基于低角補償的雷達低空目標跟蹤方法

王曉楠,馬振康

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著戰場威脅目標的發展和變化,以高速、機動反艦導彈為代表的“低、小、快”目標和以小型無人機為代表的“低、小、慢”目標,已經成為水面艦艇的主要威脅目標,是近程防御系統的主要作戰對象。跟蹤雷達是近程防御系統的重要組成部分,在承擔系統反導防空使命任務時,其對目標的跟蹤精度直接影響系統的作戰效能,低角跟蹤精度是跟蹤雷達的核心指標之一[1]。

雷達對掠海目標進行跟蹤時,發射波束在照射目標的同時會照射到海面,此時進入雷達接收機的回波包括直射目標回波和經過反射的目標回波。合成之后的回波中心將不再指向目標,會隨目標高度和距離而起伏改變,假如不采取措施,雷達的目標跟蹤精度會大幅降低,嚴重時可導致雷達無法正常跟蹤目標。多徑產生影響的大小與雷達發射頻率、雷達架設高度、雷達的電磁波極化、目標高度、目標距離、海情等相關,是困擾雷達反導能力的復雜難題[2]。

本文提出基于低角補償的雷達低空目標跟蹤方法,根據已知參數對低角跟蹤誤差曲線進行仿真并擬合成補償曲線,在低角跟蹤過程中依據海情、目標的高度等信息引用仿真擬合曲線進行跟蹤補償,通過仿真計算,證明該方法可以有效提高雷達的低角跟蹤精度。

1 多徑模型及影響區域劃分

1.1 多徑模型[3]

采用球面多徑反射模型來對多徑條件下雷達對目標的跟蹤進行分析計算。圖1為球面多徑模型示意圖,圖中雷達架設高度表示為hr,目標的高度表示為ht,直接路徑表示為Rd,R1、R2一起構成反射路徑,直接路徑的仰角表示為θd,反射路徑仰角表示為θr,入射余角表示為ψ。

圖1 球面多徑反射模型圖

直接路徑Rd與反射路徑R1、R2之間的區別導致了多徑效應。由于2條路徑區別較小,雷達通常無法區分,2條路徑之間的波程差能夠直接反映出多徑效應。球面多徑反射模型中2條路徑間的波程差,需要首先采用中間變量法求解方程,再使用幾何關系計算,能夠得出球面反射模型中多徑波程差為:

(1)

1.2 多徑影響區域劃分[4-5]

多徑主要影響雷達對目標仰角的測量,在反射信號出現漫射現象時,方位也受到多路徑的影響。多徑對雷達低角跟蹤的影響程度,取決于雷達天線波束“打地”的程度,按天線仰角的高低,大體分為3個區域:

(1) 副瓣區。雷達天線仰角的近副瓣照射地面/海面時,多路徑影響程度與雷達天線副瓣電平大小有關。對于高精度跟蹤雷達,在雷達仰角低于6倍波束寬度以下時,多路徑影響開始逐漸凸顯。

(2) 主瓣區。當雷達天線仰角低于0.8倍波束寬度時,雷達主波束部分“打地”,此時多路徑影響開始變得嚴重,多路徑測角誤差基本上是目標的閃爍誤差,需要采取多路徑抑制措施,否則容易導致目標跟蹤不穩定甚至丟失目標。

(3) 水平區。當雷達仰角接近0°時,目標直接回波信號與鏡像回波信號幅度相當、相位相反,此時合成信號非常小,目標的檢測將變得相當困難。

副瓣區的多徑影響相對較小,跟蹤雷達通常采用的頻率捷變、偏軸跟蹤等措施可以有效抑制副瓣區多徑影響,保證雷達的目標跟蹤精度。當目標進入主瓣區和水平區時,常規多徑抑制方法對雷達低角跟蹤的提升效果有限,需要采取其它有效措施來保證雷達的目標跟蹤精度。

2 低角跟蹤仿真分析[2,6-8]

以常用的單脈沖雷達為例,在多徑條件下仰角測量誤差信號為:

(2)

仿真條件設定如下:

海情設定為2級,目標高度為10 m、15 m,雷達架設高度為15 m,雷達工作頻率為12～13 GHz,脈組頻率捷變模式,頻點數20,雷達波束寬度2°,重復頻率8 kHz,32點快速傅里葉變換(FFT)積累,仿真距離3～10 km。

通過圖2、圖4仿真結果和圖3、圖5數據統計結果可以看出,雷達對超低空目標進行跟蹤測量時受多徑影響,目標跟蹤精度較差。雷達對低空目標的仰角測量誤差統計數據的統計結果如表1所示。

表1 雷達對不同高度目標的仰角測量誤差統計表

圖2 雷達對高度10 m目標的仰角測量誤差仿真結果

圖3 雷達對高度10 m目標的仰角測量誤差數據統計結果

圖5 雷達對高度15 m目標的仰角測量誤差數據統計結果

通常近程反導武器系統要求跟蹤雷達目標跟蹤總誤差優于1 mrad,確保系統的打擊效能。根據表1統計的雷達對10 m、15 m高度的目標跟蹤精度,均未達到指標,無法滿足系統對低角跟蹤精度的要求。

3 低角補償設計

通過上述仿真結果可以看出,雷達在對低空目標進行跟蹤時,仰角跟蹤存在較大的偏差,其中系統分量較大。通過對跟蹤仿真結果曲線進行擬合,將擬合曲線作為補償曲線作用于目標跟蹤過程中,理論上可以將系統誤差去除并有效降低隨機誤差。將圖2、圖4雷達對低空目標的仰角測量誤差數據進行二階擬合,結果如圖6、圖7所示。

圖6 雷達對高度10 m目標的仰角測量誤差仿真結果及二階擬合曲線

圖7 雷達對高度15 m目標的仰角測量誤差仿真結果及二階擬合曲線

將對應補償曲線作用于原始跟蹤偏差中,理論上的剩余偏差仿真如圖8、圖10所示,對補償后的仰角測量誤差數據統計如圖9、圖11所示。

圖9 雷達對高度10 m目標的仰角測量誤差補償后數據統計結果

圖10 雷達對高度15 m目標的仰角測量誤差補償后仿真結果

圖11 雷達對高度15 m目標的仰角測量誤差補償后數據統計結果

對比圖2～圖11仿真結果,雷達對不同高度目標的仰角測量誤差統計如表2所示。

表2 雷達對不同高度目標的仰角測量誤差統計表

通過表2可以看出,采取低角補償后,理論上雷達低角跟蹤的系統誤差被抵消,對高度10 m目標的跟蹤隨機誤差從1.189 mrad降低為1.096 mrad,對高度15 m目標的跟蹤隨機誤差從1.352 mrad降低為1.301 mrad,目標跟蹤的隨機誤差也得到改善,能夠滿足系統跟蹤精度指標要求。說明采用基于低角補償的雷達低空目標跟蹤方法對多徑效應引起的測角偏差進行補償后,能夠有效提高雷達低角跟蹤精度。

4 結束語

本文針對雷達在對低空目標跟蹤時,多徑效應造成的目標測角誤差較大,較難滿足系統反導需求的問題,提出基于低角補償的雷達低空目標跟蹤方法。通過仿真分析,證明了該方法能夠有效提升雷達低角跟蹤精度,具備良好的應用價值。