

7 結(jié)論

經(jīng)過多次檢飛驗(yàn)證及結(jié)果分析可知，基于參差中重頻脈組的跟蹤波束設(shè)計(jì)，能夠有效擴(kuò)展雷達(dá)速度清晰區(qū)，改善因速度模糊導(dǎo)致的檢測性能下降，提高雷達(dá)對特定目標(biāo)的檢測概率，并實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的高精度測速，提高目標(biāo)的航跡質(zhì)量，更好地滿足武器系統(tǒng)對特定目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的要求。