盧長(zhǎng)海

(中國(guó)人民解放軍第91550部隊(duì) 92分隊(duì),遼寧 大連　116023)

?

掠海飛行目標(biāo)的雷遙協(xié)同跟蹤策略研究

盧長(zhǎng)海

(中國(guó)人民解放軍第91550部隊(duì) 92分隊(duì),遼寧 大連116023)

摘要對(duì)掠海飛行目標(biāo)的低仰角跟蹤測(cè)量一直是測(cè)量雷達(dá)需要解決的技術(shù)難題之一。文中通過(guò)雷達(dá)、遙測(cè)的一體化設(shè)計(jì),采用共同的天線(xiàn)面和伺服系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了雷遙的協(xié)同跟蹤。根據(jù)雷達(dá)、遙測(cè)技術(shù)特點(diǎn),制定了協(xié)同跟蹤策略,通過(guò)該協(xié)同跟蹤策略的實(shí)施,算法分析結(jié)果,驗(yàn)證了策略的有效性,為海雜波條件下雷達(dá)的低空探測(cè)積累一定經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞雷遙協(xié)同;跟蹤策略;引導(dǎo)概率

掠海飛行目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤是雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域的難題,多徑效應(yīng)將導(dǎo)致回波信號(hào)劇烈起伏,有時(shí)甚至出現(xiàn)對(duì)消,對(duì)目標(biāo)檢測(cè)帶來(lái)極大的影響,同時(shí)海雜波對(duì)低空探測(cè)雷達(dá)的工作性能也具有較為重要影響。首先掠海飛行目標(biāo)相對(duì)于背景海面非常渺小,進(jìn)而使得目標(biāo)后向散射能量相對(duì)于海面回波非常微弱,有時(shí)會(huì)比海雜波還要微弱;其次掠海飛行目標(biāo)的多普勒頻移通常會(huì)淹沒(méi)在因?yàn)楹Ｃ孢\(yùn)動(dòng)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(shí)際環(huán)境的約束條件建立衡量不同傳感器對(duì)目標(biāo)跟蹤能力的標(biāo)準(zhǔn)[2],綜合利用不同跟蹤手段使跟蹤性能最優(yōu)為目標(biāo),通過(guò)傳感器間的接力、協(xié)作跟蹤完成監(jiān)視區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的跟蹤任務(wù)。對(duì)于具有遙測(cè)信息發(fā)射的合作目標(biāo),遙測(cè)載波的獲取無(wú)疑是一種有效的跟蹤源。雷達(dá)主要任務(wù)是精密跟蹤測(cè)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(dāng)雷達(dá)的檢測(cè)分辨單元搜索到目標(biāo)并且目標(biāo)回波能量超過(guò)所設(shè)定的檢測(cè)門(mén)限時(shí),則稱(chēng)為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)或截獲目標(biāo)。一般遙測(cè)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(guò)雷遙協(xié)同來(lái)完成掠海飛行目標(biāo)的捕獲跟蹤是一種有效的方法。

1傳統(tǒng)測(cè)量雷達(dá)跟蹤策略

由于測(cè)量雷達(dá)首先要完成對(duì)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤,為保證跟蹤雷達(dá)能及時(shí)捕獲目標(biāo)盡早跟蹤鎖定,需要采取不同的搜索截獲方式[3]。在雷達(dá)中,用概率統(tǒng)計(jì)來(lái)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(dá)方程表明,在一定作用距離條件下,加大搜索空域,則會(huì)降低發(fā)現(xiàn)概率。

跟蹤測(cè)量雷達(dá)采用單脈沖測(cè)量體制,系統(tǒng)距離、角度、速度跟蹤互相影響并相互制約:當(dāng)距離未跟蹤,角誤差無(wú)法有效提取,角度回路無(wú)法建立;角度跟蹤不穩(wěn)定或丟失時(shí),則可能導(dǎo)致目標(biāo)滑出天線(xiàn)波束,導(dǎo)致距離回路丟失;同時(shí)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(cè)量雷達(dá)目標(biāo)跟蹤過(guò)程需要分以下幾個(gè)階段。

1.1距離粗跟蹤

截獲成功后,首先進(jìn)行距離回路粗跟蹤,此時(shí)距離回路采用跟蹤寬波門(mén)(,為脈沖寬度)進(jìn)行寬帶濾波,濾波的目的是估計(jì)當(dāng)前和未來(lái)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),濾波的主要方法有:線(xiàn)性回歸濾波,兩點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的常增益濾波方法,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)量少、計(jì)算簡(jiǎn)單、收斂速度快、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),因此信號(hào)處理系統(tǒng)采用α-β濾波,濾波系數(shù)與目標(biāo)相對(duì)波門(mén)最大徑向速度有關(guān),粗跟蹤采用M/N準(zhǔn)則,所謂M/N準(zhǔn)則,即對(duì)于待檢測(cè)的N個(gè)(N≥M)脈沖視頻信號(hào),單個(gè)脈沖超過(guò)門(mén)限電平時(shí)為1,否則為0,當(dāng)N個(gè)檢測(cè)脈沖中“1”的個(gè)數(shù)等于或大于M時(shí),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(jìn)行角度跟蹤,角度跟蹤利用信號(hào)處理形成的角誤差信息進(jìn)行,角度跟蹤過(guò)程采用M/N+1/2準(zhǔn)則,即以N次照射為一組,至少M(fèi)次有回波存在,認(rèn)為該組照射有目標(biāo),2組中至少有1組有目標(biāo)即認(rèn)為角度跟蹤成功,若成功則保持,否則進(jìn)行記憶跟蹤,記憶跟蹤時(shí)間有1s、2s和5s可選。

2雷遙協(xié)同跟蹤策略

傳統(tǒng)雷達(dá)遙測(cè)協(xié)同探測(cè)需要2套裝備,雷達(dá)、遙測(cè)裝備均有獨(dú)立的天饋、接收、伺服和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),遙測(cè)裝備捕獲目標(biāo)后把目標(biāo)遙測(cè)信號(hào)包絡(luò)解調(diào)后形成誤差電壓,通過(guò)伺服系統(tǒng)位置傳感器輸出目標(biāo)角度信息,該位置信息實(shí)時(shí)傳送給測(cè)量雷達(dá)進(jìn)行同步引導(dǎo);目前高精度測(cè)量雷達(dá)對(duì)雷遙協(xié)同進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì),雷達(dá)和遙測(cè)引導(dǎo)設(shè)備天線(xiàn)共面,具有相同的伺服系統(tǒng),遙測(cè)作為雷達(dá)的一個(gè)引導(dǎo)源,直接將其跟蹤接收機(jī)誤差電壓送共同的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),雷、遙之間跟蹤可以相互切換,如圖1所示。

圖1　雷達(dá)、遙測(cè)協(xié)同探測(cè)框圖

此時(shí)遙測(cè)引導(dǎo)分系統(tǒng)設(shè)置為協(xié)同狀態(tài),測(cè)量雷達(dá)發(fā)射高功率脈沖信號(hào),雷達(dá)饋源接收處理目標(biāo)回波信號(hào),而遙測(cè)不發(fā)射信號(hào),從遙測(cè)饋源接收處理下行遙測(cè)信號(hào)。目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)波束后遙測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)首先鎖定跟蹤目標(biāo),利用接收遙測(cè)接收機(jī)送來(lái)的角度誤差信號(hào)完成雷達(dá)的捕獲跟蹤,過(guò)程如圖2所示。

圖2　雷遙協(xié)同跟蹤過(guò)程

目標(biāo)跟蹤控制策略的主要包括根據(jù)雷達(dá)指定的工作方式和有關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù),判斷目標(biāo)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(dǎo)、距離截獲方式、跟蹤目標(biāo)切換等控制;遙測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)配置遙測(cè)跟蹤計(jì)算機(jī),與測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在雷達(dá)遙測(cè)協(xié)同工作時(shí),系統(tǒng)的控制終端仍為雷達(dá)主控計(jì)算機(jī),遙測(cè)系統(tǒng)僅通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供跟蹤狀態(tài)、角誤差等信息供雷達(dá)系統(tǒng)使用,控制流程如圖3所示。主控計(jì)算機(jī)設(shè)定7個(gè)狀態(tài)碼,如表1所示,各個(gè)狀態(tài)碼之間采用下列控制策略進(jìn)行相互切換。

表1　主控計(jì)算機(jī)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(jìn)行搜索或引導(dǎo),即遙測(cè)搜索捕獲階段,遙測(cè)系統(tǒng)截獲下行遙測(cè)信號(hào)給出遙測(cè)有效標(biāo)志后,伺服即采用遙測(cè)角誤差進(jìn)行閉合并對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行自引導(dǎo),由信號(hào)處理軟件根據(jù)檢測(cè)結(jié)果給出有無(wú)回波標(biāo)志,當(dāng)存在回波且給出距離自動(dòng)捕獲或截獲命令時(shí),轉(zhuǎn)搜索2;

搜索2采用一定準(zhǔn)則進(jìn)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(cè)自引導(dǎo)狀態(tài)下,系統(tǒng)將以較高的概率使雷達(dá)波束覆蓋目標(biāo),此時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)距離搜索并捕獲目標(biāo),否則回搜索1;

截獲進(jìn)行M/N準(zhǔn)則進(jìn)行判別,成功轉(zhuǎn)監(jiān)視,此時(shí)狀態(tài)為寬波門(mén)距離捕獲跟蹤,否則回搜索1;

齊苗后15-20天植株開(kāi)始現(xiàn)蕾，對(duì)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(duì)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(jìn)入開(kāi)花結(jié)薯期，對(duì)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(fù)灌水一次。但灌水視天氣和土壤墑情而定，以保持土壤濕潤(rùn)狀態(tài)為宜。費(fèi)烏瑞它薯塊向光性很強(qiáng)，培土質(zhì)量要高，以防薯塊露頭[2]。

監(jiān)視采用粗跟蹤波門(mén),開(kāi)始距離回路閉合,進(jìn)行M/N準(zhǔn)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(mén)閉合,開(kāi)始AGC回路閉合,進(jìn)行M/N+1/2準(zhǔn)則判別,判別失敗回搜索1,成功且給出角度自動(dòng)捕獲或角度跟蹤命令則轉(zhuǎn)跟蹤2;

跟蹤2開(kāi)始角度回路閉合,進(jìn)行M/N+1/2準(zhǔn)則判別,成功則保持跟蹤2,此時(shí)完成距離精跟蹤和雷達(dá)角度閉合跟蹤,雷達(dá)的跟蹤測(cè)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(shí)間對(duì)距離、角度、速度進(jìn)行外推計(jì)算,AGC保持丟失時(shí)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(cè)角誤差對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行自引導(dǎo),并重新進(jìn)行雷達(dá)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(biāo)函數(shù)的優(yōu)化處理,這些目標(biāo)函數(shù)是傳感器對(duì)所有目標(biāo)跟蹤性能的一種度量,必需將跟蹤精度與檢測(cè)概率一起構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)。雷達(dá)的搜索假如在遙測(cè)系統(tǒng)跟蹤狀態(tài)下進(jìn)行,可將遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)定義為引導(dǎo)數(shù)據(jù),其誤差定義為正態(tài)分布。在給定引導(dǎo)數(shù)據(jù)誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差的情況下,通常用落入概率Pv作為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)位置不確定性的測(cè)度,即引導(dǎo)概率。

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

遙測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)跟蹤后,天線(xiàn)的指向在單脈沖線(xiàn)性范圍內(nèi)滿(mǎn)足正態(tài)分布,則符合分布公式為[7]

(1)

式中,σ為隨機(jī)誤差;u為系統(tǒng)誤差。

遙測(cè)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(jī)誤差σA為0.54mrad,俯仰系統(tǒng)誤差ΔE為1.21mrad、隨機(jī)誤差σE為0.78mrad。雷達(dá)天線(xiàn)的跟蹤誤差單調(diào)范圍設(shè)為±3mrad,即只要目標(biāo)偏差在天線(xiàn)指向中心±3mrad的范圍內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)雷達(dá)跟蹤,所以引導(dǎo)概率為

(2)

4結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)低空掠海飛行目標(biāo)的有效跟蹤,需要針對(duì)海雜波、多路徑效應(yīng)等進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì),包括MTI/MTD技術(shù)、頻率分集、偏軸跟蹤、C2算法[8]、雙波段復(fù)合跟蹤、光電復(fù)合跟蹤[9-10]、功率管理等。根據(jù)不同的目標(biāo)對(duì)象需要綜合運(yùn)用不同的技術(shù)手段,其中雷遙協(xié)同跟蹤是雙波段復(fù)合跟蹤的一種,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,該方案技術(shù)成熟可靠,取得了理想的試驗(yàn)效果,為海雜波條件下雷達(dá)的低空探測(cè)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李洋,陶然.海面導(dǎo)彈目標(biāo)檢測(cè)中的 RCS分析[J].中國(guó)科學(xué),2014,44(12):2735-2742.

[2]劉欽.多傳感器組網(wǎng)協(xié)同跟蹤方法研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

[3]王德純,丁家會(huì),程望東.精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]高劍.某雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的研制[D].西安:西安電子科技大學(xué),2006.

[5]蔣希帥.雷達(dá)目標(biāo)跟蹤濾波算法的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2008.

[6]David K Barton.雷達(dá)系統(tǒng)分析與建模[M].南京電子技術(shù)研究所,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[7]盛驟,謝式千,潘承毅.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M].4版.北京:高等教育出版社,2008.

[8]姜來(lái)春.基于 C2算法海雜波抑制在低仰角跟蹤時(shí)的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(13):26-27.

[9]賀有.紅外、雷達(dá)協(xié)同探測(cè)跟蹤模型[J].紅外與激光工程,2006,35(2):306-311.

[10]吳巍,王國(guó)宏,李世忠.雷達(dá)間歇輔助下雷達(dá)紅外協(xié)同跟蹤技術(shù)[J].火力與指揮控制,2012,37(1):155-158.

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(lèi)號(hào)TN850.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)04-173-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.046

作者簡(jiǎn)介:盧長(zhǎng)海(1977—),碩士,工程師。研究方向:無(wú)線(xiàn)電測(cè)量。

收稿日期:2015- 09- 06