盧長海

(中國人民解放軍第91550部隊 92分隊,遼寧 大連　116023)

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掠海飛行目標的雷遙協(xié)同跟蹤策略研究

盧長海

(中國人民解放軍第91550部隊 92分隊,遼寧 大連116023)

摘要對掠海飛行目標的低仰角跟蹤測量一直是測量雷達需要解決的技術(shù)難題之一。文中通過雷達、遙測的一體化設(shè)計,采用共同的天線面和伺服系統(tǒng),實現(xiàn)了雷遙的協(xié)同跟蹤。根據(jù)雷達、遙測技術(shù)特點,制定了協(xié)同跟蹤策略,通過該協(xié)同跟蹤策略的實施,算法分析結(jié)果,驗證了策略的有效性,為海雜波條件下雷達的低空探測積累一定經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞雷遙協(xié)同;跟蹤策略;引導概率

掠海飛行目標檢測與跟蹤是雷達探測領(lǐng)域的難題,多徑效應(yīng)將導致回波信號劇烈起伏,有時甚至出現(xiàn)對消,對目標檢測帶來極大的影響,同時海雜波對低空探測雷達的工作性能也具有較為重要影響。首先掠海飛行目標相對于背景海面非常渺小,進而使得目標后向散射能量相對于海面回波非常微弱,有時會比海雜波還要微弱;其次掠海飛行目標的多普勒頻移通常會淹沒在因為海面運動引起的多普勒頻移中,產(chǎn)生多普勒頻率混疊[1]。

協(xié)同跟蹤是指根據(jù)實際環(huán)境的約束條件建立衡量不同傳感器對目標跟蹤能力的標準[2],綜合利用不同跟蹤手段使跟蹤性能最優(yōu)為目標,通過傳感器間的接力、協(xié)作跟蹤完成監(jiān)視區(qū)域內(nèi)目標的跟蹤任務(wù)。對于具有遙測信息發(fā)射的合作目標,遙測載波的獲取無疑是一種有效的跟蹤源。雷達主要任務(wù)是精密跟蹤測量,因而波束寬度和脈沖寬度都很窄,這樣其大范圍搜索截獲能力就受到一定限制。當雷達的檢測分辨單元搜索到目標并且目標回波能量超過所設(shè)定的檢測門限時,則稱為發(fā)現(xiàn)目標或截獲目標。一般遙測接收系統(tǒng)具有較寬的波束和較高的捕獲靈敏度,所以通過雷遙協(xié)同來完成掠海飛行目標的捕獲跟蹤是一種有效的方法。

1傳統(tǒng)測量雷達跟蹤策略

由于測量雷達首先要完成對目標的連續(xù)跟蹤,為保證跟蹤雷達能及時捕獲目標盡早跟蹤鎖定,需要采取不同的搜索截獲方式[3]。在雷達中,用概率統(tǒng)計來描述就是落入概率Pv和發(fā)現(xiàn)概率Pd,則截獲概率為Pa=Pv·Pd。搜索雷達方程表明,在一定作用距離條件下,加大搜索空域,則會降低發(fā)現(xiàn)概率。

跟蹤測量雷達采用單脈沖測量體制,系統(tǒng)距離、角度、速度跟蹤互相影響并相互制約:當距離未跟蹤,角誤差無法有效提取,角度回路無法建立;角度跟蹤不穩(wěn)定或丟失時,則可能導致目標滑出天線波束,導致距離回路丟失;同時速度跟蹤回路的建立需要以距離跟蹤為前提。因此傳統(tǒng)單脈沖測量雷達目標跟蹤過程需要分以下幾個階段。

1.1距離粗跟蹤

截獲成功后,首先進行距離回路粗跟蹤,此時距離回路采用跟蹤寬波門(,為脈沖寬度)進行寬帶濾波,濾波的目的是估計當前和未來時刻的運動狀態(tài),濾波的主要方法有:線性回歸濾波,兩點外推濾波,加權(quán)最小二乘濾波,α-β濾波,卡爾曼濾波等[4-5]。工程上常采用α-β濾波和卡爾曼濾波,其中α-β濾波是一種容易實現(xiàn)的常增益濾波方法,具有結(jié)構(gòu)簡單、存儲量少、計算簡單、收斂速度快、容易實現(xiàn)等特點,因此信號處理系統(tǒng)采用α-β濾波,濾波系數(shù)與目標相對波門最大徑向速度有關(guān),粗跟蹤采用M/N準則,所謂M/N準則,即對于待檢測的N個(N≥M)脈沖視頻信號,單個脈沖超過門限電平時為1,否則為0,當N個檢測脈沖中“1”的個數(shù)等于或大于M時,即可判定為該距離單元內(nèi)粗跟蹤成功,可轉(zhuǎn)入精跟蹤,否則回到搜索。

1.2距離精跟蹤

1.3角度跟蹤

在完成距離精跟蹤且收到方位、俯仰跟蹤命令后方可進行角度跟蹤,角度跟蹤利用信號處理形成的角誤差信息進行,角度跟蹤過程采用M/N+1/2準則,即以N次照射為一組,至少M次有回波存在,認為該組照射有目標,2組中至少有1組有目標即認為角度跟蹤成功,若成功則保持,否則進行記憶跟蹤,記憶跟蹤時間有1s、2s和5s可選。

2雷遙協(xié)同跟蹤策略

傳統(tǒng)雷達遙測協(xié)同探測需要2套裝備,雷達、遙測裝備均有獨立的天饋、接收、伺服和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),遙測裝備捕獲目標后把目標遙測信號包絡(luò)解調(diào)后形成誤差電壓,通過伺服系統(tǒng)位置傳感器輸出目標角度信息,該位置信息實時傳送給測量雷達進行同步引導;目前高精度測量雷達對雷遙協(xié)同進行了一體化設(shè)計,雷達和遙測引導設(shè)備天線共面,具有相同的伺服系統(tǒng),遙測作為雷達的一個引導源,直接將其跟蹤接收機誤差電壓送共同的伺服驅(qū)動系統(tǒng),雷、遙之間跟蹤可以相互切換,如圖1所示。

圖1　雷達、遙測協(xié)同探測框圖

此時遙測引導分系統(tǒng)設(shè)置為協(xié)同狀態(tài),測量雷達發(fā)射高功率脈沖信號,雷達饋源接收處理目標回波信號,而遙測不發(fā)射信號,從遙測饋源接收處理下行遙測信號。目標進入雷達波束后遙測引導系統(tǒng)首先鎖定跟蹤目標,利用接收遙測接收機送來的角度誤差信號完成雷達的捕獲跟蹤,過程如圖2所示。

圖2　雷遙協(xié)同跟蹤過程

目標跟蹤控制策略的主要包括根據(jù)雷達指定的工作方式和有關(guān)檢測數(shù)據(jù),判斷目標的跟蹤與丟失,控制α、β參數(shù)的選擇;工作方式控制的主要功能是根據(jù)擬定的控制策略邏輯和有關(guān)數(shù)據(jù),完成距離引導、距離截獲方式、跟蹤目標切換等控制;遙測引導系統(tǒng)配置遙測跟蹤計算機,與測量雷達系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互。在雷達遙測協(xié)同工作時,系統(tǒng)的控制終端仍為雷達主控計算機,遙測系統(tǒng)僅通過網(wǎng)絡(luò)提供跟蹤狀態(tài)、角誤差等信息供雷達系統(tǒng)使用,控制流程如圖3所示。主控計算機設(shè)定7個狀態(tài)碼,如表1所示,各個狀態(tài)碼之間采用下列控制策略進行相互切換。

表1　主控計算機狀態(tài)碼定義

圖3　協(xié)同工作控制信息流程

搜索1控制伺服按控制字規(guī)定的方式進行搜索或引導,即遙測搜索捕獲階段,遙測系統(tǒng)截獲下行遙測信號給出遙測有效標志后,伺服即采用遙測角誤差進行閉合并對雷達系統(tǒng)進行自引導,由信號處理軟件根據(jù)檢測結(jié)果給出有無回波標志,當存在回波且給出距離自動捕獲或截獲命令時,轉(zhuǎn)搜索2;

搜索2采用一定準則進行距離相關(guān)判別,成功轉(zhuǎn)入截獲,即距離搜索階段,在遙測自引導狀態(tài)下,系統(tǒng)將以較高的概率使雷達波束覆蓋目標,此時實現(xiàn)雷達距離搜索并捕獲目標,否則回搜索1;

截獲進行M/N準則進行判別,成功轉(zhuǎn)監(jiān)視,此時狀態(tài)為寬波門距離捕獲跟蹤,否則回搜索1;

齊苗后15-20天植株開始現(xiàn)蕾，對于一次性追肥的田塊，將每畝底施的15 kg尿素和10 kg硫酸鉀（或?qū)Ｓ梅?0 kg）。對于二次追肥的田塊，可將每畝底施的10 kg尿素和5 kg硫酸鉀（或?qū)Ｓ梅?0 kg）后移至現(xiàn)蕾期打孔追施、深中耕培土、輕灌；進入開花結(jié)薯期，對于二次追肥的田塊，可將底施的10 kg尿素和5 kg硫酸鉀（或?qū)Ｓ梅?0 kg）后移至結(jié)薯期打孔追施、淺中耕培土、重灌，隔7-10天后復灌水一次。但灌水視天氣和土壤墑情而定，以保持土壤濕潤狀態(tài)為宜。費烏瑞它薯塊向光性很強，培土質(zhì)量要高，以防薯塊露頭[2]。

監(jiān)視采用粗跟蹤波門,開始距離回路閉合,進行M/N準則判別,成功轉(zhuǎn)跟蹤1,否則回搜索1;

跟蹤1距離采用精跟蹤波門閉合,開始AGC回路閉合,進行M/N+1/2準則判別,判別失敗回搜索1,成功且給出角度自動捕獲或角度跟蹤命令則轉(zhuǎn)跟蹤2;

跟蹤2開始角度回路閉合,進行M/N+1/2準則判別,成功則保持跟蹤2,此時完成距離精跟蹤和雷達角度閉合跟蹤,雷達的跟蹤測量狀態(tài),否則轉(zhuǎn)跟蹤3;

跟蹤3記憶跟蹤,根據(jù)記憶跟蹤時間對距離、角度、速度進行外推計算,AGC保持丟失時刻不變,若跟蹤3成功,轉(zhuǎn)回跟蹤1,失敗則轉(zhuǎn)搜索1,再次使用遙測角誤差對雷達系統(tǒng)進行自引導,并重新進行雷達的搜索與截獲。

3算法分析

協(xié)同跟蹤的方法一般是基于某些合成目標函數(shù)的優(yōu)化處理,這些目標函數(shù)是傳感器對所有目標跟蹤性能的一種度量,必需將跟蹤精度與檢測概率一起構(gòu)成目標函數(shù)。雷達的搜索假如在遙測系統(tǒng)跟蹤狀態(tài)下進行,可將遙測系統(tǒng)對雷達的數(shù)據(jù)定義為引導數(shù)據(jù),其誤差定義為正態(tài)分布。在給定引導數(shù)據(jù)誤差標準偏差的情況下,通常用落入概率Pv作為目標相對雷達位置不確定性的測度,即引導概率。

通過單脈沖天線的跟蹤線性范圍內(nèi)的分布積分,即可得到某一維內(nèi)的引導成功概率。由于方位維和俯仰維的引導屬于獨立樣本,總引導成功概率為兩維引導成功概率的乘積。

遙測引導系統(tǒng)跟蹤后,天線的指向在單脈沖線性范圍內(nèi)滿足正態(tài)分布,則符合分布公式為[7]

(1)

式中,σ為隨機誤差;u為系統(tǒng)誤差。

遙測系統(tǒng)在低仰角(E≤3°)精度為:方位系統(tǒng)誤差ΔA為0.82mrad、隨機誤差σA為0.54mrad,俯仰系統(tǒng)誤差ΔE為1.21mrad、隨機誤差σE為0.78mrad。雷達天線的跟蹤誤差單調(diào)范圍設(shè)為±3mrad,即只要目標偏差在天線指向中心±3mrad的范圍內(nèi)即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)雷達跟蹤,所以引導概率為

(2)

4結(jié)束語

為實現(xiàn)對低空掠海飛行目標的有效跟蹤,需要針對海雜波、多路徑效應(yīng)等進行針對性的設(shè)計,包括MTI/MTD技術(shù)、頻率分集、偏軸跟蹤、C2算法[8]、雙波段復合跟蹤、光電復合跟蹤[9-10]、功率管理等。根據(jù)不同的目標對象需要綜合運用不同的技術(shù)手段,其中雷遙協(xié)同跟蹤是雙波段復合跟蹤的一種,經(jīng)過試驗驗證,該方案技術(shù)成熟可靠,取得了理想的試驗效果,為海雜波條件下雷達的低空探測積累了一定的經(jīng)驗。

參考文獻

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Radar& Telemetry Cooperative Tracking Strategy for Sea-skimming Targets

LU Changhai

(Sub-unit 92,Unit 91550 of PLA,Dalian 116023,China)

AbstractTracking and measuring of the low angle of the sea-skimming target is one of the difficult problems to be solved by the TT&C.The radar and Telemetry collaborative tracking is achieved by integrating design and use of a common antenna surface and the servo system with the desired results,which verify the effectiveness of this strategy.

Keywordscollaboration of radar & telemetry;tracking strategy;guide probability

中圖分類號TN850.6

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-173-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.046

作者簡介:盧長海(1977—),碩士,工程師。研究方向:無線電測量。

收稿日期:2015- 09- 06