高青松 王建強(qiáng) 王 歡

(西安電子工程研究所 西安 710100)

炮位偵察校射雷達(dá)多目標(biāo)能力分析

高青松 王建強(qiáng) 王 歡

(西安電子工程研究所 西安 710100)

多目標(biāo)能力是炮位偵察校射雷達(dá)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，受有限的時(shí)間能量資源制約。本文首先介紹了國外炮位偵察校射雷達(dá)及其多目標(biāo)能力，通過對炮位偵察校射雷達(dá)工作流程的介紹，綜合分析得出炮位偵察校射雷達(dá)多目標(biāo)能力的理論值，指出多目標(biāo)能力影響因素的，最后給出提高炮位偵察校射雷達(dá)多目標(biāo)能力的途徑和方法。

炮位偵察校射雷達(dá) 工作特點(diǎn) 多目標(biāo)能力

0 引言

炮位偵察校射雷達(dá)能夠探測敵方炮兵發(fā)射陣地及我方火炮落點(diǎn)，為炮兵部隊(duì)快速感知戰(zhàn)場情報(bào)信息，指引炮兵壓制武器對敵實(shí)施火力打擊，是保障現(xiàn)代炮兵全天候、全天時(shí)作戰(zhàn)不可或缺的重要信息化裝備，并在世界各國得到廣泛應(yīng)用。較為典型的裝備有：美軍的AN/TPQ-36和AN/TPQ-37雷達(dá)、俄羅斯的“ZooPark-1”雷達(dá)和APK-1M“猞猁”改進(jìn)型雷達(dá)以及歐洲的“Cobra”雷達(dá)和“Arthur”雷達(dá)。

炮位偵察校射雷達(dá)不但要完成對已發(fā)現(xiàn)的炮彈或火箭彈進(jìn)行跟蹤定位，同時(shí)，還要能夠?qū)ΡO(jiān)視空域內(nèi)新出現(xiàn)的威脅目標(biāo)進(jìn)行搜索發(fā)現(xiàn)，因此多目標(biāo)能力是炮位偵察校射雷達(dá)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，其中AN/TPQ-37可同時(shí)定位10個(gè)武器[1,2]，“Arthur”雷達(dá)最多能同時(shí)跟蹤8個(gè)目標(biāo)[3]，“Cobra”雷達(dá)可以在2min內(nèi)探測240門火炮或40個(gè)炮兵連[4]。

如何提高炮位偵察校射雷達(dá)多目標(biāo)能力是雷達(dá)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的一個(gè)問題，本文通過對炮位偵察校射雷達(dá)的工作流程進(jìn)行分析，分析得出炮位偵察校射雷達(dá)多目標(biāo)能力的理論數(shù)值，并提出提高炮位偵察校射雷達(dá)提高多目標(biāo)能力的途徑和方法。

1 炮位偵察校射雷達(dá)工作流程和特點(diǎn)分析

與光學(xué)偵察設(shè)備探測原理不同，炮位偵察校射雷達(dá)探測敵方火炮發(fā)射陣地或友方彈丸落點(diǎn)并非直接測量，而是測量飛行過程中彈丸彈道的一段彈道后進(jìn)行外推。雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)，實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制雷達(dá)各分系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)工作，對偵察區(qū)域進(jìn)行搜索掃描，對搜索發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)立即進(jìn)行確認(rèn)，對確認(rèn)到的目標(biāo)進(jìn)行離散定時(shí)跟蹤，計(jì)算出跟蹤目標(biāo)的坐標(biāo)，并將跟蹤的彈丸點(diǎn)跡上報(bào)給操控終端，終端計(jì)算機(jī)對測得的目標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理后進(jìn)行彈道外推和高程修正，進(jìn)而得到敵方炮位位置或己方火炮炸點(diǎn)坐標(biāo)。

炮位偵察校射雷達(dá)具有以下特點(diǎn)：

(1)對搜索數(shù)據(jù)率要求較高。炮位偵察校射雷達(dá)搜索發(fā)現(xiàn)彈丸目標(biāo)的必要條件首先是搜索波束與彈丸在空間能夠交匯，但炮位偵察校射雷達(dá)發(fā)射的搜索波束一般為針狀波束，俯仰波束寬度較窄(典型波束寬度值為0.8-3°)，且彈丸目標(biāo)飛行速度快(120mm榴彈炮的初速約為690m/s，155mm榴彈炮的初速約為940m/s)，因此，彈丸穿越搜索波束的時(shí)間很短，這就對雷達(dá)系統(tǒng)搜索數(shù)據(jù)率要求很高。

(2)采用脈沖積累方法進(jìn)行檢測。炮位偵察彈校射雷達(dá)工作時(shí)一般要求首發(fā)定位，對檢測概率要求較高，但彈丸的反射截面積小，典型值為0.001-0.002m2，單個(gè)脈沖的信噪比達(dá)不到檢測要求，為了保證信噪比滿足檢測要求，需要采用脈沖積累方法對目標(biāo)進(jìn)行檢測，導(dǎo)致搜索數(shù)據(jù)率將大大降低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度加大。

(3)虛假跟蹤多。為了盡早發(fā)現(xiàn)敵方發(fā)射的彈丸目標(biāo)(偵察模式)，搜索波束的仰角一般緊貼地面，并能隨遮蔽角變化，這種搜索方式?jīng)Q定了其受地物、氣象雜波影響大，工作過程中雜波引起的虛警較高；另外，飛鳥、汽車等非彈道運(yùn)動(dòng)目標(biāo)無法通過多普勒濾波器濾除，同樣會被炮位偵察校射雷達(dá)發(fā)現(xiàn)和跟蹤，直到在跟蹤若干點(diǎn)后，才會根據(jù)航跡判別為非彈道目標(biāo)而放棄繼續(xù)跟蹤。對雜波引起的虛警的確認(rèn)和非彈道目標(biāo)的確認(rèn)、跟蹤也需要耗費(fèi)一定的時(shí)間資源，降低搜索數(shù)據(jù)率。

(4)從目標(biāo)搜索截獲至跟蹤結(jié)束，為保證跟蹤和外推精度，需要合適的跟蹤數(shù)據(jù)率和跟蹤點(diǎn)數(shù)，對目標(biāo)的跟蹤也需要耗費(fèi)一定的時(shí)間資源，將進(jìn)一步導(dǎo)致搜索數(shù)據(jù)率的降低。

從上面的分析可以看出，炮位偵察校射雷達(dá)的搜索數(shù)據(jù)率受到諸多因素影響，在時(shí)間能量資源一定的情況下，炮位偵察校射雷達(dá)的多目標(biāo)能力受到限制。

2 多目標(biāo)能力及影響因素分析

炮位偵察校射雷達(dá)能夠發(fā)現(xiàn)新的彈丸目標(biāo)的必要條件是保證彈丸目標(biāo)在空間上能夠成功交匯，即搜索幀掃時(shí)間應(yīng)小于彈丸目標(biāo)穿過搜索波束(3dB俯仰波束寬度)的時(shí)間，具體分析如下。

2.1 穿越時(shí)間

雷達(dá)工作時(shí)在擦地平面上形成一個(gè)電子屏障，彈丸穿越時(shí)間就等于彈丸目標(biāo)穿越俯仰波束半功率波束寬度的時(shí)間，也就是彈丸目標(biāo)在垂直方向上的速度分量在波束俯仰高度上的穿越時(shí)間，如圖1所示。

彈丸目標(biāo)穿越搜索波束時(shí)間

(1)

其中R為彈丸與雷達(dá)的距離，θe為俯仰3dB波束寬度，v0為彈丸初速，α為火炮射角，k1=1/(v0sinα)。v0、α為目標(biāo)彈丸的固有特性，與雷達(dá)無關(guān)。因此，穿越時(shí)間由R和θe決定。

2.2 搜索幀周期

在只進(jìn)行搜索的情況下(不考慮確認(rèn)、跟蹤)，雷達(dá)重復(fù)掃過同一波位的時(shí)間間隔定義為搜索幀周期，可以表示為

(2)

式中，N為搜索掃描范圍內(nèi)的波位數(shù)目；Tdw為掃描過程中雷達(dá)波束在每個(gè)波位上的平均駐留時(shí)間。θs為方位掃描范圍，θa為發(fā)射方位3dB波束寬度，k×θa為波束躍度，一般取k=0.86[5]，n為每個(gè)波位上脈沖積累的點(diǎn)數(shù)，Tr為平均搜索脈沖重復(fù)周期。

上式定義的搜索幀周期不包含確認(rèn)和跟蹤耗費(fèi)的時(shí)間。實(shí)際上，搜索幀周期還應(yīng)該包含搜索過程中確認(rèn)時(shí)間和跟蹤的時(shí)間，因此

ts=ts0+m1Tdwc+m2Tdwt

(3)

式中，m1為搜索幀周期內(nèi)需要確認(rèn)目標(biāo)次數(shù)，m2為搜索幀周期內(nèi)需要跟蹤目標(biāo)次數(shù)，Tdwc為對單個(gè)目標(biāo)確認(rèn)的跟蹤平均駐留時(shí)間，Tdwt為對單個(gè)目標(biāo)跟蹤的平均駐留時(shí)間。

若探測范圍內(nèi)處理的距離單元數(shù)位nr，方位掃描范圍θs內(nèi)接收波束數(shù)目為nre，搜索虛警率為Pfa，則

m1=nr×nre×pfa=k2×pfa
(k2=nr×nre為常數(shù))

(4)

若已經(jīng)同時(shí)跟蹤目標(biāo)數(shù)為M0，目標(biāo)從確認(rèn)轉(zhuǎn)跟蹤后單位時(shí)間內(nèi)對某一目標(biāo)跟蹤的數(shù)據(jù)率為k3次/秒，則

m2=M0×k3×Tf0

(5)

因此，

ts=ts0+k2×pfa×Tdwc+k×ts0×M0×Tdwt

=ts0(1+k3M0Tdwt)+k2×pfa×Tdwc

(6)

若想成功捕獲第M0+1個(gè)目標(biāo)，必須保證搜索幀掃時(shí)間ts加上對新目標(biāo)的確認(rèn)時(shí)間小于彈丸目標(biāo)穿越搜索波束時(shí)間，即

ts+Tdwclt;td

(7)

2.3 多目標(biāo)能力理論值

從(6)、(7)式可以得出，炮位偵察校射雷達(dá)跟蹤多目標(biāo)數(shù)

-1))+1

(8)

2.4 多目標(biāo)能力影響因素分析

從式8中可以看出，炮位偵察校射雷達(dá)多目標(biāo)能力受方位波束寬度θa、俯仰波束寬度θe、虛警概率Pfa、確認(rèn)駐留時(shí)間Tdwt、方位掃描范圍θs、脈沖積累的點(diǎn)數(shù)n、平均搜索脈沖重復(fù)周期Tr、跟蹤數(shù)據(jù)率k3、跟蹤駐留時(shí)間Tdwt影響。

另外，雷達(dá)系統(tǒng)無論采用MTI還是MTD對目標(biāo)進(jìn)行檢測積累，為了抑制雜波，必然要產(chǎn)生雜波抑制區(qū)，由于彈丸為高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，脈沖重復(fù)頻率存在速度模糊，目標(biāo)的多普勒頻率折疊后可能落在雜波抑制區(qū)，導(dǎo)致檢測不到目標(biāo)。在目標(biāo)的搜索和確認(rèn)過程中，采用參差脈沖重復(fù)頻率的方式工作可以解決盲速和速度模糊，消除由于模糊導(dǎo)致目標(biāo)多普勒落在雜波抑制區(qū)的問題[6]。但是，重頻參差必然浪費(fèi)一定的時(shí)間資源，增加平均波束駐留時(shí)間，導(dǎo)致雷達(dá)多目標(biāo)能力降低。

3 多目標(biāo)能力提高途徑分析

3.1 采用自適應(yīng)方式進(jìn)行工作

傳統(tǒng)雷達(dá)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，波束寬度、跟蹤數(shù)據(jù)率、駐留時(shí)間、脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期等參數(shù)多采用固定的數(shù)值，相控陣?yán)走_(dá)具有天線波束掃描靈活、信號波形捷變以及數(shù)字波束形成等優(yōu)點(diǎn)，為其實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的工作方式提供了技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)探測空域的距離遠(yuǎn)近、方位扇掃范圍的大小利用波束賦形技術(shù)自適應(yīng)的改變波束寬度，根據(jù)目標(biāo)距離遠(yuǎn)近和跟蹤階段自適應(yīng)的改變重復(fù)周期、駐留時(shí)間和跟蹤數(shù)據(jù)率，通過自適應(yīng)的工作方式對時(shí)間資源和能量資源的充分利用，節(jié)約時(shí)間資源，提高炮位偵察校射雷達(dá)潛在的多目標(biāo)能力。

3.2 采用發(fā)射同時(shí)多波束技術(shù)

雷達(dá)陣面同時(shí)形成多個(gè)發(fā)射波束，對不同空域進(jìn)行搜索或跟蹤，可以降低搜索時(shí)間，提高搜索數(shù)據(jù)率，解決數(shù)據(jù)率低得問題，是提高雷達(dá)的多目標(biāo)能力的有效辦法。但是要實(shí)現(xiàn)同時(shí)多波束，除了相控陣天線的饋線系統(tǒng)中必須有多波束形成網(wǎng)絡(luò)外，在每一個(gè)發(fā)射波束輸入端還應(yīng)有各自的發(fā)射機(jī)輸出信號，即應(yīng)連接有多部發(fā)射機(jī)，導(dǎo)致設(shè)備量、成本將大幅提高，需要進(jìn)行折中考慮[7]。

3.3 采用二維單脈沖測角技術(shù)

傳統(tǒng)炮位偵察校射雷達(dá)為了提高效費(fèi)比，多采用相頻掃技術(shù)體制，典型裝備為美國的AN/TPQ36瑞典的ARTHUR雷達(dá)，該體制的雷達(dá)在跟蹤的過程中，目標(biāo)俯仰測角采用順序波瓣比幅測角的方法，即在預(yù)測的目標(biāo)位置上下各發(fā)射一個(gè)跟蹤波束，對目標(biāo)進(jìn)行一次跟蹤需要順序發(fā)射兩個(gè)波束。隨著二維有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展和TR組件成本的大幅下降，最新研制炮位偵察校射雷達(dá)多采用二維有源相控陣技術(shù)，代表性產(chǎn)品為由法國、德國、英國聯(lián)合開發(fā)COBRA雷達(dá)和美國的AN/TPQ-53雷達(dá)，方位和俯仰都采用單脈沖技術(shù)進(jìn)行測角，對目標(biāo)進(jìn)行一次跟蹤只需要發(fā)射一個(gè)波束，同樣目標(biāo)數(shù)和跟蹤數(shù)據(jù)率的情況下，可以節(jié)約一半的跟蹤時(shí)間資源，可大幅提高炮位偵察校射雷達(dá)的多目標(biāo)能力。

3.4 各種措施提高多目標(biāo)能力分析

下面通過實(shí)例來分析各種措施對多目標(biāo)能力的提升。假設(shè)掃描空域?yàn)椤?5°，采用天線波束寬度為3°(方位)×2°(俯仰)，PRF集為[200，220，240，260，280]us，搜索用前三個(gè)PRF(平均PRF為220us)，確認(rèn)用除搜索發(fā)現(xiàn)PRF之外的前四個(gè)PRF(平均PRF為230us)，跟蹤從PRF集中優(yōu)選(平均PRF為240us)，脈沖積累點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，跟蹤采用離散定時(shí)跟蹤的方式，跟蹤間隔330ms。自適應(yīng)工作方式下波束進(jìn)行展寬，此時(shí)波束寬度為3.6°(方位)×2.4°(俯仰)，下表分別對比了采用相頻掃順序波瓣比幅測角、二維相控陣單脈沖測角、自適應(yīng)波束展寬等幾種情況不同組合情況下多目標(biāo)能力。

表1 多目標(biāo)能力對照表

不展寬+順序波瓣不展寬+雙波束展寬+順序波瓣不展寬+單脈沖展寬+單脈沖波束寬度EL(°)222.422.4目標(biāo)距離(m)60006000600060006000彈丸速度(m/s)850850850850850射角(°)4545454545彈丸穿越時(shí)間(ms)348.39348.39418.03348.39418.03波束寬度AZ(°)33+33.633.6平均搜索PRF(us)220220220220220積累點(diǎn)數(shù)3232323232波位數(shù)3333273327無虛警搜索幀周期(ms)232.32116.16190.08232.32190.08虛率1×10^-51×10^-51×10^-51×10^-51×10^-5K21760017600176001760017600跟蹤數(shù)據(jù)率(次/s)33333多目標(biāo)能力515101020

從上表中可以看出，俯仰采用順序波瓣比幅測角時(shí)，波束不展寬的情況下，多目標(biāo)能力為5，如果采用雙波束進(jìn)行搜索，多目標(biāo)數(shù)為15，如果對方位和俯仰波束進(jìn)行展寬，多目標(biāo)能力將提升到10；俯仰使用單脈沖測角時(shí)，在波束不展寬的情況下，多目標(biāo)能力為10；如果對方位和俯仰波束進(jìn)行展寬，多目標(biāo)能力可提升至20。

4 結(jié)論

炮位偵察校射雷達(dá)同時(shí)跟蹤定位多目標(biāo)能力受有限的時(shí)間能量資源制約，還會因?yàn)閺?qiáng)雜波、干擾的影響，降低多目標(biāo)能力。在進(jìn)行炮位偵察校射雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用自適應(yīng)工作方式、發(fā)射多波束技術(shù)、單脈沖測角技術(shù)等可以提高雷達(dá)多目標(biāo)能力。

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[7] 張光義,趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

AnalysisofMulti-TargetCapabilityofWeaponLocatingRadar

Gao Qingsong, Wang Jiangqiang, Wang Huan

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Multi-target capability is an important technical specification of weapon locating radar, it is limited by the resource of time and energy. Multi-target capability of some foreign weapon locating radars is introduced. Based on operation flow of weapon locating radar, theoretical value of multi-target capability of weapon locating radar is analyzed; factors which affect multi-target capability is obtained. Method for improving multi-target capability of weapon locating radar is proposed.

weapon locating radar; operation feature; multi-target capability

2017-06-21

高青松(1989-),男，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)總體技術(shù)。

TN959.1

A

1008-8652(2017)03-022-04