一种二次雷达的目标更新周期的计算方法

 摘 要：当目标接近二次雷达站时，由于目标自身的切向运动影响，会导致其更新周期大大偏离雷达天线扫描周期。针对这种情况，本文提出了一种目标更新周期的实时计算方法，可以根据目标的实际运动姿态，实时地计算目标更新周期，然后进行航迹相关与位置平滑处理。经过实际环境验证，本算法在保证了近距离目标跟踪准确性的同时，也可以有效地去除虚假目标，提高二次雷达在近距离区域的探测性能。 
　　关键词：目标更新周期；近距离区域；二次雷达；探测性能 
　　中图分类号：F062.4 文献标识码：A 文章编号：1008-4428（2018）06-0141-03 
　　一、 引言 
　　随着航空行业的高度发展，二次雷达系统广泛应用于空中交通管制，使空中交通管制员能实时获知空中飞机的位置、高度、速度等信息。一个典型的二次雷达系统，包括地面设备（应答解码器和询问机）和机载应答机两个主要部分。由地面的询问机发射询问脉冲，机载应答机接收到询问信号后根据询问的模式产生相应的应答脉冲。地面询问机接收到机载的应答脉冲后进行一系列处理，通过发射与接收的时间间隔确定目标的距离，通过单脉冲技术确定目标的方位，通过对接收的脉冲串进行解码得到目标的高度和识别码。正是这种工作方式使得二次雷达不需很大的功率就能探测到距离较远的目标，而且得到的信息也很丰富。 
　　二次雷达在实际应用中具有效率高、测量精度高、功率小、成本低、高稳定性等优点，因此其在军民用航空业得到了广泛的应用，尤其是单脉冲二次雷达开发应用后，探测精度得到了进一步提高。 
　　但是，由于实际空域中的电磁环境比较复杂，二次雷达信号在一定程度上会受到干扰，同时高山、湖泊或高层建筑也会对电磁信号进行反射，从而影响二次雷达的观测效果。特别在雷达站周边区域，环境对二次雷达的影响更加强烈，反射信号与干扰信号，以及由于二次雷达自身性能原因引起的环绕信号大量出现。与此同时，当目标靠近雷达站时，目标自身的切向速度影响会越来越大，导致其实时更新周期严重偏离二次雷达天线扫描周期，从一个很小值到1.5倍天线扫描周期之间都可能存在，严重影响了二次雷达的探测性能。 
　　二、 引起目标更新周期变化的原因 
　　目前，二次雷达系统的天线基本上都是采用机械的、全周期均匀扫描的方式运行，一旦正常工作后，二次雷达的天线扫描周期是固定不变的。 
　　一般情况下，对于所有的监视目标，我们可以简单地认为目�烁�新周期等于天线扫描周期。但是在实际应用中，我们发现，根据目标的不同运行态势，例如方位速度的变化，以及目标运动方向与天线扫描方向的关系等，目标的实时更新周期可能不等于天线扫描周期，有时甚至会相差很多。具体情况如下： 
　　（一）目标的方位速度较小。当目标距离雷达站较远，或者进行径向运动，或者速度较低（例如直升机）时，方位速度很小，目标自身运动对其更新周期的影响一般也很小，几乎忽略不计。对于这种情况，如果目标更新周期设置为等于天线扫描周期，是正确的。 
　　（二）目标的方位速度较大，且运动方向与天线转动方向相同。这种情况主要是指近距离目标发生切向运动，而且与天线转动同向运动。此时，天线与目标同时运动，会出现目标的方位速度越大，目标的更新周期越大的情况。如果在进行雷达数据处理时，还是直接将目标更新周期等同于天线扫描周期，则可能导致点航迹相关处理的时间控制出现异常，进而出现跟踪失败，无法正常监视。 
　　（三）目标的方位速度较大，且运动方向与天线转动方向相反。这种情况主要是指近距离目标发生切向运动，而且与天线转动反向运动。此时，天线与目标同时运动，会出现目标的方位速度越大，目标的更新周期越小的情况。如果目标方位速率非常大，则目标的更新周期将大大缩小，此时点航迹相关也会出现异常。为了防止这种情况出现，在此进行规定：如果目标更新周期小于0.5倍天线扫描周期，则航迹更新被禁止，目标点迹报告被丢弃。 
　　三、 目标更新周期的计算方法 
　　根据上文叙述，当目标的方位度较大时，目标的更新周期会发生较大变化，如果不实时进行计算，而是仍然以天线扫描周期作为目标更新周期，则可能导致目标点航迹相关处理的时间控制出现异常，进而导致目标跟踪失败，航迹丢失，出现情报遗漏的重大问题。 
　　为此，我们提出了一种目标更新周期的计算方法，此算法可以根据目标的实时运动姿态，计算它的实时更新周期，然后使用实时更新周期进行点航迹相关处理与目标跟踪处理，具体处理流程如图1所示。 
　　（一）雷达探测区域划分 
　　首先，为了便于处理，我们根据目标的仰角与距离，将二次雷达监视范围划分为三个区域：远距离区域、一般近距离区域、极近距离区域。当目标处于不同处理区域时，它们的更新周期的计算方法不同。 
　　假设各个区域的距离与仰角参数阀值为：ρFar、ρNormalNear、ρTooNear、EFar、ENormalNear、ETooNear，且存在以下关系：ρFar>ρNormalNear>ρTooNear，且EFar 　　（四）极近距离区域处理 
　　首先，如图3所示，当目标继续向雷达站运动，处于极近距离区域时，极坐标位置误差增大，可能出现方位变化很大而距离变化很小的情况，导致航迹跟踪可能出现异常，任何形式的极坐标方程都不可能产生充分准确性。所以，目标处理首先需要由极坐标系转换为直角坐标系，然后使用直角坐标位置数据，对目标进行航迹更新与航迹平滑等处理。 
　　对于每个极近距离区域的目标，首先从整数0开始逐一代入公式（4）进行计算，确定R取值；一旦R值确定，则目标的实时更新周期τ由以上公式（4）进行计算。 
　　四、 目标更新周期的计算方法的实际应用 
　　本文所述方法已应用在某二次雷达改造项目中，并取得了良好效果。我们根据采集的某二次雷达的实测数据，进行脱机处理，对目标更新周期的计算方法进行了验证。此二次雷达天线的扫描周期是12秒，顺时针匀速转动。 
　　如图4所示，是没有采用目标更新周期算法时的处理效果，从图中可以看出二次代码为7252的目标以顺时针方向运动，在时刻03：18：55，点迹探测正常，但是点航迹相关处理出现异常，相关失败，导致航迹出现外推，并最终消失。后来，一直到时刻03：30：20，此目标才再次起始航迹，导致出现了约2分钟时间的漏情问题。 
　　如图5所示，在采用了目标更新周期算法后，对相同数据进行处理，二次代码为7252的目标跟踪正常，航迹连续平滑。由此可见，二次雷达目标的更新周期经过实时计算处理后，二次雷达系统的近距离目标探测能力大大增强，探测精度也得到很大的提高。 
　　五、 结束语 
　　近距离目标的探测，一直以来都是二次雷达系统的处理难点。本文所述的近距离目标的更新周期的计算方法，可以计算目标的实时更新周期，更加精�_地预测目标下一次扫描时的探测位置，准确地对近距离目标进行跟踪与监视，并有利于更加准确地对虚假目标进行滤除，包括反射目标、同步目标以及环绕目标，提升二次雷达的近距离监视目标的数据质量。同时，在不增加硬件成本的前提下，也能够大大提高近距离目标的探测概率与数据精度，扩大了二次雷达的有效探测顶空，缩小了顶空盲区，最大探测目标仰角可达60度以上，在保证探测精度的情况下，扩大了二次雷达近距离的有效监视范围，提升了二次雷达系统的整机性能。 
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　　作者简介： 
　　张继明，男，硕士，南京恩瑞特实业有限公司工程师，研究方向：雷达信息融合与目标跟踪； 
　　刘海波，男，工程师，空军驻沪宁地区军事代表室，研究方向：雷达工程与装备质量管理； 
　　咸儆醒，男，南京恩瑞特实业有限公司工程师，研究方向：雷达系统总体技术。