陳衛(wèi)華，鄒士遷，陳利鋒

（解放軍92941部隊(duì)，葫蘆島 125001）

0 引言

根據(jù)彈著水柱落點(diǎn)偏差進(jìn)行對海射擊校正，是當(dāng)代大中口徑艦炮武器系統(tǒng)普遍采用的一種手段，而彈著水柱的落點(diǎn)測量通常由艦炮火控雷達(dá)完成。傳統(tǒng)的測量方法為人工檢測法：雷達(dá)天線在方位一定范圍內(nèi)扇掃，操作手通過B式平面顯示器觀測，并利用摸球提取水柱相對目標(biāo)的方位和距離偏差。為保證強(qiáng)弱信號的同步提取，雷達(dá)接收通道上通常增設(shè)專用的對數(shù)通道。隨著艦炮武器射擊精度不斷提升，彈著落點(diǎn)散布越來越小，在雷達(dá)跟蹤波束內(nèi)實(shí)現(xiàn)水柱的落點(diǎn)測量成為可能。傳統(tǒng)的人工檢測方法雖然直觀，但檢測精度與操作手的操作水平、心理素質(zhì)、精神狀態(tài)等密切相關(guān)；而專用接收通道的設(shè)置也勢必增加雷達(dá)結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性。那么如何克服傳統(tǒng)檢測的弊端呢？自動水柱測偏成為一種選擇。

所謂自動水柱測偏，是指雷達(dá)在跟蹤目標(biāo)（艦船）的同時(shí)，對其跟蹤波束內(nèi)、一定距離范圍內(nèi)的彈著水柱，實(shí)現(xiàn)全自動地檢測與跟蹤，并實(shí)時(shí)輸出彈著水柱相對目標(biāo)（艦船）的方位和距離偏差等瞬時(shí)量測信息。本文針對單脈沖機(jī)械掃描體制的艦炮火控雷達(dá)實(shí)現(xiàn)自動水柱測偏所采用的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入探討，并就其自動測偏有效性及適用性進(jìn)行了分析。

1 自動水柱測偏原理

單脈沖機(jī)掃火控雷達(dá)自動水柱測偏采用了多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)，具體為：對海工作模式下，雷達(dá)收到“水柱測量”指示后，在跟蹤目標(biāo)（艦船）的同時(shí)，在目標(biāo)（艦船）跟蹤波門前后一定距離范圍內(nèi)，各布置一定數(shù)量的水柱檢測波門，檢測波門的數(shù)量n由發(fā)射脈沖寬度、雷達(dá)波束寬度和水柱測量范圍等指標(biāo)確定。

當(dāng)水柱檢測波門內(nèi)檢測到可能水柱目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)的距離環(huán)和速度環(huán)對該可能目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，經(jīng)數(shù)據(jù)分析判斷通過后，輸出其相對艦船目標(biāo)的方位與距離偏差。同時(shí)雷達(dá)信息處理中心根據(jù)目標(biāo)（艦船）與水柱相對位置，以及水柱出現(xiàn)時(shí)間順序，編制多目標(biāo)批次、序號，完成多目標(biāo)時(shí)序控制及參數(shù)處理。當(dāng)水柱的信噪比低于程序設(shè)定值或水柱持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)，則自動撤消對其跟蹤。

2 自動水柱測偏技術(shù)難點(diǎn)

單脈沖機(jī)掃火控雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)自動水柱測偏，必須針對水柱目標(biāo)的特殊性，多目標(biāo)自動檢測的復(fù)雜性等，克服以下技術(shù)難題。

2.1 同一線性通道下的多目標(biāo)檢測

水柱目標(biāo)由彈丸入水爆炸形成一定面積水幕產(chǎn)生，瞬時(shí)出現(xiàn)、變化迅速、持續(xù)時(shí)間短暫，且深受風(fēng)速、風(fēng)向、海情等條件影響，回波強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值通常低于同等距離的大中型艦船。受此影響，傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)多采用對數(shù)接收機(jī)來減少艦船與水柱回波之間的強(qiáng)度差異。單脈沖機(jī)掃火控雷達(dá)要在不增設(shè)專用接收通道前提下實(shí)現(xiàn)水柱的自動測量，勢必要解決水柱與艦船目標(biāo)共用線性通道問題，即艦船大信號抑制水柱小信號，以致水柱檢測困難問題。

2.2 多目標(biāo)檢測下的目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤

單脈沖機(jī)掃火控雷達(dá)作為一種連續(xù)閉環(huán)跟蹤體制雷達(dá)，通常只跟蹤一批目標(biāo)，而自動水柱測偏，要求雷達(dá)在跟蹤目標(biāo)艦船的同時(shí)，完成對多批水柱的測量。顯然，在多批次水柱頻繁更替檢測中，保持對目標(biāo)艦船的穩(wěn)定跟蹤是至關(guān)重要的。而水柱目標(biāo)的特殊性，也決定了目標(biāo)與水柱共用線性通道時(shí)，目標(biāo)跟蹤參數(shù)控制必須獨(dú)立，否則可能造成目標(biāo)艦船跟蹤環(huán)路的不穩(wěn)定。

2.3 水柱虛警

所謂水柱虛警，是指雷達(dá)回波中不包含彈著水柱而檢測出彈著水柱的情況，即虛假的水柱被提取出來。這些假水柱可能是海雜波產(chǎn)生的，也可能是機(jī)內(nèi)噪聲造成的，無論是何種原因造成的虛警，都可能給指揮員的指揮決策帶來重大影響。

2.4 水柱判定和輸出準(zhǔn)則

自動水柱測偏要求雷達(dá)在無操作人員干預(yù)條件下獨(dú)立完成對水柱目標(biāo)的檢測，也就是說，雷達(dá)的測量輸出完全依賴于執(zhí)行特定的檢測判定輸出程序，這就要求設(shè)計(jì)人員對水柱目標(biāo)這種特殊的信號形式要有清晰而準(zhǔn)確的認(rèn)識，要明確與之關(guān)聯(lián)的各種條件參量，從而確定出盡可能貼合實(shí)際的水柱自動判定準(zhǔn)則和偏差輸出準(zhǔn)則，從而保證雷達(dá)自動測偏的精度。

3 自動水柱測偏技術(shù)實(shí)現(xiàn)與分析

3.1 多種增益控制模式相結(jié)合

同一線性通道下的多目標(biāo)檢測，需要解決艦船強(qiáng)信號抑制水柱弱信號的問題，具體來說，是處理好多目標(biāo)增益控制問題。采取水柱增益與艦船增益分別獨(dú)立控制的方式，則可消除艦船大信號對水柱小信號的抑制作用，從而保證同一線性通道下不同強(qiáng)度信號的同步檢測。

如圖1所示，目標(biāo)艦船區(qū)域采用單目標(biāo)跟蹤時(shí)的自動增益控制（AGC）方式，由艦船回波強(qiáng)度決定目標(biāo)區(qū)域增益控制范圍；水柱檢測區(qū)域則采取固定增益控制方式，控制值應(yīng)與水柱回波強(qiáng)度相適應(yīng)，具體參數(shù)值依據(jù)水柱的實(shí)際距離、海情、海況等參數(shù)綜合確定。

3.2 目標(biāo)跟蹤參數(shù)獨(dú)立控制

單脈沖機(jī)掃火控雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測條件下的目標(biāo)艦船穩(wěn)定跟蹤，必須保持目標(biāo)跟蹤參數(shù)控制的獨(dú)立性。而實(shí)現(xiàn)對特定目標(biāo)在距離上的連續(xù)自動閉環(huán)跟蹤是跟蹤雷達(dá)實(shí)現(xiàn)角度連續(xù)自動跟蹤和其他參數(shù)自動閉環(huán)跟蹤的前提和基礎(chǔ)。在雷達(dá)變系數(shù)距離估值方程中：

圖1 增益控制模式示意圖

式中，Rek為k時(shí)刻距離估值；Rpk為k時(shí)刻距離預(yù)測值；RΔ為距離測量誤差值。

其中，α系數(shù)的取值隨處理時(shí)間的增加而減小。環(huán)路伊始，為快速消除偏差，α的取值比較大，多在0.5～1之間。之后，為了環(huán)路的穩(wěn)定性，α的取值逐漸減小，最后穩(wěn)定在一個(gè)較小的值上。水柱出現(xiàn)之前，目標(biāo)艦船已處于穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，其α取值已經(jīng)很小。水柱出現(xiàn)之后，水柱α系數(shù)取較大初值。此時(shí)，如果目標(biāo)艦船與水柱共用同一α值，則艦船α值勢必隨水柱變化，從而影響目標(biāo)艦船跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定性。當(dāng)艦炮連發(fā)射擊時(shí)，α取值變化更加頻繁，對目標(biāo)艦船跟蹤環(huán)路的影響也更大。因此，在自動水柱測偏條件下，單脈沖機(jī)掃火控雷達(dá)采用了目標(biāo)α參數(shù)獨(dú)立控制方式來保證目標(biāo)跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定性。

3.3 合理的水柱檢測門限與多種降虛警數(shù)據(jù)處理手段相結(jié)合

水柱虛警率的高低在一定程度上取決于水柱的檢測門限。然而，考慮到水柱的漏測率，又不可能通過一味提高檢測門限的方法來減少水柱虛警。我們知道，水柱信號混雜于大量噪聲信號當(dāng)中，這些噪聲包括機(jī)內(nèi)噪聲和海雜波，它們具有隨機(jī)起伏的特性。同時(shí)，水柱信號受彈丸入水姿態(tài)、爆炸時(shí)刻，海情海況等條件的影響也是動態(tài)變化的。按照最佳信號檢測理論，在預(yù)先不知道目標(biāo)在一定條件下出現(xiàn)的概率，也很難確定一次漏測所造成的損失時(shí)，常采用奈曼-皮爾遜準(zhǔn)則，而二級門限判決方法是一種實(shí)用且有效的雷達(dá)信號處理方法?？紤]到水柱測偏功能使用應(yīng)以盡可能減少虛警為原則，檢測門限設(shè)計(jì)上采取了附加最低門限判斷的二級門限判決方法。

如圖2所示，第一門限采取最低檢測門限r(nóng)0與自適應(yīng)門限r(nóng)相結(jié)合的方式，即當(dāng)實(shí)際噪聲基底低于最低檢測門限r(nóng)0時(shí)，以最低檢測門限r(nóng)0為第一檢測門限；當(dāng)實(shí)際噪聲基底大于最低檢測門限，則以自適應(yīng)門限r(nóng)作為水柱第一檢測門限。其中，最低檢測門限r(nóng)0是我們針對特定海情海況，通過測量無水柱雜波背景噪聲基底的基礎(chǔ)上確定的。第二門限值則按照k/N原則確定，即在水柱各檢測單元對應(yīng)的N個(gè)重復(fù)周期中，如果有k個(gè)量化脈沖超過各自的第一門限值，則判決為該檢測單元信號存在。

確立合理檢測門限的同時(shí)，數(shù)據(jù)分析處理環(huán)節(jié)也要采取必要的降虛警處理。譬如，彈丸擊發(fā)至彈丸入水之前產(chǎn)生的虛警，即彈丸飛行時(shí)段的虛警，可以通過獲取彈丸初速與目標(biāo)距離，來估算彈丸擊發(fā)到水柱出現(xiàn)的時(shí)長，并把該時(shí)長作為水柱數(shù)據(jù)禁止輸出時(shí)間，來剔除此間虛警。

圖2 二級門限判決示意圖

3.4 合理的水柱判定準(zhǔn)則及輸出原則

水柱作為一種特殊的目標(biāo)形式，其信噪比起伏有著區(qū)別于雜波信號的規(guī)律性，但是持續(xù)時(shí)間較短，起伏較快。因此，回波信噪比與回波持續(xù)時(shí)間成為自動水柱判定的重要準(zhǔn)則。也就是說，當(dāng)水柱檢測單元中，回波信噪比超過既定檢測門限，且該回波持續(xù)時(shí)間滿足程序設(shè)定值時(shí)，才可以判定該回波為水柱回波。需要說明的是，水柱的持續(xù)時(shí)間并非一個(gè)固定值，它與彈丸入水姿態(tài)、海水深度、海情海況等多個(gè)參量相關(guān)，而判定程序中往往只能取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值。當(dāng)個(gè)別水柱持續(xù)時(shí)間長于程序設(shè)定值時(shí)，可能出現(xiàn)同一水柱二次檢測問題。為此，確立了相鄰水柱比對準(zhǔn)則，即當(dāng)后發(fā)水柱距離、角偏差信息與前發(fā)水柱一致或差別在一定范圍內(nèi)時(shí)，雷達(dá)認(rèn)作一批水柱，不再輸出，否則作為新水柱輸出。

在偏差數(shù)據(jù)輸出問題上，我們要清楚，雷達(dá)水柱測量的目的是獲取彈丸落點(diǎn)，而非測量水柱本身，這就要考慮落點(diǎn)變化問題。受風(fēng)速、風(fēng)向等條件影響，水柱目標(biāo)并非靜態(tài)不動的，有可能在方位或距離上發(fā)生位移，從而引起落點(diǎn)測量偏差，如果將水柱偏差數(shù)據(jù)悉數(shù)輸出，則可能影響指揮員的判斷。為保證雷達(dá)輸出的偏差數(shù)據(jù)與彈丸真實(shí)落點(diǎn)數(shù)據(jù)相匹配，確立了將雷達(dá)測量穩(wěn)定后限定范圍內(nèi)水柱偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)作為水柱數(shù)據(jù)輸出原則。

4 自動水柱測偏適用性分析

4.1 適用性驗(yàn)證分析

自動水柱測偏雷達(dá)可以在跟蹤艦船目標(biāo)的同時(shí)，對其跟蹤波束內(nèi)目標(biāo)前后一定距離范圍內(nèi)的彈著水柱進(jìn)行自動檢測，克服了傳統(tǒng)的多目標(biāo)人工檢測受人為因素影響大，水柱測量精度不易保證的缺點(diǎn)。實(shí)彈射擊條件下的雷達(dá)水柱測量結(jié)果表明，雷達(dá)自動水柱測偏由雷達(dá)按既定程序自動完成，無需人工干預(yù)，檢測速度快，彈著水柱落點(diǎn)測量精度高，系統(tǒng)主要作用區(qū)段內(nèi)單發(fā)水柱檢測概率大于90%。

文中水柱檢測區(qū)域控制增益的選取，水柱檢測門限的設(shè)定，均與雷達(dá)檢測概率密切相關(guān)，而上述參數(shù)的確定取決于具體的海情海況條件。為保證雷達(dá)自動水柱測偏的適用性，需建立針對不同海域不同海情海況條件下的水柱增益控制數(shù)據(jù)庫和水柱檢測門限數(shù)據(jù)庫。

4.2 局限性分析

目標(biāo)（艦船）緊鄰距離單元存在自動水柱檢測盲區(qū)。該盲區(qū)受雷達(dá)發(fā)射脈寬，最小檢測單元等條件限制。對于出現(xiàn)在雷達(dá)距離盲區(qū)內(nèi)的水柱，雷達(dá)無法自動檢測，只能通過火控臺精A顯及TV視頻輔助觀測，或輔以人工干預(yù)。

對于同一距離單元同時(shí)存在多個(gè)水柱的情況，受雷達(dá)最小可分辨單元限制，水柱回波為多個(gè)水柱的合成波，雷達(dá)無法區(qū)分，輸出偏差為合成波偏差。雷達(dá)最小可分辨單元由天線波束寬度、發(fā)射脈沖寬度及多卜勒頻帶寬度決定的，可采用脈沖壓縮技術(shù)加以改善。

5 結(jié)束語

本文探討了自動水柱測偏在單脈沖機(jī)掃火控雷達(dá)上的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，分析了自動水柱測偏的技術(shù)難點(diǎn)，深入探討了雷達(dá)實(shí)現(xiàn)自動水柱測偏采取的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合射擊測試，驗(yàn)證分析了雷達(dá)自動水柱測偏的有效性及適應(yīng)性。實(shí)踐證明，雷達(dá)自動水柱測偏克服了傳統(tǒng)人工檢測方法受人為因素影響大，測量精度不易保證等缺陷，提高了雷達(dá)的自動化工作水平及武器系統(tǒng)對海射擊效率。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用為火控雷達(dá)多目標(biāo)檢測提供了思路，對于相關(guān)領(lǐng)域的多目標(biāo)檢測也具有一定借鑒意義。

[1][美]Merrill I.Skolnik.雷達(dá)手冊（第二版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[2]向敬成,張明友.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[3]王德純,丁家會,程望東等.精密跟蹤測量雷達(dá)技術(shù)[M]北京:電子工業(yè)出版社,2007.