周光魯 徐 靜 高 淵 毛夢月 余 苗

0 引言

二次雷達[1-4]是由詢問雷達和應答雷達所組成的無線電電子測位和辨認系統(tǒng)。詢問雷達發(fā)射電磁波，應答雷達（又稱雷達信標）接收到詢問電磁波后被觸發(fā)，發(fā)射應答電磁波，詢問雷達根據(jù)接收到的應答電磁而工作，實現(xiàn)識辨和測位。

某型二次雷達主要用于兩臺或者多臺設備的動態(tài)精確跟蹤定位。對精度和捕獲目標效率有較高要求。單脈沖測角技術[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。所以在實現(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，再使用窄波束在引導角度上通過α- β 濾波器[6]進行多次迭代跟蹤。為保證跟蹤的精度以及設備工作穩(wěn)定性，該設備工作周期為1s，時間上分成一次搜索以及若干次連續(xù)跟蹤。在每個工作周期內均重復進行搜索- 跟蹤的過程，當初次捕獲目標或者未建立穩(wěn)定跟蹤時，使用搜索角度作為跟蹤的引導角度。建立穩(wěn)定跟蹤以后通過α- β 濾波器實現(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

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

（1）寬波束搜索目標。

（2）窄波束跟蹤目標。

由寬波束搜索為窄波束跟蹤提供引導角度，跟蹤穩(wěn)定后窄波束進入閉環(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

FPGA[8]控制波束在波控最大指向角的范圍內進行一次快速掃描，該次掃描以寬波束的波束寬度為步進量，掃描完成后返回具有最大回波強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行一次角度測量，最終獲得寬波束下測量到的目標方位。寬波束搜索目標一個跟蹤周期進行一次，見圖2。

圖2

設陣面的掃描范圍為±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度，并取其中具有最大信號強度的波位號Pmax（0≤Pmax≤P），設目標所在方位為 A'，則：

A'=Pmax×βw

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

AW=EW+A'

最終得到的角度AW即為寬波束引導角。該過程每個測量周期進行一次，當捕獲目標或者目標丟失時，引導窄波束進行跟蹤。

3 窄波束跟蹤目標

3.1 單脈沖測角

當初次捕獲或者目標丟失時，使用寬波束測量到的目標方位作為窄波束跟蹤的引導角度進行引導跟蹤。當窄波束跟蹤接收到的和差信號滿足跟蹤穩(wěn)定門限后，轉為閉環(huán)跟蹤，見圖3。窄波束跟蹤穩(wěn)定時不使用引導角度。

圖3

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

An=Aw+En/cos（Aw）

其中An為該次窄波束測量得到的目標方位。

3.2 A-β 濾波

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

兩臺設備均采用高精度銣鐘產生一個1pps，在采用同樣的通信機制下進行信號收發(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)則在指定時間段內進行通信），最終可以實現(xiàn)兩臺設備的時間同步[11]。

當兩臺設備完成時間同步后，接收方從該信號中解調出信號發(fā)出時刻的時戳T1，根據(jù)本地接收到信號的時戳T2，信號在機器內部傳輸?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備間的距離Dn。

Dn=（T2- T1- T3×2）×V

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

X=Dn×cos（P）×sin（An）

Y=Dn×cos（P）×cos（An）

Z=Dn×sin（An）

其中P 為俯仰角，由于當前設備均在水平方向上工作，故可認為俯仰角為0。X，Y，Z 分別為直角坐標系下目標所在方位。隨后經過α-β 濾波器進行濾波外推，最終輸出為：

4 實驗結果

圖4

圖5

實驗結果如圖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)的設計要求。

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