炮位偵察校射雷達(dá)TAS與TWS并行運(yùn)行算法

姜 洋 周永偉 宋思盛

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

炮位偵察校射雷達(dá)在工作時(shí)，在其指定工作區(qū)域建立搜索屏，當(dāng)有穿過搜索屏的彈丸目標(biāo)時(shí)，將其捕獲并跟蹤。一般以TAS方式運(yùn)行，通常包括搜索、確認(rèn)、跟蹤三種功能的波束，搜索到目標(biāo)時(shí)，發(fā)射(2～4)個(gè)確認(rèn)波束獲取更多的目標(biāo)信息，再轉(zhuǎn)入跟蹤,文獻(xiàn)[1-3]中論述了TAS的最優(yōu)自適應(yīng)波束調(diào)度算法。實(shí)彈射擊期間，當(dāng)搜索屏內(nèi)有飛行器、飛鳥、車輛、高鐵等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，導(dǎo)致某些個(gè)搜索波位不停地搜索到目標(biāo)并進(jìn)行確認(rèn)，跟蹤一段時(shí)間后判斷為非彈丸類目標(biāo)時(shí)，再停止跟蹤；之后，又搜索，又確認(rèn)，如此周而復(fù)始，嚴(yán)重浪費(fèi)系統(tǒng)的時(shí)間資源。對(duì)服役我國部隊(duì)的幾型炮位偵察校射雷達(dá)在演習(xí)過程中的調(diào)研結(jié)果也表明，復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境使搜索數(shù)據(jù)率嚴(yán)重降低，幾乎不能再搜索到真正的彈丸目標(biāo)，無法完成作戰(zhàn)任務(wù)。

目前，炮位偵察校射雷達(dá)在以TAS方式運(yùn)行時(shí)，為了保證搜索數(shù)據(jù)率，主要采取兩種技術(shù)手段：一是通過增加雷達(dá)能量資源，展寬方位波束寬度使搜索空域內(nèi)安排更少的波位，從而減小幀掃時(shí)間，但是會(huì)付出增加雷達(dá)設(shè)計(jì)難度和成本的代價(jià)；二是根據(jù)目標(biāo)的某維特征(濾波器號(hào)、幅度等)不滿足要求時(shí)進(jìn)行硬性摳除，但是以犧牲檢測概率為代價(jià)的。兩種手段能夠使數(shù)據(jù)率得到相應(yīng)的得益，也要付出一定代價(jià)，往往是在得益和代價(jià)中尋求一種平衡，不能實(shí)際發(fā)揮雷達(dá)的所有潛力，而且更為復(fù)雜環(huán)境下，也不能保證完成作戰(zhàn)任務(wù)。

1 TAS與TWS模式分析

縱觀國內(nèi)外所有雷達(dá)，無外乎TAS和TWS兩種波束調(diào)度方式。

TAS方式利用相控陣?yán)走_(dá)靈活的波束調(diào)度優(yōu)勢，一邊發(fā)射搜索波束，一邊發(fā)射跟蹤波束對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤。國內(nèi)外各型炮位偵察校射雷達(dá)絕大多數(shù)是以TAS方式設(shè)計(jì)，該方式對(duì)于高速高機(jī)動(dòng)特點(diǎn)的火炮、火箭炮發(fā)射的彈丸目標(biāo)，具有在保證搜索數(shù)據(jù)率的情況下，使用一層搜索屏就可以將其捕獲并跟蹤的優(yōu)點(diǎn)，但是TAS受戰(zhàn)場環(huán)境影響特別大，若搜索屏內(nèi)有虛警或非關(guān)注運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，搜索數(shù)據(jù)率會(huì)大幅下降，無法完成作戰(zhàn)任務(wù)?？梢?，維持搜索數(shù)據(jù)率是TAS波束調(diào)度方式偵校雷達(dá)多年以來一直面臨的重大問題。

(1)

(2)

由式(1)可知，確認(rèn)波束是影響數(shù)據(jù)率的主要成分，若能減少虛警或非關(guān)注目標(biāo)發(fā)起的確認(rèn)波束，將大大提升搜索數(shù)據(jù)率。

TWS方式與TAS相比，只發(fā)射搜索波束，沒有確認(rèn)和跟蹤波束，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)濾波、預(yù)測，提取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而過濾掉雜波數(shù)據(jù)，完成對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，多目標(biāo)能力大大強(qiáng)于TAS，而且它是能保證固定搜索數(shù)據(jù)率的。彈丸運(yùn)動(dòng)過程中，相對(duì)雷達(dá)俯仰角速度很大，若采用TWS方式，一方面，要保證俯仰上要覆蓋相當(dāng)大的空域保證跟蹤點(diǎn)數(shù)；另一方面，炮位偵察校射雷達(dá)在遠(yuǎn)區(qū)要求的2.5 Hz以上的搜索數(shù)據(jù)率，近區(qū)甚至要求10 Hz以上的數(shù)據(jù)率，才能保證發(fā)現(xiàn)概率。綜合來講，采用TWS方式設(shè)計(jì)偵校雷達(dá)，隨著運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度越高，所需付出的能量資源越大，對(duì)迫擊炮還能應(yīng)付，對(duì)于榴彈炮和火箭炮等高速目標(biāo)跟蹤，是要付出很大設(shè)計(jì)成本的。

在某些地面?zhèn)刹炖走_(dá)中，對(duì)TWS建航的航跡，可利用TAS實(shí)施精密跟蹤，它是利用低速目標(biāo)特性，在保證TWS的數(shù)據(jù)率的前提下，對(duì)有限的幾個(gè)航跡進(jìn)行TAS跟蹤，顯然該方式也不適用于對(duì)付高速目標(biāo)的炮位偵察校射雷達(dá)。

通過以上分析，使用TAS方式設(shè)計(jì)炮位偵察校射雷達(dá)是一種綜合優(yōu)選方案。因此，國內(nèi)外炮位偵察校射雷達(dá)基本都是以TAS方式運(yùn)行的，當(dāng)TAS遇到設(shè)計(jì)瓶頸時(shí)，雷達(dá)設(shè)計(jì)師總是希望采用TWS方式的固定數(shù)據(jù)率優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行突破，由于受到資源、算法、成本等種種因素的制約，國內(nèi)并沒有這類產(chǎn)品，美軍的TPQ-50型偵校雷達(dá)以TWS方式設(shè)計(jì)的炮位偵察校射雷達(dá)，但是效果也并不理想。

2 TAS與TWS并行運(yùn)行算法

本文就針對(duì)以上分析的問題，在以TAS方式運(yùn)行的炮位偵察校射雷達(dá)，將TWS嵌入其中，使TAS與TWS有機(jī)結(jié)合，并行運(yùn)行于一部炮位偵察校射雷達(dá)中。將TWS嵌入后，對(duì)原有的TAS波束調(diào)度策略、過程不會(huì)產(chǎn)生任何影響，而是加大了利用搜索波束檢測信息的力度，充分發(fā)揮了各自優(yōu)勢。

參照圖1，對(duì)TAS與TWS并行運(yùn)行算法如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行敘述。

1)TAS建航航跡存儲(chǔ)在TAS跟蹤隊(duì)列(以下簡稱“A隊(duì)列”)中，對(duì)于A隊(duì)列中的目標(biāo)，每跟蹤一次即通過運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，若判別為非彈丸類目標(biāo)時(shí)，將其從A隊(duì)列中刪除，插入TWS跟蹤隊(duì)列(以下簡稱“W隊(duì)列”)中，因航跡已經(jīng)不在A隊(duì)列中，所以波束調(diào)度器便不再發(fā)射跟蹤波束?？紤]82 mm迫擊炮彈、120 mm迫榴炮彈、122 mm榴彈、155 mm榴彈、122 mm火箭彈五種彈丸目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征，滿足以下幾種條件時(shí)，可認(rèn)為TAS跟蹤的目標(biāo)為非彈丸目標(biāo)：①目標(biāo)經(jīng)過搜索、確認(rèn)，解多普勒速度模糊后，多普勒速度<8 m/s；②通過TAS跟蹤點(diǎn)(跟蹤濾波器收斂，一般可選擇5～8)后，垂直方向速度<20 m/s；③計(jì)算垂直方向速度的移動(dòng)平均值，EMA(,)<5 m/s，考慮到彈丸弧頂運(yùn)行特征，≥12。

2)之后，在時(shí)刻發(fā)射搜索波束，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到待確認(rèn)目標(biāo)，使用的測量值在W隊(duì)列中進(jìn)行檢索，確定與W隊(duì)列中某航跡具有相關(guān)的可能時(shí)，利用在發(fā)射波束時(shí)刻的預(yù)測值與的測量值計(jì)算馬式距離，若≤e(e根據(jù)雷達(dá)自身精度進(jìn)行確定)，則表明是航跡上的一個(gè)值，采用更新迭代濾波器，完成一次航跡的TWS跟蹤，并將從待確認(rèn)目標(biāo)中刪除。若波束中仍有其他待確認(rèn)目標(biāo)，則重復(fù)以上過程，直到所有待確認(rèn)目標(biāo)遍歷完成。

3)若W隊(duì)列中的航跡沒有在時(shí)刻完成一次TWS跟蹤，利用與航跡最后一次跟蹤時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比，若超出設(shè)定的時(shí)間，表明該航跡跟蹤結(jié)束，將該航跡從W隊(duì)列中刪除。

通過以上步驟，大大降低了對(duì)本次搜索進(jìn)行確認(rèn)的可能性，不發(fā)送確認(rèn)波束也就大大節(jié)省了時(shí)間資源，提高了搜索數(shù)據(jù)率。

圖1 TAS與TWS并行運(yùn)行示意圖

因?yàn)門AS模式一般只有一層搜索波束，其覆蓋空域較小，TWS航跡在此區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，便超出搜索波束的檢測范圍。因此，每進(jìn)行一次TWS跟蹤后，對(duì)其跟蹤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估并及時(shí)反饋到終端，當(dāng)某航跡即將超出檢測范圍，但操作手認(rèn)為本航跡對(duì)戰(zhàn)場態(tài)勢分析有很大作用，可將其從W隊(duì)列移動(dòng)到A隊(duì)列中，波束調(diào)度器再按其運(yùn)動(dòng)特性適時(shí)發(fā)送跟蹤波束，確保本航跡持續(xù)跟蹤下去。同樣，操作手也可將A隊(duì)列中的非彈丸目標(biāo)移動(dòng)到W隊(duì)列中。

3 驗(yàn)證與優(yōu)點(diǎn)分析

通過以上分析，以TAS方式運(yùn)行的炮位偵察校射雷達(dá)，將TWS嵌入其中，減少了確認(rèn)波束，根據(jù)式(1)，能夠提高雷達(dá)搜索數(shù)據(jù)率是顯而易見的。本算法是在不改變原有TAS的調(diào)度策略的前提下，實(shí)現(xiàn)TAS與TWS并行運(yùn)行在炮位偵察校射雷達(dá)中，原理正確，實(shí)現(xiàn)簡便。該算法已應(yīng)用于某型炮位偵察校射雷達(dá)，在實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境下，雷達(dá)搜索點(diǎn)跡型顯示見圖2，圖3為TWS跟蹤航跡型顯示?？梢姡捎迷撍惴ê?，圖3中正在進(jìn)行TWS跟蹤的航跡，當(dāng)搜索波束再次發(fā)現(xiàn)后，不再進(jìn)行確認(rèn)。在圖2所顯示的強(qiáng)雜波環(huán)境下，不使用本文算法時(shí)的數(shù)據(jù)率見圖4所示，而在使用本算法后，雷達(dá)搜索數(shù)據(jù)率一直比較穩(wěn)定的維持在較高數(shù)據(jù)率的水平上，見圖5所示。

通過雷達(dá)實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境下的驗(yàn)證，證明該算法原理正確，確實(shí)能解決TAS方式運(yùn)行的炮位偵察校射雷達(dá)遇到的問題。而且，該算法還至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)充分發(fā)揮了TAS與TWS各自優(yōu)勢，使炮位偵察校射雷達(dá)設(shè)計(jì)不必在TAS與TWS兩種方式中糾結(jié)；

2)可人為地將航跡跟蹤方式在TWS和TAS之間無縫轉(zhuǎn)換；

3)TWS跟蹤的航跡在終端中繪制或上報(bào)到上級(jí)、友鄰等戰(zhàn)斗部，有利于分析戰(zhàn)場態(tài)勢和滿足聯(lián)合作戰(zhàn)的需求，使炮位偵察校射雷達(dá)的功能得以擴(kuò)展；

4)嵌入TWS對(duì)TAS波束調(diào)度策略、過程不會(huì)產(chǎn)生任何影響。因此，可在不增加硬件成本的情況下，僅通過軟件升級(jí)，就能對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)進(jìn)行改進(jìn)，大幅提升雷達(dá)適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的能力；

5)對(duì)于一些TWS模式的防空雷達(dá)，可以對(duì)空域的波束進(jìn)行稀疏排布，也能減少幀掃時(shí)間，提高數(shù)據(jù)率；

6)大大降低雷達(dá)的設(shè)計(jì)難度和成本。

圖2 搜索點(diǎn)跡B型顯示

圖3 TWS跟蹤航跡B型顯示

圖4 不采用本文算法時(shí)的雷達(dá)搜索數(shù)據(jù)率

圖5 采用本文算法后的雷達(dá)搜索數(shù)據(jù)率

4 結(jié)束語

在炮位偵察校射雷達(dá)中，將TWS嵌入TAS中，使TAS與TWS有機(jī)結(jié)合，并行運(yùn)行于一部炮位偵察校射雷達(dá)中，通過雷達(dá)在實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境中驗(yàn)證，大大降低了對(duì)非彈丸類目標(biāo)的確認(rèn)，提高了搜索數(shù)據(jù)率，使炮位偵察校射雷達(dá)不再受戰(zhàn)場中非彈丸類目標(biāo)的干擾。另外，通過對(duì)算法的優(yōu)點(diǎn)分析，使用該算法也可滿足不同的戰(zhàn)場需求。