电子基本原理之目标跟踪（一）

第7章 目标跟踪（一）

1.导论

目标跟踪雷达是为了引导导弹或使火炮瞄准以击毁飞机提供所有必要信息而设计的。一旦侦查到目标，无论是通过搜索雷达或者使用获取模式，目标跟踪雷达的设计都能够给火控计算机提供精准的目标距离、方位角、仰角以及速度的信息。

a.典型的目标跟踪雷达具有独立制导跟踪回路用以跟踪目标的距离、方位角、仰角和速度。目标跟踪雷达的天线对准一个目标并开始进行获取和目标跟踪。目标跟踪雷达通常采用自动***不断测量目标数据。范围测量环路采用前门/后门范围***来保持自动距离跟踪。方位角和仰角跟踪环路生成误差信号来定位天线以及保持不间断目标照明。脉冲多普勒和连续波雷达上的速度跟踪回路用以排除杂波并且生成精准目标径向速度信息。这些关键信息传递给火控计算机用以武器应用。

b.火控计算机根据武器应用能力的关键信息来编程。对于导弹，火控计算机用空气动力学以及导弹射程能力来编程。对于高射炮，火控计算机用火炮弹道学，射击频率和跟踪频率来编程。火控计算机使用从目标追踪雷达所得的精确目标信息以及编写出的武器参数来计算射击方案。一旦计算出射击方案火控计算机不是自动发射武器就是提醒操作员去发射武器。对于导弹应用，火控计算机可以继续提供导弹制导和引信指令直到导弹撞击或者开始主动导弹制导模式。对于高射炮作战，火控计算机计算出需要的导前角，然后火炮瞄准，最后开始射击。

c.c.为了提供需要的方位角和仰角的分辨力，大多数目标跟踪雷达使用高频率来提供窄天线波束宽度来准确跟踪目标。高频率操作同时也允许雷达传送宽的带宽。为了提供需要的距离分辨力，大多数目标跟踪雷达使用窄脉冲宽度和高脉冲重复频率以便快速更新目标信息的。这一章里将讨论关于目标跟踪技术的锥形扫描、边扫描边跟踪、隐蔽接收、单脉冲、多普勒雷达以及脉冲多普勒雷达。

2.距离跟踪

在大多数的目标跟踪雷达的应用中，在范围、方位角、仰角上不断跟踪目标。距离跟踪可以由一个操作人员来完成。操作员观察“A”型显示图像，手动定位一个操纵盘在目标信号回波上保持标记。这个操纵设置是对目标距离进行测量并且测量单位转换成了火控计算机使用的伏特数。当目标增速而操纵增加时，操作人员手动保持目标跟踪会有极大困难。为避免这种情况，大多数目标追踪雷达使用自动距离跟踪回路。所有的脉冲目标跟踪雷达包括锥形扫描，边扫描边跟踪，单脉冲以及脉冲多普勒雷达使用分离门或者前沿自动距离跟踪系统。目标追踪雷达中的自动距离跟踪起到两个主要作用：（1）提供目标距离临界值。（2）提供用以排除杂波和其他回波干扰的目标截获距离门。由于雷达距离通常首先用于开始自动目标跟踪，所以第二个作用对于正确的操作其他跟踪回路尤为重要。

a.距离门电路只是一个在脉冲被传送之后打开一段时间电子开关。开关激活的时间延迟与特定距离相对应。任何在这个距离门出现导目标回波都能够被自动跟踪。最常见的自动距离跟踪是由分离门***来完成的。产生的两种距离门见图7-1。自动距离跟踪回路意图保持在前门和以及同样的后门里的目标回波的能量数。计算距离跟踪导误差就是把前门的输出减去后门导输出。距离跟踪的误差信号量就是脉冲中心和距离门中心的差值。误差信号的符号决定了门必须重置以确保继续跟踪目标这样一个方向。

图 7-1. 分离门距离***

      b.前沿距离跟踪是用于克服距离门拖引干扰导一种电子保护技术。图7-2展示了前沿跟踪的运用。前沿***从前沿目标回波获取所有的距离数据。所有距离门拖引覆盖脉冲干扰意图通过一些时间增量使目标回波滞后（见图7-2（a））。通过时间上使整体回波差异化，目标回波可以和干扰脉冲分离（见图7-2（b））。通过使用分离门***电子定位在初始盘或者回波脉冲导前沿，距离跟踪回路可以跟踪目标回波以及忽略任何干扰信号。然后距离跟踪回路使用分离门波跟踪逻辑决定距离跟踪差值的量值和方向并重置距离门。

 7-2. 前沿距离***

 c.跟踪门的宽度是一个需要重点考虑的雷达设计。距离门需要足够窄以便在不同的距离有效地使目标与其他回波分离。距离门又需要足够宽以便目标回波处的足够导能量显示出来。距离跟踪门宽度一般等同于雷达的脉冲宽度。

d. 几乎所有的距离跟踪门都使用一些形式导自动增益控制。自动增益控制的设计是用于限制目标杂波和回波起伏。此设计同时也用于避免过度的错误警报。

3.锥形扫描

锥形扫描跟踪系统是一个序列波瓣的特殊形式。序列波瓣意指雷达天线波束在波束定位之间围绕目标有序地移动以产生角度误差数据。波束必须在至少四个光波束定位之间转换见图7-3.

图 7-3. 锥形扫描定位

a.锥形扫描天线中最简单的一种就是一个带有旋转或者章转的后馈位移的抛物线用以维持信号极化平面。雷达波束以固定频率围绕目标旋转。这种在旋转轴（通常为天线轴）和天线波束轴之间的角度称为斜角。

b.锥形扫描雷达首先在距离内跟踪目标飞机。在方位角和仰角跟踪方面，目标回波调整的频率和雷达波束的旋转频率一致。这样就是产生了和正玄波相似的目标信号输出。（见图7-4）方位角和仰角的跟踪回路驱动伺服电机来定位天线以便使四个定位都保持同等能量水平。调整信号量决定目标离天线瞄准线的距离，而相位调制（正或负）决定方向。

图 7-4. 锥形扫描调制

c.在图7-5大多数目标能量在定位1，少量能量在定位4.从仰角跟踪回路的输出是正极的并驱动天线伺服系统向上。从方位角跟踪回路的输出使天线向右移动。

图 7-5. 锥形扫描跟踪误差

d.一旦达到在每个扫描定位的目标能量平衡，目标就在跟踪区域中心（图7-6）。方位角和仰角跟踪电路继续驱动天线伺服系统以便维持这种让雷达波束保持定位于目标上的能量平衡。

图7-6. 锥形扫描跟踪

e.锥形扫描雷达第一优势是小型光波宽度提供了极度精确的目标跟踪信息。锥形扫描的第一缺陷如下：（1）窄波束宽造成目标获取困难。即使使用帕尔默螺旋线扫描还是需要很长时间去找到并开始进行目标跟踪；（2）锥形扫描雷达易受基于旋转波波束扫描频率的逆增益调节干扰。（3）锥形扫描雷达必须分析很多雷达回波脉冲以便生成跟踪方案。

4.边扫描边跟踪(TWS)

边扫描边跟踪是一种搜索和跟踪结合的模式，这种模式牺牲专属***的持续的目标观察能力以换取空域有限方面防御分区的掌控能力。这种能力已通过保持跟踪多个在覆盖空域移动的目标完成。可以进行边扫描边跟踪的雷达系统分两种：常规的和相控阵的。

a.常规的边扫描边跟踪的威胁雷达使用两个分开的天线以生成两个分开的波束。（图7-7）这两个波束以不同的频率操作并且进行分区以便它们在相同区域重叠。重叠区域提供一个单独目标跟踪区域。一个光波分为垂直平面以提供距离和方位角。每个光波以5到50次每秒的频率扫描它的分区。这样就能快速更新目标的距离，方位角和仰角的信息。

b.

c.图7-7.常规边扫描边跟踪雷达波波束

1)两个边扫描边跟踪的天线使用机电原理产生光波。每个天线给它的显示器提供输入并提供关于所有在雷达覆盖范围内的目标角度和距离的信息。仰角光波的显示校准距离和仰角而方位角显示光波校准方位角和距离。操作人员用距离作为初始参数在这些显示器上的回波上定位一个游标。一旦目标被指定为战斗目标雷达就试图自动保持位于目标中心的雷达光波的跟踪轴。

2)一旦操作人员指定目标距离门开始启动并通过使用分离门***跟踪目标。方位角和仰角的跟踪回路只接收在距离门内的目标的信息。当光波扫描穿过目标接收到一阵脉冲回波，它的光波模式和振幅包络线相对应。方位角光波模式见图7-8.

图 7-8. 常规边扫描边跟踪方位角跟踪

a.方位角***是一个典型的分离门***，它的原理和分离门***完全一样。然而，方位角扫描时间取代了距离延时。方位角***使用左门和右门。每个门整合各自的目标回波以生成电压/时间值。当方位角门位于目标中心时此空间是相等的并且误差信号（右减去左门）为零。方位角跟踪回路给天线伺服系统发射信号使目标保持在扫描区域中心。

b.仰角跟踪也是通过使用上门和下门以同样的方式完成。仰角跟踪回路同样也给天线伺服系统发射信号使目标保持在扫描区域中心

3)一旦指定目标，雷达就自动使雷达回波保持在跟踪区域中心，目标距离，方位角和仰角的信息就被发送到火控计算机。雷达继续在扫描区域提供其他目标的信息。火控计算机指出指定目标的发射方案已经实现，并发射导弹。雷达跟踪目标和导弹并在导弹撞击的那一刻给导弹提供飞行中修正。修正是基于目标和导弹的方位角，距离和仰角的信息。信息传送到导弹导方法是从雷达上的专属天线传到导弹上的特殊天线。从雷达到导弹的指令被称为上行线路制导命令。从导弹返回到雷达和火控计算机的信息被称为下行线路信息。

4)常规边扫描边跟踪雷达的优势包括以下：（1）边扫描边跟踪雷达使雷达与分区扫描区域内的所有目标保持联系，同时对单独的目标保持跟踪。（2）快速分区扫描率给目标数据提供快速更新。常规边扫描边跟踪雷达的主要缺陷包括以下几点：（1）由于宽的方位角和仰角波束而产生的大的分辨单元。（2）易受基于独立波束扫描率的调制干扰影响。

a)很多使用平面的或者相控天线阵系统的雷达边扫描边跟踪模式。雷达并不是同跟踪和扫描而是在跟踪和扫描之间快速转换。（图7-9）

图7-9. 相控阵边扫描边跟踪

(1)最常见的空对空雷达系统使用平面天线阵。在扫描模式中雷达天线生成一个锐锥形波束并使用光栅扫描来侦查在搜索区域内的目标。探测到的目标会在飞机的雷达显示器上呈现给飞行员。（图7-10）

图7-10.空对空边扫描边跟踪显示器 

a.在跟踪模式中，天线生成很多波束给单个目标提供照明。雷达专门使用单脉冲或者脉冲多普勒即使来更新目标的距离，方位角，仰角和速度。这些跟踪技术将在这章里的后面提及。雷达开始生成所侦查的每个目标的跟踪文档，其中包括所有的目标的最新数据以及对将来目标的估计

b.当雷达在跟踪和扫描模式之间转换，目标参数在跟踪回路里更新。（图7-11）新目标的信息和测量数据处理单元内的预测信息相比对。如果这两组数据在一定程度内相符，那么目标定位和信息完成更新。这个处理过程被称为门控。

图7-11. 平面/相控阵边扫描边跟踪跟踪环路

c.如果更新的目标数据不能和预测值相对应，那么信息将被送往相关处理器。相关处理器主要用于解决基于目标数据进一步细化而产生的冲突。如果相关处理器不能把目标参数分配到现有的跟踪文件，那么就会生成和显示新的跟踪文件。

平面/相控阵边扫描边跟踪雷达最显著的优势是它能搜索大范围的空域同时跟踪单个的目标。可被跟踪的目标数量受限于雷达能生成波束的数量。与脉冲雷达系统相比平面/相控阵雷达增加了峰值和平均功率。由于平面/相控阵雷达的波束是电子操控的并且可以快速跟换波束和扫描，它可以不受很多干扰技术的影响。平面/相控阵边扫描边跟踪雷达最主要的缺陷包括它的复杂性，成本以及依赖计算机处理。

5. 隐蔽接收（LORO）

隐蔽接收是一种雷达操作模式，发展成为一种对边扫描边跟踪雷达的电子保护。隐蔽接收可以被任何具有被动跟踪目标功能的雷达所使用。在隐蔽接收模式中，雷达从一组照明天线处发出的连续信号。这个连续信号接触到目标然后各组接收天线收到回波回波（图7-12）。接收天线是被动接收的并通过电子扫描反射的信号生成方位角和仰角的跟踪信号。跟踪信号被送到天线伺服系统以保证照明天线对准目标并定位于接收天线跟踪区域的中心。距离跟踪电路使用传送和接收照明天线信号之间的延时。分离门***用于提供距离跟踪。

图7-12.隐蔽接收模式

a.照明天线用于在隐蔽接收模式下具有非常窄的波束宽并且以大功率发送。这就降低了针对使用只作隐蔽接收模式的雷达的噪音干扰技术的有效性。此外。照明天线发出的连续信号否定了大多数为了击败边扫描边跟踪雷达而设计的角度欺骗干扰的技术。这些特殊的干扰技术利用边扫描边跟踪天线的扫描率。在隐蔽接收模式下照明天线没有扫描率。隐蔽模式的主要优势就只是噪音和欺骗干扰技术有限的有效性。

b.隐蔽接收模式也具有跟踪干扰源能力用于利用噪音干扰技术。在跟踪干扰源模式下，接收天线被动跟踪和侦查噪音干扰信号。雷达以最密集干扰作为目标。接收天线处理最强干扰信号，把它当作从发送天线发出信号的目标回波。接收天线发出方位角和仰角跟踪信号以确保干扰信号处于跟踪区域的中心。跟踪干扰源模式不能提供目标距离。

未完待续......