一種二次雷達的目標更新周期的計算方法

張繼明　劉海波　咸儆醒

摘 要：當目標接近二次雷達站時，由于目標自身的切向運動影響，會導致其更新周期大大偏離雷達天線掃描周期。針對這種情況，本文提出了一種目標更新周期的實時計算方法，可以根據目標的實際運動姿態，實時地計算目標更新周期，然后進行航跡相關與位置平滑處理。經過實際環境驗證，本算法在保證了近距離目標跟蹤準確性的同時，也可以有效地去除虛假目標，提高二次雷達在近距離區域的探測性能。

關鍵詞：目標更新周期；近距離區域；二次雷達；探測性能

中圖分類號：F062.4 文獻標識碼：A 文章編號：1008-4428（2018）06-0141-03

一、 引言

隨著航空行業的高度發展，二次雷達系統廣泛應用于空中交通管制，使空中交通管制員能實時獲知空中飛機的位置、高度、速度等信息。一個典型的二次雷達系統，包括地面設備（應答解碼器和詢問機）和機載應答機兩個主要部分。由地面的詢問機發射詢問脈沖，機載應答機接收到詢問信號后根據詢問的模式產生相應的應答脈沖。地面詢問機接收到機載的應答脈沖后進行一系列處理，通過發射與接收的時間間隔確定目標的距離，通過單脈沖技術確定目標的方位，通過對接收的脈沖串進行解碼得到目標的高度和識別碼。正是這種工作方式使得二次雷達不需很大的功率就能探測到距離較遠的目標，而且得到的信息也很豐富。

二次雷達在實際應用中具有效率高、測量精度高、功率小、成本低、高穩定性等優點，因此其在軍民用航空業得到了廣泛的應用，尤其是單脈沖二次雷達開發應用后，探測精度得到了進一步提高。

但是，由于實際空域中的電磁環境比較復雜，二次雷達信號在一定程度上會受到干擾，同時高山、湖泊或高層建筑也會對電磁信號進行反射，從而影響二次雷達的觀測效果。特別在雷達站周邊區域，環境對二次雷達的影響更加強烈，反射信號與干擾信號，以及由于二次雷達自身性能原因引起的環繞信號大量出現。與此同時，當目標靠近雷達站時，目標自身的切向速度影響會越來越大，導致其實時更新周期嚴重偏離二次雷達天線掃描周期，從一個很小值到1.5倍天線掃描周期之間都可能存在，嚴重影響了二次雷達的探測性能。

二、 引起目標更新周期變化的原因

目前，二次雷達系統的天線基本上都是采用機械的、全周期均勻掃描的方式運行，一旦正常工作后，二次雷達的天線掃描周期是固定不變的。

一般情況下，對于所有的監視目標，我們可以簡單地認為目標更新周期等于天線掃描周期。但是在實際應用中，我們發現，根據目標的不同運行態勢，例如方位速度的變化，以及目標運動方向與天線掃描方向的關系等，目標的實時更新周期可能不等于天線掃描周期，有時甚至會相差很多。具體情況如下：

（一）目標的方位速度較小。當目標距離雷達站較遠，或者進行徑向運動，或者速度較低（例如直升機）時，方位速度很小，目標自身運動對其更新周期的影響一般也很小，幾乎忽略不計。對于這種情況，如果目標更新周期設置為等于天線掃描周期，是正確的。

（二）目標的方位速度較大，且運動方向與天線轉動方向相同。這種情況主要是指近距離目標發生切向運動，而且與天線轉動同向運動。此時，天線與目標同時運動，會出現目標的方位速度越大，目標的更新周期越大的情況。如果在進行雷達數據處理時，還是直接將目標更新周期等同于天線掃描周期，則可能導致點航跡相關處理的時間控制出現異常，進而出現跟蹤失敗，無法正常監視。

（三）目標的方位速度較大，且運動方向與天線轉動方向相反。這種情況主要是指近距離目標發生切向運動，而且與天線轉動反向運動。此時，天線與目標同時運動，會出現目標的方位速度越大，目標的更新周期越小的情況。如果目標方位速率非常大，則目標的更新周期將大大縮小，此時點航跡相關也會出現異常。為了防止這種情況出現，在此進行規定：如果目標更新周期小于0.5倍天線掃描周期，則航跡更新被禁止，目標點跡報告被丟棄。

三、 目標更新周期的計算方法

根據上文敘述，當目標的方位度較大時，目標的更新周期會發生較大變化，如果不實時進行計算，而是仍然以天線掃描周期作為目標更新周期，則可能導致目標點航跡相關處理的時間控制出現異常，進而導致目標跟蹤失敗，航跡丟失，出現情報遺漏的重大問題。

為此，我們提出了一種目標更新周期的計算方法，此算法可以根據目標的實時運動姿態，計算它的實時更新周期，然后使用實時更新周期進行點航跡相關處理與目標跟蹤處理，具體處理流程如圖1所示。

（一）雷達探測區域劃分

首先，為了便于處理，我們根據目標的仰角與距離，將二次雷達監視范圍劃分為三個區域：遠距離區域、一般近距離區域、極近距離區域。當目標處于不同處理區域時，它們的更新周期的計算方法不同。

假設各個區域的距離與仰角參數閥值為：ρFar、ρNormalNear、ρTooNear、EFar、ENormalNear、ETooNear，且存在以下關系：ρFar>ρNormalNear>ρTooNear，且EFar

當目標的仰角和距離同時位于相同的閥值內，則目標屬于此閥值對應區域；當目標的仰角和距離位于不同的閥值內，則目標屬于較大的閥值對應區域。

（二）遠距離區域處理

當目標屬于遠距離區域時，它的方位速度變化很小，對自身更新周期影響也很小。此時，直接將目標更新周期等于天線掃描周期，也是完全可以的。

（三）一般近距離區域處理

當目標向雷達站運動處于一般近距離區域時，自身運動對它的更新周期影響會顯著增大，它的更新周期不能再簡單地等于天線掃描周期，需要根據目標極坐標下的運動情況實時計算。

如圖2所示，目標的方位速度越大，對其更新周期的影響也越大。假設二次雷達天線掃描周期為T，目標的更新周期為τ，目標的方位速率為θ·，則目標的實時更新周期的計算公式如下：

（四）極近距離區域處理

首先，如圖3所示，當目標繼續向雷達站運動，處于極近距離區域時，極坐標位置誤差增大，可能出現方位變化很大而距離變化很小的情況，導致航跡跟蹤可能出現異常，任何形式的極坐標方程都不可能產生充分準確性。所以，目標處理首先需要由極坐標系轉換為直角坐標系，然后使用直角坐標位置數據，對目標進行航跡更新與航跡平滑等處理。

對于每個極近距離區域的目標，首先從整數0開始逐一代入公式（4）進行計算，確定R取值；一旦R值確定，則目標的實時更新周期τ由以上公式（4）進行計算。

四、 目標更新周期的計算方法的實際應用

本文所述方法已應用在某二次雷達改造項目中，并取得了良好效果。我們根據采集的某二次雷達的實測數據，進行脫機處理，對目標更新周期的計算方法進行了驗證。此二次雷達天線的掃描周期是12秒，順時針勻速轉動。

如圖4所示，是沒有采用目標更新周期算法時的處理效果，從圖中可以看出二次代碼為7252的目標以順時針方向運動，在時刻03：18：55，點跡探測正常，但是點航跡相關處理出現異常，相關失敗，導致航跡出現外推，并最終消失。后來，一直到時刻03：30：20，此目標才再次起始航跡，導致出現了約2分鐘時間的漏情問題。

如圖5所示，在采用了目標更新周期算法后，對相同數據進行處理，二次代碼為7252的目標跟蹤正常，航跡連續平滑。由此可見，二次雷達目標的更新周期經過實時計算處理后，二次雷達系統的近距離目標探測能力大大增強，探測精度也得到很大的提高。

五、 結束語

近距離目標的探測，一直以來都是二次雷達系統的處理難點。本文所述的近距離目標的更新周期的計算方法，可以計算目標的實時更新周期，更加精確地預測目標下一次掃描時的探測位置，準確地對近距離目標進行跟蹤與監視，并有利于更加準確地對虛假目標進行濾除，包括反射目標、同步目標以及環繞目標，提升二次雷達的近距離監視目標的數據質量。同時，在不增加硬件成本的前提下，也能夠大大提高近距離目標的探測概率與數據精度，擴大了二次雷達的有效探測頂空，縮小了頂空盲區，最大探測目標仰角可達60度以上，在保證探測精度的情況下，擴大了二次雷達近距離的有效監視范圍，提升了二次雷達系統的整機性能。

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作者簡介：

張繼明，男，碩士，南京恩瑞特實業有限公司工程師，研究方向：雷達信息融合與目標跟蹤；

劉海波，男，工程師，空軍駐滬寧地區軍事代表室，研究方向：雷達工程與裝備質量管理；

咸儆醒，男，南京恩瑞特實業有限公司工程師，研究方向：雷達系統總體技術。