炮位偵察校射雷達多目標能力分析

高青松 王建強 王 歡

(西安電子工程研究所 西安 710100)

炮位偵察校射雷達多目標能力分析

高青松 王建強 王 歡

(西安電子工程研究所 西安 710100)

多目標能力是炮位偵察校射雷達的一項關(guān)鍵指標，受有限的時間能量資源制約。本文首先介紹了國外炮位偵察校射雷達及其多目標能力，通過對炮位偵察校射雷達工作流程的介紹，綜合分析得出炮位偵察校射雷達多目標能力的理論值，指出多目標能力影響因素的，最后給出提高炮位偵察校射雷達多目標能力的途徑和方法。

炮位偵察校射雷達 工作特點 多目標能力

0 引言

炮位偵察校射雷達能夠探測敵方炮兵發(fā)射陣地及我方火炮落點，為炮兵部隊快速感知戰(zhàn)場情報信息，指引炮兵壓制武器對敵實施火力打擊，是保障現(xiàn)代炮兵全天候、全天時作戰(zhàn)不可或缺的重要信息化裝備，并在世界各國得到廣泛應用。較為典型的裝備有：美軍的AN/TPQ-36和AN/TPQ-37雷達、俄羅斯的“ZooPark-1”雷達和APK-1M“猞猁”改進型雷達以及歐洲的“Cobra”雷達和“Arthur”雷達。

炮位偵察校射雷達不但要完成對已發(fā)現(xiàn)的炮彈或火箭彈進行跟蹤定位，同時，還要能夠?qū)ΡO(jiān)視空域內(nèi)新出現(xiàn)的威脅目標進行搜索發(fā)現(xiàn)，因此多目標能力是炮位偵察校射雷達的一項關(guān)鍵指標，其中AN/TPQ-37可同時定位10個武器[1,2]，“Arthur”雷達最多能同時跟蹤8個目標[3]，“Cobra”雷達可以在2min內(nèi)探測240門火炮或40個炮兵連[4]。

如何提高炮位偵察校射雷達多目標能力是雷達設(shè)計師在進行系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮的一個問題，本文通過對炮位偵察校射雷達的工作流程進行分析，分析得出炮位偵察校射雷達多目標能力的理論數(shù)值，并提出提高炮位偵察校射雷達提高多目標能力的途徑和方法。

1 炮位偵察校射雷達工作流程和特點分析

與光學偵察設(shè)備探測原理不同，炮位偵察校射雷達探測敵方火炮發(fā)射陣地或友方彈丸落點并非直接測量，而是測量飛行過程中彈丸彈道的一段彈道后進行外推。雷達系統(tǒng)工作時，實時控制計算機自動控制雷達各分系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)工作，對偵察區(qū)域進行搜索掃描，對搜索發(fā)現(xiàn)的目標立即進行確認，對確認到的目標進行離散定時跟蹤，計算出跟蹤目標的坐標，并將跟蹤的彈丸點跡上報給操控終端，終端計算機對測得的目標軌跡數(shù)據(jù)進行一系列處理后進行彈道外推和高程修正，進而得到敵方炮位位置或己方火炮炸點坐標。

炮位偵察校射雷達具有以下特點：

(1)對搜索數(shù)據(jù)率要求較高。炮位偵察校射雷達搜索發(fā)現(xiàn)彈丸目標的必要條件首先是搜索波束與彈丸在空間能夠交匯，但炮位偵察校射雷達發(fā)射的搜索波束一般為針狀波束，俯仰波束寬度較窄(典型波束寬度值為0.8-3°)，且彈丸目標飛行速度快(120mm榴彈炮的初速約為690m/s，155mm榴彈炮的初速約為940m/s)，因此，彈丸穿越搜索波束的時間很短，這就對雷達系統(tǒng)搜索數(shù)據(jù)率要求很高。

(2)采用脈沖積累方法進行檢測。炮位偵察彈校射雷達工作時一般要求首發(fā)定位，對檢測概率要求較高，但彈丸的反射截面積小，典型值為0.001-0.002m2，單個脈沖的信噪比達不到檢測要求，為了保證信噪比滿足檢測要求，需要采用脈沖積累方法對目標進行檢測，導致搜索數(shù)據(jù)率將大大降低，系統(tǒng)設(shè)計難度加大。

(3)虛假跟蹤多。為了盡早發(fā)現(xiàn)敵方發(fā)射的彈丸目標(偵察模式)，搜索波束的仰角一般緊貼地面，并能隨遮蔽角變化，這種搜索方式?jīng)Q定了其受地物、氣象雜波影響大，工作過程中雜波引起的虛警較高；另外，飛鳥、汽車等非彈道運動目標無法通過多普勒濾波器濾除，同樣會被炮位偵察校射雷達發(fā)現(xiàn)和跟蹤，直到在跟蹤若干點后，才會根據(jù)航跡判別為非彈道目標而放棄繼續(xù)跟蹤。對雜波引起的虛警的確認和非彈道目標的確認、跟蹤也需要耗費一定的時間資源，降低搜索數(shù)據(jù)率。

(4)從目標搜索截獲至跟蹤結(jié)束，為保證跟蹤和外推精度，需要合適的跟蹤數(shù)據(jù)率和跟蹤點數(shù)，對目標的跟蹤也需要耗費一定的時間資源，將進一步導致搜索數(shù)據(jù)率的降低。

從上面的分析可以看出，炮位偵察校射雷達的搜索數(shù)據(jù)率受到諸多因素影響，在時間能量資源一定的情況下，炮位偵察校射雷達的多目標能力受到限制。

2 多目標能力及影響因素分析

炮位偵察校射雷達能夠發(fā)現(xiàn)新的彈丸目標的必要條件是保證彈丸目標在空間上能夠成功交匯，即搜索幀掃時間應小于彈丸目標穿過搜索波束(3dB俯仰波束寬度)的時間，具體分析如下。

2.1 穿越時間

雷達工作時在擦地平面上形成一個電子屏障，彈丸穿越時間就等于彈丸目標穿越俯仰波束半功率波束寬度的時間，也就是彈丸目標在垂直方向上的速度分量在波束俯仰高度上的穿越時間，如圖1所示。

彈丸目標穿越搜索波束時間

(1)

其中R為彈丸與雷達的距離，θe為俯仰3dB波束寬度，v0為彈丸初速，α為火炮射角，k1=1/(v0sinα)。v0、α為目標彈丸的固有特性，與雷達無關(guān)。因此，穿越時間由R和θe決定。

2.2 搜索幀周期

在只進行搜索的情況下(不考慮確認、跟蹤)，雷達重復掃過同一波位的時間間隔定義為搜索幀周期，可以表示為

(2)

式中，N為搜索掃描范圍內(nèi)的波位數(shù)目；Tdw為掃描過程中雷達波束在每個波位上的平均駐留時間。θs為方位掃描范圍，θa為發(fā)射方位3dB波束寬度，k×θa為波束躍度，一般取k=0.86[5]，n為每個波位上脈沖積累的點數(shù)，Tr為平均搜索脈沖重復周期。

上式定義的搜索幀周期不包含確認和跟蹤耗費的時間。實際上，搜索幀周期還應該包含搜索過程中確認時間和跟蹤的時間，因此

ts=ts0+m1Tdwc+m2Tdwt

(3)

式中，m1為搜索幀周期內(nèi)需要確認目標次數(shù)，m2為搜索幀周期內(nèi)需要跟蹤目標次數(shù)，Tdwc為對單個目標確認的跟蹤平均駐留時間，Tdwt為對單個目標跟蹤的平均駐留時間。

若探測范圍內(nèi)處理的距離單元數(shù)位nr，方位掃描范圍θs內(nèi)接收波束數(shù)目為nre，搜索虛警率為Pfa，則

m1=nr×nre×pfa=k2×pfa
(k2=nr×nre為常數(shù))

(4)

若已經(jīng)同時跟蹤目標數(shù)為M0，目標從確認轉(zhuǎn)跟蹤后單位時間內(nèi)對某一目標跟蹤的數(shù)據(jù)率為k3次/秒，則

m2=M0×k3×Tf0

(5)

因此，

ts=ts0+k2×pfa×Tdwc+k×ts0×M0×Tdwt

=ts0(1+k3M0Tdwt)+k2×pfa×Tdwc

(6)

若想成功捕獲第M0+1個目標，必須保證搜索幀掃時間ts加上對新目標的確認時間小于彈丸目標穿越搜索波束時間，即

ts+Tdwclt;td

(7)

2.3 多目標能力理論值

從(6)、(7)式可以得出，炮位偵察校射雷達跟蹤多目標數(shù)

-1))+1

(8)

2.4 多目標能力影響因素分析

從式8中可以看出，炮位偵察校射雷達多目標能力受方位波束寬度θa、俯仰波束寬度θe、虛警概率Pfa、確認駐留時間Tdwt、方位掃描范圍θs、脈沖積累的點數(shù)n、平均搜索脈沖重復周期Tr、跟蹤數(shù)據(jù)率k3、跟蹤駐留時間Tdwt影響。

另外，雷達系統(tǒng)無論采用MTI還是MTD對目標進行檢測積累，為了抑制雜波，必然要產(chǎn)生雜波抑制區(qū)，由于彈丸為高速運動目標，脈沖重復頻率存在速度模糊，目標的多普勒頻率折疊后可能落在雜波抑制區(qū)，導致檢測不到目標。在目標的搜索和確認過程中，采用參差脈沖重復頻率的方式工作可以解決盲速和速度模糊，消除由于模糊導致目標多普勒落在雜波抑制區(qū)的問題[6]。但是，重頻參差必然浪費一定的時間資源，增加平均波束駐留時間，導致雷達多目標能力降低。

3 多目標能力提高途徑分析

3.1 采用自適應方式進行工作

傳統(tǒng)雷達在系統(tǒng)設(shè)計時，波束寬度、跟蹤數(shù)據(jù)率、駐留時間、脈沖寬度、脈沖重復周期等參數(shù)多采用固定的數(shù)值，相控陣雷達具有天線波束掃描靈活、信號波形捷變以及數(shù)字波束形成等優(yōu)點，為其實現(xiàn)自適應的工作方式提供了技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)探測空域的距離遠近、方位扇掃范圍的大小利用波束賦形技術(shù)自適應的改變波束寬度，根據(jù)目標距離遠近和跟蹤階段自適應的改變重復周期、駐留時間和跟蹤數(shù)據(jù)率，通過自適應的工作方式對時間資源和能量資源的充分利用，節(jié)約時間資源，提高炮位偵察校射雷達潛在的多目標能力。

3.2 采用發(fā)射同時多波束技術(shù)

雷達陣面同時形成多個發(fā)射波束，對不同空域進行搜索或跟蹤，可以降低搜索時間，提高搜索數(shù)據(jù)率，解決數(shù)據(jù)率低得問題，是提高雷達的多目標能力的有效辦法。但是要實現(xiàn)同時多波束，除了相控陣天線的饋線系統(tǒng)中必須有多波束形成網(wǎng)絡外，在每一個發(fā)射波束輸入端還應有各自的發(fā)射機輸出信號，即應連接有多部發(fā)射機，導致設(shè)備量、成本將大幅提高，需要進行折中考慮[7]。

3.3 采用二維單脈沖測角技術(shù)

傳統(tǒng)炮位偵察校射雷達為了提高效費比，多采用相頻掃技術(shù)體制，典型裝備為美國的AN/TPQ36瑞典的ARTHUR雷達，該體制的雷達在跟蹤的過程中，目標俯仰測角采用順序波瓣比幅測角的方法，即在預測的目標位置上下各發(fā)射一個跟蹤波束，對目標進行一次跟蹤需要順序發(fā)射兩個波束。隨著二維有源相控陣雷達技術(shù)的發(fā)展和TR組件成本的大幅下降，最新研制炮位偵察校射雷達多采用二維有源相控陣技術(shù)，代表性產(chǎn)品為由法國、德國、英國聯(lián)合開發(fā)COBRA雷達和美國的AN/TPQ-53雷達，方位和俯仰都采用單脈沖技術(shù)進行測角，對目標進行一次跟蹤只需要發(fā)射一個波束，同樣目標數(shù)和跟蹤數(shù)據(jù)率的情況下，可以節(jié)約一半的跟蹤時間資源，可大幅提高炮位偵察校射雷達的多目標能力。

3.4 各種措施提高多目標能力分析

下面通過實例來分析各種措施對多目標能力的提升。假設(shè)掃描空域為±45°，采用天線波束寬度為3°(方位)×2°(俯仰)，PRF集為[200，220，240，260，280]us，搜索用前三個PRF(平均PRF為220us)，確認用除搜索發(fā)現(xiàn)PRF之外的前四個PRF(平均PRF為230us)，跟蹤從PRF集中優(yōu)選(平均PRF為240us)，脈沖積累點數(shù)為32點，跟蹤采用離散定時跟蹤的方式，跟蹤間隔330ms。自適應工作方式下波束進行展寬，此時波束寬度為3.6°(方位)×2.4°(俯仰)，下表分別對比了采用相頻掃順序波瓣比幅測角、二維相控陣單脈沖測角、自適應波束展寬等幾種情況不同組合情況下多目標能力。

表1 多目標能力對照表

不展寬+順序波瓣不展寬+雙波束展寬+順序波瓣不展寬+單脈沖展寬+單脈沖波束寬度EL(°)222.422.4目標距離(m)60006000600060006000彈丸速度(m/s)850850850850850射角(°)4545454545彈丸穿越時間(ms)348.39348.39418.03348.39418.03波束寬度AZ(°)33+33.633.6平均搜索PRF(us)220220220220220積累點數(shù)3232323232波位數(shù)3333273327無虛警搜索幀周期(ms)232.32116.16190.08232.32190.08虛率1×10^-51×10^-51×10^-51×10^-51×10^-5K21760017600176001760017600跟蹤數(shù)據(jù)率(次/s)33333多目標能力515101020

從上表中可以看出，俯仰采用順序波瓣比幅測角時，波束不展寬的情況下，多目標能力為5，如果采用雙波束進行搜索，多目標數(shù)為15，如果對方位和俯仰波束進行展寬，多目標能力將提升到10；俯仰使用單脈沖測角時，在波束不展寬的情況下，多目標能力為10；如果對方位和俯仰波束進行展寬，多目標能力可提升至20。

4 結(jié)論

炮位偵察校射雷達同時跟蹤定位多目標能力受有限的時間能量資源制約，還會因為強雜波、干擾的影響，降低多目標能力。在進行炮位偵察校射雷達系統(tǒng)設(shè)計時，采用自適應工作方式、發(fā)射多波束技術(shù)、單脈沖測角技術(shù)等可以提高雷達多目標能力。

[1] 羅群，周萬幸，馬林.世界地面雷達手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社，2005.

[2] 肖詠捷.美國陸軍炮位偵察雷達發(fā)展研究[J].現(xiàn)代軍事，2008(3):49-53.

[3] 吳曉鷗.新型炮位偵察雷達[J].外國炮兵，2002(9):31-36.

[4] COBRA: counter battery co-operation [J].Military Technology,1990,(4):60-61.

[5] 陳文麗，蘇東林.相控陣雷達搜索方式下波位編排與優(yōu)化[J].飛行器測控學報，2006(5) :32-36.

[6] 馮健康.相控陣炮位偵察校射雷達多目標跟蹤能力的分析[J].火控雷達，1994(23):14-17.

[7] 張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

AnalysisofMulti-TargetCapabilityofWeaponLocatingRadar

Gao Qingsong, Wang Jiangqiang, Wang Huan

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

Multi-target capability is an important technical specification of weapon locating radar, it is limited by the resource of time and energy. Multi-target capability of some foreign weapon locating radars is introduced. Based on operation flow of weapon locating radar, theoretical value of multi-target capability of weapon locating radar is analyzed; factors which affect multi-target capability is obtained. Method for improving multi-target capability of weapon locating radar is proposed.

weapon locating radar; operation feature; multi-target capability

2017-06-21

高青松(1989-),男，工程師。研究方向為雷達總體技術(shù)。

TN959.1

A

1008-8652(2017)03-022-04