艦載相控陣雷達跟蹤模式收發波形時間分配方法分析

曹文杰，趙新燕，張 磊

(中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

相控陣雷達強調通過更改雷達波相位的方式，對波束方向加以調整。該雷達可被拆分成多個輻射單元排陣，同時各單元對應相位關系、幅度激勵均可控。由于該雷達具有可同時跟蹤多個目標、功能豐富、抗干擾能力突出、可靠性理想、反應速度快等優勢，現已在艦船上得到了廣泛運用。要想使其優勢得到充分發揮，關鍵是要摒棄以往時間分配方式，根據該雷達所表現出的特點，對收發波形時間進行科學分配。由此可見，圍繞時間分配方法展開討論很有必要。

1 研究背景

對雷達系統進行設計時，有關人員往往會將目光聚焦于波形設計，而波形設計的關鍵在于收發時序。若以收發時序為依據，可將現有雷達劃分成兩大類，分別是連續波雷達和脈沖雷達。國內船用雷達多為脈沖雷達，其特點是收發分離，通過對接收、發射進行隔離的方式，最大程度地延長探測距離，使探測數據更具有實際意義。

脈沖體制又可被拆分成接收時間段、發射時間段兩部分。其中，發射段所使用發射機負責輻射信號；而接收段無需輻射信號，其主要任務是對輻射信號所對應目標回波進行接收和快速處理。雷達工作波形所涉及參數對應的脈沖占空比，即為發射時段占比，在不同工作模式下，看雷達對應占空比波形往往存在明顯區別，從脈沖占空比的角度出發，可將現有雷達劃分成3類，分別是高占空比、中占空比、低占空比。上述分類方法的優點在于能夠通過現有收發分配措施，提高脈沖實際使用密度。本文所討論的相控陣雷達，便屬于典型的高占空比雷達。

2 相控陣雷達介紹

相控陣雷達的運行模式多為脈沖模式，該模式可為雷達同時搜索并跟蹤多個目標提供便利，通過科學分配時間的方式，使跟蹤任務順利完成。現階段，該雷達已成為艦船不可或缺的探測設備，在探測預警方面發揮著極為重要的作用。要想利用該雷達對多項任務進行合理調度，關鍵是要對時間資源進行優化。鑒于此，有關人員選擇以雷達波形角度為切入點，開發與分配收發時間與所提要求相符的調整方法，希望可使雷達波形的收發效率得到顯著提高。

研究表明，雷達切換至跟蹤狀態或是指示狀態后，通常能夠第一時間確定目標距離，同時根據所掌握的數據信息確定收發時間點。由此可見，只需要確保接收端、雷達所發射脈沖相匹配，便能夠得到與目標實際情況相符的信息。現有雷達僅能進行機械掃描，使得波形效能難以充分發揮，在目標跟蹤方面所采取模式為順次跟蹤單個目標，該模式的不足主要是浪費大量時間，與艦船要求不符。相控陣雷達則有效規避了上述問題，創造性地引入了電子波束，以對切換波束加以控制，無論是對波束進行賦形、還是對其指向進行調整，所花費時間均可以忽略不計，使得該雷達所花費控制時間較目標機動周期更小，且控制時間和切換波形時間通常能夠處于相同的量級。

從任務完成情況來看，相控陣雷達對應任務調度和波形層面對收發時間進行分配的操作存在交叉，該雷達的適配調度方法有4種，分別是部分模版、多個模版、固定模版以及自適應。而自適應調度對脈沖進行交錯的操作，可使時間效率得到大幅提高。考慮到艦船往往需要大時間段對多個目標進行劃分，同時對各類目標進行快速處理，其所適用操作系統以及硬件時序，均與自適應調度間存在明顯區別。而從操控的角度來看，常規跟蹤模式為信號層面的串行進程，只有先對某目標回波進行接收，才能著手接收后續目標回波。相控陣雷達則用并行進程取代了串行進程，通過同時跟蹤多個目標的方式，最大程度提升雷達收發速度，同時壓縮其等待時間。

3 全新時間分配方法探究

由于相控陣雷達和現有雷達存在較為明顯的差別，現有雷達在時間分配方面所采取方法，對相控陣雷達并不適用。鑒于此，有關人員決定以該雷達特點和需求為依據，對全新的分配方法進行設計，具體內容涉及以下方面：

3.1 邏輯說明

相控陣雷達與現有雷達的區別，主要是其新增了跟蹤、搜索功能，同時在跟蹤方面具有極為突出的表現，即使需要對抗飽和攻擊，同樣能夠通過快速切換的方式，高效完成一對多跟蹤的任務。而現有雷達在規定時間長度內，僅能對單一目標進行跟蹤。

需要注意的是，相控陣雷達處于傳統模式時，通常不會主動接收并使用已知信息，而是按照順序對目標進行探測。本文所討論的全新模式，則選擇使用已知信息，強調以目標位置差異為依據，建立分層模型，同時結合目標距離決定是否采取嵌入模式。嵌入模式和現有模式的差異見圖1。

圖1 嵌入分層運行示意圖

圖1的跟蹤目標有3個，現有模式需要按照順序對各目標進行跟蹤，嵌入模式的處理步驟如下：分析目標2、目標3是否滿足嵌入條件，在目標1對應收發周期內嵌入滿足條件的目標2。而目標3需要在目標1對脈沖段進行接收后，再度收發相應脈沖，這表示目標1、目標3對應層次不同。由此可見，嵌入分層具有以下特征：

(1) 以雷達硬件所表現出特點為依據，對切換模式的時間點加以確定。綜合考慮相控陣雷達在波形發射、脈沖寬度還有調整硬件用時方面要求可知，在照射目標期間對模式進行切換，其用時為：

=+

(1)

式中:代表調整硬件所需時間；代表該雷達所發射脈沖的實際寬度。

(2) 可對待跟蹤目標對應嵌入關系進行設計。若和間的差距達到2個或以上的時間分辨率，說明二者符合雙目標嵌入的條件，相關公式如下：

(2)

式中：和均為目標編號，且<。

3.2 嵌入方法

基于嵌入分層對收發波形時間進行分配，通常需要經過以下幾個步驟：

(1) 接收跟蹤目標。在規定的時間長度內，按照順序接收目標，待接收操作告一段落，統一對接收目標進行處理，摒棄以往逐個接收的模式，在有限的時間內，最大程度地增加目標接收數量。

(2) 對雷達探測及目標距離進行量化。以探測距離對應范圍為依據，將切換模式所需時間作為時間最小粒度，對探測距離進行量化，獲得相應的時間點。隨后，以脈沖周期、切換波形所需時間為依據，確定脈沖駐留時長，調整接收時段對應發射時長。研究表明，對脈沖進行發射和接收的間隔時長通常取決于雷達探測范圍，計算公式如下：

=2

(3)

式中：代表目標、雷達間的相對距離；代表探測環境下的光速。

由此可見，任一目標及其所對應時間點，均應滿足以下關系式：

(4)

式中：代表目標序號；代表對脈沖進行發射的時間；代表對脈沖進行接收的時間；round()代表取整。

研究表明，劃分距離區間段將使少數目標回波出現跨區間段的情況，只需對區間段實際長度進行增加，便可有效解決以上問題。這里要注意一點，一旦發生劃分波形范圍偏粗或間隔過大的情況，將有極大概率出現無法快速、準確探測近距離目標的問題。

(3) 按照距離值對目標進行排序。以距離值為依據，按照從大到小的順序，對待跟蹤目標進行排序，為嵌入分層提供便利。待排序操作告一段落，目標距離對應嵌入關系便能得到較為直觀的呈現。

(4) 基于嵌入分層對目標進行排列。將目標1置于第1行的第1個位置，對比目標2和目標1，如果目標2滿足嵌入條件，則將其置于第1行的第2個位置，反之，則將其置于第2行的第1個位置。隨后，按照該方法對剩余目標進行排序。這樣做可使一維排列對應距離值，盡快轉變成二維排列對應距離值，其中，置于分層結構橫列的目標可被劃入“滿足嵌入條件”的集合，置于列向的目標則無法順利嵌入上述集合。

(5) 對目標進行序列化處理。經過(4)處理的待跟蹤目標，均已獲得相應的位置，此時便可著手對目標進行序列化處理。簡單來說，就是沿行向對目標進行順次排列，直至全部目標串行完畢，方可對收發脈沖的時間點加以確定。

(6) 自動生成收發脈沖時序。以收發脈沖操作所存在對齊關系為切入點，將收發時序分成3類，分別是接收對齊、發射對齊和收發對齊。其中，接收對齊需要按照嵌入順序對脈沖進行接收，確保接收期間不存在間隙，保證接收端對應計算、采集資源高度集中。發射對齊需要按照嵌入順序對脈沖進行發射，保證各脈沖間不存在間隙，其特點在于可保證資源集中。收發對齊無需按照順序連接收發脈沖，同時要確保各脈沖間存在一定間隔，增強其對外界干擾所具有的抵抗能力。將目標中心設為，則有：

(5)

式中:代表層常量。

事實證明，收發對齊具有資源不集中的特點，在對雷達資源進行均衡配置方面，通常可起到極為重要的作用。

作為調度時序的全新方法，嵌入分層的關鍵為批處理，即：在規定時間長度內，接收多個目標，配合分層、嵌入操作，對收發時序波形進行優化，獲得更加簡潔且清晰的全新時序。

4 仿真實驗

4.1 發射時序

有關人員計劃利用嵌入分層的方法展開仿真實驗，對該方法所具有可行性進行系統驗證。實驗所模擬目標數量為20個，隨機生成具體距離值，雷達可探測距離在300 km以內，以4 km為基本單位對區間段進行量化。在此過程中，將切換雷達模式所需時間控制在6.6 μs左右，對應脈沖寬度在20 μs上下浮動。實驗所得柱狀圖如圖2所示。其中，柱狀圖高度和目標距離的關系為正相關，1～15柱狀圖被劃入第1層目標，16～19柱狀圖被劃入第2層目標，20柱狀圖對應第3層目標。隨后，有關人員通過嵌入分層的方式，分別對全部目標所需跟蹤時間、3個大目標所需跟蹤時間進行計算。結果表明，運用嵌入分層法可使雷達時間資源得到較為明顯的節約。

圖2 待跟蹤目標對應嵌入分層圖

4.2 接收時序

基于各目標對應收發波形所形成時序圖如圖3所示，柱狀圖所描述對象為收發脈沖的順序，顏色值與目標的標號相對應。0代表空閑時段；1～20對應目標標號；柱狀圖代表目標收發時段(均成對出現)。由圖3可知，圖3(a)左側有大量條紋，圖3(b)中部有大量條紋，以上時段對應接收段。另外，圖3(a)各條紋間均存在一定距離。

圖3 收發波形對應時序圖

4.3 時間效能

時間效能的計算公式為：

(6)

式中：代表使用時間，其占比越小，說明時間效能越理想。

本文所介紹仿真實驗共設定了20個目標，對應層數為3層，這表示在實際使用過程中，分配時間所花費時間<各層最遠目標所需時間之和。

5 未來展望

本文所討論的嵌入分層法更適合用在目標跟蹤過程中，在搜索方面所能發揮的作用有限，且文中所介紹算法，難以從不同角度及層次對雷達細節進行描述。未來，要想使相控陣雷達得到更加廣泛的運用，關鍵是要對其配置T/R組件的方式、控制波束的方式、采樣以及接收的方式進行調整，結合實際使用所積累經驗，對算法加以優化，在確保其能夠檢測復雜海洋環境的基礎上，對所適用場景進行增加。

6 結束語

作為基于任務調度與波形設計所提出的、對收發波形時間進行分配的全新方法，嵌入分層既沒有采取固定波形，同時也沒有大量運用自適應技術；該方法強調以目標實際距離為依據，將其劃分成多個集合，再根據集合對收發時序進行分層調整。仿真實驗證實，該方法所取得效果基本能夠達到預期，可應用在目標密度較大的海洋環境中，確保相控陣雷達在探測、跟蹤等方面的優勢得到充分發揮，同時可參考信號處理機、發射機相關指標，對切換波形的策略加以調整。