火控雷達自動水柱測偏技術實現(xiàn)與分析

陳衛(wèi)華，鄒士遷，陳利鋒

（解放軍92941部隊，葫蘆島 125001）

0 引言

根據(jù)彈著水柱落點偏差進行對海射擊校正，是當代大中口徑艦炮武器系統(tǒng)普遍采用的一種手段，而彈著水柱的落點測量通常由艦炮火控雷達完成。傳統(tǒng)的測量方法為人工檢測法：雷達天線在方位一定范圍內(nèi)扇掃，操作手通過B式平面顯示器觀測，并利用摸球提取水柱相對目標的方位和距離偏差。為保證強弱信號的同步提取，雷達接收通道上通常增設專用的對數(shù)通道。隨著艦炮武器射擊精度不斷提升，彈著落點散布越來越小，在雷達跟蹤波束內(nèi)實現(xiàn)水柱的落點測量成為可能。傳統(tǒng)的人工檢測方法雖然直觀，但檢測精度與操作手的操作水平、心理素質(zhì)、精神狀態(tài)等密切相關；而專用接收通道的設置也勢必增加雷達結構上的復雜性。那么如何克服傳統(tǒng)檢測的弊端呢？自動水柱測偏成為一種選擇。

所謂自動水柱測偏，是指雷達在跟蹤目標（艦船）的同時，對其跟蹤波束內(nèi)、一定距離范圍內(nèi)的彈著水柱，實現(xiàn)全自動地檢測與跟蹤，并實時輸出彈著水柱相對目標（艦船）的方位和距離偏差等瞬時量測信息。本文針對單脈沖機械掃描體制的艦炮火控雷達實現(xiàn)自動水柱測偏所采用的主要關鍵技術進行了深入探討，并就其自動測偏有效性及適用性進行了分析。

1 自動水柱測偏原理

單脈沖機掃火控雷達自動水柱測偏采用了多目標實時跟蹤技術，具體為：對海工作模式下，雷達收到“水柱測量”指示后，在跟蹤目標（艦船）的同時，在目標（艦船）跟蹤波門前后一定距離范圍內(nèi)，各布置一定數(shù)量的水柱檢測波門，檢測波門的數(shù)量n由發(fā)射脈沖寬度、雷達波束寬度和水柱測量范圍等指標確定。

當水柱檢測波門內(nèi)檢測到可能水柱目標時，雷達的距離環(huán)和速度環(huán)對該可能目標進行跟蹤，經(jīng)數(shù)據(jù)分析判斷通過后，輸出其相對艦船目標的方位與距離偏差。同時雷達信息處理中心根據(jù)目標（艦船）與水柱相對位置，以及水柱出現(xiàn)時間順序，編制多目標批次、序號，完成多目標時序控制及參數(shù)處理。當水柱的信噪比低于程序設定值或水柱持續(xù)時間超過設定值時，則自動撤消對其跟蹤。

2 自動水柱測偏技術難點

單脈沖機掃火控雷達要實現(xiàn)自動水柱測偏，必須針對水柱目標的特殊性，多目標自動檢測的復雜性等，克服以下技術難題。

2.1 同一線性通道下的多目標檢測

水柱目標由彈丸入水爆炸形成一定面積水幕產(chǎn)生，瞬時出現(xiàn)、變化迅速、持續(xù)時間短暫，且深受風速、風向、海情等條件影響，回波強度統(tǒng)計值通常低于同等距離的大中型艦船。受此影響，傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)多采用對數(shù)接收機來減少艦船與水柱回波之間的強度差異。單脈沖機掃火控雷達要在不增設專用接收通道前提下實現(xiàn)水柱的自動測量，勢必要解決水柱與艦船目標共用線性通道問題，即艦船大信號抑制水柱小信號，以致水柱檢測困難問題。

2.2 多目標檢測下的目標穩(wěn)定跟蹤

單脈沖機掃火控雷達作為一種連續(xù)閉環(huán)跟蹤體制雷達，通常只跟蹤一批目標，而自動水柱測偏，要求雷達在跟蹤目標艦船的同時，完成對多批水柱的測量。顯然，在多批次水柱頻繁更替檢測中，保持對目標艦船的穩(wěn)定跟蹤是至關重要的。而水柱目標的特殊性，也決定了目標與水柱共用線性通道時，目標跟蹤參數(shù)控制必須獨立，否則可能造成目標艦船跟蹤環(huán)路的不穩(wěn)定。

2.3 水柱虛警

所謂水柱虛警，是指雷達回波中不包含彈著水柱而檢測出彈著水柱的情況，即虛假的水柱被提取出來。這些假水柱可能是海雜波產(chǎn)生的，也可能是機內(nèi)噪聲造成的，無論是何種原因造成的虛警，都可能給指揮員的指揮決策帶來重大影響。

2.4 水柱判定和輸出準則

自動水柱測偏要求雷達在無操作人員干預條件下獨立完成對水柱目標的檢測，也就是說，雷達的測量輸出完全依賴于執(zhí)行特定的檢測判定輸出程序，這就要求設計人員對水柱目標這種特殊的信號形式要有清晰而準確的認識，要明確與之關聯(lián)的各種條件參量，從而確定出盡可能貼合實際的水柱自動判定準則和偏差輸出準則，從而保證雷達自動測偏的精度。

3 自動水柱測偏技術實現(xiàn)與分析

3.1 多種增益控制模式相結合

同一線性通道下的多目標檢測，需要解決艦船強信號抑制水柱弱信號的問題，具體來說，是處理好多目標增益控制問題。采取水柱增益與艦船增益分別獨立控制的方式，則可消除艦船大信號對水柱小信號的抑制作用，從而保證同一線性通道下不同強度信號的同步檢測。

如圖1所示，目標艦船區(qū)域采用單目標跟蹤時的自動增益控制（AGC）方式，由艦船回波強度決定目標區(qū)域增益控制范圍；水柱檢測區(qū)域則采取固定增益控制方式，控制值應與水柱回波強度相適應，具體參數(shù)值依據(jù)水柱的實際距離、海情、海況等參數(shù)綜合確定。

3.2 目標跟蹤參數(shù)獨立控制

單脈沖機掃火控雷達要實現(xiàn)多目標檢測條件下的目標艦船穩(wěn)定跟蹤，必須保持目標跟蹤參數(shù)控制的獨立性。而實現(xiàn)對特定目標在距離上的連續(xù)自動閉環(huán)跟蹤是跟蹤雷達實現(xiàn)角度連續(xù)自動跟蹤和其他參數(shù)自動閉環(huán)跟蹤的前提和基礎。在雷達變系數(shù)距離估值方程中：

圖1 增益控制模式示意圖

式中，Rek為k時刻距離估值；Rpk為k時刻距離預測值；RΔ為距離測量誤差值。

其中，α系數(shù)的取值隨處理時間的增加而減小。環(huán)路伊始，為快速消除偏差，α的取值比較大，多在0.5～1之間。之后，為了環(huán)路的穩(wěn)定性，α的取值逐漸減小，最后穩(wěn)定在一個較小的值上。水柱出現(xiàn)之前，目標艦船已處于穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，其α取值已經(jīng)很小。水柱出現(xiàn)之后，水柱α系數(shù)取較大初值。此時，如果目標艦船與水柱共用同一α值，則艦船α值勢必隨水柱變化，從而影響目標艦船跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定性。當艦炮連發(fā)射擊時，α取值變化更加頻繁，對目標艦船跟蹤環(huán)路的影響也更大。因此，在自動水柱測偏條件下，單脈沖機掃火控雷達采用了目標α參數(shù)獨立控制方式來保證目標跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定性。

3.3 合理的水柱檢測門限與多種降虛警數(shù)據(jù)處理手段相結合

水柱虛警率的高低在一定程度上取決于水柱的檢測門限。然而，考慮到水柱的漏測率，又不可能通過一味提高檢測門限的方法來減少水柱虛警。我們知道，水柱信號混雜于大量噪聲信號當中，這些噪聲包括機內(nèi)噪聲和海雜波，它們具有隨機起伏的特性。同時，水柱信號受彈丸入水姿態(tài)、爆炸時刻，海情海況等條件的影響也是動態(tài)變化的。按照最佳信號檢測理論，在預先不知道目標在一定條件下出現(xiàn)的概率，也很難確定一次漏測所造成的損失時，常采用奈曼-皮爾遜準則，而二級門限判決方法是一種實用且有效的雷達信號處理方法。考慮到水柱測偏功能使用應以盡可能減少虛警為原則，檢測門限設計上采取了附加最低門限判斷的二級門限判決方法。

如圖2所示，第一門限采取最低檢測門限r(nóng)0與自適應門限r(nóng)相結合的方式，即當實際噪聲基底低于最低檢測門限r(nóng)0時，以最低檢測門限r(nóng)0為第一檢測門限；當實際噪聲基底大于最低檢測門限，則以自適應門限r(nóng)作為水柱第一檢測門限。其中，最低檢測門限r(nóng)0是我們針對特定海情海況，通過測量無水柱雜波背景噪聲基底的基礎上確定的。第二門限值則按照k/N原則確定，即在水柱各檢測單元對應的N個重復周期中，如果有k個量化脈沖超過各自的第一門限值，則判決為該檢測單元信號存在。

確立合理檢測門限的同時，數(shù)據(jù)分析處理環(huán)節(jié)也要采取必要的降虛警處理。譬如，彈丸擊發(fā)至彈丸入水之前產(chǎn)生的虛警，即彈丸飛行時段的虛警，可以通過獲取彈丸初速與目標距離，來估算彈丸擊發(fā)到水柱出現(xiàn)的時長，并把該時長作為水柱數(shù)據(jù)禁止輸出時間，來剔除此間虛警。

圖2 二級門限判決示意圖

3.4 合理的水柱判定準則及輸出原則

水柱作為一種特殊的目標形式，其信噪比起伏有著區(qū)別于雜波信號的規(guī)律性，但是持續(xù)時間較短，起伏較快。因此，回波信噪比與回波持續(xù)時間成為自動水柱判定的重要準則。也就是說，當水柱檢測單元中，回波信噪比超過既定檢測門限，且該回波持續(xù)時間滿足程序設定值時，才可以判定該回波為水柱回波。需要說明的是，水柱的持續(xù)時間并非一個固定值，它與彈丸入水姿態(tài)、海水深度、海情海況等多個參量相關，而判定程序中往往只能取一個經(jīng)驗統(tǒng)計值。當個別水柱持續(xù)時間長于程序設定值時，可能出現(xiàn)同一水柱二次檢測問題。為此，確立了相鄰水柱比對準則，即當后發(fā)水柱距離、角偏差信息與前發(fā)水柱一致或差別在一定范圍內(nèi)時，雷達認作一批水柱，不再輸出，否則作為新水柱輸出。

在偏差數(shù)據(jù)輸出問題上，我們要清楚，雷達水柱測量的目的是獲取彈丸落點，而非測量水柱本身，這就要考慮落點變化問題。受風速、風向等條件影響，水柱目標并非靜態(tài)不動的，有可能在方位或距離上發(fā)生位移，從而引起落點測量偏差，如果將水柱偏差數(shù)據(jù)悉數(shù)輸出，則可能影響指揮員的判斷。為保證雷達輸出的偏差數(shù)據(jù)與彈丸真實落點數(shù)據(jù)相匹配，確立了將雷達測量穩(wěn)定后限定范圍內(nèi)水柱偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計作為水柱數(shù)據(jù)輸出原則。

4 自動水柱測偏適用性分析

4.1 適用性驗證分析

自動水柱測偏雷達可以在跟蹤艦船目標的同時，對其跟蹤波束內(nèi)目標前后一定距離范圍內(nèi)的彈著水柱進行自動檢測，克服了傳統(tǒng)的多目標人工檢測受人為因素影響大，水柱測量精度不易保證的缺點。實彈射擊條件下的雷達水柱測量結果表明，雷達自動水柱測偏由雷達按既定程序自動完成，無需人工干預，檢測速度快，彈著水柱落點測量精度高，系統(tǒng)主要作用區(qū)段內(nèi)單發(fā)水柱檢測概率大于90%。

文中水柱檢測區(qū)域控制增益的選取，水柱檢測門限的設定，均與雷達檢測概率密切相關，而上述參數(shù)的確定取決于具體的海情海況條件。為保證雷達自動水柱測偏的適用性，需建立針對不同海域不同海情海況條件下的水柱增益控制數(shù)據(jù)庫和水柱檢測門限數(shù)據(jù)庫。

4.2 局限性分析

目標（艦船）緊鄰距離單元存在自動水柱檢測盲區(qū)。該盲區(qū)受雷達發(fā)射脈寬，最小檢測單元等條件限制。對于出現(xiàn)在雷達距離盲區(qū)內(nèi)的水柱，雷達無法自動檢測，只能通過火控臺精A顯及TV視頻輔助觀測，或輔以人工干預。

對于同一距離單元同時存在多個水柱的情況，受雷達最小可分辨單元限制，水柱回波為多個水柱的合成波，雷達無法區(qū)分，輸出偏差為合成波偏差。雷達最小可分辨單元由天線波束寬度、發(fā)射脈沖寬度及多卜勒頻帶寬度決定的，可采用脈沖壓縮技術加以改善。

5 結束語

本文探討了自動水柱測偏在單脈沖機掃火控雷達上的技術實現(xiàn)，分析了自動水柱測偏的技術難點，深入探討了雷達實現(xiàn)自動水柱測偏采取的關鍵技術，并結合射擊測試，驗證分析了雷達自動水柱測偏的有效性及適應性。實踐證明，雷達自動水柱測偏克服了傳統(tǒng)人工檢測方法受人為因素影響大，測量精度不易保證等缺陷，提高了雷達的自動化工作水平及武器系統(tǒng)對海射擊效率。該技術的實現(xiàn)與應用為火控雷達多目標檢測提供了思路，對于相關領域的多目標檢測也具有一定借鑒意義。

[1][美]Merrill I.Skolnik.雷達手冊（第二版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[2]向敬成,張明友.雷達系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[3]王德純,丁家會,程望東等.精密跟蹤測量雷達技術[M]北京:電子工業(yè)出版社,2007.