基于波形嵌套的數字陣列雷達資源調度算法

溫丹昊 許銀龍

摘要：文章根據數字陣列雷達的信號處理特點，提出了一種數字陣雷達的資源調度算法。該調度算法以一種波形嵌套技術為基礎，在滿足系統時間和能量資源約束的條件下，它使得不同的駐留波束能交錯執行，其中，駐留脈沖的等待期可以用來執行其他脈沖的發射或者接收任務，而且不同駐留任務的等待期可以在時間上相互重疊。研究證明，由于駐留脈沖等待期和接收期的充分利用，與傳統自適應資源調度算法相比，此算法能有效地提高系統資源利用率，獲得更高的系統實現價值率。

關鍵詞：數字陣列雷達;波形嵌套;資源調度

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）16-0111-03

1 引言

近年來，雷達的數字化程度逐步提高，數字陣列雷達作為一種新型全數字化相控陣雷達，開始被雷達行業廣泛重視和研究[1-3]。和傳統的模擬信號相控陣雷達相比，數字陣列雷達除了具有探測復雜空情能力強、探測目標精度高、電磁抗干擾能力強等優勢外，還具有資源調度和信號處理方式靈活的優點，能夠同時進行多個空域的搜索，同時對多個空情進行主動跟蹤，因此可以很大程度地節省雷達系統資源，包括時間資源和能量資源[4]。其中怎樣能夠合理、高效、靈活地調度雷達系統資源是數字陣列雷達能發揮其優勢的關鍵所在。根據多年的發展和研究，現有的雷達系統資源優化調度策略主要有兩大類：固定模板調度策略和自適應調度策略。其中自適應調度策略是通過平衡各種雷達執行任務所要求的能量、時間以及計算機資源，為在一個調度間隔內選擇一個最佳雷達事件執行序列的一種調度方法，是最有效但也最為復雜的調度方法。

現有的自適應調度策略算法主要是基于一定啟發規則，從而獲得調度次優解的算法[5-6]。這些算法都沒有充分考慮到雷達波形參數特別是脈沖信號接收期的長短對資源調度的影響，雖然它們在一定程度上提高了雷達系統的資源利用率，但在同時跟蹤目標數量較多的情況下提高程度非常有限。研究證明，對于現代的多功能數字陣列雷達，脈沖信號接收期的長短對波束駐留調度有著相當重要的影響，特別是它可以采用波形嵌套的技術實現多波束收發，顯著提高系統資源的利用率。本文將在波束駐留調度過程中引入波形嵌套技術，從而控制嵌套跟蹤過程的能量、時間以及計算機資源約束，實現雷達資源調度。該方法與傳統自適應調度策略相比， 它在同時跟蹤目標數量較多的情況下能有效降低駐留任務的丟失率， 從而使得數字陣列雷達獲得更高的實現價值率。

2 嵌套跟蹤調度模型

嵌套跟蹤是指數字陣列雷達在進行目標跟蹤時，在等待第一個目標回波返回期間內插入另一個波形對另一個目標進行探測，以達到節省探測總時間，提高系統資源利用率的目的。假設兩目標1（較遠）、2（較近）距離分別為R1和R2，用來探測兩目標的對應波形的脈寬分別為τ1和τ2，C為光速。

2.1 常規跟蹤

若要對兩目標分別進行探測，通常根據目標預測的距離，選擇參數合適的波形進行探測，則每個波形的周期至少為：

[T1=R1C2+τ1]

[T2=R2C2+τ2]

[T=T1+T2]

在實際應用中一般根據距離遠近預先設定幾個固定周期參數的波形，波束調度程序根據目標距離從預先設定好的波形庫中選擇使用，因此實際周期通常還需要大于該理論周期。

2.2 嵌套跟蹤

若改用嵌套跟蹤方式對兩目標進行探測，其工作流程如圖 1所示，雷達用嵌套跟蹤方式工作時，用兩個波位BW1和BW2進行探測，第一個波位嵌套了兩個子脈沖subFR1和subFR2，兩個子脈沖間隔為Δ1，脈寬分別為τ1和τ2，在BW1的末尾接收目標2的回波τ2，BW2用了一個子脈沖，脈寬是很小的一個Δ2，大部分時間用來接收第一個目標的回波τ1。

和常規跟蹤探測相比，嵌套跟蹤的探測時間縮短為：

[T=R1C2+τ1+Δ]

其中Δ為了滿足雷達發射系統占空比要求而進行補足的時間，是否存在要根據實際占空比要求進行判斷，并且其數值一般不會太大，對總時間的影響較小。

2.3 兩種方法對比

對目標2的探測過程發生在等待目標1回波到來的時間內，在普通跟蹤時，該時間段內雷達處于空閑等待狀態。

根據上述計算可知，使用嵌套跟蹤方式，對兩個目標完成探測的總時間至少減少了。

[TΔ=R2C2+τ2-Δ]

這在系統跟蹤任務較多的情況下，可以大量節省時間，有效提高任務成功率。

現代多功能數字陣列雷達通常同時肩負搜索、跟蹤、識別、ISAR成像等多種任務，即使在跟蹤任務不是很多的情況下，也可以通過嵌套跟蹤為其他任務留下更多系統資源。

除此之外，針對預測時間相同或相近的跟蹤任務，嵌套跟蹤可以起到減少跟蹤延遲的作用，能更準確地探測目標，提升系統性能。

3 實現條件

根據系統條件不同，實現嵌套跟蹤需要滿足若干條件，其中部分為判定類條件，即必須滿足該類條件才可以實現相應功能，另一部分為補充類條件，即在實現功能時通過調整相關參數以滿足特定條件。

3.1 判定類條件

1）目標距離

如果兩目標能夠嵌套，則必須滿足在探測目標2的回波接收完成后，目標1的回波才有可能到達。因此理論上應有：

[R1≥R2+C2τ1+Δ1+τ2'+Δ2]

即：

[R1≥C2*T2+C2τ1+Δ1+Δ2]

其中：

[T2=R2C2+τ2']

只有在目標1和2的距離滿足上述關系時，才可能對兩目標進行嵌套跟蹤。

2）脈沖寬度

當使用上述嵌套波形技術對兩目標進行探測時，脈寬τ1和τ2相當于連續進行發射，因此必須滿足雷達收發系統的最大脈寬限制，即：

[τ1+τ2≤τMAX]

其中τMAX為雷達收發系統支持的最長脈寬。

3）波位最短時間

雷達系統進行任務調度時，通常在當前任務執行時，提前為下一任務進行波束編排、計算及傳輸等準備，以實現收發系統的連續高效工作。由于受到硬件傳輸、操作系統實時響應速度和軟件計算等因素限制，每一任務都要留有足夠時間以準備下一個任務的相關參數，系統才能正常連續運作。

如圖 2中所示，當收發系統開始執行T1任務時，同時給調度系統一個中斷，此時調度系統即開始準備下個任務T2，當編排、計算和傳輸等全部執行完畢后系統進入空閑等待時間，直到任務T1執行完畢，此時收發系統接著執行已經準備完成的T2任務，同時產生中斷，調度系統開始準備T3任務，一直循環往復。

如果波位時間過短，如圖中T2任務所示，此時對下一個任務的準備工作尚未完成，導致當T3中斷到來時，數據尚未傳輸完成，任務出錯，并導致整個循環出現偏差，并且可能產生不可預知的錯誤。

在同一系統中，在通常情況下進行任務準備的時間差別不大（幾十到一百微秒），假設進行任務準備所需的最長時間為TMAX，考慮圖 1中的BW1長度必須大于TMAX，則有：

[R1≥C2TMAX+Δ2]

并且此時有：

[T2=TMAX-τ1-Δ1]

3.2補充類條件

只有目標參數同時滿足1類條件中的三個判定類條件，才能實現目標1和目標2之間的嵌套跟蹤，此時，需要根據2類條件對跟蹤參數進行計算及修正。

根據目標1的位置可以計算出一個波位的總長度應該為：

[T1=R1C2+τ1']

1）占空比

雷達系統占空比主要由收發系統決定，只有滿足占空比條件，才能保證設備長時間正常工作，假設系統的占空比最大值為DRMAX，則有：

[T1≥τ1+τ2/DRMAX]

2）波位最短時間

與判定類條件中的條件c類似的，同時需要考慮圖 1中BW2長度也必須大于TMAX，因此有：

[T1≥τ1+Δ1+T2+TMAX]

4 算法實現

在雷達實際工作時，可按照以下步驟來實現嵌套跟蹤的參數選擇和調度：

1）根據目標距離找到對應的探測波形，獲得脈寬等參數。

2）判斷如下條件是否滿足：

[R1≥C2TMAX+Δ2]

不滿足則兩目標無法嵌套。

3）判斷如下條件是否滿足：

[R1≥R2+C2τ1+Δ1+τ2'+Δ2]

不滿足則兩目標無法進行嵌套。

4）此時可以計算得到：

[T2=maxTMAX-τ1-Δ1，R2C2+τ2']

[T1=maxR1C2+τ1'，τ1+τ2DRMAX，τ1+Δ1+T2+TMAX]

5）根據上述結果，組織形成一個波位的參數，發送到信號處理系統。

該算法設計已作為通用標準模塊成功應用到多個實際項目中，驗證了此算法設計的實用性和有效性。

經過雷達實際探測場景的數據分析，和傳統調度算法相比，本文的波形嵌套調度算法能夠能獲得更高的系統實現價值率和更高的系統時間利用率。

如圖3中左圖為傳統調度算法和波形嵌套調度算法的雷達系統實現的價值率曲線，當同時探測的目標數目較少時，所有雷達波束請求都被調度執行，兩種算法的系統實現價值率都能達到100%。傳統的自適應調度算法在同時探測目標數量增加35以上時，實現價值率迅速下降，而波形嵌套調度算法的系統實現價值率在目標數目達到55以上時才開始有所降低，且它的下降曲線比較平緩，即下降速度較慢。由此可見，采用波形嵌套調度算法能獲得更高的系統實現價值率[5]。圖3中右圖為兩種算法的系統時間利用率曲線，同時探測目標數量較少時，執行相同的波束調度，波形嵌套調度算法由于多個雷達脈沖回波接收期的可重疊性，和傳統自適應調度算法相比它的總接收時間不會更大，此時波形嵌套調度算法獲得的系統時間利用率更低。在目標數量增加到一定數量后，兩種算法的系統時間利用率均開始下降。同時探測目標數增大到25時傳統自適應調度算法的時間利用率開始下降，波形嵌套調度算法能充分利用脈沖駐留的等待期發射或者接收回波，同時探測目標數增大到55以上后時間利用率才開始下降，并且和系統實現價值率曲線相似，下降速度比傳統自適應調度算法更慢[6]。

5 結論

發射和接收都采用數字波束形成技術的數字陣列雷達是一種全新體制的數字化相控陣雷達，它采用的全數字化處理方式使得雷達信號可以進行全向接收，因此，多個駐留脈沖的回波數據能被同時接收是它的一個顯著特點。由此，本文提出了一種波形嵌套算法，并在此基礎上設計了一種嵌套跟蹤的波束駐留調度方法，這種方法使得不同的駐留脈沖能在滿足時間和能量約束條件下進行交錯執行。與傳統自適應調度算法相比，由于該算法對駐留脈沖等待期和接收期的有效利用，其能獲得更好的調度性能，從而使得數字陣雷達的資源得到有效利用，效能得到充分發揮[6]。

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【通聯編輯：聞翔軍】