相控陣雷達波束資源管理

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摘 要：針對相控陣雷達波束資源管理問題進行了深入分析，重點研究了三坐標有源相控陣雷達自由波束的理論和實現問題，提出了適合于工程應用的算法，該方法能夠依據數據處理對航跡的實時預測信息，解算高仰角目標的動態位置，通過波束調度完成對高仰角目標的跟蹤，實現70°范圍的仰角覆蓋，通過在某定型產品中的應用，證明了該方法的有效性。

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關鍵詞：相控陣雷達; 波束資源管理; 航跡預測; 自由波束

中圖分類號：N958.92-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0034-03

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Beam resource management of phased-array radar

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QIU Tian， GAO Jian

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

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Abstract：

Beam resource management for phased-array radar is analyzed. The free beam control theory and application for 3D active phased-array radar are studied. The engineering application algorithm is offered. This algorithm based on the predicated position of moving target， which can use beam control method for high elevation target tracking， and fulfill the 70 degree elevation range cover. Its effectiveness is verified by the test results.

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Keywords： phased-array radar; beam resource management; track prediction; free beam

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收稿日期：2011-08-21

三坐標雷達可以提供目標的距離、方位和高度等信息，在空中監視、警戒引導雷達、防空火控雷達、導彈制導雷達中得到了廣泛的應用。高度測量是對空三坐標雷達的關鍵技術。早期對目標進行測高的主要方法是：兩坐標雷達加測高雷達、V波束測高雷達等。近年來發展的測高方法又主要采取兩類方法：一類是俯仰堆積多波束方法；一類是以電掃方式實現測高，包括頻掃、相掃、數字波束形成(DBF)、相頻掃結合等方法。對空情報雷達要求方位0~360°全覆蓋，出于成本和技術成熟性的考慮，方位機械掃描、俯仰電掃測高的三坐標雷達在工程實際中得到了廣泛應用，本文著重研究類似方位機械掃描，俯仰電掃的三坐標搜索雷達波束管理問題。

1 空域覆蓋的權衡

空域覆蓋范圍是對空情報雷達的重要指標之一，主要包含雷達作用距離和覆蓋高度等。為了得到足夠的雷達探測作用距離，對方位機械掃描體制的雷達而言，就需要在一次方位駐留時間內獲得盡可能多的脈沖積累數，這樣才能有助于提高目標探測威力或是弱小目標的發現概率等指標。但是當一次方位駐留周期內可能需要關注的俯仰范圍較大時(如某雷達型號要求俯仰覆蓋0~70°)，勢必存在探測威力與俯仰空域覆蓋二者之間的相互制約，要想合理解決這一矛盾，就需要從波束管理的角度，按照天線駐留時間、作用距離等約束對俯仰上安排的波束數、每個波束的指向角、俯仰波束寬度、相鄰波束之間的交疊角、每個波束內包含多少脈沖、脈沖寬度、脈沖重復頻率等參數進行合理設計。

設計中為提高發現概率，雷達俯仰波束在各個不同的高度駐留時間和脈沖寬度都是不同的。根據作用距離選定能量分配形式：為合理分配仰角空域內的能量，即低仰角區要求作用距離遠，分配的能量應多一些(圖1中Ⅰ區)；中空仰角區要求的作用距離近一些，分配的能量應少一些(圖1中Ⅱ、Ⅲ區)；高空仰角區要求的作用距離更近，分配能量更少(圖1中Ⅳ區)，使能量分配近似余割平方分布。三坐標搜索雷達俯仰波束能量分配如圖1所示。

圖1 三坐標搜索雷達俯仰波束能量分配

工程設計中，不論俯仰堆積多波束方法還是俯仰相掃方法，首先都要確定俯仰波束數目和指向角。確定了波束指向角后，通過天線遠場和近場測試，可以實測得到天線在不同波束指向角上的增益G(θ)，不同的波束指向中心角sin θ=h/R。其中，h為覆蓋空域處的高度，R為對應高度處的雷達作用距離。

雷達在未考慮積累和大氣衰減時的距離方程為：

R4max=PtGtGrσλ2(4π)3kT0FnBnL(S/N)omin

=PtσA2r4πλ2kT0BnFnL(S/N)omin

(1)

式中：Pt為雷達的發射功率；Gt為雷達發射天線的增益;Gr為接收天線的增益；σ為目標散射截面積；λ為波長；T0為標準室溫，一般取為290 K；Bn為接收機噪聲帶寬，一般可認為Bn≈1/τ；L為傳播與系統損失因子；k為波爾茲曼常數，k=1.38×10－28 W/(Hz#8226;K)；Fn為系統噪聲系數；Ar為雷達天線的有效面積。

由雷達方程可求出不同增益雷達的作用距離，結合波束指向中心角sin θ=h/R，可以繪制出雷達在仰角覆蓋內最大作用距離R的輪廓，即雷達威力圖。工程設計中不同波束指向的威力圖如圖2所示。

圖2 俯仰覆蓋圖

對空雷達掃描的空域中，存在大量的中低空目標，而在某些方位角存在高仰角目標時，就面臨威力、精度和波束指向之間的矛盾，加大波束寬度，會降低天線增益，影響威力和測角精度；采用窄波束，又存在如何滿足覆蓋空域的要求，窄波束在方位駐留期間，俯仰相掃覆蓋固定在某幾個位置，主要覆蓋中低空目標，那么就會漏掉高空目標，如果分出其中少數幾個波束固定指向高空，那么有可能某些方位就沒有高空目標，同時會漏掉大量中低空目標。為充分利用雷達能量，同時兼顧威力和測角精度，俯仰采用窄波束時，就需要將高波束設計為自由波束，即根據目標運動情況，實時計算其中某個或某幾個波束的指向角。實現中可以在俯仰相掃時，在俯仰上設計N個波束指向，覆蓋目標可能出現的所有高度，其中m個波束為低空波束，n個波束為自由波束，根據高空目標的運動情況，實時改變波束指向。固定雷達俯仰上的波束指向角，而當已建航目標的預測俯仰角超過一定角度時，下一圈在該目標預測方位角上啟用自由波束，天線方位旋轉到該目標預測方位角時，抽調最高波束到指定的仰角對目標進行照射，完成目標參數的測量，天線方位旋轉超過目標預測方位角時，如果在天線當前方位指向角上沒有高仰角目標，撤銷自由波束，最高波束指向角恢復為正常指向。圖3為自由波束空域覆蓋圖。

圖3 自由波束空域覆蓋圖

2 波束調度的實現

波束調度是否能跟蹤到關心的指定波束目標，取決于航跡預測的精度和發送給波控機波束指向角，包括在哪個方位上啟用自由波束，在哪個方位上結束自由波束，以及在該方位上自由波束的指向角，同時由于信號處理數據處理的時間、通信的延時，所以需要準確確定發送的時刻。

(1) 目標航跡預測

數據處理的主要任務是收到信號處理發送的目標點跡數據后，剔除虛假航跡，經濾波相關后形成目標的真實航跡。它包括坐標轉換、航跡起始、點跡航跡相關、航跡維持、航跡撤銷等。

(2) 波束指向解算

啟用自由波束，需要根據航跡預測結果確定啟用自由波束的方位角，同時設定自由波束的俯仰指向角。啟用自由波束的天線碼盤轉角，按照下式設計:

Preazimuth－AzimuthCode－Amend

(2)

式中:Preazimuth為目標預測方位角；AzimuthCode為方位碼盤；Amend為修正量，用于補充因處理和通信延時引起的指向滯后問題；BeamWid為雷達方位波束寬度，滿足該條件時啟用自由波束，否則撤銷自由波束。

啟用自由波束時，選取方位角要考慮到天線方位碼盤過頂問題。首先要判斷過頂，由于信號處理每間隔一定時間(ms級)可以實時提供碼盤值，可以利用碼盤值來判斷過頂，當相鄰兩次的碼盤值相減數值大于某個值，即判斷為過頂，假設碼盤值量化到12位，那么量化單位為4 096，碼盤值由4 096附近變化為0附近時，判斷為過頂。此時，啟用自由波束的天線碼盤轉角，需如下設計:

Preazimuth－AzimuthCode－Amend>PassZero

(3)

式中：PassZero為一個接近360°的方位角度值。

俯仰波束指向通過計算目標預測俯仰角和俯仰波束指向角之間的差值確定，選取法則min|Preelevation-Beamelevation|，即選取與目標預測俯仰角差最小的波束指向角為中心角。其中，Preelevation為目標預測俯仰角；Beamelevation為波束俯仰指向角。

3 波束調度的應用

(1) 高空目標的動態跟蹤

當目標由遠及近等高飛行時，隨著目標的臨近，目標發現仰角會逐漸增大，當超過設定的仰角探測范圍后，目標將會丟失，這將嚴重影響雷達自身的性能。通過引入波束調度管理功能，可以根據已有目標航跡特性，對未來航跡預測點進行自由波束調度，通過波束調度管理，能夠使雷達始終照射目標當前位置，從而確保高仰角目標不丟失。

(2) 有源干擾的對抗

現代雷達工作環境越來越復雜，現代戰爭對雷達的抗干擾能力要求也越來越高，在搜索雷達定型試驗中，要求雷達具備對抗掩護式干擾的能力，通過自適應選頻和特定跟蹤(燒穿模式)相結合，完全達到了研制任務書和靶場檢飛大綱的要求。首先通過干擾指示，在有干擾指示的方位選出干擾最小的工作頻點，然后對建航的目標啟動特定跟蹤，即在目標預測方位角上，俯仰不再掃描，增加脈沖數，可以提高3 dB增益。

4 結 論

按照雷達作用距離以及空域覆蓋的要求，通過合理的波束分配管理，既可以滿足威力、精度要求，又可以實現高仰角目標的動態跟蹤，并且具備有源主動干擾的實時對抗，增大自衛式干擾源的發現距離。

參 考 文 獻

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