一種二次雷達(dá)的目標(biāo)更新周期的計(jì)算方法

張繼明　劉海波　咸儆醒

摘 要：當(dāng)目標(biāo)接近二次雷達(dá)站時(shí)，由于目標(biāo)自身的切向運(yùn)動(dòng)影響，會(huì)導(dǎo)致其更新周期大大偏離雷達(dá)天線掃描周期。針對(duì)這種情況，本文提出了一種目標(biāo)更新周期的實(shí)時(shí)計(jì)算方法，可以根據(jù)目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，實(shí)時(shí)地計(jì)算目標(biāo)更新周期，然后進(jìn)行航跡相關(guān)與位置平滑處理。經(jīng)過實(shí)際環(huán)境驗(yàn)證，本算法在保證了近距離目標(biāo)跟蹤準(zhǔn)確性的同時(shí)，也可以有效地去除虛假目標(biāo)，提高二次雷達(dá)在近距離區(qū)域的探測性能。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)更新周期；近距離區(qū)域；二次雷達(dá)；探測性能

中圖分類號(hào)：F062.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-4428（2018）06-0141-03

一、 引言

隨著航空行業(yè)的高度發(fā)展，二次雷達(dá)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于空中交通管制，使空中交通管制員能實(shí)時(shí)獲知空中飛機(jī)的位置、高度、速度等信息。一個(gè)典型的二次雷達(dá)系統(tǒng)，包括地面設(shè)備（應(yīng)答解碼器和詢問機(jī)）和機(jī)載應(yīng)答機(jī)兩個(gè)主要部分。由地面的詢問機(jī)發(fā)射詢問脈沖，機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到詢問信號(hào)后根據(jù)詢問的模式產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)答脈沖。地面詢問機(jī)接收到機(jī)載的應(yīng)答脈沖后進(jìn)行一系列處理，通過發(fā)射與接收的時(shí)間間隔確定目標(biāo)的距離，通過單脈沖技術(shù)確定目標(biāo)的方位，通過對(duì)接收的脈沖串進(jìn)行解碼得到目標(biāo)的高度和識(shí)別碼。正是這種工作方式使得二次雷達(dá)不需很大的功率就能探測到距離較遠(yuǎn)的目標(biāo)，而且得到的信息也很豐富。

二次雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中具有效率高、測量精度高、功率小、成本低、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此其在軍民用航空業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是單脈沖二次雷達(dá)開發(fā)應(yīng)用后，探測精度得到了進(jìn)一步提高。

但是，由于實(shí)際空域中的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，二次雷達(dá)信號(hào)在一定程度上會(huì)受到干擾，同時(shí)高山、湖泊或高層建筑也會(huì)對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行反射，從而影響二次雷達(dá)的觀測效果。特別在雷達(dá)站周邊區(qū)域，環(huán)境對(duì)二次雷達(dá)的影響更加強(qiáng)烈，反射信號(hào)與干擾信號(hào)，以及由于二次雷達(dá)自身性能原因引起的環(huán)繞信號(hào)大量出現(xiàn)。與此同時(shí)，當(dāng)目標(biāo)靠近雷達(dá)站時(shí)，目標(biāo)自身的切向速度影響會(huì)越來越大，導(dǎo)致其實(shí)時(shí)更新周期嚴(yán)重偏離二次雷達(dá)天線掃描周期，從一個(gè)很小值到1.5倍天線掃描周期之間都可能存在，嚴(yán)重影響了二次雷達(dá)的探測性能。

二、 引起目標(biāo)更新周期變化的原因

目前，二次雷達(dá)系統(tǒng)的天線基本上都是采用機(jī)械的、全周期均勻掃描的方式運(yùn)行，一旦正常工作后，二次雷達(dá)的天線掃描周期是固定不變的。

一般情況下，對(duì)于所有的監(jiān)視目標(biāo)，我們可以簡單地認(rèn)為目標(biāo)更新周期等于天線掃描周期。但是在實(shí)際應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)目標(biāo)的不同運(yùn)行態(tài)勢(shì)，例如方位速度的變化，以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與天線掃描方向的關(guān)系等，目標(biāo)的實(shí)時(shí)更新周期可能不等于天線掃描周期，有時(shí)甚至?xí)嗖詈芏?。具體情況如下：

（一）目標(biāo)的方位速度較小。當(dāng)目標(biāo)距離雷達(dá)站較遠(yuǎn)，或者進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)，或者速度較低（例如直升機(jī)）時(shí)，方位速度很小，目標(biāo)自身運(yùn)動(dòng)對(duì)其更新周期的影響一般也很小，幾乎忽略不計(jì)。對(duì)于這種情況，如果目標(biāo)更新周期設(shè)置為等于天線掃描周期，是正確的。

（二）目標(biāo)的方位速度較大，且運(yùn)動(dòng)方向與天線轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。這種情況主要是指近距離目標(biāo)發(fā)生切向運(yùn)動(dòng)，而且與天線轉(zhuǎn)動(dòng)同向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，天線與目標(biāo)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)的方位速度越大，目標(biāo)的更新周期越大的情況。如果在進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)處理時(shí)，還是直接將目標(biāo)更新周期等同于天線掃描周期，則可能導(dǎo)致點(diǎn)航跡相關(guān)處理的時(shí)間控制出現(xiàn)異常，進(jìn)而出現(xiàn)跟蹤失敗，無法正常監(jiān)視。

（三）目標(biāo)的方位速度較大，且運(yùn)動(dòng)方向與天線轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。這種情況主要是指近距離目標(biāo)發(fā)生切向運(yùn)動(dòng)，而且與天線轉(zhuǎn)動(dòng)反向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，天線與目標(biāo)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)的方位速度越大，目標(biāo)的更新周期越小的情況。如果目標(biāo)方位速率非常大，則目標(biāo)的更新周期將大大縮小，此時(shí)點(diǎn)航跡相關(guān)也會(huì)出現(xiàn)異常。為了防止這種情況出現(xiàn)，在此進(jìn)行規(guī)定：如果目標(biāo)更新周期小于0.5倍天線掃描周期，則航跡更新被禁止，目標(biāo)點(diǎn)跡報(bào)告被丟棄。

三、 目標(biāo)更新周期的計(jì)算方法

根據(jù)上文敘述，當(dāng)目標(biāo)的方位度較大時(shí)，目標(biāo)的更新周期會(huì)發(fā)生較大變化，如果不實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算，而是仍然以天線掃描周期作為目標(biāo)更新周期，則可能導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)航跡相關(guān)處理的時(shí)間控制出現(xiàn)異常，進(jìn)而導(dǎo)致目標(biāo)跟蹤失敗，航跡丟失，出現(xiàn)情報(bào)遺漏的重大問題。

為此，我們提出了一種目標(biāo)更新周期的計(jì)算方法，此算法可以根據(jù)目標(biāo)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算它的實(shí)時(shí)更新周期，然后使用實(shí)時(shí)更新周期進(jìn)行點(diǎn)航跡相關(guān)處理與目標(biāo)跟蹤處理，具體處理流程如圖1所示。

（一）雷達(dá)探測區(qū)域劃分

首先，為了便于處理，我們根據(jù)目標(biāo)的仰角與距離，將二次雷達(dá)監(jiān)視范圍劃分為三個(gè)區(qū)域：遠(yuǎn)距離區(qū)域、一般近距離區(qū)域、極近距離區(qū)域。當(dāng)目標(biāo)處于不同處理區(qū)域時(shí)，它們的更新周期的計(jì)算方法不同。

假設(shè)各個(gè)區(qū)域的距離與仰角參數(shù)閥值為：ρFar、ρNormalNear、ρTooNear、EFar、ENormalNear、ETooNear，且存在以下關(guān)系：ρFar>ρNormalNear>ρTooNear，且EFar

當(dāng)目標(biāo)的仰角和距離同時(shí)位于相同的閥值內(nèi)，則目標(biāo)屬于此閥值對(duì)應(yīng)區(qū)域；當(dāng)目標(biāo)的仰角和距離位于不同的閥值內(nèi)，則目標(biāo)屬于較大的閥值對(duì)應(yīng)區(qū)域。

（二）遠(yuǎn)距離區(qū)域處理

當(dāng)目標(biāo)屬于遠(yuǎn)距離區(qū)域時(shí)，它的方位速度變化很小，對(duì)自身更新周期影響也很小。此時(shí)，直接將目標(biāo)更新周期等于天線掃描周期，也是完全可以的。

（三）一般近距離區(qū)域處理

當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)處于一般近距離區(qū)域時(shí)，自身運(yùn)動(dòng)對(duì)它的更新周期影響會(huì)顯著增大，它的更新周期不能再簡單地等于天線掃描周期，需要根據(jù)目標(biāo)極坐標(biāo)下的運(yùn)動(dòng)情況實(shí)時(shí)計(jì)算。

如圖2所示，目標(biāo)的方位速度越大，對(duì)其更新周期的影響也越大。假設(shè)二次雷達(dá)天線掃描周期為T，目標(biāo)的更新周期為τ，目標(biāo)的方位速率為θ·，則目標(biāo)的實(shí)時(shí)更新周期的計(jì)算公式如下：

（四）極近距離區(qū)域處理

首先，如圖3所示，當(dāng)目標(biāo)繼續(xù)向雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)，處于極近距離區(qū)域時(shí)，極坐標(biāo)位置誤差增大，可能出現(xiàn)方位變化很大而距離變化很小的情況，導(dǎo)致航跡跟蹤可能出現(xiàn)異常，任何形式的極坐標(biāo)方程都不可能產(chǎn)生充分準(zhǔn)確性。所以，目標(biāo)處理首先需要由極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系，然后使用直角坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行航跡更新與航跡平滑等處理。

對(duì)于每個(gè)極近距離區(qū)域的目標(biāo)，首先從整數(shù)0開始逐一代入公式（4）進(jìn)行計(jì)算，確定R取值；一旦R值確定，則目標(biāo)的實(shí)時(shí)更新周期τ由以上公式（4）進(jìn)行計(jì)算。

四、 目標(biāo)更新周期的計(jì)算方法的實(shí)際應(yīng)用

本文所述方法已應(yīng)用在某二次雷達(dá)改造項(xiàng)目中，并取得了良好效果。我們根據(jù)采集的某二次雷達(dá)的實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行脫機(jī)處理，對(duì)目標(biāo)更新周期的計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。此二次雷達(dá)天線的掃描周期是12秒，順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖4所示，是沒有采用目標(biāo)更新周期算法時(shí)的處理效果，從圖中可以看出二次代碼為7252的目標(biāo)以順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，在時(shí)刻03：18：55，點(diǎn)跡探測正常，但是點(diǎn)航跡相關(guān)處理出現(xiàn)異常，相關(guān)失敗，導(dǎo)致航跡出現(xiàn)外推，并最終消失。后來，一直到時(shí)刻03：30：20，此目標(biāo)才再次起始航跡，導(dǎo)致出現(xiàn)了約2分鐘時(shí)間的漏情問題。

如圖5所示，在采用了目標(biāo)更新周期算法后，對(duì)相同數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，二次代碼為7252的目標(biāo)跟蹤正常，航跡連續(xù)平滑。由此可見，二次雷達(dá)目標(biāo)的更新周期經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)算處理后，二次雷達(dá)系統(tǒng)的近距離目標(biāo)探測能力大大增強(qiáng)，探測精度也得到很大的提高。

五、 結(jié)束語

近距離目標(biāo)的探測，一直以來都是二次雷達(dá)系統(tǒng)的處理難點(diǎn)。本文所述的近距離目標(biāo)的更新周期的計(jì)算方法，可以計(jì)算目標(biāo)的實(shí)時(shí)更新周期，更加精確地預(yù)測目標(biāo)下一次掃描時(shí)的探測位置，準(zhǔn)確地對(duì)近距離目標(biāo)進(jìn)行跟蹤與監(jiān)視，并有利于更加準(zhǔn)確地對(duì)虛假目標(biāo)進(jìn)行濾除，包括反射目標(biāo)、同步目標(biāo)以及環(huán)繞目標(biāo)，提升二次雷達(dá)的近距離監(jiān)視目標(biāo)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。同時(shí)，在不增加硬件成本的前提下，也能夠大大提高近距離目標(biāo)的探測概率與數(shù)據(jù)精度，擴(kuò)大了二次雷達(dá)的有效探測頂空，縮小了頂空盲區(qū)，最大探測目標(biāo)仰角可達(dá)60度以上，在保證探測精度的情況下，擴(kuò)大了二次雷達(dá)近距離的有效監(jiān)視范圍，提升了二次雷達(dá)系統(tǒng)的整機(jī)性能。

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作者簡介：

張繼明，男，碩士，南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司工程師，研究方向：雷達(dá)信息融合與目標(biāo)跟蹤；

劉海波，男，工程師，空軍駐滬寧地區(qū)軍事代表室，研究方向：雷達(dá)工程與裝備質(zhì)量管理；

咸儆醒，男，南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司工程師，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)總體技術(shù)。