三坐標雷達目標高度突跳問題研究

摘 要： 系統研究了三坐標雷達目標高度突跳問題。基于雷達試驗數據，詳細分析了造成三坐標雷達目標高度突跳的影響因素；并結合雷達終端軟件系統的工程實現，給出了改善雷達測高精度的軟件解決措施。研究成果易于在工程實現中應用，有利于提高雷達測高精度。

關鍵詞： 三坐標雷達； 高度突跳； 信號處理； 數據處理； 監控系統

中圖分類號： TN958.8?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0022?03

0 引 言

測高精度是預警監視雷達的重要戰術性能指標之一。目標高度信息的精確與否直接影響到防空作戰指揮系統對目標威脅度的判斷，以及針對威脅目標進行的指揮決策和所采取對抗的火力引導[1]。文獻[2]從人為因素、實際使用中的器件損壞因素出發，給出了雷達測高精度出現偏差時的原因分析和相應的修正方法。文獻[3]研究了星載雷達高度計的測量中，利用雷達高度計回波波形估計誤指向角的理論分析方法，并利用分析結果，提出了一種高度補償方法，以提高星載雷達的測高精度。文獻[4]系統研究了影響機載預警雷達測高精度的主要因素，分析了機載預警雷達的誤差產生原因，并給出了提高機載預警雷達測高精度的方法。

與上述相關工作[2?4]不同，本文從地面三坐標雷達的陣地地理條件、雷達自身系統的整體組成，即信號處理、數據處理、雷達監控系統等多角度出發，分析三坐標雷達的高度突跳問題，并給出了相應的軟件解決措施，以提高雷達的測高數據精度。

1 高度突跳因素分類

文獻[5]指出目標的高度信息是根據雷達測量的目標距離和目標仰角間接獲得的指標，其計算方程如式（1），其精度與眾多因素有關。

[hd=hr+rdsinθ+rd2cos2θ2ka] （1）

式中：[hd]為目標高度；[hr]為雷達天線高度；[rd]為雷達探測的目標距離（斜距）；[θ]為雷達探測的目標仰角；[k=43]；[a]是實際的地球半徑（6 370 km）。

對于不同的三坐標雷達，其測高精度指標不同。對于同一部雷達，在不同的距離段，其對目標高度精度的定義也不同。例如：假定雷達的目標精度為100 km內，高度精度為200 m，100～200 km高度精度為500 m。那么，在100 km內的目標，如果雷達測量的目標高度與該目標的真實高度之間相差大于200 m，則稱該目標高度突跳。同理，在100～200 km內的目標，如果雷達測量的目標高度與該目標的真實高度相差大于500 m，那么該目標高度突跳。

目標高度突跳因素分類如下：

1.1 地形遮蔽影響

比幅測高技術[6?9]，尤其是三波束比幅測高[10]在當前三坐標雷達系統中被廣泛采用。如果雷達陣地某些方位存在較大的遮蔽角，則可能導致這些方位的目標觀測高度數據突跳。例如，在三波束比幅測高中，目標在前一幀可能處于高、中、低（波束3，波束2，波束1）三波束中波束2的中心位置，而在下一幀，可能由于波束1被高山等地形因素遮擋，從而使得目標處于波束2的上半沿。即雷達測得的目標仰角也就發生變化，從而導致目標高度發生變化，很有可能發生突跳現象。

1.2 近區雜波影響

近區雜波對數據處理中的目標關聯過程影響很大，使得目標航跡在每一幀的相關波門內，需要相關的點跡數量較多，這些點跡的距離、方位極為接近，只是高度不同，極易造成目標相關錯誤。由于近區雜波的大量存在，高度合適的真實點跡可能沒有被相關到目標航跡中，而雜波點跡則被錯誤相關到目標航跡中，從而造成了目標高度的突跳現象。在圖1中，在40 km內雜波點多，特別是20 km內的距離段，由于目標關聯時容易關聯到雜波點上，造成了目標高度突跳。而40 km后，則發現目標觀測高度與目標真實高度（二次高度）基本一致。

圖1 近區雜波對高度數據的影響

1.3 高度平滑算法影響

目標的觀測高度在突變若干幀之后，即使此后有正確高度的合適點跡出現在目標的相關波門內，目標航跡仍也可能繼續選擇高度異常的點跡進行相關，而沒有選擇合適的點。這是因為數據處理軟件的點航相關模塊通常采用方位、距離、平滑高度等的綜合多因子算法，由于之前幾個歷史幀的觀測高度信息已經異常，導致歷史幀平滑高度也異常，即使此時有正常高度的點跡，目標航跡仍可能繼續選高度異常的點進行最后的相關。這種現象在目標上升、下降的過程中尤其明顯。在圖2中，為了特別說明高度平滑算法對高度數據的影響，只打印了051批次目標在7 040（10 s）時刻獲得的相關波門內的四個一次點跡的觀測高度值（圖中用“+”表示）。可以發現由于歷史幀目標觀測高度的突變，而平滑算法收斂較慢，導致在7 040（10 s）時刻，綜合多因子關聯算法選擇的是與歷史平滑高度相近的一次點跡進行相關，而實際上圖2中的這四個點跡，最下面一個點跡（高度值最小）的觀測高度與目標真實高度（二次高度）最為接近。

圖2 高度平滑算法對高度數據的影響

1.4 信噪比起伏擾動影響

由于信噪比起伏擾動，在三波束比幅測高雷達中，部分目標在平穩飛行過程中高度也可能出現突然跳動。當出現此現象時，目標三個波束AD（幅度）值較前一幀下降較多，有的甚至大于10 dB；與此同時，三個波束AD值當中，有一個甚至兩個為零，即因AD值過小無法通過該波束檢測門限。通常情況下，信噪比起伏的擾動導致的目標高度跳變既有可能偏高也有可能偏低，即當目標處于中心波束下沿時，高波束AD值最小，易出現被置零的現象，此時高度偏低；當目標處于中心波束上沿時，低波束AD值最小，易出現被置零的現象，此時高度偏高。

1.5 接收通道增益不一致影響

接收通道的增益若不一致則對采用比幅測高體制的三坐標雷達的測高性能影響很大。因為接收通道增益一致是比幅測高的前提。接收通道的增益不一致時，需要進行校正。雷達初始校正時易受外界電磁環境的影響，通道校正狀態發生偏移，一般情況下需要由雷達操縱員判斷狀態的好壞；雷達工作過程中也可能由于通道故障或環境變化產生性能偏移。

2 高度突跳的軟件解決措施

針對上述高度突跳的影響因素，從信號處理、數據處理、監控系統等三個方面給出解決措施，以提高雷達測高精度。

由于地形遮擋或者目標信噪比起伏等原因，可能造成信號處理軟件中參與比幅測高的低波束AD值不能通過檢測門限，其AD值被切割為0值。如果仍采用三波束比幅測高算法，其計算的仰角信息是不準確的。由于低波束被遮擋，這時信號處理軟件應智能地進行二波束比幅測高算法計算目標俯仰角，有利于提高測高精度。

數據處理軟件在點航跡關聯中常采用綜合多因子算法，綜合考慮目標點跡的多維度信息進行數據關聯。因此數據處理軟件應根據雷達陣地條件構建“陣地遮蔽角輔助圖”、“陣地雜波圖”，并將這兩個圖的信息作為目標點跡綜合加權的因子之一，與目標對應的波束AD值、歷史平滑高度以及距離變化、方位變化等信息一起綜合考慮，從而選擇最佳的點跡進行關聯，進而保證目標高度的精度得以滿足。且數據處理的高度平滑算法，應較快地實現收斂，并適應目標上升、下降等非平穩狀態。

由于接收通道增益是否一致受操縱員的經驗因素影響較大，僅人工設置的方式容易造成偏差。監控系統應實現通道一致性的自動評估系統，利用系統自檢的方式，與人工設定的增益閾值進行比較，系統自動計算，并自動判斷收發通道增益是否一致，若提示收發通道工作不正常，則智能地給出應設置的增益閾值和采取的解決措施。

3 結 語

本文系統總結了三坐標雷達中造成目標測高數據突跳的主要因素，并結合雷達系統軟件終端的工程實際，從信號處理軟件、數據處理軟件、監控系統軟件的角度出發，給出了應對目標高度突跳現象的解決措施。本文的分析結果和解決方法對提高三坐標雷達（尤其是利用比幅測高技術的三坐標雷達）的測高精度有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] 李曉東，高洪興，白桂明，等.情報雷達低仰角測高性能分析及仿真[J].雷達科學與技術，2007，5（5）：331?334.

[2] 孫國強，田芳寧.雷達測高誤差因素分析與修正[J].國外電子測量技術，2011，30（5）：26?28.

[3] 劉保有，許可.雷達高度計誤指向角的估計與補償[J].遙感技術與應用，2007，22（1）：101?104.

[4] 劉波，劉寶泉，陳春暉.機載預警雷達測高精度分析[J].雷達科學與技術，2012，10（2）：133?137.

[5] SKOLNIK M I. 雷達手冊[M].2版.王軍，林強，米慈中，等譯.北京：電子工業出版社，2003.

[6] 邵余峰.高機動三坐標雷達比幅測高誤差分析及修正[J].現代雷達，2007，29（4）：79?81.

[7] 翟慶偉，王玉，宮兵.波束比幅法測向技術研究[J].無線電通信技術，2007，33（6）：55?56.

[8] 杜永強，黃鶴.雙波束比幅測向系統性能分析[J].雷達與對抗，1998（3）：6?10.

[9] 崔炳福.隔波束比幅測向技術[J].電子對抗技術，1995（6）：1?8.

[10] 雷遠宏.地面常規雷達體制下的點跡凝聚算法分析[J].硅谷，2012（7）：177?178.