自适应变波形跟踪目标的方法与流程

本发明涉及一种可广泛应用于气象雷达、测量雷达等单目标跟踪体制雷达的自适应变波形目标的跟踪方法。

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“一种自适应变波形跟踪目标的方法”是基于以上理论的一次创新和工程应用。

技术实现要素：

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，提供一种时间资源利用率高、回波接收期短、波形变换快，跟踪目标连续稳定，能够增大雷达探测距离，且天线孔径小、发射功率低、低截获性能好的自适应变波形跟踪目标的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种自适应变波形跟踪目标的方法，具有如下技术特征：跟踪雷达自适应变波形控制系统以固态微波功率器件和数字信号处理器DSP为硬件基础，根据雷达原理，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}；变波形位置以交叠中心为中心线对称，插入在交叠段中；然后按雷达所需的距离探测范围R和允许的发射机占空比D，根据雷达划段的探测距离、波束宽度θ、工作波长λ、距离分辨率单元△R、目标速度V、目标加速度a和雷达脉冲重复频率F_N参数计算出每段允许的最大的扫描时间T_N、脉冲宽度τ_N；当终端计算机确定完雷达波形参数及脉冲积累数后，频率源通过直接数字式频率合成器DDS数字频率合成N种脉冲波形，并将N种脉冲波形存储在存储器中；DSP数字信号处理合成N种脉冲相参积累模式，信号处理机通过数字信号处理器DSP存储N种脉冲相参积累模式；雷达定时器通过现场可编程门阵列FPGA编程实现波形N种重频时序，通过FPGA将合成的N种重频时序存储于雷达定时器中；加载好程序的各设备与固态发射机连接终端计算机连接在一起，由此组成自适应变波形跟踪目标的控制系统，信号处理机通过数字信号处理器DSP实现波形N种脉冲相参积累模式，开展自适应波形切换目标跟踪。

该雷达跟踪目标时，雷达舱内的终端计算机负责协同调度，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、雷达定时器调取重频时序、信号处理机调取相应的相参积累模式工作，实现对目标连续稳定跟踪。跟踪过程中，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。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

1)扫描时间资源利用高，能够增大雷达探测距离。目前成熟的固态微波功率管和DSP处理芯片为硬件成熟，而雷达脉冲波形、雷达重频时序、相参积累模式易于通过DSP、FPGA、DDS等可编程器件实现，固态微波功率管又可高占空比工作，因此自适应波形目标跟踪方法有良好的硬件基础。自适应变波形跟踪目标方法采用距离分段波形设计，充分利用了雷达跟踪时间资源和固态发射机高平均功率能力。雷达跟踪目标时，系统总是按允许的最高重频和最大平均功率工作。本发明采用上述分段波形设计带来的优点是：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，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。

2)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或全新设计时，可以实现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，同时保证雷达威力不下降，甚至还有所提升，同时还能适当缩小天线尺寸。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，同时由于雷达发射功率降低，又使得雷达获得了低截获性能。

3)回波接收期时间短，波形变换快。本发明采用雷达在搜索目标时，先调转跟踪天线对准目标，后雷达定时器、频率源、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。举例，雷达定时器先以2.4kHz低重频工作(脉冲周期417μs)，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。全距离量程搜索过程中重频变化范围为2.4kHz～48kHz，脉宽变化范围为145μs～7μs，共10种波形，完成一次全距离量程搜索时间为仅为0.4s左右。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。

4)连续稳定跟踪目标。本发明根据目标距离变化，自适应地调整波形、时序和相参积累模式，能够高效、可靠和稳健实施目标跟踪。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“自适应变波形目标跟踪的方法”，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，可以获得高的信噪比。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。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。高的回波信噪比和距离交叠覆盖设计确保了雷达能够连续稳定跟踪目标。

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。

本发明以目前成熟的固态微波功率管和DSP处理芯片为硬件基础，提出的“自适应变波形跟踪目标的方法”，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。

附图说明

图1是本发明的波形设计示意图。

图2是本发明的距离划段设计示意图。

图3是本发明的扫描时间资源计算示意图。

图4是本发明的雷达控制关系示意图。

图5是本发明的目标距离跨段变波形示意图。

具体实施方式

参阅图1-3。根据本发明，跟踪雷达自适应变波形控制系统以固态微波功率器件和DSP数字信号处理芯片为硬件基础，根据雷达原理，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}；变波形位置以交叠中心为中心线对称，插入在交叠段中；然后按雷达所需的距离探测范围R和允许的发射机占空比D，根据雷达划段的探测距离、波束宽度θ、工作波长λ、距离分辨率单元△R、目标速度V、目标加速度a和雷达脉冲重复频率F_N参数计算出每段允许的最大的扫描时间T_N、脉冲宽度τ_N；当终端计算机确定完雷达波形参数及脉冲积累数后，频率源通过直接数字式频率合成器DDS数字频率合成N种脉冲波形，并将N种脉冲波形存储在存储器中；DSP数字信号处理合成N种脉冲相参积累模式，信号处理机通过数字信号处理器DSP存储N种脉冲相参积累模式；雷达定时器通过现场可编程门阵列FPGA编程实现波形N种重频时序，通过FPGA将合成的N种重频时序存储于雷达定时器中；加载好程序的各设备与固态发射机连接终端计算机连接在一起，由此组成自适应变波形跟踪目标的控制系统，信号处理机通过数字信号处理器DSP实现波形N种脉冲相参积累模式，开展自适应波形切换目标跟踪。

在跟踪目标时，雷达舱内的终端计算机按目标距离值对应的距离段号N自适应控制频率源调取波形τ_N、雷达定时器调取重频时序F_N、信号处理机调取相应相参积累模式工作，可实现雷达低功率连续稳定跟踪目标。雷达定时器先以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。

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。

雷达跟踪目标时，终端计算机负责协同调度，按目标距离值对应的距离段号分别控制频率源调取的脉冲波形、雷达定时器调取的重频时序F_N、信号处理机调取的相参积累模式工作，实现对目标连续稳定跟踪。跟踪过程中，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，根据运动方向实时改变波形，以确保波形变换及时准确、目标跟踪连续稳定。

雷达采用航迹预测滤波与数据等间隔插值、抽取目标探测数据，自适应变波形跟踪目标完成一次目标探测的时间与目标距离R相关，且扫描时间T_N不等间隔，等周期输出等于扫描时间T_N。

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：

若不模糊测距为R_{N_max}，同时发射机占空比(脉宽除以脉冲周期)为D＝35％，令覆盖距离R_N

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

参阅图2。以某雷达所需距离探测范围为40km，固态发射机允许的最大占空比为35％为例。即雷达所需探测范围为＝0.5km～40km，则可将0.5km～40km按距离分为10段，分别计算出：第1距离段波形脉宽＝7μs，重频＝48k，覆盖0.5km～2km；…；第9距离段波形脉宽＝93μs，重频＝3.7k，覆盖14km～26km；第10距离段波形脉宽＝145μs，重频＝2.4k，覆盖22km～40km。相邻距离段必须交叠覆盖，如第9距离段，必须大于第10距离段，以确保能连续跟踪目标。

参阅图3。图可知，在分为N段的探测范围R中，为了确保天线持续对准目标，稳定跟踪目标，扫描时间T_N应同时小于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″′，即T_N≤min{T′，T″，T″′}，并进行有效脉冲积累，从而分别计算每段允许的最大的扫描时间，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

目标跨越半个速度分辨单元时间

式中，λ为工作波长，R_N为覆盖距离，θ为波束宽度，V为目标速度，F_N为脉冲重复频率，△R为分辨率单元的距离，a为目标加速度，n为最大相参积累脉冲数。第N距离段T_N和F_N确定后，信号处理机在该距离段允许的最大相参积累脉冲数就可由下式计算出。n＝T_N·F_N(公式7)例如，若＝40km、波束宽度θ＝2°、工作波长λ＝0.032m，雷达重频＝2.4K、距离分辨率单元△R＝20m、目标速度V＝680m/s、目标加速度a＝40计算，则扫描时间，即，允许的最大相参积累脉冲数n＝36；若R＝500m、雷达重频F_N＝48K，其余参数不变，则扫描时间，则，允许的最大相参积累脉冲数n＝528。

参阅图4。每距离段脉冲波形、雷达重频时序和相参积累模式的计算是通过软件编程在频率源、雷达定时器、信号处理机等设备中实现的。具体为频率源通过DDS数字频率合成N种脉冲波形存在存储器中；雷达定时器通过FPGA编程实现波形N种重频时序；信号处理机通过DSP实现N种脉冲相参积累模式。

雷达搜索目标时，雷达舱内的终端计算机负责统一指挥和协同控制，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；雷达定时器先以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。

雷达跟踪目标时，雷达舱内的终端计算机按目标距离值对应的距离段号分别控制频率源调取波形、雷达定时器调取重频时序、信号处理调取相应的相参积累脉工作模式，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、相参积累脉冲数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，根据目标运动方向实时改变波形，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，以确保波形变换及时准确、目标跟踪连续稳定。

参阅图5。目标运动至波形N与波形N+1距离覆盖交叠段时，雷达终端计算机以m个偶数差值为一判定步长，采用目标当前距离值减去目标前次距离值对目标运动方向预判决，并采取连续循环求差计算，若距离差值符号为正个数多于m/2，则判为目标远离；若距离差值符号为正个数少于m/2，则判为目标接近；若距离差值符号为正个数等于m/2，则判为目标静止(悬停飞行、环形绕飞、切向飞行等)。

当雷达终端计算机判定目标向雷达方向运动，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；当雷达终端计算机判定目标向远离雷达方向运动，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；当雷达终端计算机判定目标为静止时，则维持当前波形N或N+1不变，保持用当前波形对目标进行跟踪。

采用“自适应变波形跟踪目标的方法”雷达完成一次目标探测时间等于扫描时间，与目标距离相关，雷达探测数据不等间隔，可采用航迹预测滤波和数据等间隔抽取方法加以解决，可实现等周期数据输出，与传统雷达输出数据没有差别。