跟蹤雷達彈丸與目標分離方法

王曉楠(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

跟蹤雷達作為武器系統(tǒng)的傳感器，負責對來襲目標進行精確捕獲、跟蹤，實時送出高精度的目標信息數(shù)據(jù)，武器系統(tǒng)根據(jù)目標參數(shù)進行濾波計算，引導火炮對目標進行攔截[1]。

武器系統(tǒng)在控制火炮對來襲目標攔截射擊過程中存在彈丸與目標相遇時干擾對目標的跟蹤測量，引發(fā)異常測量偏差，甚至導致跟蹤雷達不能正常跟蹤目標，造成后續(xù)火炮射擊命中概率下降。因此有必要濾除彈丸回波對目標跟蹤的影響，保證目標能夠正常跟蹤，進而保證武器系統(tǒng)的跟蹤射擊效果。

1 原理簡介

雷達要探測的目標通常是運動的物體，如飛機、導彈等，但在目標周圍經(jīng)常存在地物、海浪等各種雜波背景。為濾去固定雜波、提取運動目標回波，雷達通常采用動目標顯示(MTI)和動目標檢測(MTD)處理方式，通過多普勒濾波器組實現(xiàn)，不同的速度代表多普勒濾波器通道不同，一般將零通道附近的雜波通道濾除，保留有用的目標通道[2]。

在目標跟蹤過程中通過目標跟蹤波門對目標進行精確跟蹤，實時測量出目標速度，確定目標多普勒通道；在火炮或導彈發(fā)射后，通過彈丸監(jiān)測波門，對彈丸進行監(jiān)測，實時測量出彈丸速度，通過目標速度與彈丸速度的計算，確定一個重復頻率，使目標多普勒通道在中間，彈丸多普勒通道遠離多普勒中間通道，實現(xiàn)目標與彈丸的分離，消除彈丸回波對目標跟蹤的影響[3]。

2 彈丸與目標分離計算方法介紹

跟蹤雷達彈丸與目標分離方法流程圖如圖1所示。

圖1 跟蹤雷達彈丸與目標分離方法

通過對跟蹤雷達中頻信號進行采樣及數(shù)字下變頻處理，在跟蹤波門內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，并計算當前波門內(nèi)信號，判斷回波幅度是否過門限，計算得出目標質(zhì)心相對于當前波門中心的位置。然后計算當前處理組與上次處理組的時間間隔。將質(zhì)心位置與2次處理數(shù)據(jù)的時間間隔代入濾波器中，進行二維濾波計算，得到目標徑向速度v。

根據(jù)目標徑向速度v計算目標的多普勒頻率fd，公式如下：

(1)

式中：c為光速常數(shù)；fc為雷達工作頻率；v為目標徑向速度[2]。

目標所在多普勒通道計算公式如下：

(2)

式中：a為目標所在多普勒通道；m為正整數(shù)(表示迭代次數(shù))；f為重復頻率；fd為目標多普勒頻率；N為動目標處理的多普勒通道數(shù)。

在火炮或導彈發(fā)射后，跟蹤雷達在跟蹤目標的同時，在目標跟蹤波門前設置彈丸波門，實時測量出彈丸速度v1，在彈丸跟蹤過程中僅刪除雜波通道數(shù)據(jù)。

計算出合適的重頻f，使得目標所在多普勒通道a在N/2左右。計算公式如下：

(3)

式中：fc為雷達工作頻率；c為光速常數(shù)；v為目標徑向速度；N為動目標處理的多普勒通道數(shù)；m為正整數(shù)，表示迭代次數(shù)；b為正整數(shù)(0≤b

彈丸多普勒通道a1計算公式如下：

(4)

式中：f為重復頻率；v1為彈丸速度；fc為雷達工作頻率；c為光速常數(shù)；N為動目標處理的多普勒通道數(shù)；m為正整數(shù)，表示迭代次數(shù)。

選擇合適的迭代次數(shù)m，使得彈丸多普勒通道a1與目標多普勒通道a落在不同的多普勒通道上并相隔一定通道數(shù)，計算出f值并設為當前重復頻率，刪除兩側多普勒通道以及彈丸多普勒通道a1，進行目標跟蹤。

根據(jù)目標速度、目標距離的變化，自適應改變雷達重復頻率，實現(xiàn)跟蹤雷達彈丸與目標的分離。

3 仿真結果

設定發(fā)射頻率為14 GHz，32點快速傅里葉變換(FFT)，查找折疊次數(shù)最多15次，間隔通道數(shù)為3，最小的重復頻率保證跟蹤波門內(nèi)所有速度彈丸回波不占用6個通道，最大重復頻率控制在50 kHz以內(nèi)，優(yōu)先選用落在中心通道處的重復頻率。

重復頻率選取仿真結果如圖2所示。

圖2 目標與彈丸分離重復頻率仿真圖

遍歷所有的點都存在合適的重復頻率，最小重頻為5 708.9 Hz。

目標通道仿真結果如圖3所示。

圖3 目標與彈丸分離目標通道仿真圖

目標主瓣通道最小為5，最大為168(折疊后落在8通道)。

4 試驗驗證

火炮射擊時彈丸回波與目標回波如圖4所示，彈丸回波幅度與目標回波幅度基本相當。

圖4 火炮射擊時彈丸回波與目標回波

火炮持續(xù)射擊，彈丸回波與目標回波如圖5所示，彈丸回波幅度明顯強于與目標回波，此時彈丸與目標即將相遇，若不采取措施，彈丸回波將淹沒目標回波，影響目標跟蹤、測量。

采用自適應變重頻彈丸與目標分離方法，效果如圖6所示，彈丸回波被濾除，目標跟蹤正常，實現(xiàn)了彈丸與目標的分離。

圖5 火炮持續(xù)射擊時彈丸回波與目標回波

圖6 使用彈丸目標分離處理后的回波

5 結束語

本文介紹了一種基于自適應變重頻的彈丸回波與目標回波的分離方法，消除了跟蹤雷達在火炮射擊時彈丸回波對目標跟蹤的影響，有效提高了火炮射擊命中概率。通過理論計算、仿真分析、模擬試驗，驗證了本方法的有效性。同時該方法的原理也可應用于雷達抗干擾領域，濾除雜波和干擾，保留目標信息，提高雷達抗干擾性能。

[1] 張明友，汪學剛.雷達系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 吳順君，梅曉春.雷達信號處理和數(shù)據(jù)處理技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 周紅峰，王曉楠.單脈沖跟蹤雷達對掠海飛行目標跟蹤仿真[J].艦船電子對抗，2017，40(1)：17-20.