基于目标特性自适应重频变化的目标跟踪方法

王晓楠，陈 旭，徐洪林

(中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 扬州 225101)

0 引 言

重复频率是雷达的重要参数之一，它直接影响雷达的目标距离测量、速度测量及跟踪精度等重要指标。雷达重复频率设置不合理可能导致目标距离测量模糊、目标测量盲速、威力降低、速度分辨力下降等现象，所以雷达重复频率的选取非常重要，直接影响雷达综合性能[1]。

以往雷达通常综合雷达量程、典型目标径向速度等参数来选取雷达重复频率，没有考虑目标距离、速度等特征差异，限制了雷达性能的发挥[2]。基于目标特性自适应重频变化的目标跟踪方法能够克服上述缺点，根据目标距离和速度等特性自适应选取能够发挥雷达最佳性能的重复频率，不产生目标距离测量模糊和盲速的同时，增大雷达探测距离，同时提高速度分辨力，能够提升雷达目标探测和跟踪的综合能力。

1 雷达重复频率设置及影响分析[3-5]

1.1 雷达重复频率定义

雷达发射的2个相邻脉冲之间的时间间隔称为脉冲重复周期，如图1所示，雷达发射脉冲宽度为τ，雷达重复周期为Tr，雷达重复频率fr=1/Tr。

图1 雷达发射脉冲示意图

1.2 雷达重复频率设置

(1) 距离测量因素

为了保证雷达距离测量的单值性，即无模糊测距，要求雷达重复周期设置大于雷达接收最远目标的回波信号所需时间。同时考虑到电路恢复时间以及前一脉冲在规定的测量范围意外出现的回波，通常雷达重复周期设置留20%裕量，即：

(1)

式中：c为电磁波传输速度；Tr为雷达重复周期；fr为雷达重复频率；Rmax为雷达的最大作用距离。

(2) 速度测量因素

脉冲雷达在进行目标径向速度测量时，当目标径向速度v达到一定数值时，回波信号经过雷达相位检波后，输出脉冲与固定目标相同。此时目标处于多普勒零通道，产生盲速现象，发生盲速时的雷达重复频率fr为：

(2)

式中：v为目标径向速度；λ为雷达波长；n为整数，n=1，2，3…。

(3) 速度分辨力因素

雷达的速度分辨能力是由雷达重复频率和积累的脉冲数确定的，脉冲积累数越多，多普勒谱线宽度越小，多普勒分辨力越好，速度分辨力为：

(3)

式中：δv为速度分辨力；N为积累的脉冲数。

(4) 信噪比因素

雷达进行目标捕获时，波束扫描到目标，雷达重复频率越高，波束内目标回波产生的脉冲数越多，目标回波信噪比越强，越有利于目标捕获。转入目标跟踪后，雷达重复频率越高，雷达处理周期内目标回波脉冲越多，积累回波信噪比越强，雷达目标跟踪距离越远，即：

(4)

式中：θ为雷达波束宽度；ω为雷达波束扫描速度；fr为雷达重复频率。

1.3 常规脉冲雷达重复频率设置缺点

脉冲雷达通常根据雷达的最大作用距离和典型目标径向速度，将雷达重复频率设置为固定的几档，随着距离的变化而改变。在实际作战使用过程中，雷达进行目标捕获时，目标指示距离通常小于最大作用距离，根据最大作用距离设置的雷达重复频率将限制雷达探测威力，造成资源浪费，同时无法达到最优的积累脉冲数，影响雷达速度分辨能力。在实际作战使用过程中的目标径向速度也通常区别于典型值，依据典型目标径向速度设置的雷达重复周期可能导致目标测量盲速。

2 基于目标特性自适应重频变化的目标跟踪方法

基于目标特性自适应重频变化的目标跟踪方法原理是在雷达进行目标探测和跟踪时，根据目标距离R和目标径向速度v的测量结果，自适应调整雷达重复周期，采用不产生目标距离测量模糊和盲速的较大重复频率，能够有效提高雷达探测距离和跟踪性能，流程图如图2所示。

图2 基于目标特性自适应重频变化的目标跟踪方法流程图

首先根据目标径向速度v计算目标的多普勒频率fd，计算公式为：

(5)

随后根据多普勒频率计算出目标所处的多普勒通道，计算公式为：

(6)

式中：a为目标所处的多普勒通道；m为正整数，代表迭代次数；fr为雷达重复频率；fd为目标的多普勒频率；n为雷达动目标检测(MTD)多普勒通道数。

通过计算选取合适的雷达重复频率，使目标所处的多普勒通道处于n/2左右，计算公式为：

(7)

式中：b为正整数且0≤b

最后通过对迭带次数m的选择，使目标所处的多普勒通道a与多普勒零通道间隔一定的通道数，计算出雷达重复频率fr后设置成当前雷达的重复频率，从而保证了目标不落在盲速通道。根据目标距离R和目标径向速度v的变化，按照上述方法实时改变雷达重复频率，实现基于目标特性自适应重频变化的目标跟踪方法。

3 仿真分析

设定雷达发射频率为14 GHz，采用16点快速傅里叶变换(FFT)积累，不同雷达重复频率fr与不同目标径向速度v对应的多普勒主瓣通道分布仿真如图3所示。

图3 目标速度、雷达重复频率与多普勒通道的对应关系

图3中，X轴为雷达重复频率，单位为Hz；Y轴为目标径向速度，单位为m/s，多普勒通道对应分布在不同区域。

设定折叠次数m最多为10次，目标多普勒通道与多普勒零通道至少间隔3个通道，满足要求的雷达重复频率仿真如图4所示。

图4 雷达重复频率选择仿真图

图4中X轴为目标速度，单位为m/s；Y轴为目标距离，单位为m；Z轴为雷达重复频率，单位Hz。

满足要求的多普勒通道仿真结果如图5所示。

图5 多普勒通道选择仿真图

图5中X轴为目标速度，单位为m/s；Y轴为目标距离，单位为m；Z轴为满足要求重复频率时多普勒主瓣通道位置。

通过图3～图5的仿真结果可以看出，针对不同径向速度的目标，存在合适的雷达重复频率使目标多普勒避开盲速多普勒通道，结合无距离测量模糊的雷达重复频率限制，可以实现基于目标特性自适应重频变化的目标跟踪方法。

4 结束语

基于目标特性自适应重频变化的目标跟踪方法是根据目标距离和目标径向速度实时选择合适的雷达重复频率，达到无模糊测距的同时避免出现盲速。雷达重复频率是随着目标特性变化而改变的，避免了重复频率设置不合适导致的目标盲速和积累脉冲数不足导致的速度分辨力下降等问题。采用该方法进行雷达重复频率设置能够发挥与目标匹配的雷达综合性能，具有良好的工程应用价值。