基于参差中重频脉组的搜索雷达跟踪波束设计*

朱永杰，苏 巧，严 超，薛广然

（1.西安电子工程研究所，西安 710100；2.陆装驻西安地区第六军代室，西安 710100）

0 引言

搜索雷达在现代战争中肩负着指定空域的监视任务，对空中目标进行搜索、发现和跟踪，并将目标位置信息提供给防空武器系统。随着制导技术的不断发展，有些搜索雷达可直接为武器系统提供中制导信息。因此，搜索雷达对目标探测的稳定性和探测精度提出更高的要求，尤其是对于已进入拦截火力分配通道的目标。传统搜索雷达采用边搜索边跟踪（TWS）模式，对监视空域进行波束顺序扫描［1-2］，雷达空间资源配置固定，数据率偏低。在强气象、地物杂波及电磁干扰环境下，易出现目标检测概率下降、航迹拉偏断航等状况，难以满足武器系统对特定目标持续稳定跟踪的要求［3］。针对上述问题，本文提出为搜索雷达设计跟踪波束，对特定目标采用基于目标预测信息的多组参差中重频检测方式工作。通过设置多组中重复频率探测波形组合，可以有效扩展速度检测清晰区范围，相对常规的低重频探测波形，能够有效抑制慢速气象杂波及强地物杂波剩余，并改善因速度模糊导致的检测性能下降；通过预测信息实现目标距离、速度双模糊的快速解算，提高探测精度（速度精度）；同时，跟踪波束对特定目标进行空域集能处理，有效地增加目标观测能量和观测数据率，提高特定目标的检测概率［4-5］。

1 跟踪波束设计

某技术体制为方位机械旋转加俯仰维相扫有源三坐标雷达，主要作战模式下，天线以15 r/min 的转速在方位上匀速转动，根据被观测目标的仰角位置的不同，波束在俯仰上通过电扫顺序发射x 个波束宽度约为6°的发射波束，形成2x 个宽度约为3°的接收波束，对要求空域进行覆盖，该雷达在当前作战模式下无跟踪波束。

针对该雷达上述作战模式需求，设计跟踪波束，当被跟踪目标释放有源干扰或需要对某一目标重点关注时，牺牲对该目标所在方位上其他仰角区域的空域监视，对该干扰目标实施集能工作方式，即天线在方位上旋转到目标所在角度时，波束在俯仰角上不再扫描，而是将方位波束驻留时间内的所有能量集中在被观测目标上，实现重点目标的跟踪。其处理流程如下：

1）雷达在传统TWS 搜索模式下获得目标航迹；

2）发现需特别关注的目标后，通过终端控制进入跟踪模式，输入需进行跟踪的目标批号；

3）终端通过数据处理预测该目标下一帧位置，并在天线扫至该目标前向信号处理及前端预置方位、俯仰信息；

4）当天线扫至预置方位时，雷达由俯仰顺序扫描方式变为采用中重频脉组的固定波束，该波束指向为数据处理预测俯仰波位；

5）信号处理按组进行MTI-MTD 处理，CFAR检测后输出目标信息；

6）信号处理根据数据处理的预测信息对实际探测的目标信息进行距离、速度解模糊；

7）信号处理对探测多次的目标信息进行凝聚，并输出给终端；

8）终端的数据处理进行点迹关联处理，最终形成点迹并显示。

2 基于目标先验信息的波束调度设计

数据处理收到信号处理发送的目标点迹数据后，剔除虚假航迹，经滤波相关后形成目标的真实航迹，并预测目标下一帧位置。雷达进入跟踪模式后，在需跟踪目标所在方位采用固定波位探测方式，其他方位仍然使用顺序扫描方式。启用固定波位探测方式，需要根据航迹预测结果确定启用固定波位探测的方位角，同时设定波束的俯仰指向角。

启用固定波位探测方式的天线码盘转角，按照下式设计：

其中，Preazimuth 为跟踪目标预测方位角，Azimuth-Code 为方位码盘，Amend 为修正量，补充因处理和通信延时引起的指向滞后问题，BeamWid 为雷达方位波束宽度，满足该条件时启用固定波位探测，否则采用顺序扫描方式。

图1 跟踪模式处理流程

3 中重复频率波形设计

在对跟踪目标进行固定波位跟踪探测时，采用中重频探测波形［7］。根据时序设计要求，方位驻留时长与原搜索模式的顺序扫描保持一致，在驻留时间内，设计4 组脉冲串进行探测：第1 组为低重复频率脉冲串，含8 个脉冲，进行距离不模糊探测（简化解模糊）；后3 组为频点和PRF 都不同的中重频脉冲串，每组按16 个脉冲设计，采用2 点MTI（或3点MTI）级联16 点FFT 滤波器处理。如表1 所示。

表1 跟踪模式下的波形设计

采用如上所述3 组MPRI 的滤波器联合响应仿真结果如图2 所示，反应雷达RD 探测特性的斑马图如图3 所示。由仿真结果知，采用3 组MPRI 的时序配置可有效降低目标落入盲速区所带来的影响，具有较好的探测覆盖能力，再加上第1 组的常规探测脉冲，能够较好地实现目标跟踪探测。

该设计相较于传统低重频顺序扫描的探测，在一个方位驻留内可进行4 次检测，若雷达单次检测概率为90%，则理论上可将该方位驻留内的检测概率提高至1-（1-90 %）^4=99.99 %；多组MFRI 让雷达具有更大的速度清洁区以及更好的低速杂波抑制能力，提高单次测速能力和测速精度。

图2 3 组MPRI 滤波器联合响应

4 目标先验信息的距离/速度解模糊

图3 3 组PRI 形成的探测斑马图

图4 距离解模糊方法

如果单视处理中有不止一次的目标检测，或者在单视处理中目标检测与另一类不同目标发生相关，相关处理得出的距离可能并非是真实距离，此所谓距离幻影现象（如图中圆圈中）。通常使用附加的准则来排除距离幻影，如选择M/N 比值最高的相关距离（其中，M 为检测报告次数，N 为PRF 重数），选择M 个检测中方差最小的检测判决等。但此类算法实现较为复杂，因此，采用一组距离不模糊的低重频PRF 和3 组距离模糊的中重频PRF 探测目标，相关处理运算量变的简单，如图5 所示。

图5 低重频PRF 和中重频PRF 配合解模糊示意图

5 试验验证

为了验证跟踪波束设计对搜索雷达特定目标探测性能的提升，将该搜索雷达按照本文设计进行改进，增加跟踪模式。该雷达在对S200 靶机绕飞试验中，靶机飞出段采用常规搜索模式，进入段改用参差MPRI 波束的跟踪模式。

选取检飞过程中同一强杂波点在不同重频下的多普勒频谱，由图6 可知，通过将重频的增加，能够将杂波的基底电平降低7 dB 左右，同样提高目标的发现概率。

检飞过程中检测情况如图7 所示（图为雷达实际PPI 画面截屏），图中白色点表示雷达未检测到目标情况下数据处理外推点，常规搜索模式下，雷达多次出现“丢点”情况；在跟踪模式下，雷达只在盲区附近出现一次“丢点”，由对比知，采用参差MPRI波束的跟踪模式使雷达特定目标的检测概率大大提高。对S200 靶机，战斗机等多机型、多架次检飞试验数据进行统计，跟踪模式下雷达检测概率能够有效提升，测试可达98%以上，原状态下检飞时跟踪上述类型目标，检测概率均值为81%。图7 为一次S200 靶机实际飞行过程雷达界面的截屏图。靶机背离过程中，采用原工作模式跟踪，全程丢检测一次点迹7 个；靶机由背离阵地调转航向变为进入阵地状态后，采用中重复频率的跟踪模式跟踪该目标，进入全程只丢失检测一次点迹1 个；而靶机近入时的RCS 较背离时小，会造成目标检测概率下降，但通过跟踪模式的使用，检测概率却有明显的提升。

6 精度分析

图6 强杂波点在不同重频下的频谱

图7 雷达对靶机检测情况截图

对使用中重复频率的跟踪模式探测S200 型靶机的实际检飞数据进行精度分析。由于该靶机提供的真值数据中包括GPS 位置信息（LongTgt/LatitudeTgt/HightTgt）、GPS 速度（VgpsTgt）、航向（YawTgt）和俯仰角（PitchTgt）等信息，通过坐标转换将目标的GPS 位置转换为雷达坐标系的XYZ 值。然后，将目标的速度在大地直角坐标系中进行分解：

图8 跟踪模式下目标速度对比（机动目标）

图9 跟踪模式下测速精度分析（机动目标）

从图9 可以看出，目标径向速度从20 m/s 到100 m/s 的变化（机动转弯造成径向速度的变化），中重复频率跟踪模式下测速的均方根值小于5 m/s。原模式下，由于使用低重频无法进行速度解模糊，因此，信号处理上报的点迹无速度信息。中重复频率的跟踪模式下给出点迹的速度信息，在数据处理中使用速度信息设计关联波门。从图中可以看出，中重复频率的跟踪模式下目标的测速精度较高，跟踪波门可以设计的很小，从而提高航迹关联的准确性，提升航迹质量［9］。

7 结论

经过多次检飞验证及结果分析可知，基于参差中重频脉组的跟踪波束设计，能够有效扩展雷达速度清晰区，改善因速度模糊导致的检测性能下降，提高雷达对特定目标的检测概率，并实现特定目标的高精度测速，提高目标的航迹质量，更好地满足武器系统对特定目标稳定跟踪的要求。