用于原點(diǎn)估計(jì)和目標(biāo)歸類的尾隨空中目標(biāo)的尾流湍流的光雷達(dá)回溯的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及跟蹤到來的空中目標(biāo)的路徑以回溯到火力源和武器位置的武器定位 系統(tǒng)，特別涉及也稱為光雷達(dá)系統(tǒng)的新類型的武器定位激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging)，該武器定位雷達(dá)使用流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量，以從檢測(cè)到目標(biāo)的點(diǎn)向后回溯尾隨空中目標(biāo) 的尾流湍流，以估計(jì)向后軌跡。向后軌跡可被用于估計(jì)目標(biāo)的原點(diǎn)（POO)。流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量也可 被用于將空中目標(biāo)歸類，這可被用于提煉POO估計(jì)或者影響指向POO上的對(duì)抗火力。
【背景技術(shù)】
[0002] 武器定位雷達(dá)（RAdio Detection And Ranging)系統(tǒng)跟蹤到來的包括彈殼、火箭、 迫擊炮、導(dǎo)彈等的拋射體的路徑，并且，計(jì)算發(fā)射拋射體的點(diǎn)。這些武器定位系統(tǒng)使用多普 勒雷達(dá)以檢測(cè)拋射體的硬體并然后在拋射體軌跡的后面一部分上向前跟蹤硬體的位置。這 些系統(tǒng)一般假定彈道學(xué)軌跡以沿估計(jì)的飛行路徑回溯到地球交點(diǎn)以為有效的對(duì)抗火力策 略估計(jì)原點(diǎn)（POO)。武器定位系統(tǒng)還預(yù)測(cè)碰撞區(qū)域并且向友軍傳送數(shù)據(jù)，從而使得有時(shí)間 實(shí)施有效的防御措施。武器定位系統(tǒng)在尺寸上便于傳輸并且重視精度、可動(dòng)性、可靠性和低 壽命周期成本。當(dāng)前，武器定位雷達(dá)系統(tǒng)在兩大類的傳感器即中程和長(zhǎng)程上是可用的。例 子包括：Raytheon的TPQ-36Firefinder系統(tǒng)具體被設(shè)計(jì)為對(duì)抗中程敵軍武器系統(tǒng)，直到24 千米的范圍，而TPQ-37Firefinder系統(tǒng)可定位長(zhǎng)程系統(tǒng)甚至表面發(fā)射導(dǎo)彈，直到50千米。
[0003] 現(xiàn)在參照?qǐng)DIa~lc，在一般的戰(zhàn)場(chǎng)方案中，隱藏在山、沙丘或樹林12后面的敵軍 大炮10向友軍發(fā)射拋射體14。為了向大炮10引導(dǎo)有效的對(duì)抗火力，必須確定作為拋射體 火力的POO的大炮的位置。武器定位多普勒雷達(dá)系統(tǒng)16,諸如TPQ-36或TPQ-37,在較大的 關(guān)注域（FOR) 22上掃描覆蓋較窄的瞬時(shí)視場(chǎng)（FOV) 20的微波能量束18,以檢測(cè)并然后跟蹤 到來的拋射體14。多普勒雷達(dá)系統(tǒng)分析返回信號(hào)的頻率如何被拋射體的移動(dòng)修改。這種變 動(dòng)給出拋射體相對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)的徑向速度的直接和精確的測(cè)量。多普勒雷達(dá)可提供目標(biāo)硬 體的3D位置（例如，方位角和仰角的粗略測(cè)量和精確的估計(jì)范圍）。
[0004] 一旦建立穩(wěn)定的跟蹤，武器定位雷達(dá)系統(tǒng)就跟隨硬體拋射體14的向前軌跡以測(cè) 量大量的跟蹤點(diǎn)24。武器定位系統(tǒng)假定彈道軌跡并且對(duì)跟蹤點(diǎn)24施加彈道計(jì)算以沿估計(jì) 的彈道軌跡25回溯到地球交點(diǎn)以估計(jì)POO 26。POO 26被轉(zhuǎn)送到反擊炮28,該反擊炮28計(jì) 算火力方案并將對(duì)抗火力（例如，拋射體30)引向估計(jì)POO處的大炮10。
[0005] 在理想情況下，武器定位系統(tǒng)會(huì)從首先被雷達(dá)系統(tǒng)觀察到拋射體的點(diǎn)即拋射體從 山、沙丘或樹林12后面出現(xiàn)的點(diǎn)或者如果存在清楚的視線則從大炮10的拋射體發(fā)射點(diǎn)檢 測(cè)和跟蹤拋射體。實(shí)際上，在系統(tǒng)可檢測(cè)拋射體并建立穩(wěn)定的跟蹤之前，存在與許多米的行 進(jìn)距離對(duì)應(yīng)的延遲。有助于該延遲的因素包括花費(fèi)在掃描束18的窄FOV 20上以與拋射體 14的飛行路徑相交并且檢測(cè)拋射體的硬體的有限時(shí)間量。某些拋射體的雷達(dá)斷面可能非常 低，以至于不能在第一次通過時(shí)檢測(cè)到拋射體。在初始檢測(cè)之后，可能需要附加的掃描或兩 次掃描以建立穩(wěn)定的跟蹤。
[0006] 如果拋射體在其飛行軌跡中足夠早地被檢測(cè)和跟蹤、如果拋射體在飛行路徑的任 何部分中不推動(dòng)或者機(jī)動(dòng)（即，它不背離純粹的彈道軌跡）以及如果其飛行路徑不受大風(fēng) 或者不穩(wěn)定空氣干擾，那么多普勒雷達(dá)可提供POO的相當(dāng)良好的估計(jì)。如果不滿足這些條 件，那么估計(jì)的POO將不精確，并且，反擊炮將效率低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了提供本發(fā)明的一些方面的基本理解，以下給出本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
。
【發(fā)明內(nèi)容】
不是要識(shí)別本發(fā)明的關(guān)鍵或決定性要素或者將本發(fā)明的范圍劃界。其唯一目的是作為后面 給出的【具體實(shí)施方式】和限定的權(quán)利要求的序言以簡(jiǎn)化的形式給出本發(fā)明的一些概念。
[0008] 本發(fā)明提供通過使用流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量以從檢測(cè)到目標(biāo)的位置向后向火力源跟隨跟蹤 空中目標(biāo)的尾流湍流估計(jì)空中目標(biāo)的向后軌跡的武器定位雷達(dá)系統(tǒng)。系統(tǒng)可使用向后軌跡 以估計(jì)目標(biāo)的原點(diǎn)。系統(tǒng)也可使用沿著向后軌跡的流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量以將目標(biāo)歸類。目標(biāo)歸類可 被用于提煉原點(diǎn)估計(jì)、影響選擇的對(duì)抗火力措施或者適應(yīng)性調(diào)整流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量。
[0009] 在實(shí)施例中，激光束從檢測(cè)到目標(biāo)的位置向后照射尾隨空中目標(biāo)的尾流，直到尾 流不再可被武器定位雷達(dá)系統(tǒng)觀察。激光束具有被選擇為區(qū)分尾流湍流與自然出現(xiàn)的大氣 現(xiàn)象的空間圖案和時(shí)間波形。從尾隨空中目標(biāo)的尾流中和周圍的空氣體積中的分子、氣霧 劑和顆粒物質(zhì)反向散射的激光能量被檢測(cè)和處理以計(jì)算一個(gè)或更多個(gè)大氣流動(dòng)場(chǎng)圖像。各 圖像包含諸如但不限于空間分解徑向速度或時(shí)間或空間的微分、其時(shí)刻或函數(shù)的流動(dòng)場(chǎng)測(cè) 量的輪廓。流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量的輪廓被處理以估計(jì)空中目標(biāo)從目標(biāo)的檢測(cè)位置到不再能觀察到尾 流的位置的向后軌跡。
[0010] 在實(shí)施例中，向后經(jīng)過不再能觀察到尾流的位置投影向后軌跡，以估計(jì)空中目標(biāo) 的原點(diǎn)。在另一實(shí)施例中，流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量被處理以提取簽名并指定空中目標(biāo)的目標(biāo)類別。目標(biāo) 歸類可被用于提煉估計(jì)POO (例如，調(diào)整POO估計(jì)或者重新確定POO周圍的誤差框的尺寸）、 影響對(duì)抗火力（例如，對(duì)抗火力的類型或量）或者適應(yīng)性調(diào)整目標(biāo)類別的時(shí)間波形。
[0011] 在實(shí)施例中，當(dāng)射束從檢測(cè)位置回溯尾流時(shí)，適應(yīng)性調(diào)整激光束的時(shí)間波形。當(dāng)尾 流老化時(shí)，流動(dòng)場(chǎng)將改變?？苫谖擦鞯?年齡"適應(yīng)性調(diào)整波形，以保留流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量的質(zhì) 量，這里，"年齡"在這里被用作沿向著原點(diǎn)向后測(cè)量的尾流路徑的位置的代表。作為替代方 案，波形可被適應(yīng)性調(diào)整以進(jìn)行不同的流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量。
[0012] 在實(shí)施例中，光雷達(dá)系統(tǒng)任意地對(duì)三維范圍分解模式或二維角度/角度模式適應(yīng) 性調(diào)整時(shí)間波形。系統(tǒng)從檢測(cè)位置向后以范圍分解模式照射尾流直到不能再以范圍分解模 式觀察尾流為止，并然后切換到角度-角度模式，直到尾流不再能觀察。系統(tǒng)可漸近地選擇 較小范圍分解率，直到僅存在2D信息。在雷達(dá)系統(tǒng)提供檢測(cè)的位置和估計(jì)的彈道軌跡的實(shí) 施例中，光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)合來自雷達(dá)和3D和2D光雷達(dá)的信息以估計(jì)向后軌跡。
[0013] 在實(shí)施例中，在三維范圍分解模式中，系統(tǒng)在各范圍切片處處理方位角和仰角的 流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量以估計(jì)各范圍切片處的尾流的中心。系統(tǒng)通過中心估計(jì)三維軌跡作為向后軌 跡。
[0014] 在實(shí)施例中，在二維角度/角度模式中，具有估計(jì)的彈道軌跡的系統(tǒng)處理方位角 和仰角上的流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量以估計(jì)一系列的尾流中心和角度軌跡。系統(tǒng)通過尾流中心擬合曲線 以提供向后軌跡的方位角和仰角分量。系統(tǒng)映射估計(jì)的彈道軌跡的二維方位角和仰角投影 處于與任何曲線點(diǎn)的最小角度分離處的估計(jì)彈道軌跡的范圍坐標(biāo)，以提供向后軌跡的范圍 分量。
[0015] 在實(shí)施例中，根據(jù)流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量、目標(biāo)歸類和光雷達(dá)功能，適應(yīng)性調(diào)整尾流中和周圍 的空氣體積中的反向散射激光能量的空間采樣。
[0016] 在實(shí)施例中，當(dāng)回溯尾流湍流時(shí)，從尾流內(nèi)或外的流動(dòng)場(chǎng)測(cè)量提取風(fēng)速的估計(jì)。風(fēng) 速被用于補(bǔ)償向后軌跡和POO估計(jì)。
[0017] 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，結(jié)合附圖參照優(yōu)選實(shí)施例的以下的詳細(xì)描述，本發(fā)明 的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將十分明顯。
【附圖說明】
[0018] 上述的圖Ia~Ic是示出使用已知的武器定位雷達(dá)以檢測(cè)和跟蹤到來的拋射體以 估計(jì)回到拋射體原點(diǎn)的彈道軌跡以引導(dǎo)對(duì)抗火力的示圖；
[0019] 圖2是由穿過流體的超聲拋射體產(chǎn)生的湍流尾流和沖擊波的陰影示圖；
[0020] 圖3a、圖3b和圖3c分別是通過湍流尾流、范圍分解和角度/角度流動(dòng)場(chǎng)圖像給出 的測(cè)量頻率偏移對(duì)沿光雷達(dá)視線的范圍的示圖；
[0021] 圖4a~4c是檢測(cè)到來的空中目標(biāo)并且沿尾隨目標(biāo)的尾流湍流回溯以估計(jì)向后軌 跡和POO以引導(dǎo)對(duì)抗火力的武器定位雷達(dá)和光雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)施例的示圖；
[0022] 圖5是用于檢測(cè)空中目標(biāo)并且沿尾隨目標(biāo)的尾流湍流回溯以估計(jì)軌跡的武器定 位光雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖；
[0023] 圖6a和圖6b是包含雷達(dá)和范圍分解和角度/角度光雷達(dá)部件的武器定位系統(tǒng)的 實(shí)施例的流程圖；
[0024] 圖7是使用三維范圍分解光雷達(dá)以估計(jì)向后軌跡的實(shí)施例的示圖；
[0025] 圖8a和圖8b分別是用于使用角度/角度光雷達(dá)以估計(jì)向后軌跡的實(shí)施例的軌跡 的角度/角度示圖和對(duì)三維空間的投影。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 本發(fā)明提供通過從檢測(cè)到目標(biāo)的位置向后到不再可通過光雷達(dá)系統(tǒng)觀察尾流跟 隨來自尾隨空中目標(biāo)的尾流湍流的激光能量反向散射估計(jì)諸如超音或超聲拋射體、火箭、 迫擊炮、導(dǎo)彈等的空中目標(biāo)的向后軌跡的武器定位雷達(dá)系統(tǒng)。武器定位系統(tǒng)可使用向后軌 跡以估計(jì)目標(biāo)的P00。系統(tǒng)也可使用沿向后軌跡的尾流的簽名以將目標(biāo)歸類。尾流簽名可 與由光雷達(dá)或雷達(dá)系統(tǒng)提供的目標(biāo)簽名組合以提煉歸類。目標(biāo)歸類可被用于提煉POO估計(jì) 或影響對(duì)抗火力。
[0027] 使用光雷達(dá)使目標(biāo)硬體軌跡的直接測(cè)量從檢測(cè)點(diǎn)延伸回到更接近POO的不再能 觀察到尾流的點(diǎn)，由此提煉軌跡和POO的估計(jì)。給定尾流湍流的足夠永久性，武器定位光雷 達(dá)系統(tǒng)可在理論上跟蹤尾流以回到光雷達(dá)系統(tǒng)可首先觀察目標(biāo)自身的點(diǎn)。范圍分解光雷達(dá) 系統(tǒng)不限于假定彈道軌跡，并且可容納推動(dòng)或機(jī)動(dòng)以使軌跡回溯到P00。并且，光雷達(dá)系統(tǒng) 可被用于沿目標(biāo)飛行路徑的程度測(cè)量徑向風(fēng)速以補(bǔ)償估計(jì)的向后軌跡。可以使用角度/角 度光雷達(dá)，以使尾流變得不再能觀察的點(diǎn)進(jìn)一步向POO回溯，從而提煉在移交中提供和/或 由范圍分解光雷達(dá)產(chǎn)生的估計(jì)的彈道或非彈道軌跡。
[0028] 現(xiàn)在參照?qǐng)D2,穿過諸如空氣的流體52的超聲拋射體50形成領(lǐng)先的弓形聲音沖擊 波54、壓縮沖擊波56、擴(kuò)展波58和包含尾流渦旋62的湍流尾流60。對(duì)于超聲拋射體，從鼻 子、體部和尾隨邊緣放射的沖擊波54、56和58會(huì)消失。
[0029] 領(lǐng)先的弓形聲音沖擊波54由壓縮流體52的拋射體50的尖端形成，該拋射體50 以大于聲音的速度穿過該流體52。拋射體的尖端的物理圓錐形狀確定拋射體尖端的該沖擊 波的曲線的形狀。
[0030] 由于拋射體的鈍形狀，可進(jìn)一步沿拋射體輪廓的長(zhǎng)度看到幾個(gè)二次壓縮波56。隨 著拋射體的斷面面積從尖端向主體直徑增加，空氣的體積位移壓縮。如果在平滑的輪廓上 存在任何不規(guī)則的表面變化，那么它們將用作將出現(xiàn)二次壓縮的點(diǎn)。為了均衡恢復(fù)，各壓縮 需要等價(jià)膨脹。可從拋射體的后部看到尾隨第二主壓縮沖擊波。兩個(gè)主沖擊波是超聲飛行 的拋射體的特征。相反，當(dāng)拋射體的斷面面積減小時(shí)，由于允許接近表面的壓縮空氣的體積 膨脹成產(chǎn)生的新體