機載火控雷達典型空-空工作模式淺析*

唐玉文，何明浩，韓俊，張小涵

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引言

經過近80年的發展，當前機載火控雷達已經成為先機戰機遂行多樣化作戰任務最重要的電子傳感器之一。不同的工作環境和作戰任務對雷達的功能要求也不同，為了適應這種要求，雷達系統必須針對可能面臨的不同任務設計相應的工作模式才能滿足高速的任務切換。以AN/APG-77雷達為例，為了適應復雜的空戰環境，僅空對空就設計了多達十幾種工作模式[1]。不同的工作模式對應不同的戰術任務，也就意味著不同的威脅等級。所以空戰中只有準確識別藍方火控雷達空-空工作模式才能采取恰當的應對措施。

文獻[2-12]對雷達工作模式識別做了一部分研究，但是他們的研究重點在于識別分類器的構造和選擇，弱化了雷達在不同工作模式下的信號特征和內部機理分析，然而這些卻是識別參數提取的關鍵，也是實現工作模式識別的前提。文獻[13-16]對機載火控雷達工作模式的實現進行了研究，但主要集中在信號處理層面，對信號樣式和掃描規律的分析較少。文獻[17-18]對不同工作模式下雷達的探測距離做了分析。

以上文獻從不同角度對機載火控雷達的工作模式做了研究，但是都缺乏對于信號樣式和掃描規律的系統分析和總結，因此本文著重從信號樣式和掃描規律上對幾種典型的空-空工作模式展開研究。

空-空工作模式按照執行搜索或跟蹤的任務來分，可以粗劃分為搜索狀態的工作模式、跟蹤狀態的工作模式和復合狀態的工作模式。每種狀態的工作模式又可以劃分為很多子模式。

1 搜索狀態的工作模式

搜索狀態的典型工作模式主要包括速度搜索(velocity search,VS)模式和邊搜索邊測距(range-while-search,RWS)模式。這類工作模式的典型特征是雷達只發現目標而不進行跟蹤，威脅等級最低。

1.1 速度搜索模式

速度搜索，即檢測目標速度信息，發現目標存在，但不能給出目標距離信息。速度搜索模式是體現雷達最遠探測距離的模式，主要用于對遠距離迎頭(下視)目標的探測，能夠提供目標的速度、方位、俯仰等參數。戰術上一般用于威脅告警和遠距離發現目標，數據率低，不能引導武器攻擊，是威脅等級較低的一種工作模式。

該模式的典型特征是雷達采用高脈沖重復頻率(high pulse repetition frequency,HPRF)波形，在無雜波區檢測目標。一般而言,X波段機載火控雷達的HPRF范圍大致在100～300 kHz之間。而為了保證高速迎頭目標落入無雜波區，VS模式下要求雷達的最小PRF應當滿足[19]

(1)

式中：v0為載機速度;vtmax為目標最大速度。

這種高的PRF設計不僅能使得目標落入無雜波區，而且還能在發射脈沖寬度和峰值功率一定的情況下有效提高平均發射功率和一次駐留內的回波脈沖數，從而顯著提高雷達的探測性能。從PRF變化模式來看，VS的主要目的是盡可能地探測遠距離目標，所以在重頻運用上為了最大化相參積累時間，一般不會頻繁變換PRF。但是由于HPRF帶來好處的同時還存在著嚴重的距離遮擋，影響目標檢測。所以在目標距離未知的情況下，有時為了對目標進行連續測量也需要變換多個重復頻率[20]，但是這種變換不同于中重頻條件下的多重PRF解模糊，它的變換頻度更低、單一重頻持續時間更長。

掃描上，VS模式采用典型的逐行掃描方式，可以為1行，2行或4行，方位掃描范圍：±15°,±30°或±60°,天線搜索中心可按需調整，搜索周期較長。

1.2 邊搜索邊測距模式

RWS模式是現代機載火控雷達最常用的搜索工作模式之一，主要用于搜索目標的同時對其測距。該模式下能粗略顯示目標的距離、方位和高度等信息，但不對點跡進行關聯。飛行員可以通過顯示器上的目標歷程粗略觀察目標的運動軌跡。RWS模式可以實現多目標探測，但測量精度較低，不能直接用來控制導彈攻擊，因此威脅程度較低。

根據使用的PRF高低RWS模式可以具體劃分為高重頻邊搜索邊測距(high-PRF range-while-search,HRWS)模式和中重頻邊搜索邊測距(medium-PRF range-while-search,MRWS)模式。

1.2.1 高重頻邊搜索邊測距模式

HRWS模式下，雷達使用HPRF波形以實現遠距離探測，同時利用載頻線性調制實現無模糊測距[21]。理論上來說，發射2段不同調制斜率的調頻脈沖串即可算出目標的不模糊距離。但實際上,當目標個數大于1時，兩段式的調頻測距將出現距離幻影(ghosting)現象，導致不能得到目標的真實距離。因此實際中常常加入一段不調頻的脈沖串用于解決距離幻影問題。具體方法是：發射3段不同調制斜率的脈沖波形，即1段頻率固定的脈沖串和2段不同調制斜率的脈沖串(一般是三角調制或者2段不同斜率的雙正斜調制)。以三角調制為例，圖1為調頻測距的原理圖。

使用三角調頻測距時要求發射信號調制的正負斜率數值相同，調制方向相反。三段中，不調頻段脈沖串用于檢測目標的多普勒頻率fd，上升段和下降段用于檢測與發射信號的頻率差

Δf1=ktr-fd,

(2)

Δf2=ktr+fd.

(3)

聯立式(2)，(3)可以計算出目標回波的延時：

(4)

由于調制斜率已知，根據式(4)即可解算出目標的不模糊距離。與多重PRF解模糊法相比，調頻測距的方法簡單，但是精度較低，約為幾千米[22]，并且要求至少在連續2段不同調制斜率的脈沖串中均能檢測到目標才有可能計算出目標的距離和速度。因此在檢測概率較低時，不能保證在每次測量中均能獲得目標距離用于維持目標跟蹤[21]。

1.2.2 中重頻邊搜索邊測距模式

MRWS模式下雷達使用中重頻(medium pulse repetition frequency,MPRF)波形，主要用于改善后半球探測性能。變化樣式上,多采用PRF組變方式用以解距離和速度模糊。相比于HRWS的調頻測距法，多脈沖重復頻率測距的精度更高，但必須發射多組不同重復頻率的脈沖信號才能得到目標的真實距離。所以MRWS模式下測距的實現更為復雜，并且由于將一次駐留內的時間切分成多塊分配給了不同PRF，從而使得一個相參處理間隔內的脈沖數減少，相參處理增益降低，導致雷達的探測距離下降。所以，實際中為了克服使用單一MRWS或HRWS存在的不足，RWS模式下通常中高重頻交替使用以適應上視、下視全高度對目標的搜索和測距。掃描上RWS與VS模式類似，方位一般為：±15°，±30°或±60°，俯仰：1行，2行或4行，掃描周期較大，多為s量級。

2 跟蹤狀態的工作模式

本文定義的跟蹤狀態的工作模式指的是單純執行跟蹤任務而不進行搜索的一類工作模式。典型的空-空跟蹤工作模式是單目標跟蹤(single-target tracking,STT)模式。這種類型的工作模式測量精度和數據率都很高，可以直接控制武器進行精確打擊，具有最高的威脅等級。

STT模式下，雷達的主要目的是連續、精確地獲取目標的方位、距離和速度信息[23]。因此掃描上，天線始終隨動于目標，集中能量對一個目標進行持續照射。

信號層面上，STT模式主要使用MPRF波形和HPRF波形。由于STT模式一般是由TWS，TAS或者SAM模式引導轉換而來，此時雷達已經粗略掌握了目標的不模糊距離和速度信息，所以沒有必要再利用多重PRF解模糊。這種情況下，雷達為了增加駐留期內脈沖積累數，不會頻繁切換PRF，一個PRF值可能持續很長時間。例如美軍的AN/APG-73雷達工作于STT模式時，為了給AIM-7導彈提供照射，只單獨使用HPRF波形[24]。

3 復合狀態的工作模式

為了適應武器發展的需要，特別是空對空“發射后不管”導彈的發展，要求現代機載雷達不僅要有單目標跟蹤能力，還必須具備多目標跟蹤能力[13]。這就促使了復合狀態工作模式的出現。這類模式的特點是兼具搜索和跟蹤能力，主要包括邊掃描邊跟蹤(track-while-scan,TWS)模式、搜索加跟蹤(track-and-search,TAS)模式和態勢感知模式(situation awareness mode,SAM)。這類模式的威脅等級介于搜索和跟蹤之間，但由于具備多目標攻擊能力，因此威脅等級較高。

3.1 邊掃描邊跟蹤模式

TWS模式是機載火控雷達常用的一種工作模式，指的是在搜索狀態下利用相關技術跟蹤已發現的目標。這種模式既可以用于機械掃描雷達，也可以用于相控陣雷達。但是在相控陣雷達中應用TWS技術時的跟蹤性能不如機械掃描雷達[25]。該模式下天線處于搜索狀態的掃描方式，采用多重PRF組變或調頻法對目標測距，把檢測到的所有目標的距離、角度、速度(多普勒頻率)信息都存儲在計算機里，利用這些目標數據形成跟蹤文件，并用檢測結果進行掃描間的相關處理來更新跟蹤文件[26]。TWS工作模式功能框圖如圖2所示。

TWS的跟蹤是通過數據處理實現的，不消耗額外的雷達波束資源。這使得雷達跟蹤和搜索的數據率完全一樣[27]，所以TWS模式下的目標跟蹤精度遠不如STT模式，但好處是可以在一個較大的范圍內跟蹤多個目標。

信號樣式上，TWS模式與RWS模式基本一致，主要為HPRF波形和MPRF波形。有時為了獲得良好的全向探測性能，TWS模式常常在掃描中交替使用2種波形，并且這種交替不僅在行與行之間而且在幀與幀之間也是交替的。圖3為掃描示意圖。

3.2 搜索加跟蹤模式

TAS是相控陣雷達特有的工作模式，它利用相控陣天線靈活的波束調度將搜索任務和跟蹤任務分別對待，交替執行，使得不僅跟蹤和搜索可以采用不同的數據率，而且對不同目標也可以采用不同的數據率。這種跟蹤和搜索分時工作的方式使得TAS模式能夠提供比TWS模式更高的跟蹤精度和更加靈活的資源調度，因此在相控陣機載火控雷達中得到廣泛應用。

TAS模式下，每個目標經歷的狀態包括搜索、確認、跟蹤、小搜(重新捕獲)和航跡終結[15-16, 28]。確認指的是，搜索過程中，如果在某個波位上檢測到目標，調度中心會申請重新探測該波位，如果再次(或多次)檢測到目標則認為是確定目標，而不是虛警[15]。小搜指的是由于目標機動等原因而丟失跟蹤時，雷達為了盡快發現失跟的目標，會在目標丟失的小范圍空域進行搜索以盡快重新捕獲該目標。TAS的一個典型時序如圖4所示。圖中T1到T4表示的是跟蹤時間，不同的寬度表示不同的駐留時間；跟蹤間隔Ts為搜索時間；Td表示的是一個搜索、確認的過程。

TAS模式下，跟蹤的優先級始終高于搜索。實現TAS的核心是通過有效的波束調度和駐留時間分配，使得每次照射都能保證目標被有效檢測，且跟蹤精度達到要求[14]。其中典型的調度方法是基于協方差的調度思想[29-30]，即對每個目標設定一個誤差協方差門限，通過比較當前的誤差協方差值與門限協方差值從而實現資源調度。信號樣式上，區分搜索和跟蹤，搜索波形類似RWS，跟蹤波形類似STT。

3.3 態勢感知模式

SAM模式有時也叫RWS-SAM模式，是雷達RWS模式下的一個子模式，主要用于在單目標跟蹤的同時保持對一定空域的搜索，等效于分時的STT加上RWS。該模式同時具有跟蹤和搜索2種工作狀態：跟蹤狀態與STT模式類似，為連續相參信號，重復間隔值變換不頻繁，數據率較高，波束駐留時間通常在秒級；搜索狀態與RWS,TWS相似，數據率較低，波束駐留時間較短。

由RWS轉入SAM模式的過程與TAS啟動目標跟蹤的過程類似，一般為3個階段，即RWS搜索階段；發現目標后進行再探測以確認目標存在的再探測階段。在這個階段雷達為了減少目標起伏帶來的影響會進行頻率跳變以提高檢測概率[31]；確認為目標后雷達將調整天線中心以對準目標，進入SAM模式。進入SAM模式后雷達的典型掃描特征是，波束周期性地跳到目標波位進行照射，持續一段時間后跳回到之前的波位繼續空域搜索，2種狀態周期性交替進行。SAM模式的跟蹤精度可以充分滿足武器發射的要求。當有重要威脅目標出現在一定距離之內，以及當需要以全部雷達資源去跟蹤一個特定的目標時，雷達可以自動轉入單目標跟蹤模式[32]。

4 不同工作模式之間的區別聯系

盡管機載火控雷達的工作模式眾多，但本質上講，雷達采用不同的工作模式就是為了實現不同的戰術目的，直接表現是使用不同的信號樣式和波束掃描方式。表1簡要列出了幾種典型模式的特點。

從以上梳理可以發現，有些工作模式由于它們的特殊用途，在信號和掃描樣式上明顯區別于其他模式，例如VS模式和STT模式。而有些模式則十分相近，特別是TWS模式和RWS模式，無論從信號樣式或者掃描規律上來看幾乎都一樣。但從偵察的角度來說他們也并非完全不可分，因為從戰術目的上來說，TWS為了實現多目標跟蹤，特別是維持多目標攻擊能力，必須保持相對較高的數據率才能保證目標航跡的連續性以及武器發射所要求的跟蹤精度，所以TWS的掃描范圍相對于RWS來說會更小。這就給兩者的區分提供了一定的依據。

各種工作模式的聯系則主要體現在相互轉換上。例如，由于跟蹤往往需要較高的數據率，所以當需要跟蹤的目標數目較多時，TAS模式將消耗大量的雷達資源，這會使得搜索完一個空域的時間顯著增加，不利于態勢的感知，這時雷達可以轉為TWS模式來改善這種狀況;另一方面，有些模式的切換則必須經過其他模式的引導，例如，VS模式下要進入STT就必須經過RWS或TWS完成測距。圖5描述了典型情況下機載火控雷達空-空工作模式的轉換關系(圖5中HPT指高優先級目標)。

表1 典型空-空工作模式對比

5 結束語

本文針對機載火控雷達幾種典型的空-空工作模式，從戰術和技術2個層面作了系統地分析和總結，重點梳理了各個模式的信號特點和掃描規律。指出工作模式的本質區別是為了實現不同的戰術目的，直接表現是信號樣式和波束掃描的不同。通過細致地對比，論證了工作模式識別的可能性，并提供了識別的理論依據。