蔣 敏 盧其龍 左玉東

（91913部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

雷達(dá)對(duì)低空掠海飛行目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，由于受海雜波、多徑效應(yīng)等因素的影響，會(huì)引起信號(hào)的衰落，信噪比降低，從而影響跟蹤的穩(wěn)定性［1］。為有效解決信號(hào)衰落的影響，使雷達(dá)保持連續(xù)跟蹤，一般會(huì)從系統(tǒng)硬件以及軟件處理方法和策略采取措施提升系統(tǒng)的雜波抑制能力及弱目標(biāo)檢測(cè)能力。如通過(guò)靈敏度時(shí)間控制電路（STC）和自動(dòng)增益控制電路（AGC）進(jìn)一步拓展接收機(jī)總的動(dòng)態(tài)范圍，防止接收機(jī)過(guò)載，更好地發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)小目標(biāo)；波形產(chǎn)生、信號(hào)處理等方面均采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)，靈活支持參數(shù)化配置；通過(guò)數(shù)據(jù)處理手段采取措施，對(duì)雷達(dá)在“記憶跟蹤”階段的航跡預(yù)測(cè)和航跡關(guān)聯(lián)進(jìn)行更精細(xì)化的處理［2］。文章采取軟件算法方面的措施，運(yùn)用多項(xiàng)式擬合的方法，根據(jù)目標(biāo)在丟失之前的位置、距離、速度、角度等信息進(jìn)行航跡預(yù)測(cè)，當(dāng)雷達(dá)處于失鎖狀態(tài)時(shí)可根據(jù)預(yù)測(cè)的軌跡進(jìn)行跟蹤，直至目標(biāo)出現(xiàn)后重新進(jìn)行捕獲，從而保持穩(wěn)定、連續(xù)的跟蹤。

2 問(wèn)題分析與建模

2.1 難點(diǎn)分析

雷達(dá)在跟蹤低空飛行目標(biāo)時(shí)，多種因素會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)丟失的情況，例如設(shè)備發(fā)生故障、操作手失誤、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化、環(huán)境因素干擾等，在排除人為和設(shè)備等因素外，在跟蹤階段，以下四種因素會(huì)導(dǎo)致跟蹤難度增大，嚴(yán)重情況下特別是沒(méi)有外部引導(dǎo)數(shù)據(jù)時(shí)很容易丟失目標(biāo)，導(dǎo)致雷達(dá)失鎖，具體分析如下。

1）海雜波

目標(biāo)散射回來(lái)的回波信號(hào)與海雜波混在一起時(shí)，通常采用過(guò)門(mén)限檢測(cè)法對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行檢測(cè)，即當(dāng)信號(hào)超過(guò)判決門(mén)限時(shí)，便確定為目標(biāo)回波，反之便確定為雜波，如果雜波信號(hào)過(guò)強(qiáng)，與回波信號(hào)相差不大并且超過(guò)判決門(mén)限時(shí)，便確定為目標(biāo)回波。強(qiáng)海雜波會(huì)使雷達(dá)檢測(cè)門(mén)限提高，造成目標(biāo)難以檢測(cè)，導(dǎo)致跟蹤不連續(xù)，同時(shí)海雜波具有變化無(wú)規(guī)律、性質(zhì)難把握等特點(diǎn)，并且與海域、氣象及季節(jié)等均有關(guān)系，常常呈現(xiàn)出突然產(chǎn)生的極強(qiáng)回波，雷達(dá)信號(hào)處理單元在處理這種突然產(chǎn)生的極強(qiáng)回波時(shí)就會(huì)造成較大的虛警［3］。另外，雷達(dá)天線受海雜波影響時(shí)會(huì)出現(xiàn)天線抖動(dòng)，極端情況下，由于抖動(dòng)過(guò)大，會(huì)使得天線進(jìn)入限位區(qū)，嚴(yán)重時(shí)天線無(wú)法退出限位，導(dǎo)致雷達(dá)無(wú)法繼續(xù)跟蹤目標(biāo)。

2）多徑效應(yīng)

多徑效應(yīng)是由于不同路徑的信號(hào)（相互干涉的直射波和反射波）到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，按各自的相位相互疊加而造成干擾，此時(shí)目標(biāo)回波進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)后，會(huì)引起電磁波回波能量起伏劇烈，有時(shí)甚至對(duì)消，導(dǎo)致測(cè)量雷達(dá)在某些距離段對(duì)目標(biāo)回波衰減或增強(qiáng)，影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)性能，導(dǎo)致目標(biāo)丟失，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致天線飛車［4］。同時(shí)，由于雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)高度很低（最低飛行高度3m～5m）及距離較遠(yuǎn)，測(cè)量雷達(dá)必須在極小仰角（雷達(dá)架高低于目標(biāo)高度）甚至在負(fù)仰角（雷達(dá)架高大于目標(biāo)高度）下工作，在這種情況下，存在的多路徑效應(yīng)會(huì)使測(cè)角誤差明顯加大甚至無(wú)法跟蹤目標(biāo)。

3）海上固定目標(biāo)影響

一方面是由環(huán)境遮擋引起，環(huán)境遮擋是指在某個(gè)方位角度上，測(cè)控裝備與目標(biāo)之間存在遮擋物，遮擋物遮擋了雷達(dá)的跟蹤視線（電軸），影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的捕獲跟蹤。一些大型的島嶼還有可能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)形成遮蔽，當(dāng)目標(biāo)即將進(jìn)入遮擋區(qū)時(shí)，電磁波信號(hào)會(huì)逐漸減弱直至消失，影響雷達(dá)連續(xù)跟蹤［5］。另一方面，目標(biāo)在掠海飛行過(guò)程中，當(dāng)探測(cè)海域存在較多的海上鉆井平臺(tái)及島嶼等固定目標(biāo)時(shí)，這些固定目標(biāo)的反射信號(hào)會(huì)強(qiáng)于飛行目標(biāo)的反射信號(hào)，接收機(jī)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)很難將目標(biāo)信息從微弱的回波信號(hào)中提取出來(lái)，會(huì)進(jìn)一步影響雷達(dá)對(duì)小目標(biāo)的探測(cè)。

4）飛行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和軌跡變化

飛行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)行軌跡等因素會(huì)影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。目標(biāo)在掠海飛行時(shí)，如發(fā)生轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖等動(dòng)作，那么被雷達(dá)波照射的方位會(huì)發(fā)生變化，其RCS也將隨目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的相對(duì)姿態(tài)的不同也會(huì)發(fā)生變化，并且回波時(shí)間序列呈現(xiàn)強(qiáng)弱起伏，起伏特性隨目標(biāo)的形狀和尺寸而異，在這種情況下，雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)其AGC電壓會(huì)發(fā)生變化，會(huì)影響雷達(dá)的穩(wěn)定跟蹤［6］。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡主要表現(xiàn)在過(guò)航截點(diǎn)，當(dāng)掠海飛行的目標(biāo)過(guò)航捷（特別是遠(yuǎn)距離大航路捷徑的情況）時(shí)，其徑速很低甚至接近于零，從頻譜上很難與雜波進(jìn)行區(qū)分，由天線主瓣或副瓣進(jìn)入的與處于相同距離單元的地∕海面雜波、海上孤立強(qiáng)點(diǎn)雜波等會(huì)嚴(yán)重影響目標(biāo)的檢測(cè)，導(dǎo)致目標(biāo)跟蹤航跡質(zhì)量下降甚至發(fā)生目標(biāo)丟失，不利于任務(wù)的整體態(tài)勢(shì)顯示及精度統(tǒng)計(jì)。

2.2 可行性分析

以上四種因素是雷達(dá)在低仰角跟蹤時(shí)比較常見(jiàn)的難點(diǎn)問(wèn)題，雖然某些外界因素會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)信噪比降低直至雷達(dá)失鎖，但是可以根據(jù)一定的客觀條件和處理數(shù)據(jù)方法使雷達(dá)保持繼續(xù)跟蹤，確保雷達(dá)在失鎖階段跟蹤的連續(xù)性，待目標(biāo)出現(xiàn)后重新進(jìn)行捕獲，具體的可行性分析如下。

1）實(shí)時(shí)記錄的大數(shù)據(jù)提供了客觀基礎(chǔ)

雷達(dá)在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量時(shí)，是采用邊跟蹤邊記錄的方法，記錄的頻率一般可達(dá)到20Hz，即每50ms記錄一組數(shù)據(jù)。因此，跟蹤一段時(shí)間后記錄的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息（時(shí)間、空間坐標(biāo)、距離、速度、方位、俯仰）為航跡預(yù)測(cè)提供了大量、高速、多樣、精確的第一手資料。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)地顯示目標(biāo)的運(yùn)行軌跡特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特征，大數(shù)據(jù)無(wú)需人為的調(diào)查和搜集，只需通過(guò)對(duì)目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)的不斷積累，運(yùn)用一定的算法將記錄的信息提取出來(lái)，建立數(shù)據(jù)模型，從時(shí)間、距離、空間狀態(tài)等方面進(jìn)行信息處理，從而獲取目標(biāo)在丟失階段的航跡信息，不存在時(shí)間滯后性。

2）目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性提供了現(xiàn)實(shí)可能性

基于歷史航跡的預(yù)測(cè)方法是指利用一段時(shí)間內(nèi)已估計(jì)出的目標(biāo)歷史運(yùn)動(dòng)信息，來(lái)預(yù)測(cè)目標(biāo)在下一時(shí)刻或下一段時(shí)間的位置。當(dāng)雷達(dá)失鎖時(shí)，目標(biāo)丟失大部分特征信息，此時(shí)它最可靠的信息是目標(biāo)之前的運(yùn)動(dòng)信息，因?yàn)槟繕?biāo)運(yùn)動(dòng)存在慣性，它的運(yùn)動(dòng)速度和加速度在短時(shí)間內(nèi)一般不會(huì)發(fā)生很大變化［7］。這種算法假定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)遵從一定的規(guī)律，利用一段時(shí)間內(nèi)的歷史運(yùn)動(dòng)信息可以推測(cè)出目標(biāo)在某一時(shí)刻的位置，從而充分利用以往和當(dāng)前信息維持航跡的連續(xù)性并正確引導(dǎo)距離波門(mén)、速度波門(mén)和天線波束進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，當(dāng)目標(biāo)飛出遮蔽區(qū)或回波信號(hào)在時(shí)域∕頻域可以與雜波進(jìn)行分辨時(shí)，可立即恢復(fù)精跟蹤狀態(tài)，避免了重新捕獲目標(biāo)造成的數(shù)據(jù)不連續(xù)以及無(wú)法截獲目標(biāo)的問(wèn)題。

3）曲線擬合的方法揭示了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)

根據(jù)已有的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)，來(lái)預(yù)測(cè)在雷達(dá)失鎖時(shí)航跡，需要用合適的函數(shù)來(lái)逼近（或擬合）已知的測(cè)量數(shù)據(jù)［8］。這種逼近的特點(diǎn)是：適度的精度是需要的；允許數(shù)據(jù)有一定范圍的誤差；可以預(yù)測(cè)將來(lái)某一時(shí)刻或某一段時(shí)間的變化特征或趨勢(shì)。逼近離散數(shù)據(jù)的基本方法就是曲線擬合，數(shù)據(jù)擬合的目的是最小化誤差函數(shù)，故常采用最小二乘擬合。在跟蹤階段，由于空中飛行目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡是平滑的，并且運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合可以消除隨機(jī)誤差對(duì)目標(biāo)速度及航向的估計(jì)偏差，具有較好的數(shù)值收斂性和穩(wěn)定性，因此可以選取適當(dāng)?shù)亩囗?xiàng)式對(duì)已知的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合的結(jié)果符合目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和特點(diǎn)。

2.3 模型建立

基于以上可行性分析，根據(jù)已有的大數(shù)據(jù)和航跡信息，為了提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，采用m次多項(xiàng)式擬合方法對(duì)目標(biāo)歷史航跡進(jìn)行逼近，以消除隨機(jī)誤差對(duì)目標(biāo)速度及航向的估計(jì)偏差，隨后再利用遞推方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)航跡的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

3 應(yīng)用舉例

雷達(dá)在某次跟蹤低空飛行目標(biāo)時(shí)，在200s時(shí)雷達(dá)失鎖，根據(jù)目標(biāo)在雷達(dá)界面的軌跡顯示，目標(biāo)在200s左右時(shí)處于過(guò)航截點(diǎn)附近，并且處于遠(yuǎn)距離大航路捷徑，其徑速很低甚至接近于零。因此，雷達(dá)失鎖的原因很有可能是受到由天線主瓣進(jìn)入的與處于相同距離單元的海上孤立強(qiáng)點(diǎn)的雜波影響，導(dǎo)致目標(biāo)丟失［11］。假設(shè)在前200s的目標(biāo)的方位角度變化如圖1所示。

圖1 目標(biāo)前200s方位角度變化曲線

同時(shí)，根據(jù)目標(biāo)過(guò)航截點(diǎn)的軌跡特點(diǎn)，在200s后目標(biāo)的俯仰角度和距離在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，為使雷達(dá)保持穩(wěn)定、連續(xù)的跟蹤，此時(shí)需要對(duì)雷達(dá)失鎖時(shí)（航截點(diǎn)附近）目標(biāo)的方位角度進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)圖1目標(biāo)在前200s的飛行軌跡，同時(shí)運(yùn)用式（7）求多項(xiàng)式系數(shù)的方法，采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，用來(lái)預(yù)測(cè)在雷達(dá)失鎖后20s的目標(biāo)方位角度變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖2所示［12］。

圖2 雷達(dá)失鎖后目標(biāo)方位角度變化趨勢(shì)

根據(jù)圖2擬合的結(jié)果來(lái)看，航跡預(yù)測(cè)的擬合效果較好，擬合結(jié)果不僅與前200s目標(biāo)方位角度大體一致，還可以預(yù)測(cè)雷達(dá)失鎖后20s目標(biāo)方位角度變化情況，根據(jù)對(duì)目標(biāo)方位角度的擬合和預(yù)測(cè)，結(jié)合過(guò)航截點(diǎn)時(shí)的目標(biāo)距離和俯仰角度，便可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)航跡的維持和雷達(dá)的穩(wěn)定跟蹤。

4 結(jié)語(yǔ)

文章運(yùn)用了多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)目標(biāo)的航跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以在雷達(dá)失鎖時(shí)對(duì)目標(biāo)保持穩(wěn)定的跟蹤，該方法可對(duì)對(duì)記憶跟蹤階段的航跡預(yù)測(cè)及航跡關(guān)聯(lián)進(jìn)行更精細(xì)化的處理，其優(yōu)點(diǎn)是避免了卡爾曼濾波方法僅采用最后一個(gè)時(shí)刻狀態(tài)值進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，由于濾波狀態(tài)的不穩(wěn)定導(dǎo)致的預(yù)測(cè)偏差大的問(wèn)題。該方法可以最大程度地減小偏差，對(duì)于雷達(dá)失鎖時(shí)目標(biāo)航跡預(yù)測(cè)具有一定的實(shí)用價(jià)值。