數字陣列體制在靶場彈道測量雷達中的應用

杜劍英，吳振國，郭文卓

(1.中國兵器試驗測試研究院，陜西 華陰 714200；2.中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230031)

數字陣列體制在靶場彈道測量雷達中的應用

杜劍英1，吳振國1，郭文卓2

(1.中國兵器試驗測試研究院，陜西華陰714200；2.中國電子科技集團公司第38研究所，安徽合肥230031)

隨著武器裝備的技術演進，靶場武器試驗對測量雷達在搜索、跟蹤、測量等全過程的功能性能要求也日益提高，傳統基于機械掃描和模擬相控掃描體制的測量雷達逐漸難以應對。提出采用數字陣列技術的靶場彈道測量雷達，介紹了數字陣列體制在雷達中的應用原理。仿真分析結果表明，采用數字陣列體制能夠使雷達在捕獲能力、多目標性能、雜波和干擾抑制等方面獲得明顯提升，是未來靶場測量雷達的主要發展方向。

數字陣列；靶場雷達；彈道測量；數字波束形成

0 引言

靶場試驗的主要任務是對武器系統的性能進行測試和評估，其中彈道測量雷達作為核心測量裝備，主要用于獲取目標的高精度彈道數據和特性參數。近年來，隨著武器技術水平的進步和攻擊模式的擴展，靶場試驗對測量裝備的要求也越來越高，使得傳統機械掃描和模擬相控掃描為主的雷達測量體制逐漸難以滿足試驗需要。根據武器攻防對抗的發展需求，新一代彈箭武器系統普遍具有飛行速度快、目標數量多、彈道軌跡復雜等特點，因此要求相應靶場測量雷達的探測能力能夠適應上述武器目標飛行特性，主要體現在以下幾個方面：

1)初始捕獲范圍廣、速度快

捕獲階段，目標飛行速度快、機動范圍大，并且變化速率較高，而雷達為滿足遠程高精度測量要求，天線波束通常較窄，單個筆形波束很難實現對目標的有效覆蓋。因此，要求雷達必須具備較寬的視場覆蓋能力，能夠通過波束展寬或快速掃描進行大范圍搜索，并準確捕獲目標。同時，在武器試驗過程中，需要盡可能完整地獲取目標的全彈道精確數據，以擴展試驗評估的能力，提高評估準確度。因此，要求雷達必須具備快速捕獲能力，并準確辨別主要目標轉入跟蹤狀態，進行高精度測量。

2)同時多目標能力強

從武器試驗的目標特征看，其全程飛行需經歷多個階段，期間會出現多種飛行目標，包括主目標、分離體、誘餌、殘骸碎片以及靶標等目標。雷達在對目標進行全彈道測量時，首要任務是始終準確地辨別并跟蹤主目標，避免因其他目標的干擾所導致的跟錯或跟丟；同時，還需要盡可能地在大視場范圍內保證對多批目標的長時穩定跟蹤測量，以為武器試驗評估提供充分的數據。因此，強大的多目標能力成為靶場試驗對雷達的重要要求，一方面可以在出現多批目標時同時維持跟蹤測量，盡可能多地獲取各類目標的精確信息；另一方面則能夠為準確辨別主目標提供足夠的時間和數據，并在跟錯目標時可以盡快發現并切換。

3)測量穩定性好、精度高

靶場測量雷達主要用于對武器目標進行參數測量，實時獲取目標運動信息，以便準確地生成目標全彈道飛行軌跡，推演回放目標在飛行過程中不同階段的精確狀態，進而可靠地對武器系統試驗效果進行測試與評估，并為故障的準確定位和武器的改進優化提供依據。因此，試驗任務中，測量雷達必須能夠穩定可靠地跟蹤目標，出現失跟現象時能夠快速、準確地重新捕獲目標，并對各種目標信息獲得足夠高的測量精度。

4)良好的復雜環境適應性和對抗能力

為了提高戰場環境下的實戰能力，武器系統對自身突防能力和對抗性能的重視程度日益增加，引入了復雜的突防對抗手段。因此，新一代測量雷達還需要具備較高的復雜環境下雜波、干擾抑制等能力，以適應靶場武器試驗的實戰化要求。

目前，國內靶場彈道測量雷達從體制上分主要有兩種類型，一是連續波測量雷達，二是相控陣雷達。連續波測量雷達采用機械掃描工作方式，主要用于完成武器系統彈道速度、空間坐標等外彈道參數的準確測量，這類雷達具有集成度高、可靠性高、測量精度高、自動跟蹤目標等優點，典型代表是丹麥生產的WEIBEL雷達MFTR系列。但是這類雷達由于不具備邊搜索邊跟蹤能力，無法完成機動性較高目標和多目標的測量，在目標的丟失再捕獲方面也差強人意；另外，初始捕獲時，由于雷達采用寬波束等待，窄波束跟蹤，因此初始捕獲段測量精度不高。

相控陣雷達是新一代靶場測量雷達，它綜合利用了單脈沖精密跟蹤和相控陣波束捷變技術，具備同時對多個目標進行精確跟蹤測量的能力，同時具有自主捕獲目標能力強、跟蹤動態范圍大、作用距離遠、測量精度高、邊搜邊跟、可同時跟蹤多個目標等優點[1]。但是，相控陣雷達也具有不容忽視的缺陷：①由于它邊搜邊跟的工作特點，致使初始捕獲時間長，難以滿足武器系統對主升段彈道測量的要求；②多目標空間分辨能力差，致使目標初始分離段難以快速分辨與跟蹤；③由于測量體制問題，導致測速精度較差。

根據以上分析，可以看出連續波測量雷達與相控陣雷達結合使用雖然有較大優勢，但仍然難以完全滿足新一代彈箭武器系統的全彈道測試需求，因此，應不斷在測量雷達中引入新的技術，滿足更高的測量要求。

本文提出將數字陣列體制應用于靶場測量雷達，該體制是雷達技術的最新發展，能夠在波束靈活性、波束個數、動態范圍、空間自由度等方面獲得顯著的技術優勢，進而全面提升系統的綜合測量性能[1-4]。

1 數字陣列體制及在雷達中的應用

數字陣列體制雷達技術是在模擬有源相控陣技術的基礎之上發展出來的，它是一種基于數字波束形成(Digital Beamforming DBF)技術的數字化雷達。數字陣列與傳統相控陣體制最本質的區別是波束形成方式的不同。傳統相控陣雷達是依靠移相器、衰減器和微波合成網絡來實現波束在空間掃描的，是一種在模擬域的基于射頻器件和饋電網絡構建的處理方式；而數字陣列雷達對所有通道均進行數字化，可以充分利用空-時-頻各維度信息，通過全軟件計算的方式實現聯合處理，因此具有顯著的算法優勢，能夠靈活適應不同任務需求，并且易于實現功能的擴展和升級。數字陣列雷達的原理如圖1所示。

圖1 數字陣列雷達原理框圖Fig.1 Schematic diagram of digital array radar

理論上看來，數字陣列雷達的主要處理方式是對雷達信號進行空時預編碼/解碼，其核心雷達功能的實現均可轉換為對各個加權矩陣的系數求解和矩陣運算。

假設雷達待發射的信號為一個M×1維的信號矢量：

(1)

式中，S可以表示空間上不同波束指向或空域信道上的M個發射信號。

如果天線的個數為N，則任意時刻雷達天線發射的N×1維信號矢量可以寫成如下形式：

(2)

式中，H是對應所有M個發射信號的N×M維空域預編碼矩陣。該矩陣是一個時變矩陣，其內各元素對應不同的時刻，能夠根據不同準則自適應的選擇不同的最優系數(如目標位置、雜波和干擾情況等)，以適應復雜目標和信道傳輸環境下的任務需求。

經過目標反射后，雷達天線的N×1維接收信號矢量可以寫成：

(3)

式中，F是任意時刻的N×N維空間信道傳輸矩陣，其矩陣各個元素為對應發射-接收天線對的空間信號響應系數，n為噪聲矢量。

在數字波束形成器對每個天線的接收信號進行空域解碼(濾波)處理，則可以得到Q(Q≥M)個接收信號：

(4)

式中，W是在當前時刻的Q×N維空域解碼加權系數矩陣，用于解算出對應不同波束指向和空域信道的目標回波。

最后，對得到的各個目標回波分別進行匹配濾波、時頻處理和信號檢測等，即可得到最終的信號參數，提取相關目標信息。

以上推導了一種基于數字陣列體制的通用雷達處理構架，它涵蓋了不同的雷達應用模式，并可以通過對加權矩陣的優化處理進行擴展：

1)當不同天線間發射相參信號時，發射/接收加權矩陣H和W可以簡化為多個對應不同指向的空域濾波導向矢量，進而在數字域根據不同需要產生任意指向和形狀的多個波束，滿足不同任務需要，并且還可以根據外部電磁環境自適應地產生零點以提高抗干擾性能[5]。此外，還可以對信號在時域上進行預編碼/解碼處理，進而通過空域-時域上的聯合處理進一步改善雜波等抑制性能。

2)當不同天線的發射信號為正交信號或更為復雜的空時預編碼信號時，系統處理模式可轉為MIMO雷達體制，不同信號可以沿矩陣H和W所形成的廣義空域信道進行傳輸，能夠擴大雷達的同時全空域覆蓋能力，使得分集增益和編碼增益最大化[6]。同時，H和W的矩陣系數可以根據信道傳輸環境自適應變化，以提高雷達的感知處理能力。

2 主要指標的仿真驗證

數字陣列雷達本質上是一種計算雷達，它將傳統的雷達處理模式轉化為全數字化的計算模式，因此應用更靈活，探測性能更高。特別是對于靶場武器試驗測量，相對于傳統的機械掃描和模擬相控掃描體制，數字陣列體制能夠全面提升捕獲、跟蹤、測量等整個試驗過程的綜合應用效能。

1)捕獲時間短、距離遠、精度高

目標捕獲時，為了提高覆蓋范圍和捕獲可靠性，通常將天線波束展寬。機械掃描雷達主要采用關閉部分陣面方式實現，由于發射/接收增益、發射功率均下降P2倍(P為波束一維展寬比)，所以與全陣工作相比增益下降可達P6倍；對于相控陣雷達，波束展寬主要通過發射/接收天線的幅相控制實現，發射功率不變，因此總增益下降P4倍。可以看出，由于增益下降較大，傳統雷達的捕獲范圍有限時間較長，并且由于接收波束展寬，其捕獲時的理論測角精度也下降P倍。

采用數字陣列體制，可以利用數字域幅相加權的方式實現波束展寬，并且在接收時利用同時多波束覆蓋整個發射波束，因此其發射功率、接收增益均與窄波束全陣工作相同，僅存在發射波束展寬損耗P2，捕獲范圍廣速度快。此外，由于接收波束寬度與跟蹤測量模式相同，所以能夠確保在捕獲階段具有高測角精度。

圖2給出了同全陣面窄波束工作相比，不同體制雷達的歸一化捕獲距離和時間。可以看出，當展寬比為3時，數字陣列雷達的捕獲距離分別提高了3倍和1.7倍，并且隨著展寬比的增加而增加。而從捕獲時間的角度看，當捕獲距離和信噪比一定時，數字陣列優勢成指數增加。

圖2 數字陣列雷達的目標捕獲優勢Fig.2 The advantage of target capture by digital array radar

2)同時多目標、多波束能力強

傳統機械掃描雷達只在天線陣面的法向形成單個波束，對目標的跟蹤是通過伺服控制機械轉臺隨目標轉動實現的，這樣其僅在法向波束內具有有限的多目標能力；而模擬相控陣雷達的波束形成由移相器和射頻網絡完成，無法同時指向不同方向，只能實現分時多目標探測，因此對高速彈道測量的多目標能力相對不足。此外，二者的空間分辨力僅與波束寬度相當，無法有效區分分布較近的多個目標。

數字陣列雷達由于每個通道都對應一路數字接收機，因此可以利用DBF技術在數字域同時形成多個波束，即加權矩陣W的每一行均對應一個波束指向實現獨立的空域濾波，從而獲得了強大的同時多目標能力，并降低了分時相掃對時間資源的需求。此外，由于實現了高密度的空間數字采樣，因此可以應用MUSIC等超分辨算法，通過對陣列接收信號R自相關矩陣ARR的特征值分解，并利用導向矢量α(θ)在其噪聲子空間Vn(噪聲分量對應的特征向量矩陣)進行譜搜索，即可得到高分辨的目標空間位置：

(5)

這樣就使得雷達能夠精細分辨波束內的多個目標，進一步提高多目標能力。

圖3給出了數字陣列雷達與傳統機械掃描和模擬相控陣雷達的空間分辨率比較，可以看出，當目標間隔小于波束寬度時，傳統雷達已無法實現有效分辨，而數字陣列雷達仍具有足夠高的空間區分能力。

圖3 數字陣列雷達多目標高分辨能力Fig.3 The capability of multi-target high-resolution by digital array radar

3)自由度高抗干擾能力強

(6)

這樣，充分利用所獲得的高自由度，再結合先進的信號處理方式，可使數字陣列雷達實時、自適應地調整天線零點位置，將多個副瓣零點對準不同的干擾方向，以實現對不同方位的干擾信號進行“濾波”，從而大幅改善雷達的抗干擾性能，其效果如圖4所示。

圖4 自適應數字波束形成抑制干擾Fig.4 Adaptive digital beamforming suppresses interference

4)動態范圍大雜波抑制能力強

雷達系統瞬時動態范圍主要由接收器件性能、單路接收機動態范圍以及接收機路數等因素決定。傳統連續波雷達和相控陣雷達接收通道個數有限，因而由通道個數所帶來的動態范圍增益(約為lgN，其中N為接收機路數)也相對較小。數字陣列雷達每個天線單元都對應一個數字接收機，因此其接收機路數為系統所能達到的最大值，所以產生的相應動態范圍增益也最大。這樣，在器件性能一致的前提下，數字陣列雷達的系統瞬時動態范圍相比傳統測量雷達有顯著提升，并且其隨著接收機個數的增加線性增長，因此能夠獲得更高的雜波抑制能力和大/小目標同時測量能力，進而提升復雜環境下的系統多目標測量性能，如圖5所示。

圖5 數字陣列雷達動態范圍得益Fig.5 Dynamic range benefit of digital array radar

3 結論

本文提出了將數字陣列體制應用于新一代連續波和相控陣結合的通用雷達構架，并分析了該雷達技術在靶場高精度測量領域的應用優勢。可以看出，數字陣列雷達本質上是一種高性能、通用化的探測測量平臺，它基于全數字化體制，將所有雷達功能轉化為算法計算處理。仿真結果表明，該體制雷達可以根據任務需要工作于不同模式，利用空-時-頻全維度信息，采用各種先進算法使雷達在捕獲能力、多目標性能、雜波和干擾抑制等方面獲得明顯提升，是未來靶場測量雷達的主要發展方向。

[1]李益民.彈道測量雷達及在兵器試驗中的應用[M]. 北京：國防工業出版社，2010.

[2]吳曼青. 數字陣列雷達及其進展[J]. 中國電子科學研究院學報, 2006(2): 11-16.

[3]Ahmed Bassyouni. Future of phased array radar systems [C]//Seventh International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instru- mentation, 2011.

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[5]Yu KaiBor. Digital beamforming of multiple simultaneous beams for improved target search [C]//2009 IEEE Radar Conference, 2009: 1-5.

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ApplicationofDigitalArrayinBallisticRangeMeasurementRadar

DU Jianying1，WU Zhenguo1, GUO Wenzhuo2

((1.Weapon industry test and measuring academy in China, Huayin 714200, China; 2.The No. 38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230031, China)

With the evolvement of weapons and equipment technology, the requirements of measurement radar of the function and capability are also increasing,such as search, track and measure performance in the whole test process.It makes the traditional measurement radar based on mechanical scanning and simulation phase-controlling scanning system difficult to deal with.Mainly analyzes the advantage of ballistic measurement radar adopting digital array technology in range measurement, introduces the principle of digital array physical applications in radar .The simulation results show that the use of digital array system enables the radar in capture capability, multi-target performance, clutter and interference suppression has been improved.Simulation results show that the system of digital array radar that can make the ability to capture, multi-objective performance, noise and interference suppression of obvious promotion, is the future main direction of shooting range instrumentation radar. It is the main development direction of the future measurement radars in shooting range.

digital array; range radar; trajectory measurement; digital beam forming

2017-02-10

:杜劍英(1965-)，男，陜西蒲城人，研究員，研究方向：靶場試驗測試。E-mail：dujianying051@yahoo.com。

TN955

：A

：1008-1194(2017)04-0067-05