炮位侦察校射雷达多目标能力分析

高青松 王建强 王 欢

(西安电子工程研究所 西安 710100)

炮位侦察校射雷达多目标能力分析

高青松 王建强 王 欢

(西安电子工程研究所 西安 710100)

多目标能力是炮位侦察校射雷达的一项关键指标，受有限的时间能量资源制约。本文首先介绍了国外炮位侦察校射雷达及其多目标能力，通过对炮位侦察校射雷达工作流程的介绍，综合分析得出炮位侦察校射雷达多目标能力的理论值，指出多目标能力影响因素的，最后给出提高炮位侦察校射雷达多目标能力的途径和方法。

炮位侦察校射雷达 工作特点 多目标能力

0 引言

炮位侦察校射雷达能够探测敌方炮兵发射阵地及我方火炮落点，为炮兵部队快速感知战场情报信息，指引炮兵压制武器对敌实施火力打击，是保障现代炮兵全天候、全天时作战不可或缺的重要信息化装备，并在世界各国得到广泛应用。较为典型的装备有：美军的AN/TPQ-36和AN/TPQ-37雷达、俄罗斯的“ZooPark-1”雷达和APK-1M“猞猁”改进型雷达以及欧洲的“Cobra”雷达和“Arthur”雷达。

炮位侦察校射雷达不但要完成对已发现的炮弹或火箭弹进行跟踪定位，同时，还要能够对监视空域内新出现的威胁目标进行搜索发现，因此多目标能力是炮位侦察校射雷达的一项关键指标，其中AN/TPQ-37可同时定位10个武器[1,2]，“Arthur”雷达最多能同时跟踪8个目标[3]，“Cobra”雷达可以在2min内探测240门火炮或40个炮兵连[4]。

如何提高炮位侦察校射雷达多目标能力是雷达设计师在进行系统设计时必须考虑的一个问题，本文通过对炮位侦察校射雷达的工作流程进行分析，分析得出炮位侦察校射雷达多目标能力的理论数值，并提出提高炮位侦察校射雷达提高多目标能力的途径和方法。

1 炮位侦察校射雷达工作流程和特点分析

与光学侦察设备探测原理不同，炮位侦察校射雷达探测敌方火炮发射阵地或友方弹丸落点并非直接测量，而是测量飞行过程中弹丸弹道的一段弹道后进行外推。雷达系统工作时，实时控制计算机自动控制雷达各分系统同步协调工作，对侦察区域进行搜索扫描，对搜索发现的目标立即进行确认，对确认到的目标进行离散定时跟踪，计算出跟踪目标的坐标，并将跟踪的弹丸点迹上报给操控终端，终端计算机对测得的目标轨迹数据进行一系列处理后进行弹道外推和高程修正，进而得到敌方炮位位置或己方火炮炸点坐标。

炮位侦察校射雷达具有以下特点：

(1)对搜索数据率要求较高。炮位侦察校射雷达搜索发现弹丸目标的必要条件首先是搜索波束与弹丸在空间能够交汇，但炮位侦察校射雷达发射的搜索波束一般为针状波束，俯仰波束宽度较窄(典型波束宽度值为0.8-3°)，且弹丸目标飞行速度快(120mm榴弹炮的初速约为690m/s，155mm榴弹炮的初速约为940m/s)，因此，弹丸穿越搜索波束的时间很短，这就对雷达系统搜索数据率要求很高。

(2)采用脉冲积累方法进行检测。炮位侦察弹校射雷达工作时一般要求首发定位，对检测概率要求较高，但弹丸的反射截面积小，典型值为0.001-0.002m2，单个脉冲的信噪比达不到检测要求，为了保证信噪比满足检测要求，需要采用脉冲积累方法对目标进行检测，导致搜索数据率将大大降低，系统设计难度加大。

(3)虚假跟踪多。为了尽早发现敌方发射的弹丸目标(侦察模式)，搜索波束的仰角一般紧贴地面，并能随遮蔽角变化，这种搜索方式决定了其受地物、气象杂波影响大，工作过程中杂波引起的虚警较高；另外，飞鸟、汽车等非弹道运动目标无法通过多普勒滤波器滤除，同样会被炮位侦察校射雷达发现和跟踪，直到在跟踪若干点后，才会根据航迹判别为非弹道目标而放弃继续跟踪。对杂波引起的虚警的确认和非弹道目标的确认、跟踪也需要耗费一定的时间资源，降低搜索数据率。

(4)从目标搜索截获至跟踪结束，为保证跟踪和外推精度，需要合适的跟踪数据率和跟踪点数，对目标的跟踪也需要耗费一定的时间资源，将进一步导致搜索数据率的降低。

从上面的分析可以看出，炮位侦察校射雷达的搜索数据率受到诸多因素影响，在时间能量资源一定的情况下，炮位侦察校射雷达的多目标能力受到限制。

2 多目标能力及影响因素分析

炮位侦察校射雷达能够发现新的弹丸目标的必要条件是保证弹丸目标在空间上能够成功交汇，即搜索帧扫时间应小于弹丸目标穿过搜索波束(3dB俯仰波束宽度)的时间，具体分析如下。

2.1 穿越时间

雷达工作时在擦地平面上形成一个电子屏障，弹丸穿越时间就等于弹丸目标穿越俯仰波束半功率波束宽度的时间，也就是弹丸目标在垂直方向上的速度分量在波束俯仰高度上的穿越时间，如图1所示。

弹丸目标穿越搜索波束时间

(1)

其中R为弹丸与雷达的距离，θe为俯仰3dB波束宽度，v0为弹丸初速，α为火炮射角，k1=1/(v0sinα)。v0、α为目标弹丸的固有特性，与雷达无关。因此，穿越时间由R和θe决定。

2.2 搜索帧周期

在只进行搜索的情况下(不考虑确认、跟踪)，雷达重复扫过同一波位的时间间隔定义为搜索帧周期，可以表示为

(2)

式中，N为搜索扫描范围内的波位数目；Tdw为扫描过程中雷达波束在每个波位上的平均驻留时间。θs为方位扫描范围，θa为发射方位3dB波束宽度，k×θa为波束跃度，一般取k=0.86[5]，n为每个波位上脉冲积累的点数，Tr为平均搜索脉冲重复周期。

上式定义的搜索帧周期不包含确认和跟踪耗费的时间。实际上，搜索帧周期还应该包含搜索过程中确认时间和跟踪的时间，因此

ts=ts0+m1Tdwc+m2Tdwt

(3)

式中，m1为搜索帧周期内需要确认目标次数，m2为搜索帧周期内需要跟踪目标次数，Tdwc为对单个目标确认的跟踪平均驻留时间，Tdwt为对单个目标跟踪的平均驻留时间。

若探测范围内处理的距离单元数位nr，方位扫描范围θs内接收波束数目为nre，搜索虚警率为Pfa，则

m1=nr×nre×pfa=k2×pfa
(k2=nr×nre为常数)

(4)

若已经同时跟踪目标数为M0，目标从确认转跟踪后单位时间内对某一目标跟踪的数据率为k3次/秒，则

m2=M0×k3×Tf0

(5)

因此，

ts=ts0+k2×pfa×Tdwc+k×ts0×M0×Tdwt

=ts0(1+k3M0Tdwt)+k2×pfa×Tdwc

(6)

若想成功捕获第M0+1个目标，必须保证搜索帧扫时间ts加上对新目标的确认时间小于弹丸目标穿越搜索波束时间，即

ts+Tdwclt;td

(7)

2.3 多目标能力理论值

从(6)、(7)式可以得出，炮位侦察校射雷达跟踪多目标数

-1))+1

(8)

2.4 多目标能力影响因素分析

从式8中可以看出，炮位侦察校射雷达多目标能力受方位波束宽度θa、俯仰波束宽度θe、虚警概率Pfa、确认驻留时间Tdwt、方位扫描范围θs、脉冲积累的点数n、平均搜索脉冲重复周期Tr、跟踪数据率k3、跟踪驻留时间Tdwt影响。

另外，雷达系统无论采用MTI还是MTD对目标进行检测积累，为了抑制杂波，必然要产生杂波抑制区，由于弹丸为高速运动目标，脉冲重复频率存在速度模糊，目标的多普勒频率折叠后可能落在杂波抑制区，导致检测不到目标。在目标的搜索和确认过程中，采用参差脉冲重复频率的方式工作可以解决盲速和速度模糊，消除由于模糊导致目标多普勒落在杂波抑制区的问题[6]。但是，重频参差必然浪费一定的时间资源，增加平均波束驻留时间，导致雷达多目标能力降低。

3 多目标能力提高途径分析

3.1 采用自适应方式进行工作

传统雷达在系统设计时，波束宽度、跟踪数据率、驻留时间、脉冲宽度、脉冲重复周期等参数多采用固定的数值，相控阵雷达具有天线波束扫描灵活、信号波形捷变以及数字波束形成等优点，为其实现自适应的工作方式提供了技术基础。根据探测空域的距离远近、方位扇扫范围的大小利用波束赋形技术自适应的改变波束宽度，根据目标距离远近和跟踪阶段自适应的改变重复周期、驻留时间和跟踪数据率，通过自适应的工作方式对时间资源和能量资源的充分利用，节约时间资源，提高炮位侦察校射雷达潜在的多目标能力。

3.2 采用发射同时多波束技术

雷达阵面同时形成多个发射波束，对不同空域进行搜索或跟踪，可以降低搜索时间，提高搜索数据率，解决数据率低得问题，是提高雷达的多目标能力的有效办法。但是要实现同时多波束，除了相控阵天线的馈线系统中必须有多波束形成网络外，在每一个发射波束输入端还应有各自的发射机输出信号，即应连接有多部发射机，导致设备量、成本将大幅提高，需要进行折中考虑[7]。

3.3 采用二维单脉冲测角技术

传统炮位侦察校射雷达为了提高效费比，多采用相频扫技术体制，典型装备为美国的AN/TPQ36瑞典的ARTHUR雷达，该体制的雷达在跟踪的过程中，目标俯仰测角采用顺序波瓣比幅测角的方法，即在预测的目标位置上下各发射一个跟踪波束，对目标进行一次跟踪需要顺序发射两个波束。随着二维有源相控阵雷达技术的发展和TR组件成本的大幅下降，最新研制炮位侦察校射雷达多采用二维有源相控阵技术，代表性产品为由法国、德国、英国联合开发COBRA雷达和美国的AN/TPQ-53雷达，方位和俯仰都采用单脉冲技术进行测角，对目标进行一次跟踪只需要发射一个波束，同样目标数和跟踪数据率的情况下，可以节约一半的跟踪时间资源，可大幅提高炮位侦察校射雷达的多目标能力。

3.4 各种措施提高多目标能力分析

下面通过实例来分析各种措施对多目标能力的提升。假设扫描空域为±45°，采用天线波束宽度为3°(方位)×2°(俯仰)，PRF集为[200，220，240，260，280]us，搜索用前三个PRF(平均PRF为220us)，确认用除搜索发现PRF之外的前四个PRF(平均PRF为230us)，跟踪从PRF集中优选(平均PRF为240us)，脉冲积累点数为32点，跟踪采用离散定时跟踪的方式，跟踪间隔330ms。自适应工作方式下波束进行展宽，此时波束宽度为3.6°(方位)×2.4°(俯仰)，下表分别对比了采用相频扫顺序波瓣比幅测角、二维相控阵单脉冲测角、自适应波束展宽等几种情况不同组合情况下多目标能力。

表1 多目标能力对照表

不展宽+顺序波瓣不展宽+双波束展宽+顺序波瓣不展宽+单脉冲展宽+单脉冲波束宽度EL(°)222.422.4目标距离(m)60006000600060006000弹丸速度(m/s)850850850850850射角(°)4545454545弹丸穿越时间(ms)348.39348.39418.03348.39418.03波束宽度AZ(°)33+33.633.6平均搜索PRF(us)220220220220220积累点数3232323232波位数3333273327无虚警搜索帧周期(ms)232.32116.16190.08232.32190.08虚率1×10^-51×10^-51×10^-51×10^-51×10^-5K21760017600176001760017600跟踪数据率(次/s)33333多目标能力515101020

从上表中可以看出，俯仰采用顺序波瓣比幅测角时，波束不展宽的情况下，多目标能力为5，如果采用双波束进行搜索，多目标数为15，如果对方位和俯仰波束进行展宽，多目标能力将提升到10；俯仰使用单脉冲测角时，在波束不展宽的情况下，多目标能力为10；如果对方位和俯仰波束进行展宽，多目标能力可提升至20。

4 结论

炮位侦察校射雷达同时跟踪定位多目标能力受有限的时间能量资源制约，还会因为强杂波、干扰的影响，降低多目标能力。在进行炮位侦察校射雷达系统设计时，采用自适应工作方式、发射多波束技术、单脉冲测角技术等可以提高雷达多目标能力。

[1] 罗群，周万幸，马林.世界地面雷达手册[M].北京:国防工业出版社，2005.

[2] 肖咏捷.美国陆军炮位侦察雷达发展研究[J].现代军事，2008(3):49-53.

[3] 吴晓鸥.新型炮位侦察雷达[J].外国炮兵，2002(9):31-36.

[4] COBRA: counter battery co-operation [J].Military Technology,1990,(4):60-61.

[5] 陈文丽，苏东林.相控阵雷达搜索方式下波位编排与优化[J].飞行器测控学报，2006(5) :32-36.

[6] 冯健康.相控阵炮位侦察校射雷达多目标跟踪能力的分析[J].火控雷达，1994(23):14-17.

[7] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006.

AnalysisofMulti-TargetCapabilityofWeaponLocatingRadar

Gao Qingsong, Wang Jiangqiang, Wang Huan

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Multi-target capability is an important technical specification of weapon locating radar, it is limited by the resource of time and energy. Multi-target capability of some foreign weapon locating radars is introduced. Based on operation flow of weapon locating radar, theoretical value of multi-target capability of weapon locating radar is analyzed; factors which affect multi-target capability is obtained. Method for improving multi-target capability of weapon locating radar is proposed.

weapon locating radar; operation feature; multi-target capability

2017-06-21

高青松(1989-),男，工程师。研究方向为雷达总体技术。

TN959.1

A

1008-8652(2017)03-022-04