用于原点估计和目标归类的尾随空中目标的尾流湍流的光雷达回溯的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及跟踪到来的空中目标的路径以回溯到火力源和武器位置的武器定位 系统，特别涉及也称为光雷达系统的新类型的武器定位激光雷达（Light Detection And Ranging)，该武器定位雷达使用流动场测量，以从检测到目标的点向后回溯尾随空中目标 的尾流湍流，以估计向后轨迹。向后轨迹可被用于估计目标的原点（POO)。流动场测量也可 被用于将空中目标归类，这可被用于提炼POO估计或者影响指向POO上的对抗火力。
【背景技术】
[0002] 武器定位雷达（RAdio Detection And Ranging)系统跟踪到来的包括弹壳、火箭、 迫击炮、导弹等的抛射体的路径，并且，计算发射抛射体的点。这些武器定位系统使用多普 勒雷达以检测抛射体的硬体并然后在抛射体轨迹的后面一部分上向前跟踪硬体的位置。这 些系统一般假定弹道学轨迹以沿估计的飞行路径回溯到地球交点以为有效的对抗火力策 略估计原点（POO)。武器定位系统还预测碰撞区域并且向友军传送数据，从而使得有时间 实施有效的防御措施。武器定位系统在尺寸上便于传输并且重视精度、可动性、可靠性和低 寿命周期成本。当前，武器定位雷达系统在两大类的传感器即中程和长程上是可用的。例 子包括：Raytheon的TPQ-36Firefinder系统具体被设计为对抗中程敌军武器系统，直到24 千米的范围，而TPQ-37Firefinder系统可定位长程系统甚至表面发射导弹，直到50千米。
[0003] 现在参照图Ia~lc，在一般的战场方案中，隐藏在山、沙丘或树林12后面的敌军 大炮10向友军发射抛射体14。为了向大炮10引导有效的对抗火力，必须确定作为抛射体 火力的POO的大炮的位置。武器定位多普勒雷达系统16,诸如TPQ-36或TPQ-37,在较大的 关注域（FOR) 22上扫描覆盖较窄的瞬时视场（FOV) 20的微波能量束18,以检测并然后跟踪 到来的抛射体14。多普勒雷达系统分析返回信号的频率如何被抛射体的移动修改。这种变 动给出抛射体相对于雷达系统的径向速度的直接和精确的测量。多普勒雷达可提供目标硬 体的3D位置（例如，方位角和仰角的粗略测量和精确的估计范围）。
[0004] 一旦建立稳定的跟踪，武器定位雷达系统就跟随硬体抛射体14的向前轨迹以测 量大量的跟踪点24。武器定位系统假定弹道轨迹并且对跟踪点24施加弹道计算以沿估计 的弹道轨迹25回溯到地球交点以估计POO 26。POO 26被转送到反击炮28,该反击炮28计 算火力方案并将对抗火力（例如，抛射体30)引向估计POO处的大炮10。
[0005] 在理想情况下，武器定位系统会从首先被雷达系统观察到抛射体的点即抛射体从 山、沙丘或树林12后面出现的点或者如果存在清楚的视线则从大炮10的抛射体发射点检 测和跟踪抛射体。实际上，在系统可检测抛射体并建立稳定的跟踪之前，存在与许多米的行 进距离对应的延迟。有助于该延迟的因素包括花费在扫描束18的窄FOV 20上以与抛射体 14的飞行路径相交并且检测抛射体的硬体的有限时间量。某些抛射体的雷达断面可能非常 低，以至于不能在第一次通过时检测到抛射体。在初始检测之后，可能需要附加的扫描或两 次扫描以建立稳定的跟踪。
[0006] 如果抛射体在其飞行轨迹中足够早地被检测和跟踪、如果抛射体在飞行路径的任 何部分中不推动或者机动（即，它不背离纯粹的弹道轨迹）以及如果其飞行路径不受大风 或者不稳定空气干扰，那么多普勒雷达可提供POO的相当良好的估计。如果不满足这些条 件，那么估计的POO将不精确，并且，反击炮将效率低下。
【发明内容】
[0007] 为了提供本发明的一些方面的基本理解，以下给出本发明的
【发明内容】
。
【发明内容】
不是要识别本发明的关键或决定性要素或者将本发明的范围划界。其唯一目的是作为后面 给出的【具体实施方式】和限定的权利要求的序言以简化的形式给出本发明的一些概念。
[0008] 本发明提供通过使用流动场测量以从检测到目标的位置向后向火力源跟随跟踪 空中目标的尾流湍流估计空中目标的向后轨迹的武器定位雷达系统。系统可使用向后轨迹 以估计目标的原点。系统也可使用沿着向后轨迹的流动场测量以将目标归类。目标归类可 被用于提炼原点估计、影响选择的对抗火力措施或者适应性调整流动场测量。
[0009] 在实施例中，激光束从检测到目标的位置向后照射尾随空中目标的尾流，直到尾 流不再可被武器定位雷达系统观察。激光束具有被选择为区分尾流湍流与自然出现的大气 现象的空间图案和时间波形。从尾随空中目标的尾流中和周围的空气体积中的分子、气雾 剂和颗粒物质反向散射的激光能量被检测和处理以计算一个或更多个大气流动场图像。各 图像包含诸如但不限于空间分解径向速度或时间或空间的微分、其时刻或函数的流动场测 量的轮廓。流动场测量的轮廓被处理以估计空中目标从目标的检测位置到不再能观察到尾 流的位置的向后轨迹。
[0010] 在实施例中，向后经过不再能观察到尾流的位置投影向后轨迹，以估计空中目标 的原点。在另一实施例中，流动场测量被处理以提取签名并指定空中目标的目标类别。目标 归类可被用于提炼估计POO (例如，调整POO估计或者重新确定POO周围的误差框的尺寸）、 影响对抗火力（例如，对抗火力的类型或量）或者适应性调整目标类别的时间波形。
[0011] 在实施例中，当射束从检测位置回溯尾流时，适应性调整激光束的时间波形。当尾 流老化时，流动场将改变。可基于尾流的"年龄"适应性调整波形，以保留流动场测量的质 量，这里，"年龄"在这里被用作沿向着原点向后测量的尾流路径的位置的代表。作为替代方 案，波形可被适应性调整以进行不同的流动场测量。
[0012] 在实施例中，光雷达系统任意地对三维范围分解模式或二维角度/角度模式适应 性调整时间波形。系统从检测位置向后以范围分解模式照射尾流直到不能再以范围分解模 式观察尾流为止，并然后切换到角度-角度模式，直到尾流不再能观察。系统可渐近地选择 较小范围分解率，直到仅存在2D信息。在雷达系统提供检测的位置和估计的弹道轨迹的实 施例中，光雷达系统结合来自雷达和3D和2D光雷达的信息以估计向后轨迹。
[0013] 在实施例中，在三维范围分解模式中，系统在各范围切片处处理方位角和仰角的 流动场测量以估计各范围切片处的尾流的中心。系统通过中心估计三维轨迹作为向后轨 迹。
[0014] 在实施例中，在二维角度/角度模式中，具有估计的弹道轨迹的系统处理方位角 和仰角上的流动场测量以估计一系列的尾流中心和角度轨迹。系统通过尾流中心拟合曲线 以提供向后轨迹的方位角和仰角分量。系统映射估计的弹道轨迹的二维方位角和仰角投影 处于与任何曲线点的最小角度分离处的估计弹道轨迹的范围坐标，以提供向后轨迹的范围 分量。
[0015] 在实施例中，根据流动场测量、目标归类和光雷达功能，适应性调整尾流中和周围 的空气体积中的反向散射激光能量的空间采样。
[0016] 在实施例中，当回溯尾流湍流时，从尾流内或外的流动场测量提取风速的估计。风 速被用于补偿向后轨迹和POO估计。
[0017] 对于本领域技术人员来说，结合附图参照优选实施例的以下的详细描述，本发明 的这些和其它特征和优点将十分明显。
【附图说明】
[0018] 上述的图Ia~Ic是示出使用已知的武器定位雷达以检测和跟踪到来的抛射体以 估计回到抛射体原点的弹道轨迹以引导对抗火力的示图；
[0019] 图2是由穿过流体的超声抛射体产生的湍流尾流和冲击波的阴影示图；
[0020] 图3a、图3b和图3c分别是通过湍流尾流、范围分解和角度/角度流动场图像给出 的测量频率偏移对沿光雷达视线的范围的示图；
[0021] 图4a~4c是检测到来的空中目标并且沿尾随目标的尾流湍流回溯以估计向后轨 迹和POO以引导对抗火力的武器定位雷达和光雷达系统的实施例的示图；
[0022] 图5是用于检测空中目标并且沿尾随目标的尾流湍流回溯以估计轨迹的武器定 位光雷达系统的实施例的框图；
[0023] 图6a和图6b是包含雷达和范围分解和角度/角度光雷达部件的武器定位系统的 实施例的流程图；
[0024] 图7是使用三维范围分解光雷达以估计向后轨迹的实施例的示图；
[0025] 图8a和图8b分别是用于使用角度/角度光雷达以估计向后轨迹的实施例的轨迹 的角度/角度示图和对三维空间的投影。
【具体实施方式】
[0026] 本发明提供通过从检测到目标的位置向后到不再可通过光雷达系统观察尾流跟 随来自尾随空中目标的尾流湍流的激光能量反向散射估计诸如超音或超声抛射体、火箭、 迫击炮、导弹等的空中目标的向后轨迹的武器定位雷达系统。武器定位系统可使用向后轨 迹以估计目标的P00。系统也可使用沿向后轨迹的尾流的签名以将目标归类。尾流签名可 与由光雷达或雷达系统提供的目标签名组合以提炼归类。目标归类可被用于提炼POO估计 或影响对抗火力。
[0027] 使用光雷达使目标硬体轨迹的直接测量从检测点延伸回到更接近POO的不再能 观察到尾流的点，由此提炼轨迹和POO的估计。给定尾流湍流的足够永久性，武器定位光雷 达系统可在理论上跟踪尾流以回到光雷达系统可首先观察目标自身的点。范围分解光雷达 系统不限于假定弹道轨迹，并且可容纳推动或机动以使轨迹回溯到P00。并且，光雷达系统 可被用于沿目标飞行路径的程度测量径向风速以补偿估计的向后轨迹。可以使用角度/角 度光雷达，以使尾流变得不再能观察的点进一步向POO回溯，从而提炼在移交中提供和/或 由范围分解光雷达产生的估计的弹道或非弹道轨迹。
[0028] 现在参照图2,穿过诸如空气的流体52的超声抛射体50形成领先的弓形声音冲击 波54、压缩冲击波56、扩展波58和包含尾流涡旋62的湍流尾流60。对于超声抛射体，从鼻 子、体部和尾随边缘放射的冲击波54、56和58会消失。
[0029] 领先的弓形声音冲击波54由压缩流体52的抛射体50的尖端形成，该抛射体50 以大于声音的速度穿过该流体52。抛射体的尖端的物理圆锥形状确定抛射体尖端的该冲击 波的曲线的形状。
[0030] 由于抛射体的钝形状，可进一步沿抛射体轮廓的长度看到几个二次压缩波56。随 着抛射体的断面面积从尖端向主体直径增加，空气的体积位移压缩。如果在平滑的轮廓上 存在任何不规则的表面变化，那么它们将用作将出现二次压缩的点。为了均衡恢复，各压缩 需要等价膨胀。可从抛射体的后部看到尾随第二主压缩冲击波。两个主冲击波是超声飞行 的抛射体的特征。相反，当抛射体的断面面积减小时，由于允许接近表面的压缩空气的体积 膨胀成产生的新体