CN107121674B - 自适应变波形切换跟踪目标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种自适应变波形切换跟踪目标的方法，旨在提供一种回波接收期短、扫描时间资源利用率高、能够增大雷达探测距离的跟踪目标方法。本发明通过下述技术方案予以实现：按雷达所需的距离探测范围R和允许的发射机占空比D，先将雷达所需探测范围R划分为N段，相邻距离段交叠覆盖；然后根据每距离段最大距离、波束宽度、波长、目标速度和目标加速度，计算出每段允许的最大扫描时间；再计算出每段对应的脉冲宽度和雷达脉冲重复频率；然后计算出每段允许的最大扫描时间；最后根据最大扫描时间确定出各距离段对应的相参积累脉冲数和目标由远及近或由近及远飞行时，所需距离覆盖随目标变化，相应脉冲宽度和脉冲重复频率作相应变化的雷达波形参数。

Description

自适应变波形切换跟踪目标的方法

技术领域

本发明涉及一种目标跟踪系统自适应变波形目标的跟踪方法，该方法可广泛应用于气象雷达、测量雷达、军用雷达等单目标跟踪体制雷达的新研或改造。

背景技术

近年来，针对目标跟踪的发射波形优化受到了广泛的关注,其中,如何自适应地选择发射波形是其研究难点之一。现有技术在传统的雷达目标跟踪系统中增加了波形自适应选择模块，基于卡尔曼滤波并面向单目标背景，利用参数估计理论中Fisher信息矩阵的逆作为观测噪声协方差，建立了发射波形与跟踪滤波之间的联系，通过波形选择及参数寻优使得跟踪误差数据，分别研究了基于粒子滤波和容积卡尔曼滤波Cubature非线性跟踪算法的波形自适应问题，但是二者在波形选择和参数寻优时，距离误差和速度误差在量纲上不一致，需要对二者的权重进行调节，寻优时的复杂度较高，计算量较大。为了提高雷达系统的跟踪性能，需要将发射波形选择与自适应的跟踪算法相结合，传统的针对目标跟踪的波形选择方法都是在非自适应跟踪算法的基础上进行的。传统雷达对目标跟踪时采用固定的发射波形，为了获得更远的目标跟踪距离，采用真空管发射机的传统跟踪雷达通常采用增大功率孔径积方式实现，即加大天线尺寸和增大发射机功率。天线尺寸的增加使雷达成本大幅上升，这是因为天线的重量、尺寸误差以及对底座的要求都随着天线尺寸的增加而迅速增加。为了便于机动运输，天线还不得不采取分块拆卸设计，或增加相应的机电折叠机构，这导致雷达复杂度上升、可靠性降低、快速机动能力下降。为了获得高的发射功率，传统跟踪雷达常常采用真空管发射机，如速调管、行波管、磁控管发射机，这些发射机峰值功率小则几十千瓦，大则上兆瓦。真空管发射机高达几十千伏的工作电压让人望而却步，工作时发出的“嗡嗡”声也让人不胜其扰，同时真空管发射机还有体积大、重量重、成本高、消耗功率大、占空比低、相参性差、工作前需预热、寿命有限等弊病。更为致命的是，高峰值功率使得雷达低截获性能下降。

采用真空管发射机的常规跟踪雷达天线孔径大、发射功率高、低截获性能差，固态功率器件的出现使得雷达工程师眼前为之一亮。固态器件与真空管相比，固态器件有不需预热、低电压、大带宽、高占空比、相参性好、高可靠等诸多优点。虽然固态器件单管峰值功率较低，多在百瓦量级下，但通过多只固态管功率合成仍然可以获得高功率，这使得雷达固态化得以快速发展，有源相控阵雷达便是这一思想的典型应用。但是跟踪雷达面临的天线孔径大、发射功率高、低截获性能差等问题却未因固态发射机的应用而得到妥善解决。能否采用相对较小的天线尺寸和较低的发射功率达到传统雷达的探测性能呢？由雷达方程可知，雷达最大作用距离4次方与发射功率P、天线增益(与天线尺寸相关)、扫描时间T成正比。因为扫描时间由特定的条件限制，常常不可变，例如要求搜索雷达4秒完成一次空域搜索，所以雷达工程师们常常只能通过增大“功率孔径积”来提高雷达探测距离。对跟踪雷达而言，情况稍好，因为雷达跟踪时波束始终对准目标，在确保一定跟踪实时性和精度前提下，可以适当加长扫描时间T，利用固态发射机良好的波形相参性，通过多脉冲相参积累来提高信噪比，增大雷达探测距离。另外，固态发射机采用高占空比工作(增大平均功率)，也可一定程度弱化固态发射机峰值功率较低影响。

本发明提出的“一种基于雷达自适应波形切换的目标跟踪方法”是基于以上理论的一次创新和工程应用。

发明内容

本发明的目的是针对常规真空管跟踪雷达天线孔径大、发射功率高、低截获性能差存在的不足之处，提供一种回波接收期短、扫描时间资源利用率高、能够增大雷达探测距离、跟踪目标连续稳定，且天线孔径小、发射功率低、低截获性能好的自适应变波形切换跟踪目标的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：按雷达所需的距离探测范围R和允许的发射机占空比D，先将雷达所需探测范围R划分为N段，相邻距离段交叠覆盖；再计算出每段对应的脉冲宽度τ_N和雷达脉冲重复频率F_N；然后根据每距离段最大距离R_N、波束宽度θ、工作波长λ、雷达重频F_N、距离分辨率单元△R、目标速度V和目标加速度a，计算出每段允许的最大扫描时间T_N；最后根据最大扫描时间T_N确定出各距离段对应的相参积累脉冲数n。按计算出的τ_N，编程合成N种脉冲波形，并存储于安装在雷达天线上与发射机相连的频率源中；按计算出的F_N，编程合成N种重频时序，并存储于安装在雷达舱内与信号处理机和频率源相连的定时器中；按计算出的n，编程实现N种相参积累模式，并存储于安装在雷达舱内与接收机相连的信号处理机中。雷达跟踪目标时，舱内的终端计算机按目标距离值对应的距离段号N分别控制频率源调取波形τ_N、定时器调取重频时序F_N、信号处理调取相应积累模式n工作；跟踪过程中，若目标距离发生变化，则通过改变脉冲宽度τ_N、脉冲重复频率F_N、相参积累模式n可实现连续稳定跟踪。

当目标运动至相邻距离段交叠区时，终端计算机进行目标运动方向预判决，采用目标当前距离值减去目标前次距离值判断目标运动方向，根据运动方向提前改变波形，以确保波形变换及时准确、目标跟踪连续稳定。使用上述跟踪目标方法的一种自适应变波形切换跟踪目标的方法，具有如下技术特征：在单目标跟踪雷达中，用GaN功率管等固态器件构建40瓦固态发射机。雷达搜索截获目标时，先调转跟踪天线对准目标，雷达定时器、频率源和信号处理器协同配合逐次变化，实时改变雷达脉冲波形，由远及近全距离量程搜索目标；定时器先以417μs脉冲周期、2.4kHz低重频工作，然后通过信号处理器对22km～40km距离段对应回波进行32脉冲积累检测处理，若发现目标则转入跟踪状态，若未发现目标则继续转入14km～26km距离段搜索，以此类推直至捕获目标，并转入跟踪状态。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

扫描时间资源利用高，能够增大雷达探测距离的。本发明按雷达所需的距离探测范围R和允许的发射机占空比D，先将雷达所需探测范围R划分为N段，每段距离覆盖范围为R_{N_min}～R_{N_max}，且相邻距离段交叠覆盖；再计算出每段对应的脉冲宽度τ_N和雷达脉冲重复频率F_N；然后根据雷达探测距离划段R_N、波束宽度θ、工作波长λ、雷达重频F_N、距离分辨率单元△R、目标速度V和目标加速度a，计算出每段允许的最大扫描时间T_N；最后根据最大扫描时间T_N确定出相参积累脉冲数n。雷达跟踪目标时，目标由远及近或由近及远飞行，雷达调取对应脉冲宽度τ_N、脉冲重复频率F_N，以及相参积累模式工作。采用上述分段波形设计带来的有益效果在于：一是保持发射机高平均功率工作，有利于充分利用固态发射机高占空比特点，增大雷达探测距离；二是回波接收期时间最短，有利于多脉冲相参积累，最大程度利用扫描时间资源，增大雷达探测距离。

天线孔径小、发射功率低、低截获性能好。本发明在常规跟踪雷达升级改造中，或全新的跟踪雷达设计时，用几十瓦量级功率的固态发射机取代几十千瓦量级的真空管发射机，当用峰值功率仅几十瓦量级的固态发射机取代几十千瓦量级真空管发射机时，采用自适应变波形跟踪方法，可以弥补发射机功率降低对跟踪距离的影响，同时还可适当缩小天线尺寸。该方法既利用了固态发射机的优点，又保证了雷达探测距离，同时使雷达具备了低截获性能。

能够增大雷达探测距离，跟踪目标连续稳定。本发明根据目标距离变化，自适应地调整发射机、频率源、信号处理机,以高效、可靠和稳健的方式实现特定目标跟踪。在转入跟踪状态后，雷达重频、脉宽等波形特征不再逐次变化，而是受目标距离控制，距离远则重频低、脉冲宽；距离近则重频高、脉冲窄，尽量采用长脉冲串相参积累，以获得高的信噪比。相邻距离段采取无缝衔接波形设计，保证两种波形均可跟踪目标连，连续目标跟踪稳定。当目标处于距离交叠段时，雷达终端进行目标运动预判决，以确保目标接近距离交叠中心时能迅速准确转入下一跟踪波形，保持对目标连续稳定跟踪。采用上述分段波形设计带来的好处是：一是保持发射机高平均功率工作，有利于充分利用固态发射机高占空比特点，增大雷达探测距离；二是回波接收期时间最短，这有利于多脉冲相参积累，最大程度利用扫描时间资源，增大雷达探测距离。固态发射机选择可高占空比工作的GaN等功率管作为核心器件。在此基础上再采用“雷达自适应变波形目标跟踪方法”，跟踪过程中通过实时改变雷达脉冲波形，使固态发射机始终保持高占空比工作(高平均功率)，信号处理器采用长脉冲串相参积累，以提高目标信噪比，确保探测距离满足要求。同时雷达采用脉压技术解决宽脉冲导致的距离分辨率问题，采用近距窄脉冲解决距离盲区问题。

下表是对一部传统跟踪雷达采用本发明改造前后对比。可以看出，改造后雷达峰值功率下降了500倍，天线口径缩小了1.6倍，而雷达最大探测距离反而增加了1.2倍，雷达数据率、跟踪精度、实时性等指标仍然满足要求。

本发明以目前发展成熟的固态微波功率器件和DSP数字信号处理芯片为基础，提出的“一种基于雷达自适应波形切换的目标跟踪方法”具有普遍性和实用性，可广泛应用于气象雷达、测量雷达、制导雷达、火控雷达等单目标跟踪体制雷达改造升级或全新设计上，显著提高跟踪雷达可靠性、维修性、低截获性，大幅降低雷达功耗和雷达研制成本。

本发明以目前发展成熟的固态微波功率器件和DSP数字信号处理芯片为基础，提出的一种基于雷达自适应波形切换的目标跟踪方法”具有普遍性和实用性，可广泛应用于气象雷达、测量雷达、单目标跟踪体制雷达改造升级或全新设计上，显著提高跟踪雷达可靠性、维修性、低截获性，大幅降低雷达功耗和雷达研制成本。

附图说明

图1是本发明的自适应变波形跟踪目标原理示意图。

图2本发明的跟踪雷达脉冲延时测距原理示意图。

图3是是本发明的目标距离与雷达波形对应关系示意图。

图4是本发明的跟踪雷达扫描时间资源示意图。

图5是本发明的跟踪雷达自适应变波形控制原理框图

具体实施方式

参阅图1-3。参阅图1-3。根据本发明，按雷达所需的距离探测范围R和允许的发射机占空比D，计算出脉冲宽度τ_N和雷达脉冲重复频率F_N；根据雷达原理，将雷达所需探测范围R划分为N段，每段距离覆盖范围为R_{N_min}～R_{N_max}，且相邻距离段交叠覆盖；然后根据雷达探测距离划段R_N、波束宽度θ、工作波长λ、雷达重频F_N、距离分辨率单元△R、目标速度V和目标加速度a，计算出每段允许的最大扫描时间T_N，确定出相参积累脉冲数n和目标由远及近或由近及远飞行时，所需距离覆盖R_N随目标变化，相应脉冲宽度τ_N和脉冲重复频率F_N作相应变化的雷达波形参数；雷达天线与发射机相连的频率源通过DDS数字频率合成为N种脉冲波形，雷达舱内与接收机相连的信号处理机通过DSP编程实现N种脉冲相参积累模式，并存在存储器中；雷达舱内与频率源和信号处理机相连的定时器通过FPGA编程实现N种重频时序。雷达在跟踪目标时，雷达舱内的终端计算机按距离段号协同控制雷达频率源产生对应脉冲波形、定时器产生对应时序、信号处理机工作于对应相参积累模式，当目标运动至相邻波形距离覆盖交叠段时，雷达终端计算机进行目标运动方向预判决，采用目标当前距离值减去目标前次距离值，差值正负号代表目标运动方向。

按计算出的脉冲宽度，编程合成N种脉冲波形，并存储于安装在雷达天线上与发射机相连的频率源中；按计算出的雷达重频，编程合成N种重频时序，并存储于安装在雷达舱内与信号处理机和频率源相连的定时器中；按计算出的相参积累脉冲数n，编程实现N种相参积累模式，并存储于安装在雷达舱内与接收机相连的信号处理机中。雷达跟踪目标时，舱内的终端计算机按目标距离值对应的距离段号N分别控制频率源调取波形脉冲宽度、定时器调取重频时序雷达重频、信号处理调取相应积累模式的相参积累脉冲数n工作。跟踪过程中，若目标距离发生变化，则通过改变脉冲宽度、脉冲重复频率、相参积累模脉冲数n可实现连续稳定跟踪。

在单目标跟踪雷达中，用GaN功率管等固态器件构建40瓦固态发射机。雷达搜索截获目标时，先调转跟踪天线对准目标，雷达定时器、频率源和信号处理器协同配合逐次变化，实时改变雷达脉冲波形，由远及近全距离量程搜索目标；定时器先以417μs脉冲周期、2.4kHz低重频工作，然后通过信号处理器对22km～40km距离段对应回波进行32脉冲积累检测处理，若发现目标则转入跟踪状态，若未发现目标则继续转入14km～26km距离段搜索，以此类推直至捕获目标，并转入跟踪状态。

依据图2所示跟踪雷达脉冲延时测距原理，按雷达所需的距离探测范围R和允许的发射机占空比D，可以计算出脉冲宽度和雷达脉冲重复频率。根据雷达原理，目标距离R与雷达脉冲回波延迟T_d、光速C的关系为：

将雷达所需探测范围R分为N段，每段距离覆盖范围为R_{N_min}～R_{N_max}，若测距不模糊，同时发射机占空比(脉宽除以脉冲周期)D＝35％，则(令距离覆盖R_N＝R_{N_max})：

由上式可知，当R_N确定后可计算出τ_N，同时还可计算出脉冲重复频率F_N：

在图3所示目标距离与雷达波形对应关系中，脉冲宽度τ_N和脉冲重复频率F_N与所需距离覆盖R_N有一一对应关系。目标由远及近或由近及远飞行时，所需距离覆盖R_N可随目标变化，相应脉冲宽度τ_N和脉冲重复频率F_N需作相应变化。举例来说，若雷达所需探测范围为R＝0.5km～40km，则可将0.5km～40km按距离分为10段，可分别计算出：第1距离段波形脉宽τ₁＝7μs，重频F₁＝48k，覆盖0.5km～2km；…；第9距离段波形脉宽τ₉＝93μs，重频F₉＝3.7k，覆盖14km～26km；第10距离段波形脉宽τ₁₀＝145μs，重频F₁₀＝2.4k，覆盖22km～40km。注意，相邻距离段必须交叠覆盖，如第9距离段R_{9_max}＝26km，必须大于第10距离段R_{10_min}＝22km，以确保能连续跟踪目标。

采用上述分段波形设计带来的好处是：一是保持发射机高平均功率工作，有利于充分利用固态发射机高占空比特点，增大雷达探测距离；二是回波接收期时间最短，这有利于多脉冲相参积累，最大程度利用扫描时间资源，增大雷达探测距离。

参阅图4。根据雷达探测距离划段R_N、波束宽度θ、工作波长λ、雷达重频F_N、距离分辨率单元△R、目标速度V和目标加速度a，可计算出每段允许的最大扫描时间T_N，以确定相参积累脉冲数n。其中，

目标跨越半个角度分辨单元时间T′：

目标跨越半个距离分辨单元时间T″：

目标跨越半个速度分辨单元时间T″′：

扫描时间T_N必须同时小于T′、T″、T″′，才能确保天线持续对准目标，并进行有效脉冲积累，从而稳定跟踪目标，即T_N必须满足：

T_N≤min{T′，T″，T″′}

举例，若R₁₀＝40km、波束宽度θ＝2°、工作波长λ＝0.032m，雷达重频F₁₀＝2.4K、距离分辨率单元△R＝20m、目标速度V＝680m/s、目标加速度a＝40m/s²计算，则扫描时间T₁₀≤min{1000ms，15ms，15ms}，可取相参积累脉冲数n＝32，即T₁₀＝13ms；若R₁＝500m、雷达重频F₁＝48K，其余参数不变，则扫描时间T₁≤min{13ms,15ms，19ms}，可取相参积累脉冲数n＝512，即T₁＝11ms。

参阅图5。当确定完雷达波形参数及脉冲积累数后，便可开展“自适应波形切换目标跟踪”具体设计了：雷达天线与发射机相连的频率源通过DDS数字频率合成N种脉冲波形，并存在存储器中；雷达舱内与频率源和信号处理机相连的定时器通过FPGA编程实现N中重频时序；雷达舱内与接收机相连的信号处理机通过DSP实现N种脉冲相参积累模式。雷达工作时，雷达舱内的终端计算机按距离段号协同控制频率源产生对应脉冲波形、定时器产生对应时序、信号处理工作于对应相参积累模式。

在跟踪目标时，当目标距离变换到波形N对应距离段时，雷达直接按对应波形工作。当目标运动至相邻波形距离覆盖交叠段时，例如N与N+1距离覆盖交叠段时，雷达终端计算机进行目标运动方向预判决，采用目标当前距离值减去目标前次距离值，差值正负号代表目标运动方向。为了避免由于测距误差误判运动方向，可采取连续循环求差计算，以m(偶数)个差值为一判定步长。若距离差值符号为正个数多于m/2，则判为远离；若距离差值符号为正个数少于m/2，则判为接近；若距离差值符号为正个数等于m/2，则判为静止(悬停飞行、环形绕飞、切向飞行等)。

当判定为接近，且目标距离接近波形N与N+1交叠中心时，雷达调取波形N工作，为避免频繁切换波形，每次波形切换后至少维持5个判定步长时间，才响应新的判决结果，切换波形。

当终端计算机判定为远离，且目标距离接近波形N与N+1交叠中心时，雷达调取波形N+1工作。同样，为避免频繁切换波形，每次波形切换后至少维持5个判定步长时间，才响应新的判决结果，切换波形。

当终端计算机判定为静止时，则维持当前波形N或N+1不变，保持对目标进行跟踪。

通常，要求雷达目标探测数据周期恒定，而采用“变波形目标跟踪方法”雷达完成一次目标探测时间(扫描时间)与目标距离相关，不等间隔，可采用航迹预测滤波与数据等间隔抽取方法加以解决，实现等周期数据输出。

Claims (5)

1.一种自适应变波形切换跟踪目标的方法，其特征在于包括如下步骤：按雷达所需的距离探测范围R和允许的发射机占空比D，先将雷达所需探测范围R划分为N段，相邻距离段交叠覆盖；再计算出每段对应的脉冲宽度τ_N和雷达脉冲重复频率F_N；然后根据每距离段最大距离R_N、波束宽度θ、工作波长λ、雷达脉冲重复频率F_N、距离分辨率单元△R、目标速度V和目标加速度a，计算出每段允许的最大扫描时间T_N；最后根据最大扫描时间T_N确定出各距离段对应的相参积累脉冲数n，计算出τ_N，编程合成N种脉冲波形，并存储于安装在雷达天线上与发射机相连的频率源中；按计算出的F_N，编程合成N种重频时序，并存储于安装在雷达舱内与信号处理机和频率源相连的定时器中；按计算出的n，编程实现N种相参积累模式，并存储于安装在雷达舱内与接收机相连的信号处理机中；雷达跟踪目标时，舱内的终端计算机按目标距离值对应的距离段号N分别控制频率源调取脉冲宽度τ_N波形、定时器调取脉冲重复频率F_N的时序、信号处理调取相应积累模式工作的相参积累脉冲数n；跟踪过程中，若目标距离发生变化，则通过改变脉冲宽度τ_N、脉冲重复频率F_N、相参积累模式的相参积累脉冲数n可实现连续稳定跟踪。

2.如权利要求1所述的自适应变波形切换跟踪目标的方法，其特征在于：雷达在跟踪目标时，雷达舱内的终端计算机按距离段号协同控制雷达频率源产生对应脉冲波形、雷达定时器产生对应时序，信号处理机工作于对应相参积累模式，当目标运动至相邻波形距离覆盖交叠段时，雷达终端计算机进行目标运动方向预判决，采用目标当前距离值减去目标前次距离值，差值正负号代表目标运动方向。

3.如权利要求1所述的自适应变波形切换跟踪目标的方法，其特征在于：雷达在搜索截获目标时，先调转跟踪天线对准目标后，雷达定时器、频率源和信号处理器协同配合，波形逐次变化，由远及近全距离量程搜索目标；雷达定时器以脉冲周期417μs，2.4kHz低重频工作，发射机以脉宽145μs发射，占空比35％，平均功率14W，信号处理器对22km～40km距离段对应回波进行脉冲积累检测处理，若发现目标则转入跟踪状态，若未发现目标则继续转入14km～26km距离段搜索，以此类推直至捕获目标，并转入跟踪状态。

4.如权利要求1所述的自适应变波形切换跟踪目标的方法，其特征在于：在目标距离与雷达波形对应关系中，脉冲宽度和脉冲重复频率与所需距离覆盖雷达探测距离划段有一一对应关系。

5.如权利要求1所述的自适应变波形切换跟踪目标的方法，其特征在于：当目标运动至相邻波形距离覆盖交叠段时，雷达终端计算机进行目标运动方向预判决，采用目标当前距离值减去目标前次距离值，采取连续循环求差计算，以偶数m个差值为一判定步长，若距离差值符号为正个数多于m/2，则判为远离；若距离差值符号为正个数少于m/2，则判为接近；若距离差值符号为正个数等于m/2，则判为静止。