主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)的高速多目標(biāo)配對(duì)

馬　可

(西安電子工程研究所，西安　710100)

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主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)的高速多目標(biāo)配對(duì)

馬可

(西安電子工程研究所，西安710100)

提出了一種基于目標(biāo)補(bǔ)償?shù)闹鲃?dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)高速多目標(biāo)配對(duì)方法。通過(guò)采用點(diǎn)頻連續(xù)波與負(fù)斜率線性調(diào)頻連續(xù)波的組合作為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，由點(diǎn)頻差拍信號(hào)獲得高速目標(biāo)的多普勒頻率，構(gòu)造補(bǔ)償信號(hào)，對(duì)負(fù)斜率線性調(diào)頻信號(hào)的差拍信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于同一速度的高速目標(biāo)補(bǔ)償后得到目標(biāo)距離。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)；多目標(biāo)配對(duì)；高速目標(biāo)

本文引用格式：馬可.主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)的高速多目標(biāo)配對(duì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(8):122-126.

主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)是坦克、裝甲車輛的一種新型防護(hù)措施。主要由探測(cè)雷達(dá)、中心處理計(jì)算機(jī)和反擊彈藥等組成[1]。主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)反坦克導(dǎo)彈、反坦克火箭彈的精確測(cè)量，這種目標(biāo)的特點(diǎn)是速度快、雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)小、發(fā)射距離近。連續(xù)波雷達(dá)具有測(cè)距測(cè)速精度高、無(wú)近距離探測(cè)盲區(qū)、體積小易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此經(jīng)常被應(yīng)用于主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)。

在主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間固定，雷達(dá)需要在更遠(yuǎn)的距離上探測(cè)到高速目標(biāo)。探測(cè)距離產(chǎn)生的回波信號(hào)幅度動(dòng)態(tài)范圍較大[2]，遠(yuǎn)處目標(biāo)的回波信號(hào)幅度較弱。然而連續(xù)波雷達(dá)存在固有的信號(hào)泄漏問(wèn)題[3]，發(fā)射功率不能太大，不能靠提高發(fā)射功率來(lái)提高遠(yuǎn)距離目標(biāo)的回波功率。需要增加雷達(dá)信號(hào)的駐留時(shí)間進(jìn)行多周期積累以提高信噪比。對(duì)于高速目標(biāo)，在進(jìn)行多周期積累過(guò)程中又會(huì)有目標(biāo)跨距離單元的現(xiàn)象[4]，跨距離單元現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致輸出信噪比下降，目標(biāo)無(wú)法滿足被檢測(cè)條件[5]。因此需要對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以消除跨距離單元現(xiàn)象。

在本文中，首先分析了一種適于主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)高速目標(biāo)探測(cè)的點(diǎn)頻連續(xù)波(continuous wave,CW)與負(fù)斜率線性調(diào)頻連續(xù)波(linear frequency modulation continuous wave,LFMCW)信號(hào)組合形式，隨后針對(duì)高速目標(biāo)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，指出對(duì)于高速目標(biāo)需要進(jìn)行多周期積累，但多周期積累會(huì)帶來(lái)目標(biāo)跨距離單元的現(xiàn)象。針對(duì)跨距離單元情況可通過(guò)CW差拍信號(hào)對(duì)LFMCW差拍信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，通過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中的速度匹配，完成主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)高速多目標(biāo)的配對(duì)。

1　雷達(dá)信號(hào)分析

連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射連續(xù)的射頻信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)接收機(jī)與發(fā)射信號(hào)做差拍處理，處理后的差拍信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣后做快速傅立葉變換(fast fourier transform,FFT)，即可對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

文獻(xiàn)[6]中給出了一種適于主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)組合形式，這里對(duì)其多周期模型進(jìn)行分析。CW與LFMCW信號(hào)組合形式如圖1所示，信號(hào)周期為T(mén)r，每個(gè)周期內(nèi)CW與LFMCW信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)分別為T(mén)，則Tr=2T。

圖1　組合信號(hào)形式時(shí)頻關(guān)系

設(shè)CW與LFMCW信號(hào)在第m個(gè)周期內(nèi)的發(fā)射信號(hào)分別為

(1)

其中：A為發(fā)射信號(hào)幅度；f0為工作頻率；u=B/T為L(zhǎng)FMCW調(diào)頻斜率；B為調(diào)頻帶寬。忽略目標(biāo)反射引起的相移，可以得到CW與LFMCW回波信號(hào)分別為

(2)

其中：L為目標(biāo)反射系數(shù)；m為在第m個(gè)周期內(nèi)；τ(m,t)=2R(t)/c=τ0-k(t+mTr)為目標(biāo)回波延時(shí)；τ0=2R0/c；k=fd/f0；fd為目標(biāo)多普勒頻率；R0為目標(biāo)初始距離；v為目標(biāo)速度。

回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)混頻，經(jīng)過(guò)低通濾波后得到的差拍信號(hào)分別為：

(3)

由式(3)可以看出，CW段的差拍信號(hào)為一單頻信號(hào)，其頻率為fd。對(duì)CW段差拍信號(hào)的頻譜進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)可直接得到目標(biāo)的多普勒頻率。LFMCW段的差拍信號(hào)的中心頻率為目標(biāo)初始距離與目標(biāo)多普勒頻率的耦合項(xiàng)，并且隨周期變化(-ukmTrt)，該項(xiàng)就是高速目標(biāo)在雷達(dá)積累周期內(nèi)所產(chǎn)生的頻移。

2　高速目標(biāo)特點(diǎn)分析

2.1多周期積累

在主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)距離的目標(biāo)回波功率很小，使得系統(tǒng)的輸入信噪比較低。而根據(jù)雷達(dá)方程，通過(guò)提高發(fā)射功率、天線增益等方法可以直接提高遠(yuǎn)距離目標(biāo)的回波功率。但是，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)已經(jīng)固定時(shí)，只能通過(guò)增加采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)提高采樣后的信噪比。而采樣點(diǎn)數(shù)N=fsTd，其中fs為系統(tǒng)采樣頻率，Td為雷達(dá)駐留時(shí)間。

當(dāng)系統(tǒng)采樣頻率一定時(shí)，只能通過(guò)增加駐留時(shí)間Td增加采樣點(diǎn)數(shù)，提高FFT后的輸出信噪比，使信號(hào)能夠可靠檢測(cè)。駐留時(shí)間Td一般選擇為組合信號(hào)周期Tr的M倍，這就相當(dāng)于對(duì)差拍信號(hào)進(jìn)行多周期積累。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在積累M個(gè)周期內(nèi)不發(fā)生跨越距離單元現(xiàn)象的限制條件為：vMTr<δR(δR為距離分辨率)。高速目標(biāo)的速度一般會(huì)大于vmax=c/2BMTr，這時(shí)就需要對(duì)積累的差拍信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

針對(duì)上述分析以某主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)的參數(shù)進(jìn)行仿真。雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)為：雷達(dá)工作頻率f0=10 GHz，調(diào)頻帶寬B=500 MHz，CW與LFMCW信號(hào)時(shí)長(zhǎng)均為T(mén)=0.5 ms，組合周期Tr=2T，系統(tǒng)采樣頻率fs=4 MHz。假定輸入噪聲為高斯白噪聲，信噪比為SNR=-25 dB。那么δR=0.3 m。假設(shè)一個(gè)距離R=200 m的慢速(積累周期內(nèi)不跨距離單元)目標(biāo)，以驗(yàn)證在低輸入信噪比條件下通過(guò)積累可靠檢測(cè)出目標(biāo)。

這里只討論LFMCW信號(hào)。LFMCW單周期采樣點(diǎn)數(shù)N=2 000，理論輸出信噪比為SNRout=-25+10lg2 000=8 dB。但是由于連續(xù)波信號(hào)差拍處理時(shí)會(huì)忽略不規(guī)則段信號(hào)，所以實(shí)際增益比理論增益低，導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法可靠檢測(cè)。如果積累8個(gè)周期，理論輸出信噪比為SNRout=-25+10lg8×2 000=17 dB。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2(a)為單周期LFMCW差拍信號(hào)功率譜，可以看到，由于遠(yuǎn)處回波強(qiáng)度較弱，單周期信號(hào)的差拍信號(hào)信噪比過(guò)低，不能可靠檢測(cè)出目標(biāo)；圖2(b)為積累8周期后的LFMCW差拍信號(hào)功率譜?？梢钥吹椒e累8周期的差拍信號(hào)功率譜有明顯譜峰，輸出信噪比達(dá)到10 dB以上，可以檢測(cè)出目標(biāo)。

2.2跨距離單元現(xiàn)象

如果目標(biāo)速度大于vmax，積累時(shí)間內(nèi)目標(biāo)將出現(xiàn)跨距離單元走動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí)目標(biāo)回波能量將被分散到多個(gè)距離單元中，這將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)能量無(wú)法在一個(gè)距離單元內(nèi)積累，造成積累性能嚴(yán)重下降，目標(biāo)無(wú)法被可靠檢測(cè)。假設(shè)距離R=200 m的一個(gè)慢速目標(biāo)和一個(gè)速度為1 500 m/s的高速目標(biāo)，雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)與上述相同，輸入信噪比為SNR=-25 dB。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2　仿真結(jié)果

圖3　仿真結(jié)果

由圖3可以看出，慢速不跨距離單元時(shí)，可以通過(guò)積累找到目標(biāo)譜峰；而高速時(shí)，由于目標(biāo)跨越距離單元，導(dǎo)致回波能量無(wú)法積累到同一距離單元內(nèi)，使得目標(biāo)無(wú)法被可靠檢測(cè)。近程防護(hù)探測(cè)雷達(dá)在對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，會(huì)有在駐留時(shí)間內(nèi)目標(biāo)跨距離單元走動(dòng)的現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)能量無(wú)法在一個(gè)距離單元內(nèi)積累，使得目標(biāo)無(wú)法被可靠檢測(cè)。需要尋找一種高速目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，使得信號(hào)能量在同一距離單元內(nèi)完成積累。

3　高速多目標(biāo)配對(duì)

3.1運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償[7]

(4)

將式(4)與式(3)中的LFMCW差拍信號(hào)相乘后可以得到補(bǔ)償后的信號(hào)為

(5)

對(duì)比式(3)可以看出，式(5)的信號(hào)消除了目標(biāo)距離速度耦合項(xiàng)以及高速目標(biāo)多周期積累的頻移項(xiàng)。信號(hào)的頻率只與目標(biāo)初始距離有關(guān)，通過(guò)對(duì)其頻譜檢測(cè)，可以得到高速目標(biāo)的距離?？偨Y(jié)高速目標(biāo)補(bǔ)償處理的步驟：

a) 對(duì)CW差拍信號(hào)做FFT或線性調(diào)頻Z變換(chirp z transformation,CZT)[8]得到頻譜并進(jìn)行檢測(cè)得到目標(biāo)多普勒頻率；

b) 由得到的目標(biāo)多普勒頻率構(gòu)造出隨周期變化的補(bǔ)償信號(hào)；

c) 將補(bǔ)償信號(hào)與LFMCW差拍信號(hào)相乘得到補(bǔ)償后的信號(hào)；

d) 將補(bǔ)償后的信號(hào)在頻譜上進(jìn)行檢測(cè)即可得到目標(biāo)的初始距離；

e) 通過(guò)目標(biāo)初始距離和速度解出目標(biāo)當(dāng)前距離。

針對(duì)上述分析，以某型主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)的參數(shù)進(jìn)行仿真。雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)為：載頻f0=10 GHz，CW與LFMCW信號(hào)時(shí)長(zhǎng)均為T(mén)=0.5 ms，組合周期Tr=2T，調(diào)頻帶寬B=500 MHz，系統(tǒng)采樣頻率fs=4 MHz。假定輸入噪聲為高斯白噪聲，信噪比為SNR=-25 dB。那么δR=0.3 m。假設(shè)一個(gè)距離R=200 m速度v=1 500 m/s的高速目標(biāo)，做8周期積累，以驗(yàn)證提出補(bǔ)償算法的有效性，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)為CW差拍信號(hào)積累8周期后得到的功率譜，可以看到CW差拍信號(hào)做8周期積累后有明顯的譜峰，可以進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)得到目標(biāo)的多普勒頻率。圖4(b)為L(zhǎng)FMCW差拍信號(hào)積累8周期后不做運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓β首V，可以看出未經(jīng)補(bǔ)償?shù)腖FMCW差拍信號(hào)功率譜沒(méi)有目標(biāo)譜峰，通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)不能檢測(cè)出目標(biāo)。通過(guò)由CW差拍信號(hào)得到的多普勒頻率構(gòu)造出補(bǔ)償信號(hào)來(lái)補(bǔ)償LFMCW差拍信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的差拍信號(hào)功率譜如圖4(c)所示。可以看出補(bǔ)償后的LFMCW差拍信號(hào)有明顯目標(biāo)譜峰，輸出信噪比達(dá)10 dB以上，通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)可以檢測(cè)出目標(biāo)，進(jìn)而可以算出目標(biāo)的初始距離。仿真結(jié)果得到的目標(biāo)速度值為v=1 501.5 m/s，目標(biāo)初始距離為R=199.95 m。

圖4　仿真結(jié)果

3.2多目標(biāo)配對(duì)

上述的高速目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，相當(dāng)于對(duì)高速目標(biāo)進(jìn)行一次速度上的匹配濾波。精確估計(jì)的目標(biāo)多普勒頻率通過(guò)補(bǔ)償信號(hào)與LFMCW差拍信號(hào)相乘，可以得到目標(biāo)的距離。而如果目標(biāo)多普勒頻率估計(jì)不準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法完全消除式(3)中快慢時(shí)間耦合項(xiàng)和二次項(xiàng)的影響，使得差拍信號(hào)能量還是不能在一個(gè)距離單元內(nèi)完成積累。這相當(dāng)于速度不匹配。因此可以通過(guò)這種思路完成高速多目標(biāo)的配對(duì)。

在多目標(biāo)的情況下[9-11]，若CW差拍信號(hào)可以得到n個(gè)多普勒估計(jì)值，就構(gòu)造n個(gè)補(bǔ)償信號(hào)分別與LFMCW差拍信號(hào)相乘，構(gòu)造出的補(bǔ)償信號(hào)只能有效地補(bǔ)償具有當(dāng)前多普勒頻率的目標(biāo)，而不是此多普勒頻率下的目標(biāo)不能有效地補(bǔ)償?shù)酵痪嚯x單元內(nèi)。因此在多目標(biāo)情況下，構(gòu)造一個(gè)補(bǔ)償信號(hào)與LFMCW差拍信號(hào)相乘并做FFT就相當(dāng)于對(duì)具有當(dāng)前補(bǔ)償信號(hào)多普勒頻率下的目標(biāo)進(jìn)行一次速度上的匹配濾波。如果多普勒頻率相匹配，那么在做FFT后，目標(biāo)的距離譜峰出現(xiàn)；如果多普勒頻率不匹配，那么在做FFT后，目標(biāo)的距離譜峰不出現(xiàn)。這樣就可以完成高速多目標(biāo)的配對(duì)。圖5為高速多目標(biāo)配對(duì)處理流程圖。

圖5　高速多目標(biāo)配對(duì)流程

對(duì)上述分析，用相同的雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行仿真。假設(shè)3個(gè)目標(biāo)R1=150 m,v1=300 m/s;R2=150 m,v2=1 500 m/s;R3=200 m,v3=1 500 m/s。理論分析知，CW差拍信號(hào)應(yīng)該有兩個(gè)譜峰，所對(duì)應(yīng)的多普勒頻率可以構(gòu)造出兩個(gè)補(bǔ)償信號(hào)。再用這兩個(gè)補(bǔ)償信號(hào)分別與LFMCW差拍信號(hào)相乘，這樣就可以得到相應(yīng)多普勒頻率下的目標(biāo)距離信息。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)為CW差拍信號(hào)積累8周期后的功率，可以看出CW差拍信號(hào)做CZT后有兩個(gè)明顯譜峰，圖6(a)中的兩個(gè)譜峰高度不同是由于有兩個(gè)目標(biāo)速度為1 500 m/s和300 m/s，使得1 500 m/s目標(biāo)比300 m/s目標(biāo)產(chǎn)生回波功率大。分別用這兩個(gè)譜峰對(duì)應(yīng)的多普勒頻率構(gòu)造出兩個(gè)補(bǔ)償信號(hào)。未經(jīng)補(bǔ)償?shù)腖FMCW差拍信號(hào)功率譜如圖6(b)所示，可以看出未做高速目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腖FMCW差拍信號(hào)無(wú)明顯譜峰，不能可靠檢測(cè)出目標(biāo)。用CW差拍信號(hào)功率譜中第一根譜峰估計(jì)出的多普勒頻率構(gòu)造第一個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，與LFMCW差拍信號(hào)相乘后所得的頻譜為圖6(c)所示，可以看出經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后有一根明顯的譜峰，意味著在相應(yīng)多普勒頻率下有一個(gè)目標(biāo)。用CW差拍信號(hào)功率譜中第二根譜峰估計(jì)出的多普勒頻率構(gòu)造第二個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，與LFMCW差拍信號(hào)相乘后所得的頻譜為圖6(d)所示，可以看出補(bǔ)償后有兩根明顯的譜峰，意味著在相應(yīng)多普勒頻率下有兩個(gè)距離不同的目標(biāo)。這與假設(shè)情況相符。表明了所提出的方法有效地解決了距離速度耦合的問(wèn)題和高速目標(biāo)跨越距離單元的問(wèn)題。而且這種方法相當(dāng)于當(dāng)前多普勒頻率下的匹配濾波，可以有效地完成高速多目標(biāo)配對(duì)問(wèn)題。

圖6　仿真結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)對(duì)于高速小目標(biāo)的探測(cè)，需要增加駐留時(shí)間。但是增加駐留時(shí)間會(huì)導(dǎo)致跨距離單元現(xiàn)象。當(dāng)目標(biāo)速度大于速度門(mén)限值時(shí)，需要對(duì)高速目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。通過(guò)采用點(diǎn)頻連續(xù)波和負(fù)斜率線性調(diào)頻連續(xù)波的信號(hào)組合形式，利用點(diǎn)頻連續(xù)波差拍信號(hào)獲得目標(biāo)的多普勒頻率，構(gòu)造補(bǔ)償信號(hào)對(duì)負(fù)斜率線性調(diào)頻連續(xù)波差拍信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，速度匹配時(shí)即可補(bǔ)償出目標(biāo)的距離。通過(guò)速度匹配也可以完成對(duì)不同速度高速目標(biāo)的多目標(biāo)配對(duì)。仿真結(jié)果說(shuō)明了該方法在主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)探測(cè)雷達(dá)高速目標(biāo)時(shí)的有效性。

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[8]陳祝明,丁義元,向敬成,等.采用Chirp-Z變換提高LFMCW雷達(dá)的測(cè)距離精度[J].信號(hào)處理,2002,18(2):110-112,106.

[9]劉貴喜,凌文杰,楊萬(wàn)海,等.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)多目標(biāo)分辨的新方法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2006,21(1):79-83.

[10]劉貴喜,凌文杰.LFMCW雷達(dá)密集運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2005,24(1):76-80.

[11]肖慧,胡衛(wèi)東,郁文賢,等.基于二次混頻DPT的LFMCW雷達(dá)多目標(biāo)檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)[J].電子與信息學(xué)報(bào),2008,30(12):2844-2848.

(責(zé)任編輯楊繼森)

High Speed Multi-Target Pairing of Active Protection System Radar

MA Ke

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)

The method used the range velocity decoupling and motion compensation for high speed multi-target pairing was proposed. By using a hybrid signal composed of continuous wave (CW) and negative slope linear frequency modulation continuous wave (LFMCW) as the radar transmitted signal, the Doppler frequency of the high speed target can be obtained by using the CW beat signal, and then the target distance can be obtained. Simulation results verify the validity of the proposed method.

active protection system; multi-target pairing; high speed target

2016-02-22；

2016-03-30

武器裝備預(yù)先研究基金資助項(xiàng)目(40405060201)

馬可(1988—)，男，碩士，工程師,主要從事雷達(dá)總體設(shè)計(jì)研究。

10.11809/scbgxb2016.08.028

format:MA Ke.High Speed Multi-Target Pairing of Active Protection System Radar[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):122-126.

TN951

A

2096-2304(2016)08-0122-05

【信息科學(xué)與控制工程】