基于運動平臺的搜索雷達技術研究

周永偉 郝小寧 董普靠 姚 頡

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.陸軍裝備部駐西安地區軍事代表局 西安 710000)

0 引言

伴隨防空是現代野戰防空體系的重要組成部分，其主要任務是掩護戰斗區域內作戰部隊以及戰區內其他重要目標和部隊在集結、展開、行進過程中不受敵方的空中襲擊。自行防空武器系統具有行進間搜索、跟蹤、射擊目標能力，使用機動、靈活，既可進行要地防空，也可伴隨防空，廣受用戶青睞。

本文分析了運動平臺對自行防空武器搜索雷達的影響因素，并研究了對各種影響因素的補償處理方法。

1 影響因素分析

在運動平臺下跟蹤目標與處于靜止狀態下跟蹤目標相比，增加的影響因素主要有以下三點：車體姿態角變化對雷達波束穩定的影響、車體運動對雷達回波多普勒頻率的影響、車體姿態及位置變化對TWS(邊搜索邊跟蹤)的影響。

1.1 波束穩定的影響

在自行防空武器系統中通常會采用搜索雷達對目標進行檢測，由雷達向武器系統提供目標信息輸出，通常包含目標距離、方位、仰角、速度等參數。在車體處于運動狀態時，車體平臺相對大地坐標系產生的傾斜會對目標的檢測產生影響。

雷達的天線俯仰波束指向角是指雷達波束與雷達的安裝基準面的夾角。當車體處于靜止并且調平的狀態時，雷達的安裝基準面與水平面平行，在雷達旋轉過程中，天線俯仰波束指向角相對于水平面是穩定不變的；當車體傾斜時，雷達旋轉時俯仰波束指向相對水平面會發生變化。這對雷達檢測目標是不利的，會出現漏空域或波束打地的現象，會使雷達波束偏離目標，導致威力降低，誤差加大，甚至丟失目標。

1.2 多普勒頻率的影響

脈沖多普勒雷達對目標進行相參積累的動目標檢測(MTD)處理，利用運動目標和地物回波多普勒頻率的區別，將運動目標從地物雜波中檢測出來。當車體處于運動狀態時，雷達獲得的回波信息中除了包含目標自身運動的多普勒信息外，還包含車體運動引入的影響，如果不對車體運動的影響進行補償則會對地物和運動目標的檢測產生混淆。

1.3 TWS的影響

在車體靜止時，雷達的數據處理器對包含目標距離、方位、仰角的點跡信息進行處理得到航跡信息，處理基于目標運動模型。在車體運動過程中由于車體位置和姿態的變化導致目標的測量位置和航跡的外推位置有較大的距離差不能正確相關或正確起始航跡。

2 運動平臺跟蹤補償處理

運動平臺下由于車體的運動帶來的車體速度、位置和姿態的變化導致了前文所述的三點影響，必須對其進行補償。在自行防空武器系統中通常采用組合導航設備測量車體速度、位置和姿態，行進間工作補償原理如圖1所示。在該系統中使用的是一部方位機械掃描、俯仰相掃的三坐標搜索雷達。

圖1 運動平臺跟蹤補償處理圖

2.1 波束穩定補償

2.1.1 坐標轉換關系

在進行波束穩定補償前需要先求出波束的偏移量，計算波束的偏移需要進行多次坐標轉換進行求取。在自行防空武器系統中，常見結構形式為搜索雷達安裝在炮塔上，炮塔安裝在車體上，炮塔和雷達均可以全方位旋轉。其中涉及到3種坐標系，分別是雷達坐標系、車體坐標系和大地坐標系。系統可獲得如下信息：雷達測得基于雷達坐標系的目標數據：目標方位角、目標俯仰角及目標距離；炮塔相對于車體坐標系的指向信息：炮塔方位角、炮塔俯仰角；車體相對于大地坐標系的姿態信息：相對正北的航向角、相對水平面的縱搖角以及橫滾角。坐標系的級聯關系如圖2所示，圖中的代表兩種坐標系之間的轉換矩陣。

圖2 坐標系級聯關系

即存在，

(1)

(2)

1)雷達坐標系和車體坐標系的轉換

雷達相對于車體只有轉動，因此，雷達坐標系和車體坐標系僅在方位角上相差。因此兩個坐標系的轉化公式為

(3)

(4)

2)車體坐標系和大地坐標系的轉換

車體坐標系相對于大地坐標系在方位角上有、縱搖角上有，橫滾角上有的坐標旋轉。轉換矩陣為

(5)

(6)

由式(1)、式(3)、式(5)可得，雷達探測得到目標的球坐標數據在大地坐標系的直角坐標為

(7)

由式(2)、式(4)、式(6)可得，大地坐標系到車體坐標系的轉換方法為

(8)

212 波束穩定補償過程

由波束控制器控制搜索雷達進行俯仰相掃，并完成波束穩定補償，其工作原理如圖3所示。波束控制器接收車體姿態信息、雷達方位指向信息和炮塔指向信息，以及設定的雷達俯仰指向角，設定目標距離為1km(可取任意非0值， 不影響計算結果)。

圖3 波束穩定補償原理圖

1)將上述參數代入式(7)得到大地直角坐標系坐標，然后將其轉為大地球坐標得到、和Re；

2)令=，將、和Re代入式(8)得到車體直角坐標系坐標，然后將其轉為球坐標系代入式(4)，得到雷達坐標系方位角′、俯仰角′及目標距離′，其中?=′-即為應補償的俯仰偏移角；

3)波束控制器根據?求出應設定的指向角，控制雷達波束指向。

2.2 多普勒頻率補償

在車體處于靜止狀態時，回波的多普勒頻率和目標相對于雷達的徑向速度以及雷達的波長有關。設目標速度為，雷達波長為，目標多普勒頻率為0，則有

(9)

如果車體運動，則引入車體運動帶來的多普勒頻率。由于車體運動時主要速度分量在水平面上，指向車體航向，車體的縱搖角和橫滾角影響較小，所以在工程設計上通常不予考慮。設車體運動速度為，雷達波長為，目標相對車體的方位角為，相對車體的俯仰角為，在該目標回波由于車體運動疊加的多普勒頻率為1，則有

(10)

設目標回波的實際多普勒頻率為，則有

=0+1

(11)

由信號處理器完成對目標信號的檢測，并完成對由車體運動帶來的多普勒頻率的補償，其工作原理框圖如圖4所示。

圖4 多普勒頻率補償原理圖

信號處理器接收車體速度信息、炮塔指向信息、雷達工作頻率信息和雷達方位指向信息，通過式(3)計算出雷達當前方位相對車體航向的夾角，結合波束俯仰指向角和車體速度按照式(10)計算出車體運動引入的多普勒頻率，并送給CFAR模塊；信號處理器對接收到的中頻回波信號后受AD采樣、DDC、脈壓、MTD處理；在CFAR模塊中，計算出地物回波對應的頻率通道號，先對數據進行重排，將該頻率通道號移為0號通道，然后進行CFAR處理。經過多普勒頻率補償處理后，可以有效地抑制地物雜波，準確地區分動目標和地物雜波。

2.3 TWS補償

由數據處理器完成對目標的連續跟蹤，并完成由車體運動帶來的車體姿態、位置變化對目標跟蹤影響的補償，其工作原理框圖如圖5所示。

圖5 目標跟蹤補償原理圖

數據處理器接收點跡信息，把點跡信息轉換到大地坐標系，然后進行后續的航跡相關處理。如果需要可以對車體的位置信息進行補償，在補償后再進行后續處理，但考慮到車體運動速度遠小于飛機速度，并且在行進過程中雷達每旋轉一周對目標數據更新一次，可以采用以戰車為原點的浮動原點進行處理。在本系統中，戰車在雷達旋轉一周的時間內，行進的距離小于搜索雷達一個距離單元，故采用后一種方法。通過車體姿態補償后，可以消除車體姿態擾動對測量目標位置信息的影響，然后進行航跡起始和相關等處理，實現對目標的跟蹤。

3 試驗驗證

在某自行防空武器系統的研制過程中，通過外場跟飛試驗，對本文論述的補償方法進行了驗證。試驗時，該系統在一段3km長的路線上往返行駛，最大行駛速度不大于30km/h，在行進過程中系統對目標進行搜索、跟蹤。戰斗機以5km為半徑按照圓形軌跡飛行，飛行航路的圓心距自行防空武器系統行駛路線約10km，飛行速度200m/s，飛行高度1500m。自行防空武器系統行進間工作時，雷達對目標形成的航跡如圖6所示，圓圈為目標形成的航跡。

圖6 行進間工作雷達航跡圖

通過外場跟飛試驗，驗證了運動平臺跟蹤技術的可行性和正確性。試驗結果表明：在該試驗條件下，雷達能夠有效抑制地面雜波，虛警點較少，并且系統能穩定連續地跟蹤目標。

4 結束語

本文對運動平臺在工作時對搜索雷達的主要影響進行了分析，研究了補償的方法，并對該補償方法在實際應用中取得的效果進行了簡單介紹。在運動平臺跟蹤補償算法的工程實現過程中，還有較多的理論問題和工程實現問題，有待進一步的深入分析。