基于參差中重頻脈組的搜索雷達跟蹤波束設計*

朱永杰，蘇 巧，嚴 超，薛廣然

（1.西安電子工程研究所，西安 710100；2.陸裝駐西安地區第六軍代室，西安 710100）

0 引言

搜索雷達在現代戰爭中肩負著指定空域的監視任務，對空中目標進行搜索、發現和跟蹤，并將目標位置信息提供給防空武器系統。隨著制導技術的不斷發展，有些搜索雷達可直接為武器系統提供中制導信息。因此，搜索雷達對目標探測的穩定性和探測精度提出更高的要求，尤其是對于已進入攔截火力分配通道的目標。傳統搜索雷達采用邊搜索邊跟蹤（TWS）模式，對監視空域進行波束順序掃描［1-2］，雷達空間資源配置固定，數據率偏低。在強氣象、地物雜波及電磁干擾環境下，易出現目標檢測概率下降、航跡拉偏斷航等狀況，難以滿足武器系統對特定目標持續穩定跟蹤的要求［3］。針對上述問題，本文提出為搜索雷達設計跟蹤波束，對特定目標采用基于目標預測信息的多組參差中重頻檢測方式工作。通過設置多組中重復頻率探測波形組合，可以有效擴展速度檢測清晰區范圍，相對常規的低重頻探測波形，能夠有效抑制慢速氣象雜波及強地物雜波剩余，并改善因速度模糊導致的檢測性能下降；通過預測信息實現目標距離、速度雙模糊的快速解算，提高探測精度（速度精度）；同時，跟蹤波束對特定目標進行空域集能處理，有效地增加目標觀測能量和觀測數據率，提高特定目標的檢測概率［4-5］。

1 跟蹤波束設計

某技術體制為方位機械旋轉加俯仰維相掃有源三坐標雷達，主要作戰模式下，天線以15 r/min 的轉速在方位上勻速轉動，根據被觀測目標的仰角位置的不同，波束在俯仰上通過電掃順序發射x 個波束寬度約為6°的發射波束，形成2x 個寬度約為3°的接收波束，對要求空域進行覆蓋，該雷達在當前作戰模式下無跟蹤波束。

針對該雷達上述作戰模式需求，設計跟蹤波束，當被跟蹤目標釋放有源干擾或需要對某一目標重點關注時，犧牲對該目標所在方位上其他仰角區域的空域監視，對該干擾目標實施集能工作方式，即天線在方位上旋轉到目標所在角度時，波束在俯仰角上不再掃描，而是將方位波束駐留時間內的所有能量集中在被觀測目標上，實現重點目標的跟蹤。其處理流程如下：

1）雷達在傳統TWS 搜索模式下獲得目標航跡；

2）發現需特別關注的目標后，通過終端控制進入跟蹤模式，輸入需進行跟蹤的目標批號；

3）終端通過數據處理預測該目標下一幀位置，并在天線掃至該目標前向信號處理及前端預置方位、俯仰信息；

4）當天線掃至預置方位時，雷達由俯仰順序掃描方式變為采用中重頻脈組的固定波束，該波束指向為數據處理預測俯仰波位；

5）信號處理按組進行MTI-MTD 處理，CFAR檢測后輸出目標信息；

6）信號處理根據數據處理的預測信息對實際探測的目標信息進行距離、速度解模糊；

7）信號處理對探測多次的目標信息進行凝聚，并輸出給終端；

8）終端的數據處理進行點跡關聯處理，最終形成點跡并顯示。

2 基于目標先驗信息的波束調度設計

數據處理收到信號處理發送的目標點跡數據后，剔除虛假航跡，經濾波相關后形成目標的真實航跡，并預測目標下一幀位置。雷達進入跟蹤模式后，在需跟蹤目標所在方位采用固定波位探測方式，其他方位仍然使用順序掃描方式。啟用固定波位探測方式，需要根據航跡預測結果確定啟用固定波位探測的方位角，同時設定波束的俯仰指向角。

啟用固定波位探測方式的天線碼盤轉角，按照下式設計：

其中，Preazimuth 為跟蹤目標預測方位角，Azimuth-Code 為方位碼盤，Amend 為修正量，補充因處理和通信延時引起的指向滯后問題，BeamWid 為雷達方位波束寬度，滿足該條件時啟用固定波位探測，否則采用順序掃描方式。

圖1 跟蹤模式處理流程

3 中重復頻率波形設計

在對跟蹤目標進行固定波位跟蹤探測時，采用中重頻探測波形［7］。根據時序設計要求，方位駐留時長與原搜索模式的順序掃描保持一致，在駐留時間內，設計4 組脈沖串進行探測：第1 組為低重復頻率脈沖串，含8 個脈沖，進行距離不模糊探測（簡化解模糊）；后3 組為頻點和PRF 都不同的中重頻脈沖串，每組按16 個脈沖設計，采用2 點MTI（或3點MTI）級聯16 點FFT 濾波器處理。如表1 所示。

表1 跟蹤模式下的波形設計

采用如上所述3 組MPRI 的濾波器聯合響應仿真結果如圖2 所示，反應雷達RD 探測特性的斑馬圖如圖3 所示。由仿真結果知，采用3 組MPRI 的時序配置可有效降低目標落入盲速區所帶來的影響，具有較好的探測覆蓋能力，再加上第1 組的常規探測脈沖，能夠較好地實現目標跟蹤探測。

該設計相較于傳統低重頻順序掃描的探測，在一個方位駐留內可進行4 次檢測，若雷達單次檢測概率為90%，則理論上可將該方位駐留內的檢測概率提高至1-（1-90 %）^4=99.99 %；多組MFRI 讓雷達具有更大的速度清潔區以及更好的低速雜波抑制能力，提高單次測速能力和測速精度。

圖2 3 組MPRI 濾波器聯合響應

4 目標先驗信息的距離/速度解模糊

圖3 3 組PRI 形成的探測斑馬圖

圖4 距離解模糊方法

如果單視處理中有不止一次的目標檢測，或者在單視處理中目標檢測與另一類不同目標發生相關，相關處理得出的距離可能并非是真實距離，此所謂距離幻影現象（如圖中圓圈中）。通常使用附加的準則來排除距離幻影，如選擇M/N 比值最高的相關距離（其中，M 為檢測報告次數，N 為PRF 重數），選擇M 個檢測中方差最小的檢測判決等。但此類算法實現較為復雜，因此，采用一組距離不模糊的低重頻PRF 和3 組距離模糊的中重頻PRF 探測目標，相關處理運算量變的簡單，如圖5 所示。

圖5 低重頻PRF 和中重頻PRF 配合解模糊示意圖

5 試驗驗證

為了驗證跟蹤波束設計對搜索雷達特定目標探測性能的提升，將該搜索雷達按照本文設計進行改進，增加跟蹤模式。該雷達在對S200 靶機繞飛試驗中，靶機飛出段采用常規搜索模式，進入段改用參差MPRI 波束的跟蹤模式。

選取檢飛過程中同一強雜波點在不同重頻下的多普勒頻譜，由圖6 可知，通過將重頻的增加，能夠將雜波的基底電平降低7 dB 左右，同樣提高目標的發現概率。

檢飛過程中檢測情況如圖7 所示（圖為雷達實際PPI 畫面截屏），圖中白色點表示雷達未檢測到目標情況下數據處理外推點，常規搜索模式下，雷達多次出現“丟點”情況；在跟蹤模式下，雷達只在盲區附近出現一次“丟點”，由對比知，采用參差MPRI波束的跟蹤模式使雷達特定目標的檢測概率大大提高。對S200 靶機，戰斗機等多機型、多架次檢飛試驗數據進行統計，跟蹤模式下雷達檢測概率能夠有效提升，測試可達98%以上，原狀態下檢飛時跟蹤上述類型目標，檢測概率均值為81%。圖7 為一次S200 靶機實際飛行過程雷達界面的截屏圖。靶機背離過程中，采用原工作模式跟蹤，全程丟檢測一次點跡7 個；靶機由背離陣地調轉航向變為進入陣地狀態后，采用中重復頻率的跟蹤模式跟蹤該目標，進入全程只丟失檢測一次點跡1 個；而靶機近入時的RCS 較背離時小，會造成目標檢測概率下降，但通過跟蹤模式的使用，檢測概率卻有明顯的提升。

6 精度分析

圖6 強雜波點在不同重頻下的頻譜

圖7 雷達對靶機檢測情況截圖

對使用中重復頻率的跟蹤模式探測S200 型靶機的實際檢飛數據進行精度分析。由于該靶機提供的真值數據中包括GPS 位置信息（LongTgt/LatitudeTgt/HightTgt）、GPS 速度（VgpsTgt）、航向（YawTgt）和俯仰角（PitchTgt）等信息，通過坐標轉換將目標的GPS 位置轉換為雷達坐標系的XYZ 值。然后，將目標的速度在大地直角坐標系中進行分解：

圖8 跟蹤模式下目標速度對比（機動目標）

圖9 跟蹤模式下測速精度分析（機動目標）

從圖9 可以看出，目標徑向速度從20 m/s 到100 m/s 的變化（機動轉彎造成徑向速度的變化），中重復頻率跟蹤模式下測速的均方根值小于5 m/s。原模式下，由于使用低重頻無法進行速度解模糊，因此，信號處理上報的點跡無速度信息。中重復頻率的跟蹤模式下給出點跡的速度信息，在數據處理中使用速度信息設計關聯波門。從圖中可以看出，中重復頻率的跟蹤模式下目標的測速精度較高，跟蹤波門可以設計的很小，從而提高航跡關聯的準確性，提升航跡質量［9］。

7 結論

經過多次檢飛驗證及結果分析可知，基于參差中重頻脈組的跟蹤波束設計，能夠有效擴展雷達速度清晰區，改善因速度模糊導致的檢測性能下降，提高雷達對特定目標的檢測概率，并實現特定目標的高精度測速，提高目標的航跡質量，更好地滿足武器系統對特定目標穩定跟蹤的要求。