某型空管雷達信號分析及其參數優化

趙志國， 丁 原， 王 雨， 房子成， 金穎濤

(1. 93534部隊， 天津301700； 2. 中部戰區空軍參謀部， 北京 100010)

0 引言

隨著民用航空的高速發展，采用全自動錄取模式的空中交通管制一次雷達(以下簡稱“空管雷達”)受到廣泛關注，國內也取得了明顯進展[1-3]。近期我國引進的某型是針對空中“非合作”目標設計的新一代S波段近程空管一次雷達，能夠在飛機起降時段提供出眾的空中監視信息，適用于機場和航路區域的空中交通管制。該型雷達按照無人值守的要求進行設計，可以全天候、全天時完成空中監視任務。實現其優越探測性能的技術基礎是其適合多種復雜應用背景的自適應信號與信息處理技術。該信號處理技術是基于開放的“軟件化”理念進行設計，在商用單板計算機平臺上運行。在控制終端，通過本地(或者遠程)控制面板軟件，可快速完成參數優化調整，有助于迅速應對工作環境和探測目標類型的變化。本文對該型雷達的信號時序及其處理技術進行分析，并給出參數優化的一般方法，以期在實際使用過程中充分發揮其探測性能，并為相關雷達的設計和論證提供參考。

1 雷達信號時序分析

該型空管雷達根據雷達天線的轉動速度，將360°的方位探測范圍分為若干個波束駐留時間(Time on Target，TOT)。例如，如果選擇天線轉速為10 r/min，則一般設置的TOT個數為182個。一個TOT被分成5個時間段(如圖1所示)，分別為：①自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)，②性能監視(Performance Monitoring，PM)，③偶數相參處理間隔(Coherent Processing Interval，CPI)，④奇數CPI，⑤填充時段(FILL)。各個時段完成的功能如下：

圖1 1個TOT時間段內的信號時序關系

AGC用于保持系統至A/D變換輸入端的噪聲功率水平穩定，避免系統噪聲與A/D采樣噪聲差異過大，從而降低系統靈敏度損失或者動態范圍損失。

PM用于實現系統自檢，監視系統各部分的工作狀態。

在相參積累處理時間段，該雷達設計采用3種不同信號，其時間長度分別是：1 μs+90 μs，10 μs+100 μs和10 μs+150 μs。其中1 μs和10 μs信號為短脈沖(Shortpulse，SP)，用于近距離探測，縮小雷達近距離探測盲區。90 μs，100 μs和150 μs信號為長脈沖(Longpulse，LP)，用于遠距離探測。1 μs信號的波形是沒有頻率調制的簡單矩形脈沖，10 μs，90 μs，100 μs和150 μs信號的波形是非線性調頻(Non-Linear Frequency Modulation，NLFM)矩形脈沖。另外，通過在奇偶CPI內頻率分集和改變調頻方式，可以有效應對目標雷達截面積(Radar Cross Section，RCS)的起伏變化，降低雷達截面積(RCS)起伏對目標檢測的影響[3]。

FILL用于校正天線轉動速度變化，降低CPI內各相參積累脈沖幅度的起伏變化，保持天線轉動對信號幅度調制模式穩定。其優點是：第一，有利于降低相參積累損失，提高目標的檢測性能；第二，有助于基于幅度信息準確估計目標坐標信息，提高探測精度。

由上述分析可見，該型空管雷達的信號時序特點主要有：第一，基于CPI和TOT把方位覆蓋范圍分成固定的處理單元，對雷達探測的時間資源進行嚴格有序的管理；第二，基于頻率分集和調頻方式變化，保持目標RCS穩定，改善檢測性；第三，基于AGC和PM精確管理接收信道，保持接收信道狀態穩定，便于后續設計和調整目標檢測算法。

2 信號處理分析

該型空管雷達的信號處理流程如圖2所示。總體上，其信號處理流程分為兩部分：一是前端快時間處理，包括AD變換(Analogue to digital conversion，ADC)、數字下變頻(Digital Down-Conversion，DDC)、AGC、數字脈沖壓縮(Digital Pulse Compression，DPC)和波束選擇。二是氣象或者目標通道的慢時間處理，對于目標通道，主要包括動目標檢測(Moving Target Detection，MTD)、過門限檢測(Detection，DET)和多普勒頻率計算(Doppler，DOP)。

圖2 信號處理流程

該型空管雷達的信號處理的主要特點如下：

第一，在一次混頻的基礎上，采用高采樣率完成信號的數字化處理。在一次混頻之后，通過對載頻為255 MHz的中頻信號進行300 MHz采樣，結合數字下變頻，獲取零中頻數字信號。與常規信號接收與處理流程相比，其優點主要有兩個方面，一是減少了1次(或者2次)模擬信號混頻處理環節，有助于降低接收機噪聲系數，提高接收機的靈敏度，同時這也提高了接收鏈路的可靠性；二是采樣頻率高，基于“過采樣”技術有效降低采樣噪聲。根據AD變換理論，對于該型雷達帶寬為1.25 MHz的信號，與2.5 MHz的采樣頻率相比，采用300 MHz的采樣頻率進行采樣，在理論上可獲得的信噪比改善值為20.8 dB[4]。

第二，在常規模擬波束選擇方法的基礎上，增加了數字波束選擇(如圖2所示波束選擇)功能，實現高低波束選擇。在目標處理通道和氣象處理通道，為在不同距離段選擇高波束信號或者低波束信號，從而達到降低雜波和提高目標探測性能的目的，該型雷達設置了兩種波束選擇方式，即模擬波束選擇和數字波束選擇，其主要優點和缺點如下：

模擬波束選擇的優點是：在線極化和圓極化的情況下氣象處理通道均可用，可實時輸出氣象信息。其缺點是：(1)在只有一個主處理控制通道(Processing & Control Channel，PCC)的情況下，不能實現高/低波束選擇；(2)在波束選擇的過程中，接收系統在靈敏度和虛警概率等方面的性能下降。數字波束選擇的優點是在波束選擇的過程中，接收系統在靈敏度和虛警概率等方面的性能受到的影響很小，有利于提高對小型目標探測性能。其缺點是在圓極化方式和只有一個主PCC的情況下，氣象處理通道不可用。因此，如果雷達的主要任務是探測空中飛行目標，則選擇使用數字波束選擇；如果在一些特殊的情況下(如遇到極端惡劣天氣)，則選擇使用模擬波束選擇，以獲取實時氣象信息。

第三，采用基于正切型NLFM信號的數字脈沖壓縮和與之相匹配的距離旁瓣信號檢測技術。

該型雷達采用的是正切類型的NLFM信號。根據其技術手冊，數字脈沖壓縮后的主副瓣比應大于45 dB。實際測試值大于50 dB。這能夠較好地控制強回波距離副瓣對弱小目標的遮蔽。因為以民用航空器為主要探測對象，飛行速度一般在1馬赫以內，該類型的NLFM信號能夠較好地滿足多普勒容限要求。

從實際使用的角度出發，利用雷達的測試信號和雷達維護監視終端(Radar Maintenance Monitor，RMM)輸出視頻選擇功能，本文測試了該正切型NLFM信號的副瓣分布特征。基本參數設置為：雷達產生150 μs NLFM測試信號，距離位于60 nmile，方位為0°～360°，信號幅度由本地控制軟件的測試信號衰減值決定；選擇RMM輸出MTD的輸入視頻信號，以避開檢測門限的影響。所得測試結果如圖3～圖5所示。當測試信號的衰減值為96 dB時，其結果如圖3所示，此時顯示的是測試信號脈沖壓縮之后的主瓣位置，即60 nmile，對應的檢測概率約為80%。將測試信號的衰減值降低至39 dB，在原有主瓣實線圓環的內外兩側各出現1個虛線圓環，在RMM顯示3個圓環，對應的檢測概率約為40%，局部圖如圖4所示。兩個虛線圓環為NLFM信號經過DPC后出現的距離副瓣。其中，較近的距離副瓣產生的內部虛線圓環距離為47.7 nmile，與主瓣的距離為12.3 nmile；較遠的距離副瓣產生的外部虛線圓環距離為71.8 nmile，與主瓣的距離為11.8 nmile。兩個距離副瓣之間的距離為24.1 nmile(理論值為24.2 nmile)。將測試信號的衰減值降低至27.5 dB，結果如圖5所示。兩個幅度最大的副瓣圓環的寬度變化很小，主瓣附近的副瓣明顯增多，其占據距離寬度約為4 nmile。

圖3 RMM顯示結果-局部圖(測試信號衰減值為96 dB)

圖4 RMM顯示結果-局部圖(測試信號衰減值為39 dB)

圖5 RMM顯示結果(測試信號衰減值為27.5 dB)

上述測試結果表明，正切型NLFM信號在其特殊的DPC算法之下，在距離旁瓣區域的兩端，即與主瓣最遠的位置，出現最大距離旁瓣。常規雷達脈沖壓縮處理后的旁瓣都是隨著與主瓣距離的增大而逐漸降低。這是與常規脈沖壓縮信號及其脈沖壓縮方法的主要差異。

考慮到實際的主副瓣比大于50 dB，所以一些幅度非常大的回波信號在最大副瓣位置易產生虛警，或者遮蔽其他運動目標。針對這一問題，基于雜波和干擾的檢測與分類理念，該型空管雷達設置了強目標回波檢測算法，若檢測到強回波信號，由此控制選擇使用恒虛警檢測方法，消除由距離旁瓣產生的虛警[5]。

第四，采用軟件化設計，實時監測并顯示系統參數，并開放參數調整權限。基于單板計算機，雷達信號處理和時序控制分別用LINUX系統下的軟件實現。信號處理、時序處理、數據處理、本地/遠程控制終端、本地/遠程維護與監視終端等子系統之間用網絡連接。在本地控制終端，通過控制面板軟件可實時監測系統運行參數、視頻管理參數、狀態監視參數、時序控制圖、信號處理圖、維護類參數和自檢狀態等。同時，系統運行參數、視頻管理參數、時序控制圖、信號處理圖和維護類參數等各類可調參數，共計659個，可通過控制面板軟件進行快速調整。這有助于雷達在各類地理環境和電磁環境下，完成多種探測任務。

3 參數優化

為充分發揮該型引進空管雷達的探測效能，用戶需要根據其主要探測任務和雷達周邊的地理環境與電磁環境，對雷達參數進行優化調整。根據該型空管雷達信號及其處理方法的特點，本文給出以下參數優化基本方法。

第一，根據干擾分布情況和周邊S波段頻率使用情況選擇工作頻率F1和F2，根據雷達系統理論，對于Swerling Ⅰ型目標，如果目標的物理長度為L(m)，則F1和F2之間的最小頻率間隔為150/LMHz[6]。對于長度大于6 m的飛機，25 MHz的頻率間隔將完全保持雙頻工作的得益。

第二，根據仰角波束覆蓋范圍和雜波強度設置天線波束指向角和高/低波束選擇圖，并根據主要探測任務和氣象信息的需求確定選擇模擬波束選擇或者數字波束選擇方法。

第三，根據監控終端顯示的接收系統飽和分布情況，并兼顧后續檢測概率和虛警概率狀態，針對長脈沖和短脈沖分別在各個方位扇區內設置STC。

第四，優化調整檢測門限。雷達可供選擇的門限主要有固定低/高門限、精細多普勒低/高門限和恒虛警低/高門限。雷達主要是根據各待檢測方位-距離單元的MTD權值選擇圖狀態、雜波監測圖狀態、強目標監測圖狀態在各類檢測門限之間作出選擇，同時根據虛警概率監測控制圖的狀態在各類低/高門限之間自適應作出選擇。若個別區域的檢測概率或者虛警概率不符合探測需求，通過檢測準則控制圖，并結合STC控制圖，在個別區域設定具體檢測門限，使得區域內的檢測性能滿足探測需求。

第五，根據雜波、干擾和異常傳播等監測功能，進行雜波和干擾分類，自適應選擇MTD濾波器組、反異步干擾功能和反異常傳播功能。打開或者關閉相應功能，可進一步控制虛警概率。

第六，在設置各種控制圖的過程中需要注意各類圖的最小處理單元差異，避免因為處理單元的位置重疊引起處理沖突，限制了系統的探測性能。例如，檢測準則控制圖的一個距離最小處理單元為16個距離分辨單元，而虛警監視圖的距離處理單元為32個距離分辨單元。所以當兩種控制圖重合時，強制使得檢測準則控制圖擴展，從而滿足32個距離單元的處理需求。這使得部分重疊邊緣區域的檢測門限變大，檢測概率降低。

4 結束語

本文對某新型引進S波段空管雷達的信號時序及其信號處理方法進行了分析，總結了該型空管雷達信號處理方面的新特點，并根據該雷達的信號處理技術流程和特點給出了參數優化基本方法。該型空管雷達的新特點對于國內空管雷達等雷達設計與論證具有一定參考意義。給出的參數優化基本方法有助于提高該型雷達操作人員和技術人員的實際操作能力，從而充分發揮雷達的探測效能。