趙明旭, 張景東*, 汪潤生, 葛 頁, 王 坤, 白博文

(1.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心,甘肅 酒泉 732750; 2.西安電子科技大學(xué),陜西 西安 710000)

航天返回艙在再入大氣層過程中,由于其本身的飛行速度快(可達(dá)25Ma)、空間內(nèi)環(huán)境和粒子分布復(fù)雜,導(dǎo)致返回艙周圍的溫度迅速升高(可達(dá)上千攝氏度),使返回艙外部部分材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及電離,出現(xiàn)一層能夠干擾飛行器通信的物質(zhì),即等離子鞘套。當(dāng)電磁波入射至等離子鞘套表面時(shí),鞘套會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生明顯的吸收折射效應(yīng)使得電磁波受到嚴(yán)重干擾,這會(huì)影響返回艙與地面的通信甚至導(dǎo)致通信中斷,形成所謂的“黑障”,嚴(yán)重時(shí)甚至有可能發(fā)生飛行事故。黑障現(xiàn)象在航天返回艙再入段普遍存在,其中美國早期阿波羅飛船再入過程的黑障時(shí)間為7～11 min[1-3]。

黑障導(dǎo)致航天返回艙在再入過程中與地面通信中斷,地面統(tǒng)一S波段(Unified S Band,USB)、遙測(cè)等合作式測(cè)控設(shè)備在此時(shí)段不能探測(cè)目標(biāo),無法實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)位置。相控陣?yán)走_(dá)具備探測(cè)通道多、搜索空域廣等特點(diǎn),可以很好地應(yīng)對(duì)返回艙再入段可能出現(xiàn)的航跡偏離和解體等異常情況,是黑障下返回艙實(shí)時(shí)探測(cè)的最佳解決方案。當(dāng)前我國相控陣?yán)走_(dá)多為線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation,LFM)體制單脈沖雷達(dá),在航天返回艙再入段探測(cè)試驗(yàn)中,多次出現(xiàn)因等離子鞘套包覆目標(biāo)導(dǎo)致雷達(dá)無法檢測(cè)目標(biāo)、探測(cè)不連續(xù)的情況,因此需要深入分析等離子鞘套對(duì)雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)生的影響,制定針對(duì)性的探測(cè)策略。

20世紀(jì)60年代美國開展了無線電衰減(Radio Attenuation Measurement,RAM)工程,對(duì)電磁波在再入等離子鞘套過程中的傳播機(jī)理和衰減測(cè)量進(jìn)行了研究[4],之后歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì),國內(nèi)外學(xué)者對(duì)等離子鞘套對(duì)電磁波傳播、反射和透射產(chǎn)生的影響進(jìn)行了深入研究。近年來隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展,利用測(cè)量雷達(dá)和氣象雷達(dá)進(jìn)行了大量航天返回艙再入段探測(cè)試驗(yàn),為等離子鞘套包覆下目標(biāo)的電磁散射特性研究提供了支持,并形成了研究成果[5-7],但這些成果尚未在國內(nèi)大型雷達(dá)針對(duì)黑障場(chǎng)景的探測(cè)任務(wù)中進(jìn)行成功轉(zhuǎn)化應(yīng)用。本文分析了等離子鞘套包覆下目標(biāo)電磁散射特性對(duì)LFM體制單脈沖相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)的影響,提出了相控陣?yán)走_(dá)對(duì)航天返回艙再入段連續(xù)穩(wěn)定探測(cè)的策略。

1 返回艙等離子鞘套對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響

1.1 返回艙等離子鞘套特性

航天返回艙在再入返回過程中的速度一般大于20Ma,返回艙周圍的溫度可達(dá)6 000～8 000 K,形成的等離子鞘套電子密度峰值可達(dá)(1010～1014)/cm3,尾流區(qū)的長度為飛行器底部尺寸的10～20倍[8]。相對(duì)于類高超聲速飛行器(Hypersonic Technology Vehicle,HTV)模型,航天返回艙類似于大鈍頭結(jié)構(gòu),再入時(shí)產(chǎn)生的等離子鞘套特性與錐形類目標(biāo)產(chǎn)生的等離子鞘套特性存在很大差異。對(duì)美國Apollo返回艙在再入高度30 km,速度12Ma條件下的等離子鞘套分布進(jìn)行仿真,并與美國先進(jìn)高超聲速武器(Advanced Hypersonic Weapon,AHW)同等條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì),如圖1所示(左為Appllo,右為AHW)。

圖1 Apollo和AHW在30 km、12Ma下的自由電子密度分布

在相同的高度-速度條件下,大鈍頭類飛行器產(chǎn)生的等離子鞘套要遠(yuǎn)強(qiáng)于錐形類飛行器,提取激波區(qū)、中部區(qū)和尾流區(qū)的電子密度,可以獲得如圖2所示的電子密度與流場(chǎng)x方向速度(運(yùn)動(dòng)方向)的關(guān)系圖,紅色為激波區(qū),藍(lán)色為中間區(qū),綠色為尾流區(qū)。

由圖2可知,在同等高度和速度條件下,大鈍頭類飛行器的最大自由電子密度比錐形類飛行器小,但其自由電子密度分布區(qū)遠(yuǎn)大于錐形目標(biāo);錐形類飛行器的高自由電子密度區(qū)很薄且和目標(biāo)速度一致,大鈍頭類飛行器的高自由電子密度區(qū)速度分布較廣,且最大自由電子密度的位置并不在目標(biāo)速度的位置,大約是最大速度的90%;大鈍頭類飛行器尾流區(qū)的電子密度遠(yuǎn)高于錐形類飛行器。

1.2 等離子鞘套對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響機(jī)理

1.2.1 雷達(dá)散射截面積

航天返回艙一般在高度為80 km時(shí)開始產(chǎn)生等離子鞘套,其雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section,RCS)隨著高度降低和減速過程呈現(xiàn)增加和衰減段,這兩個(gè)階段均產(chǎn)生鞘套拖尾使目標(biāo)散射質(zhì)心產(chǎn)生偏移,有研究表明鈍錐體再入飛行器雷達(dá)回波主要來自于尾跡湍流散射[9],仿真及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)表明,由于鞘套效應(yīng),目標(biāo)RCS起伏超過30 dB。

等離子鞘套中的等離子體的電子密度和碰撞概率會(huì)隨著溫度和壓強(qiáng)的變化而改變,從而改變等離子體對(duì)入射電磁波的吸收和反射作用。當(dāng)?shù)入x子鞘套特性隨著返回艙高度、速度變化發(fā)生改變時(shí),探測(cè)的返回艙RCS會(huì)出現(xiàn)3種情況:① 雷達(dá)電磁波可以入射鞘套,部分回波被鞘套吸收,目標(biāo)RCS呈現(xiàn)下降趨勢(shì),當(dāng)吸收作用較強(qiáng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)丟失目標(biāo);② 雷達(dá)電磁波仍可以入射鞘套,鞘套對(duì)電磁波產(chǎn)生較強(qiáng)反射,雷達(dá)回波信號(hào)由鞘套與返回艙反射信號(hào)共同構(gòu)成,雷達(dá)RCS呈增大趨勢(shì);③ 雷達(dá)電磁波不能入射鞘套,完全被鞘套吸收和反射,此時(shí)雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)RCS實(shí)際為鞘套的RCS,呈現(xiàn)劇烈的起伏特性。

探測(cè)雷達(dá)常用波段有L、S、C、X波段,等離子鞘套對(duì)不同波段的電磁波的吸收和反射作用是不同的,雷達(dá)的布站為返回艙航跡的迎向、后向和側(cè)向時(shí),等離子鞘套激波區(qū)、中間區(qū)和尾流區(qū)對(duì)雷達(dá)的探測(cè)影響也是不同的。根據(jù)數(shù)據(jù)分析,返回艙的等離子鞘套不能全程對(duì)某一波段的入射電磁波完全吸收,雷達(dá)丟失目標(biāo)的主要原因是RCS減小導(dǎo)致威力不足和自身恒虛警檢測(cè)模式不適應(yīng)。

1.2.2 群多普勒效應(yīng)

等離子鞘套是復(fù)雜的介質(zhì),對(duì)電磁波信號(hào)的幅度和相位產(chǎn)生嚴(yán)重的調(diào)制現(xiàn)象。等離子鞘套會(huì)對(duì)信號(hào)形成電磁調(diào)制,影響雷達(dá)探測(cè)的精度[10]。當(dāng)雷達(dá)對(duì)等離子鞘套下返回艙進(jìn)行探測(cè)時(shí),等離子鞘套使流體目標(biāo)在不同的位置處具有不同的多普勒信息,導(dǎo)致等離子鞘套下返回艙的回波信號(hào)幅度和相位均出現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)制的同時(shí),其多普勒頻率分量也增多,即群多普勒效應(yīng),如圖3所示。

圖3 等離子鞘套下目標(biāo)電磁波傳播示意圖

LFM體制雷達(dá)回波中耦合過多的多普勒頻率會(huì)嚴(yán)重干擾回波信號(hào)的匹配濾波結(jié)果,形成多散射中心,使雷達(dá)所接收到的回波中既包含再入物體即真實(shí)目標(biāo)的多普勒信息,也包含受等離子鞘套影響所產(chǎn)生虛假目標(biāo)的多個(gè)多普勒信息,在雷達(dá)一維距離像上會(huì)形成多個(gè)假目標(biāo),即“多干擾目標(biāo)”現(xiàn)象。

雖然LFM體制雷達(dá)的信號(hào)多普勒容限大,回波濾波后仍可以達(dá)到匹配脈沖壓縮的效果[11],但是由于等離子鞘套上的強(qiáng)散射點(diǎn)與返回艙存在不同的多普勒頻移,雷達(dá)回波脈壓信號(hào)的包絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)脈壓尖峰,表征真實(shí)目標(biāo)與等離子鞘套的相對(duì)多普勒頻移差帶來的距離偏差,同時(shí)由于鞘套多普勒頻移的不穩(wěn)定性,回波脈壓后的峰值位置會(huì)發(fā)生變化,峰值最大的位置可能不是目標(biāo)的真實(shí)位置,還會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值距離緊鄰或大小一致的情況。這對(duì)于雷達(dá)的跟蹤和目標(biāo)識(shí)別都是極為不利的,若錯(cuò)誤地選擇等離子鞘套強(qiáng)散射點(diǎn)為主跟蹤目標(biāo),等離子鞘套特性的改變會(huì)引起強(qiáng)散射點(diǎn)的變化,雷達(dá)獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng),影響對(duì)返回艙的穩(wěn)定跟蹤,甚至出現(xiàn)丟失的情況。

1.2.3 恒虛警檢測(cè)

雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)過程可以用門限來描述[12-15],實(shí)際雷達(dá)中通常采用控制一定虛警概率又能保證較高檢測(cè)概率的方法,即恒虛警率(Constant False Alarm Rate,CFAR)檢測(cè)。CFAR處理分為快門限和慢門限算法,由于快門限CFAR可以很好地適應(yīng)雜波環(huán)境下的雷達(dá)自動(dòng)檢測(cè),在LFM體制脈沖雷達(dá)中應(yīng)用廣泛。當(dāng)前使用最多的快門限算法是單元平均(Cell Averaging,CA)-CFAR、最大(Greatest Of,GO)-CFAR、最小(Smallest Of,SO)-CFAR、有序統(tǒng)計(jì)量(Order Statistics,OS)-CFAR和變化指數(shù)(Variability Index,VI)-CFAR算法,以及在這4種算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的算法。

在LFM體制脈沖雷達(dá)對(duì)等離子鞘套下返回艙的探測(cè)過程中,雷達(dá)回波信號(hào)會(huì)表現(xiàn)為距離拓展,強(qiáng)等離子鞘套情況下回波信號(hào)拓展可達(dá)數(shù)公里,表現(xiàn)為一個(gè)包絡(luò),如圖4所示。在距離拓展的情況下,采用快門限算法會(huì)因參考單元和保護(hù)單元數(shù)量的限制無法覆蓋整個(gè)包絡(luò),使用GO-CFAR計(jì)算時(shí)背景噪聲門限抬高,無法輸出過門限的點(diǎn),采用SO-CFAR則存在背景噪聲門限過低,檢測(cè)到過門限的點(diǎn)過多,目標(biāo)距離解算錯(cuò)誤。OS-CFAR和VI-CFAR在均勻高斯環(huán)境下的性能較好,但是強(qiáng)等離子鞘套下的距離拓展包絡(luò)表現(xiàn)為非高斯分布,亦無法正確檢測(cè)到目標(biāo)。因此,強(qiáng)等離子鞘套會(huì)導(dǎo)致脈沖雷達(dá)CFAR失效,無法檢測(cè)到目標(biāo)或無法正確計(jì)算目標(biāo)位置。

圖4 等離子鞘套下目標(biāo)脈沖雷達(dá)回波距離拓展

2 相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)策略

2.1 增加信號(hào)帶寬

雷達(dá)采用的線性調(diào)頻基帶信號(hào)為

(1)

常規(guī)線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮處理時(shí)存在距離-多普勒耦合特性,導(dǎo)致其在跟蹤等離子鞘套目標(biāo)時(shí)性能變差。距離-多普勒耦合是指如果目標(biāo)具有一定徑向速度,則雷達(dá)回波經(jīng)過脈沖壓縮處理后,得到的目標(biāo)位置與目標(biāo)真實(shí)位置會(huì)有一定距離偏差,偏差的大小與其速度大小成正比。等離子鞘套中處于同一位置的不同速度的散射點(diǎn)經(jīng)過脈沖壓縮處理后,在距離維上被拉開,回波脈壓結(jié)果表現(xiàn)為一個(gè)很寬的包絡(luò),其拓展范圍可以用式(2)表示。

(2)

式中:fd目鞘為目標(biāo)與最低速等離子鞘套的多普勒差;c為光速;K為線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻斜率。由式(2)可知,在雷達(dá)脈寬和波長相同的情況下,等離子鞘套多普勒耦合距離單元散布范圍與線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻斜率成反比,帶寬大的線性調(diào)頻信號(hào)散布的包絡(luò)較小。因此增加信號(hào)帶寬可以對(duì)雷達(dá)LFM信號(hào)脈壓產(chǎn)生的包絡(luò)進(jìn)行壓縮,一般將雷達(dá)窄帶跟蹤帶寬成倍提高,可以有效改善雷達(dá)對(duì)等離子鞘套下返回艙的跟蹤效果。

2.2 慢門限CFAR檢測(cè)

在提升雷達(dá)LFM信號(hào)窄帶跟蹤帶寬的前提下,當(dāng)?shù)入x子鞘套引起的距離-多普勒耦合回波脈壓拓展超過一定距離范圍后,使用快門限CFAR檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)無法檢測(cè)到超過檢測(cè)門限的點(diǎn)的情況,導(dǎo)致雷達(dá)跟蹤丟失?？扉T限CFAR檢測(cè)是根據(jù)回波采樣數(shù)據(jù)率滑窗式計(jì)算檢測(cè)基準(zhǔn),分別加上雷達(dá)搜索門限值和跟蹤門限值,作為搜索和跟蹤檢測(cè)門限。當(dāng)快門限CFAR無法檢測(cè)到目標(biāo)時(shí),需要調(diào)整為慢門限CFAR檢測(cè)。

慢門限CFAR檢測(cè)是以熱噪聲統(tǒng)計(jì)均值幅度為基準(zhǔn),分別加上雷達(dá)搜索檢測(cè)門限值和跟蹤檢測(cè)門限值,作為搜索和跟蹤檢測(cè)門限。慢門限CFAR檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于熱噪聲均值相對(duì)固定的情況下,檢測(cè)門限值是固定的,等離子鞘套下返回艙雷達(dá)回波脈壓包絡(luò)都可以在檢測(cè)門限值之上,不會(huì)出現(xiàn)無法檢測(cè)到目標(biāo)的情況。慢門限CFAR檢測(cè)也存在過門限點(diǎn)過多的缺點(diǎn),可以通過凝聚送點(diǎn)的方式進(jìn)行優(yōu)化。凝聚送點(diǎn)指將超過門限的連續(xù)檢測(cè)點(diǎn)視為一個(gè)整體(信號(hào)島),從島中凝聚送點(diǎn)輸出。

2.3 寬窄帶交替跟蹤

脈沖雷達(dá)在窄帶情況下目標(biāo)的回波信號(hào)是目標(biāo)上不同散射中心回波信號(hào)疊加的矢量和,對(duì)測(cè)量精度帶來很大影響,而寬帶情況下,目標(biāo)各散射中心分布在不同的距離單元,對(duì)目標(biāo)的測(cè)量更加精確[16]。寬帶信號(hào)具有多普勒-距離耦合小的特性,可以有效降低等離子鞘套下返回艙雷達(dá)回波脈壓包絡(luò)覆蓋的距離單元。

部分LFM體制脈沖相控陣?yán)走_(dá)具備寬帶跟蹤功能,在探測(cè)中可以完成對(duì)目標(biāo)的成像測(cè)量。針對(duì)航天返回艙等離子鞘套會(huì)有多個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)甚至形成雷達(dá)回波脈壓包絡(luò)的情況,采用寬帶信號(hào)進(jìn)行返回艙位置測(cè)量,可以壓縮回波脈壓包絡(luò),減小點(diǎn)與航跡關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤導(dǎo)致跟蹤不穩(wěn)定的概率。由于寬帶測(cè)角存在角度閃爍問題,難以滿足返回艙測(cè)量需求,因此,可以采取“寬窄帶交替跟蹤”方式,即寬帶測(cè)距、窄帶測(cè)角,具體流程如圖5所示。

圖5 雷達(dá)寬窄帶交替跟蹤流程圖

寬窄帶交替跟蹤模式下,雷達(dá)先采用窄帶跟蹤目標(biāo),再切換為寬窄帶交替跟蹤模式,寬帶和窄帶測(cè)量交替進(jìn)行,一幀窄帶一幀寬帶,當(dāng)寬帶檢測(cè)到目標(biāo)信號(hào)并提取出目標(biāo)距離信息后,根據(jù)目標(biāo)速度外推出下一幀窄帶對(duì)應(yīng)時(shí)刻的目標(biāo)位置信息,窄帶波束以寬帶外推的位置為波門中心獲得測(cè)角信息,結(jié)合寬帶測(cè)得的距離信息形成點(diǎn)跡,最后進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)形成穩(wěn)定的航跡信息。

寬窄帶交替跟蹤模式的限制在于需要雷達(dá)先用窄帶完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤,寬窄帶交替跟蹤檢測(cè)到的目標(biāo)數(shù)要多于窄帶跟蹤,需要在大量的距離鄰近的目標(biāo)中識(shí)別返回艙目標(biāo)。當(dāng)雷達(dá)寬帶帶寬較小時(shí),離子鞘套下返回艙雷達(dá)回波脈壓包絡(luò)的壓縮效果也受到限制。

2.4 復(fù)雜波形設(shè)計(jì)

2.4.1 正負(fù)斜率線性調(diào)頻信號(hào)

線性調(diào)頻信號(hào)的距離多普勒耦合方向與信號(hào)的正負(fù)斜率以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向相關(guān),正斜率信號(hào)耦合距離相比負(fù)斜率正好相反。利用這一特性,可以根據(jù)等離子鞘套快時(shí)變相關(guān)性差、返回艙性態(tài)穩(wěn)定相關(guān)性強(qiáng)的特點(diǎn),通過互相關(guān)處理,解算出返回艙的實(shí)際位置,而等離子鞘套反射回波因相關(guān)性差,有效點(diǎn)跡提取困難。

雷達(dá)波形設(shè)計(jì)可以采用正負(fù)斜率線性調(diào)頻信號(hào)跟蹤,雷達(dá)將原來1個(gè)脈沖重復(fù)間隔(Plus Repetition Interval,PRI)內(nèi)發(fā)射的脈寬為τ、調(diào)制斜率為k的1個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行拆分,變?yōu)榘l(fā)射2個(gè)調(diào)制斜率分別為k1和-k1的脈沖信號(hào),即正負(fù)斜率雙脈沖,同時(shí)接收后作慢門限處理,如圖6所示。

圖6 正負(fù)線性調(diào)頻信號(hào)仿真結(jié)果

2.4.2 相位編碼

在雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)中,雷達(dá)信號(hào)模糊函數(shù)占有非常重要的地位。當(dāng)輸入為多普勒頻移響應(yīng)x(t)exp(j2πFDt)時(shí)波形x(t)的匹配濾波器輸出為

(3)

雷達(dá)模糊函數(shù)表示匹配濾波器的輸出,標(biāo)稱目標(biāo)的反射回波位于模糊函數(shù)的原點(diǎn),在非原點(diǎn)的值代表了不同于標(biāo)稱目標(biāo)的某個(gè)距離和多普勒目標(biāo)的回波。理想的模糊函數(shù)應(yīng)該是完美的“圖釘形”,其僅在原點(diǎn)處有1尖峰,其他處全部為0。

相位編碼信號(hào)通過信號(hào)的時(shí)域非線性調(diào)相達(dá)到擴(kuò)展等效頻寬的目的,從而提高距離分辨力。在相位編碼中,一個(gè)長的點(diǎn)頻信號(hào)被分為等寬的子脈沖,每一段子脈沖被額外增加一個(gè)相位調(diào)制。相位編碼的模糊函數(shù)為近圖釘形。相比于線性調(diào)頻信號(hào),其不存在距離-多普勒耦合,相位編碼的多普勒容限低,對(duì)一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行脈壓時(shí),使用的多普勒速度濾波器與目標(biāo)真實(shí)多普勒不一致則脈壓就無法得到目標(biāo)。采用相位編碼信號(hào),可以在高信噪比的條件下,基于速度信息清晰區(qū)分出返回艙本體、等離子鞘套和尾流。

2.5 復(fù)制跟蹤

由于返回艙再入過程中等離子鞘套在三維空間分 布是一個(gè)非平穩(wěn)時(shí)變的隨機(jī)過程,涉及高度、速度、姿 態(tài)、湍流、壓力脈動(dòng)、大氣和燒蝕在內(nèi)的多種因素,在測(cè) 控、通信和探測(cè)等領(lǐng)域中常常能觀測(cè)到隨機(jī)現(xiàn)象。等離子鞘套對(duì)不同波段雷達(dá)電磁波影響是不一致的,雷達(dá)布站因素導(dǎo)致電磁波入射的等離子鞘套區(qū)域也會(huì)隨著返回艙的飛行過程改變。因此,雷達(dá)采用單一跟蹤方式不能完美地應(yīng)對(duì)返回艙再入過程中因等離子鞘套變化導(dǎo)致的探測(cè)精度變差、目標(biāo)丟失等問題。

基于此特點(diǎn)設(shè)計(jì)了針對(duì)等離子鞘套下返回艙的復(fù)制跟蹤策略,即多個(gè)跟蹤通道采用不同方式同時(shí)跟蹤返回艙。LFM體制脈沖相控陣?yán)走_(dá)的復(fù)制跟蹤流程如圖7所示。

圖7 LFM體制脈沖相控陣?yán)走_(dá)的復(fù)制跟蹤流程圖

雷達(dá)復(fù)制跟蹤策略的具體思路是:① 雷達(dá)采用窄帶LFM信號(hào)(快門限CFAR)在返回艙出現(xiàn)等離子鞘套前或等離子鞘套很弱的情況下(高度>100 km)跟蹤返回艙目標(biāo);② 等離子鞘套變強(qiáng)后可更改快門限CFAR為慢門限CFAR;③ 對(duì)窄帶LFM跟蹤通道進(jìn)行復(fù)制跟蹤,復(fù)制通道分別采用寬窄帶交替、正負(fù)斜率LFM、相位編碼信號(hào)跟蹤,形成多個(gè)通道對(duì)返回艙的同時(shí)跟蹤;④ 當(dāng)有2種或2種以上方式正常保持跟蹤時(shí),跟蹤數(shù)據(jù)融合輸出;⑤ 如某種方式出現(xiàn)丟失時(shí),可再次進(jìn)行相應(yīng)復(fù)制跟蹤,當(dāng)出現(xiàn)4種方式均丟失目標(biāo)跟蹤的極端情況時(shí),采用LFM和相位編碼信號(hào)搜索目標(biāo)。

3 跟蹤效果分析

在實(shí)際跟蹤測(cè)量任務(wù)中,起始段采用常規(guī)LFM信號(hào)進(jìn)行跟蹤,跟蹤穩(wěn)定后,對(duì)主目標(biāo)進(jìn)行臨空復(fù)制操作,復(fù)制3個(gè)目標(biāo)分別采用±LFM波形跟蹤、PE波形跟蹤和寬窄帶跟蹤。任務(wù)中若某種波形跟蹤丟失,可利用其他波形跟蹤的目標(biāo)進(jìn)行復(fù)制跟蹤操作,繼續(xù)該波形跟蹤。圖8為幾種典型的信號(hào)波形跟蹤航天器再入返回段任務(wù)時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論彈道高度差曲線。不同時(shí)段各個(gè)波形跟蹤效果各不相同,綜合應(yīng)用各種波形相互替補(bǔ)可保持對(duì)航天器目標(biāo)全程連續(xù)跟蹤。

圖8 各種波形復(fù)制跟蹤效果

4 結(jié)束語

本文針對(duì)LFM體制脈沖相控陣?yán)走_(dá)在航天返回艙再入段探測(cè)過程中存在的黑障探測(cè)問題,基于等離子鞘套特性分析了其對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響機(jī)理,提出了增加信號(hào)帶寬、使用慢門限CFAR檢測(cè)、寬窄帶交替跟蹤、正負(fù)斜率LFM跟蹤、相位編碼信號(hào)跟蹤和復(fù)制跟蹤策略,為雷達(dá)連續(xù)穩(wěn)定探測(cè)提供了思路。探測(cè)策略 不僅適用于雷達(dá)對(duì)等離子鞘套下航天返回艙的探測(cè), 也適用于探測(cè)臨近空間高超聲速飛行器,但是實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)還比較缺乏。雷達(dá)探測(cè)等離子鞘套包覆下目標(biāo)技術(shù)難點(diǎn)多、專業(yè)跨度大,后續(xù)還需要各專業(yè)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)開展研究工作。