基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的搜索雷達(dá)技術(shù)研究

周永偉 郝小寧 董普靠 姚 頡

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局 西安 710000)

0 引言

伴隨防空是現(xiàn)代野戰(zhàn)防空體系的重要組成部分，其主要任務(wù)是掩護(hù)戰(zhàn)斗區(qū)域內(nèi)作戰(zhàn)部隊(duì)以及戰(zhàn)區(qū)內(nèi)其他重要目標(biāo)和部隊(duì)在集結(jié)、展開(kāi)、行進(jìn)過(guò)程中不受敵方的空中襲擊。自行防空武器系統(tǒng)具有行進(jìn)間搜索、跟蹤、射擊目標(biāo)能力，使用機(jī)動(dòng)、靈活，既可進(jìn)行要地防空，也可伴隨防空，廣受用戶青睞。

本文分析了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)自行防空武器搜索雷達(dá)的影響因素，并研究了對(duì)各種影響因素的補(bǔ)償處理方法。

1 影響因素分析

在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下跟蹤目標(biāo)與處于靜止?fàn)顟B(tài)下跟蹤目標(biāo)相比，增加的影響因素主要有以下三點(diǎn)：車(chē)體姿態(tài)角變化對(duì)雷達(dá)波束穩(wěn)定的影響、車(chē)體運(yùn)動(dòng)對(duì)雷達(dá)回波多普勒頻率的影響、車(chē)體姿態(tài)及位置變化對(duì)TWS(邊搜索邊跟蹤)的影響。

1.1 波束穩(wěn)定的影響

在自行防空武器系統(tǒng)中通常會(huì)采用搜索雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，由雷達(dá)向武器系統(tǒng)提供目標(biāo)信息輸出，通常包含目標(biāo)距離、方位、仰角、速度等參數(shù)。在車(chē)體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，車(chē)體平臺(tái)相對(duì)大地坐標(biāo)系產(chǎn)生的傾斜會(huì)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)產(chǎn)生影響。

雷達(dá)的天線俯仰波束指向角是指雷達(dá)波束與雷達(dá)的安裝基準(zhǔn)面的夾角。當(dāng)車(chē)體處于靜止并且調(diào)平的狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)的安裝基準(zhǔn)面與水平面平行，在雷達(dá)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，天線俯仰波束指向角相對(duì)于水平面是穩(wěn)定不變的；當(dāng)車(chē)體傾斜時(shí)，雷達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)俯仰波束指向相對(duì)水平面會(huì)發(fā)生變化。這對(duì)雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)是不利的，會(huì)出現(xiàn)漏空域或波束打地的現(xiàn)象，會(huì)使雷達(dá)波束偏離目標(biāo)，導(dǎo)致威力降低，誤差加大，甚至丟失目標(biāo)。

1.2 多普勒頻率的影響

脈沖多普勒雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行相參積累的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)處理，利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和地物回波多普勒頻率的區(qū)別，將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從地物雜波中檢測(cè)出來(lái)。當(dāng)車(chē)體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)獲得的回波信息中除了包含目標(biāo)自身運(yùn)動(dòng)的多普勒信息外，還包含車(chē)體運(yùn)動(dòng)引入的影響，如果不對(duì)車(chē)體運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行補(bǔ)償則會(huì)對(duì)地物和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)產(chǎn)生混淆。

1.3 TWS的影響

在車(chē)體靜止時(shí)，雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理器對(duì)包含目標(biāo)距離、方位、仰角的點(diǎn)跡信息進(jìn)行處理得到航跡信息，處理基于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型。在車(chē)體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于車(chē)體位置和姿態(tài)的變化導(dǎo)致目標(biāo)的測(cè)量位置和航跡的外推位置有較大的距離差不能正確相關(guān)或正確起始航跡。

2 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)跟蹤補(bǔ)償處理

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下由于車(chē)體的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的車(chē)體速度、位置和姿態(tài)的變化導(dǎo)致了前文所述的三點(diǎn)影響，必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。在自行防空武器系統(tǒng)中通常采用組合導(dǎo)航設(shè)備測(cè)量車(chē)體速度、位置和姿態(tài)，行進(jìn)間工作補(bǔ)償原理如圖1所示。在該系統(tǒng)中使用的是一部方位機(jī)械掃描、俯仰相掃的三坐標(biāo)搜索雷達(dá)。

圖1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)跟蹤補(bǔ)償處理圖

2.1 波束穩(wěn)定補(bǔ)償

2.1.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

在進(jìn)行波束穩(wěn)定補(bǔ)償前需要先求出波束的偏移量，計(jì)算波束的偏移需要進(jìn)行多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行求取。在自行防空武器系統(tǒng)中，常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式為搜索雷達(dá)安裝在炮塔上，炮塔安裝在車(chē)體上，炮塔和雷達(dá)均可以全方位旋轉(zhuǎn)。其中涉及到3種坐標(biāo)系，分別是雷達(dá)坐標(biāo)系、車(chē)體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。系統(tǒng)可獲得如下信息：雷達(dá)測(cè)得基于雷達(dá)坐標(biāo)系的目標(biāo)數(shù)據(jù)：目標(biāo)方位角、目標(biāo)俯仰角及目標(biāo)距離；炮塔相對(duì)于車(chē)體坐標(biāo)系的指向信息：炮塔方位角、炮塔俯仰角；車(chē)體相對(duì)于大地坐標(biāo)系的姿態(tài)信息：相對(duì)正北的航向角、相對(duì)水平面的縱搖角以及橫滾角。坐標(biāo)系的級(jí)聯(lián)關(guān)系如圖2所示，圖中的代表兩種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

圖2 坐標(biāo)系級(jí)聯(lián)關(guān)系

即存在，

(1)

(2)

1)雷達(dá)坐標(biāo)系和車(chē)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

雷達(dá)相對(duì)于車(chē)體只有轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，雷達(dá)坐標(biāo)系和車(chē)體坐標(biāo)系僅在方位角上相差。因此兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化公式為

(3)

(4)

2)車(chē)體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

車(chē)體坐標(biāo)系相對(duì)于大地坐標(biāo)系在方位角上有、縱搖角上有，橫滾角上有的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換矩陣為

(5)

(6)

由式(1)、式(3)、式(5)可得，雷達(dá)探測(cè)得到目標(biāo)的球坐標(biāo)數(shù)據(jù)在大地坐標(biāo)系的直角坐標(biāo)為

(7)

由式(2)、式(4)、式(6)可得，大地坐標(biāo)系到車(chē)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法為

(8)

212 波束穩(wěn)定補(bǔ)償過(guò)程

由波束控制器控制搜索雷達(dá)進(jìn)行俯仰相掃，并完成波束穩(wěn)定補(bǔ)償，其工作原理如圖3所示。波束控制器接收車(chē)體姿態(tài)信息、雷達(dá)方位指向信息和炮塔指向信息，以及設(shè)定的雷達(dá)俯仰指向角，設(shè)定目標(biāo)距離為1km(可取任意非0值， 不影響計(jì)算結(jié)果)。

圖3 波束穩(wěn)定補(bǔ)償原理圖

1)將上述參數(shù)代入式(7)得到大地直角坐標(biāo)系坐標(biāo)，然后將其轉(zhuǎn)為大地球坐標(biāo)得到、和Re；

2)令=，將、和Re代入式(8)得到車(chē)體直角坐標(biāo)系坐標(biāo)，然后將其轉(zhuǎn)為球坐標(biāo)系代入式(4)，得到雷達(dá)坐標(biāo)系方位角′、俯仰角′及目標(biāo)距離′，其中?=′-即為應(yīng)補(bǔ)償?shù)母┭銎平牵?/p>

3)波束控制器根據(jù)?求出應(yīng)設(shè)定的指向角，控制雷達(dá)波束指向。

2.2 多普勒頻率補(bǔ)償

在車(chē)體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，回波的多普勒頻率和目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度以及雷達(dá)的波長(zhǎng)有關(guān)。設(shè)目標(biāo)速度為，雷達(dá)波長(zhǎng)為，目標(biāo)多普勒頻率為0，則有

(9)

如果車(chē)體運(yùn)動(dòng)，則引入車(chē)體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻率。由于車(chē)體運(yùn)動(dòng)時(shí)主要速度分量在水平面上，指向車(chē)體航向，車(chē)體的縱搖角和橫滾角影響較小，所以在工程設(shè)計(jì)上通常不予考慮。設(shè)車(chē)體運(yùn)動(dòng)速度為，雷達(dá)波長(zhǎng)為，目標(biāo)相對(duì)車(chē)體的方位角為，相對(duì)車(chē)體的俯仰角為，在該目標(biāo)回波由于車(chē)體運(yùn)動(dòng)疊加的多普勒頻率為1，則有

(10)

設(shè)目標(biāo)回波的實(shí)際多普勒頻率為，則有

=0+1

(11)

由信號(hào)處理器完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)，并完成對(duì)由車(chē)體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻率的補(bǔ)償，其工作原理框圖如圖4所示。

圖4 多普勒頻率補(bǔ)償原理圖

信號(hào)處理器接收車(chē)體速度信息、炮塔指向信息、雷達(dá)工作頻率信息和雷達(dá)方位指向信息，通過(guò)式(3)計(jì)算出雷達(dá)當(dāng)前方位相對(duì)車(chē)體航向的夾角，結(jié)合波束俯仰指向角和車(chē)體速度按照式(10)計(jì)算出車(chē)體運(yùn)動(dòng)引入的多普勒頻率，并送給CFAR模塊；信號(hào)處理器對(duì)接收到的中頻回波信號(hào)后受AD采樣、DDC、脈壓、MTD處理；在CFAR模塊中，計(jì)算出地物回波對(duì)應(yīng)的頻率通道號(hào)，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，將該頻率通道號(hào)移為0號(hào)通道，然后進(jìn)行CFAR處理。經(jīng)過(guò)多普勒頻率補(bǔ)償處理后，可以有效地抑制地物雜波，準(zhǔn)確地區(qū)分動(dòng)目標(biāo)和地物雜波。

2.3 TWS補(bǔ)償

由數(shù)據(jù)處理器完成對(duì)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤，并完成由車(chē)體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的車(chē)體姿態(tài)、位置變化對(duì)目標(biāo)跟蹤影響的補(bǔ)償，其工作原理框圖如圖5所示。

圖5 目標(biāo)跟蹤補(bǔ)償原理圖

數(shù)據(jù)處理器接收點(diǎn)跡信息，把點(diǎn)跡信息轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系，然后進(jìn)行后續(xù)的航跡相關(guān)處理。如果需要可以對(duì)車(chē)體的位置信息進(jìn)行補(bǔ)償，在補(bǔ)償后再進(jìn)行后續(xù)處理，但考慮到車(chē)體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于飛機(jī)速度，并且在行進(jìn)過(guò)程中雷達(dá)每旋轉(zhuǎn)一周對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)更新一次，可以采用以戰(zhàn)車(chē)為原點(diǎn)的浮動(dòng)原點(diǎn)進(jìn)行處理。在本系統(tǒng)中，戰(zhàn)車(chē)在雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)，行進(jìn)的距離小于搜索雷達(dá)一個(gè)距離單元，故采用后一種方法。通過(guò)車(chē)體姿態(tài)補(bǔ)償后，可以消除車(chē)體姿態(tài)擾動(dòng)對(duì)測(cè)量目標(biāo)位置信息的影響，然后進(jìn)行航跡起始和相關(guān)等處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在某自行防空武器系統(tǒng)的研制過(guò)程中，通過(guò)外場(chǎng)跟飛試驗(yàn)，對(duì)本文論述的補(bǔ)償方法進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)，該系統(tǒng)在一段3km長(zhǎng)的路線上往返行駛，最大行駛速度不大于30km/h，在行進(jìn)過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤。戰(zhàn)斗機(jī)以5km為半徑按照?qǐng)A形軌跡飛行，飛行航路的圓心距自行防空武器系統(tǒng)行駛路線約10km，飛行速度200m/s，飛行高度1500m。自行防空武器系統(tǒng)行進(jìn)間工作時(shí)，雷達(dá)對(duì)目標(biāo)形成的航跡如圖6所示，圓圈為目標(biāo)形成的航跡。

圖6 行進(jìn)間工作雷達(dá)航跡圖

通過(guò)外場(chǎng)跟飛試驗(yàn)，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)跟蹤技術(shù)的可行性和正確性。試驗(yàn)結(jié)果表明：在該試驗(yàn)條件下，雷達(dá)能夠有效抑制地面雜波，虛警點(diǎn)較少，并且系統(tǒng)能穩(wěn)定連續(xù)地跟蹤目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在工作時(shí)對(duì)搜索雷達(dá)的主要影響進(jìn)行了分析，研究了補(bǔ)償?shù)姆椒?，并?duì)該補(bǔ)償方法在實(shí)際應(yīng)用中取得的效果進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)跟蹤補(bǔ)償算法的工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，還有較多的理論問(wèn)題和工程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，有待進(jìn)一步的深入分析。