雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期精確測(cè)量技術(shù)研究

康志勇，李仙茂，張范軍

（1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢430033；2.海司第四部，北京100000）

0 引言

不同型號(hào)雷達(dá)的天線(xiàn)掃描周期一般不同。天線(xiàn)掃描周期一旦確定后，不會(huì)過(guò)多地進(jìn)行更改，特別是艦載雷達(dá)和機(jī)載雷達(dá)，工作模式不變情況下單獨(dú)更改天線(xiàn)掃描周期的可能性非常小。天線(xiàn)掃描周期信息通常具有較長(zhǎng)的生命周期，可作為雷達(dá)輻射源識(shí)別的一項(xiàng)重要作戰(zhàn)技術(shù)參數(shù)［1］。高精度的雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期測(cè)量可為目標(biāo)融合提供準(zhǔn)確的特征參數(shù)，提高目標(biāo)相容性判別的準(zhǔn)確率。

天線(xiàn)掃描周期的測(cè)量方法較為簡(jiǎn)單，過(guò)去一般通過(guò)測(cè)量相鄰兩次雷達(dá)照射的時(shí)間間隔來(lái)確定天線(xiàn)掃描周期，但是一次雷達(dá)照射的持續(xù)時(shí)間比較短，常常被忽略，導(dǎo)致雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期的測(cè)量精度受到雷達(dá)照射持續(xù)時(shí)間影響。本文通過(guò)研究一次雷達(dá)照射持續(xù)時(shí)間內(nèi)的脈沖族信息，提出一種新的雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期測(cè)量方法，能夠在一定程度上提高該參數(shù)的測(cè)量精度和穩(wěn)定度，該方法既比較經(jīng)濟(jì)，又可自動(dòng)、快速進(jìn)行。

1 雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期的測(cè)量思路

雷達(dá)為了探測(cè)到各個(gè)方位的目標(biāo)，通常利用雷達(dá)天線(xiàn)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)使得信號(hào)波束能夠在不同方位上掃描，相控陣體制雷達(dá)通過(guò)相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)機(jī)械掃描雷達(dá)天線(xiàn)同樣的波束掃描效果［2-3］。雷達(dá)天線(xiàn)的掃描類(lèi)型一般包括：圓周掃描（環(huán)形掃描）、扇形掃描、圓錐掃描、矩形掃描等［4］。雷達(dá)天線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)一般按照一定的周期重復(fù)進(jìn)行，稱(chēng)最小的時(shí)間周期為雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期。

在滿(mǎn)足一定的信號(hào)偵收條件下，雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期，就會(huì)對(duì)偵察設(shè)備進(jìn)行一次（或多次）照射。一次照射的持續(xù)時(shí)間非常短，一般在幾十毫秒以上［5］。雷達(dá)偵察一般通過(guò)測(cè)量雷達(dá)照射的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期，比如圓周掃描雷達(dá)的天線(xiàn)掃描周期為第一次照射到第二次照射之間的時(shí)間間隔。一次雷達(dá)照射有一定的持續(xù)時(shí)間，所以一次照射的時(shí)間具有多選性，可以說(shuō)某次照射時(shí)間為照射開(kāi)始時(shí)，也可以說(shuō)某次照射時(shí)間為照射結(jié)束后，或說(shuō)成期間的任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。為了準(zhǔn)確計(jì)算前后兩次照射之間的時(shí)間間隔，應(yīng)該在每一次照射時(shí)間內(nèi)取一個(gè)同樣的參考時(shí)刻。

偵察設(shè)備在雷達(dá)一次照射時(shí)間內(nèi)偵獲的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)一般有十幾個(gè)到上百個(gè)，稱(chēng)為一族（群）脈沖。在一族脈沖數(shù)據(jù)里，每個(gè)脈沖都有自己的脈沖到達(dá)時(shí)間。脈沖族里第一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間稱(chēng)為整個(gè)脈沖族的到達(dá)時(shí)間，脈沖族里最后一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間稱(chēng)為整個(gè)脈沖族的結(jié)束時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間的差值稱(chēng)為脈沖族的持續(xù)時(shí)間，也就是照射持續(xù)時(shí)間。

那么用脈沖族哪個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間來(lái)作為雷達(dá)照射時(shí)間的參考時(shí)刻最為準(zhǔn)確呢？為了得到比較穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，雷達(dá)照射時(shí)間選擇的參考時(shí)刻應(yīng)該具有最高的穩(wěn)定性。所以，在此有必要研究脈沖族數(shù)據(jù)分析的相關(guān)理論。

2 脈沖族數(shù)據(jù)分析的相關(guān)理論

雷達(dá)信號(hào)脈沖族是雷達(dá)信號(hào)發(fā)射后，經(jīng)過(guò)一定的空間傳播，被偵察天線(xiàn)偵收，經(jīng)過(guò)一定的分析處理后得到的用來(lái)描述目標(biāo)信號(hào)特征的脈沖數(shù)據(jù)組合。一族脈沖通常對(duì)應(yīng)一次雷達(dá)照射，如果多部雷達(dá)同時(shí)對(duì)偵察設(shè)備進(jìn)行照射，則會(huì)出現(xiàn)多族脈沖數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上交叉重疊的現(xiàn)象，分析時(shí)一般要將屬于不同輻射源的多族脈沖數(shù)據(jù)分開(kāi)。

根據(jù)目標(biāo)雷達(dá)輻射電磁波的基本特性和信號(hào)偵收時(shí)的幾何模型，一族脈沖數(shù)據(jù)一般包括主瓣部分和副瓣部分［6］。比如：在滿(mǎn)足信號(hào)偵收的條件下，偵察設(shè)備天線(xiàn)方位固定不變，雷達(dá)天線(xiàn)進(jìn)行方位掃描，每次照射（方位對(duì)準(zhǔn)）到偵察設(shè)備天線(xiàn)時(shí)，都是其信號(hào)波束的副瓣部分先對(duì)準(zhǔn)偵察設(shè)備天線(xiàn)，然后是主瓣部分對(duì)準(zhǔn)，最后再是副瓣部分對(duì)準(zhǔn)。所以，偵察設(shè)備偵獲的脈沖族數(shù)據(jù)也相應(yīng)地包括主瓣部分和副瓣部分，如圖1所示。該脈沖族包含了兩個(gè)副瓣部分和一個(gè)主瓣部分，主瓣部分的脈沖幅度比副瓣部分的脈沖幅度大。

圖1 包含主副瓣的脈沖族

雷達(dá)天線(xiàn)波束副瓣是天線(xiàn)附加產(chǎn)物［7］，并不是雷達(dá)所需要的，所以一般采用高主副瓣增益比來(lái)降低副瓣對(duì)雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)生的副作用，但在副瓣方向上還是有電磁波輻射。而實(shí)際雷達(dá)信號(hào)偵察時(shí)，因?yàn)樾盘?hào)在傳播等過(guò)程受到各種信號(hào)衰減，可能導(dǎo)致雷達(dá)副瓣信號(hào)未被偵察設(shè)備偵收，甚至連主瓣部分都不能完全被偵收，如圖2所示。該脈沖族僅包含部分的主瓣脈沖數(shù)據(jù)。這是因?yàn)椴糠置}沖信號(hào)幅度低于檢測(cè)門(mén)限，未被偵收處理，造成脈沖數(shù)據(jù)的丟失。脈沖數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，信號(hào)傳播環(huán)境越差脈沖數(shù)據(jù)丟失越嚴(yán)重。通常情況下主瓣部分的脈沖數(shù)據(jù)比副瓣部分的脈沖數(shù)據(jù)要穩(wěn)定得多，因?yàn)橹靼瓴糠值拿}沖幅度相對(duì)副瓣部分的脈沖幅度大很多，更不容易造成脈沖數(shù)據(jù)丟失。雷達(dá)信號(hào)波束的主瓣和副瓣之間為波束零點(diǎn)位置，該位置的信號(hào)無(wú)增益，越靠近該位置的信號(hào)增益越小。所以相應(yīng)的脈沖族數(shù)據(jù)的主瓣部分和副瓣部分之間會(huì)有若干脈沖幅度比較低，甚至出現(xiàn)低于門(mén)限值而造成脈沖丟失的現(xiàn)象，圖1中在脈沖族主瓣部分右邊的零點(diǎn)位置附近就丟失了一個(gè)脈沖。

圖2 僅包含主瓣的脈沖族

3 雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期脈沖族測(cè)量法

雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期的脈沖族測(cè)量法就是利用脈沖族數(shù)據(jù)分析理論來(lái)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期進(jìn)行精確測(cè)量。為了更形象地對(duì)該方法進(jìn)行說(shuō)明，本文采集了某雷達(dá)輻射源信號(hào)的脈沖族數(shù)據(jù)，其主副瓣脈沖幅度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1所示的脈沖族是在信號(hào)環(huán)境較好的情況下偵獲的，其信號(hào)的主副瓣數(shù)據(jù)較為完整，未出現(xiàn)較多的脈沖丟失現(xiàn)象。通過(guò)研究脈沖族數(shù)據(jù)的主副瓣分布規(guī)律，知道主瓣脈沖部分具有較高的穩(wěn)定度，所以在確定雷達(dá)照射時(shí)間時(shí)應(yīng)該選擇脈沖族主瓣部分的脈沖到達(dá)時(shí)間。

一般來(lái)說(shuō)，選擇主瓣部分的脈沖到達(dá)時(shí)間有三種方法。第一種方法是選擇波束零點(diǎn)位置（如圖1中A點(diǎn)位置）的脈沖到達(dá)時(shí)間作為雷達(dá)照射時(shí)間，其優(yōu)點(diǎn)是該位置是脈沖幅度大小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，容易區(qū)分，選取比較準(zhǔn)確，一般誤差在1 到2個(gè)PRI時(shí)間范圍內(nèi)，其缺點(diǎn)是在信號(hào)環(huán)境較差時(shí)，波束零點(diǎn)位置附近的脈沖丟失較為嚴(yán)重，選取誤差變大。第二種方法是選擇主瓣脈沖數(shù)據(jù)中脈沖幅度最高（如圖1中B 點(diǎn)位置）的脈沖到達(dá)時(shí)間作為雷達(dá)照射時(shí)間，其優(yōu)點(diǎn)是脈沖幅度最高的脈沖容易選取，在信號(hào)的主瓣波束寬度較窄時(shí)，該方法取得的脈沖到達(dá)時(shí)間具有較高穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是當(dāng)雷達(dá)主瓣波束寬度較寬或采用相控陣體制時(shí)，脈沖族中有較多位置具有最高幅度值，選取穩(wěn)定性不高。第三種方法是選取脈沖族主瓣部分全部脈沖的到達(dá)時(shí)間均值作為雷達(dá)照射時(shí)間，該方法雖然計(jì)算量較大，但是具有非常高的穩(wěn)定性，因?yàn)楫?dāng)檢測(cè)門(mén)限增大或信號(hào)衰減增大時(shí)，脈沖族主瓣前后兩個(gè)增益零點(diǎn)位置附近的脈沖丟失程度不會(huì)相差太大，保證了主瓣脈沖的脈沖到達(dá)時(shí)間均值比較平穩(wěn)，最大測(cè)量誤差一般在若干個(gè)PRI范圍內(nèi)。在選取主瓣脈沖數(shù)據(jù)時(shí)，一般從脈沖幅度最高處向前后進(jìn)行遍歷，當(dāng)出現(xiàn)脈沖丟失現(xiàn)象（脈沖丟失會(huì)導(dǎo)致PRI翻倍）或遇見(jiàn)波束零點(diǎn)位置時(shí)，認(rèn)為是主瓣部分的端點(diǎn)。

以上三種方法中，第三種方法應(yīng)用范圍最為廣泛，是測(cè)量雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期最可靠的方法。該方法有利于在雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期測(cè)量時(shí)，通過(guò)脈沖數(shù)據(jù)脈沖到達(dá)時(shí)間信息的自動(dòng)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，其測(cè)量精度和穩(wěn)定度都比較高。但是利用該方法對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要保證脈沖族數(shù)據(jù)的獨(dú)立性，不能與其他脈沖族數(shù)據(jù)相交迭，所以還要對(duì)該方法的可行性進(jìn)行論證。

4 可行性分析

在復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境下，各種雷達(dá)信號(hào)一起被雷達(dá)偵察設(shè)備偵收，形成數(shù)據(jù)量巨大的全脈沖數(shù)據(jù)。是否能在大量的全脈沖數(shù)據(jù)中分選出目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)主瓣部分的脈沖數(shù)據(jù)，首先要看該雷達(dá)信號(hào)的脈沖數(shù)據(jù)是否與其他雷達(dá)信號(hào)交迭在一起。下面對(duì)目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)被一次交迭和被連續(xù)多次交迭進(jìn)行概率分析。

假設(shè)在目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)載頻附近范圍內(nèi)，可同時(shí)偵獲到環(huán)境中的9個(gè)與之工作頻率近似的雷達(dá)信號(hào)，即全脈沖數(shù)據(jù)中有10個(gè)輻射源的脈沖數(shù)據(jù)，每個(gè)脈沖族的主瓣部分持續(xù)時(shí)間都為40ms，天線(xiàn)的掃描周期都為4s，偵收到的所有雷達(dá)信號(hào)在時(shí)間上相互獨(dú)立分布，且偵收時(shí)間都是隨機(jī)的。則在4s可偵收到10個(gè)雷達(dá)信號(hào)，目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)和另外一個(gè)指定雷達(dá)信號(hào)在主瓣部分相互分開(kāi)的概率為99%，所以目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)和其他所有雷達(dá)信號(hào)的主瓣部分都相互分開(kāi)的概率：

若目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)的脈沖族數(shù)據(jù)與其它雷達(dá)信號(hào)的脈沖數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上交迭，則可用其它脈沖族數(shù)據(jù)分選方法把目標(biāo)脈沖族數(shù)據(jù)從相互交迭的全脈沖數(shù)據(jù)中提取出來(lái)。以上所說(shuō)的目標(biāo)載頻范圍就是在載頻上對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行的一種分選［8］。對(duì)目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行分選的方法還有PRI分選法、脈寬分選法等［9-10］。通過(guò)這些方法對(duì)目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行脈沖數(shù)據(jù)綜合分選，能有效提取目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)的脈沖族數(shù)據(jù)，使得雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期的脈沖族測(cè)量方法的可行性得到保證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期脈沖族測(cè)量法，是在研究脈沖族形成過(guò)程、基本組成、要素穩(wěn)定性等相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)雷達(dá)照射時(shí)間做更為精確的分析，從而實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)天線(xiàn)掃描周期的高精度測(cè)量，并通過(guò)脈沖族數(shù)據(jù)分選的可能性分析證明了該方法的可行性。■

［1］張寧，黃建沖，鄒鵬，等.輻射源指紋識(shí)別及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展［J］.飛航導(dǎo)彈，2011（5）：42-45，69.

［2］張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［3］殷洪沛，葉素珍，林桂道，等.超寬帶相控陣天線(xiàn)的低副瓣設(shè)計(jì)［J］.艦船電子對(duì)抗，2009，32（1）：81-84.

［4］承德寶.雷達(dá)原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［5］張友兵，黃高明，李仙茂.雷達(dá)對(duì)抗原理［M］.武漢：海軍工程大學(xué)出版社，2009.

［6］石紫璇，顧浩，朱士龍.全脈沖幅度信息的分析與特征提取［J］.指揮控制與仿真，2009，31（3）：43-45，57.

［7］李莉.天線(xiàn)與電波傳播［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［8］李合生，韓宇，蔡英武，等.雷達(dá)信號(hào)分選關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27（12）：2035-2040.

［9］張春林.基于脈沖幅度的預(yù)處理方法［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2009，24（2）：23-27.

［10］高雙成，陳瑩.基于PRI的未知雷達(dá)脈沖序列分選綜合算法［J］.電子科技，2012，25（2）：8-11.