基于單脈沖跟蹤技術(shù)的高精度二次雷達(dá)跟蹤算法

周光魯 徐 靜 高 淵 毛夢月 余 苗

0 引言

二次雷達(dá)[1-4]是由詢問雷達(dá)和應(yīng)答雷達(dá)所組成的無線電電子測位和辨認(rèn)系統(tǒng)。詢問雷達(dá)發(fā)射電磁波，應(yīng)答雷達(dá)（又稱雷達(dá)信標(biāo)）接收到詢問電磁波后被觸發(fā)，發(fā)射應(yīng)答電磁波，詢問雷達(dá)根據(jù)接收到的應(yīng)答電磁而工作，實(shí)現(xiàn)識辨和測位。

某型二次雷達(dá)主要用于兩臺或者多臺設(shè)備的動態(tài)精確跟蹤定位。對精度和捕獲目標(biāo)效率有較高要求。單脈沖測角技術(shù)[5]可滿足高精度的測角要求，但是在滿足精度的同時，還需要快速的捕獲目標(biāo)。所以在實(shí)現(xiàn)上采用了兩段式的工作方式。即先使用寬波束快速搜索目標(biāo)，再使用窄波束在引導(dǎo)角度上通過α- β 濾波器[6]進(jìn)行多次迭代跟蹤。為保證跟蹤的精度以及設(shè)備工作穩(wěn)定性，該設(shè)備工作周期為1s，時間上分成一次搜索以及若干次連續(xù)跟蹤。在每個工作周期內(nèi)均重復(fù)進(jìn)行搜索- 跟蹤的過程，當(dāng)初次捕獲目標(biāo)或者未建立穩(wěn)定跟蹤時，使用搜索角度作為跟蹤的引導(dǎo)角度。建立穩(wěn)定跟蹤以后通過α- β 濾波器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)跟蹤[7]。此時搜索過程仍然繼續(xù)以保證跟蹤穩(wěn)定性。

1 簡述跟蹤模型

用較寬的波束進(jìn)行跟蹤具有效率高，捕獲速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是精度較差。而窄波束跟蹤具有高精度的特點(diǎn)，但是捕獲目標(biāo)較為困難。結(jié)合兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，建立了利用寬波束捕獲目標(biāo)，窄波束跟蹤目標(biāo)的跟蹤模型。該模型主要分為以下兩部分：

（1）寬波束搜索目標(biāo)。

（2）窄波束跟蹤目標(biāo)。

由寬波束搜索為窄波束跟蹤提供引導(dǎo)角度，跟蹤穩(wěn)定后窄波束進(jìn)入閉環(huán)跟蹤，同時寬波束也在同步搜索。跟蹤和搜索分時工作。一個完整的跟蹤周期分為一次寬波束搜索以及若干次窄波束跟蹤，見圖1。

圖1

2 寬波束搜索目標(biāo)

FPGA[8]控制波束在波控最大指向角的范圍內(nèi)進(jìn)行一次快速掃描，該次掃描以寬波束的波束寬度為步進(jìn)量，掃描完成后返回具有最大回波強(qiáng)度的波位以及該波位的和差信號，利用該波位的和差信號進(jìn)行一次角度測量，最終獲得寬波束下測量到的目標(biāo)方位。寬波束搜索目標(biāo)一個跟蹤周期進(jìn)行一次，見圖2。

圖2

設(shè)陣面的掃描范圍為±α°，寬波束波寬為βw，波位數(shù)為P，則：

P=（2×α）/βw

掃描完成后，每個波位都會得到一組和差信號。利用和差信號計算信號強(qiáng)度，并取其中具有最大信號強(qiáng)度的波位號Pmax（0≤Pmax≤P），設(shè)目標(biāo)所在方位為 A'，則：

A'=Pmax×βw

該角度A'為目標(biāo)所在的大致方位，需要利用該波位Pmax所對應(yīng)的和差信號，進(jìn)行一次單脈沖測角，計算出誤差角Ew。其中：

AW=EW+A'

最終得到的角度AW即為寬波束引導(dǎo)角。該過程每個測量周期進(jìn)行一次，當(dāng)捕獲目標(biāo)或者目標(biāo)丟失時，引導(dǎo)窄波束進(jìn)行跟蹤。

3 窄波束跟蹤目標(biāo)

3.1 單脈沖測角

當(dāng)初次捕獲或者目標(biāo)丟失時，使用寬波束測量到的目標(biāo)方位作為窄波束跟蹤的引導(dǎo)角度進(jìn)行引導(dǎo)跟蹤。當(dāng)窄波束跟蹤接收到的和差信號滿足跟蹤穩(wěn)定門限后，轉(zhuǎn)為閉環(huán)跟蹤，見圖3。窄波束跟蹤穩(wěn)定時不使用引導(dǎo)角度。

圖3

初次捕獲目標(biāo)或者目標(biāo)丟失時，將波束指向引導(dǎo)角度AW，并利用在方位AW所獲取到的和差信號進(jìn)行一次單脈沖測角[9]，計算出當(dāng)前的誤差角En，則有：

An=Aw+En/cos（Aw）

其中An為該次窄波束測量得到的目標(biāo)方位。

3.2 A-β 濾波

A-β 濾波器適用于加速度較小的運(yùn)動目標(biāo)跟蹤，將測量到的目標(biāo)方位、距離進(jìn)行濾波，可以平滑噪聲帶來的測量誤差，同時可以預(yù)測下一次測量時目標(biāo)所在方位，即濾波外推。該設(shè)備采用RTT 算法[10]進(jìn)行距離測量，原理如下：

兩臺設(shè)備均采用高精度銣鐘產(chǎn)生一個1pps，在采用同樣的通信機(jī)制下進(jìn)行信號收發(fā)（該通信方式是把1 秒劃分為若干等間隔的時間段，采用一定的規(guī)則在指定時間段內(nèi)進(jìn)行通信），最終可以實(shí)現(xiàn)兩臺設(shè)備的時間同步[11]。

當(dāng)兩臺設(shè)備完成時間同步后，接收方從該信號中解調(diào)出信號發(fā)出時刻的時戳T1，根據(jù)本地接收到信號的時戳T2，信號在機(jī)器內(nèi)部傳輸?shù)臅r延T3，以及電磁波在空氣中傳播的速度V，可由下列公式計算出兩臺設(shè)備間的距離Dn。

Dn=（T2- T1- T3×2）×V

隨后對測角值A(chǔ)n以及測距值Dn進(jìn)行α-β 濾波。由于該方位和距離信息屬于極坐標(biāo)系，而極坐標(biāo)系不是穩(wěn)定的坐標(biāo)系，在極坐標(biāo)系下濾波會造成目標(biāo)方位抖動。所以為得到穩(wěn)定的目標(biāo)距離、方位，需要將極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直角坐標(biāo)系[12]，在直角坐標(biāo)系下進(jìn)行濾波外推處理[9]，轉(zhuǎn)換公式如下：

X=Dn×cos（P）×sin（An）

Y=Dn×cos（P）×cos（An）

Z=Dn×sin（An）

其中P 為俯仰角，由于當(dāng)前設(shè)備均在水平方向上工作，故可認(rèn)為俯仰角為0。X，Y，Z 分別為直角坐標(biāo)系下目標(biāo)所在方位。隨后經(jīng)過α-β 濾波器進(jìn)行濾波外推，最終輸出為：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4

圖5

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5 所示。其中圖4 為濾波前的測量角度，圖5 為濾波后的輸出角度，最終的角度跟蹤精度以及跟蹤的穩(wěn)定性滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

以上結(jié)果表明本文提出的基于單脈沖跟蹤技術(shù)的高精度二次雷達(dá)跟蹤算法是成功的，能實(shí)現(xiàn)精確跟蹤的功能。