艦載相控陣雷達跟蹤模式收發(fā)波形時間分配方法

李軍俠

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

0 引 言

波形設計[1–2]是艦載雷達系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)，其中發(fā)射接收時序是雷達波形主要因素之一。從發(fā)射接收時序上現(xiàn)代雷達包括脈沖雷達和連續(xù)波雷達2 種體制，軍用艦載雷達大部分采用收發(fā)分離的脈沖體制，脈沖體制增強發(fā)射與接收的隔離度有利于提高探測距離。脈沖體制分成了功能相對獨立的發(fā)射與接收2 個時間段，發(fā)射段發(fā)射機輻射信號，接收段不輻射信號接收并處理輻射信號的目標回波。發(fā)射時段占整個工作周期的百分比就是雷達工作波形的重要參數(shù)脈沖占空比，不同占空比的波形與雷達工作模式緊密相關，雷達按照脈沖占空比分為低占空比、中占空比和高占空比三類[3]。這種傳統(tǒng)劃分方式可利用收發(fā)分配措施提高脈沖使用密度，相控陣雷達逐漸具有高占比波形。

相控陣雷達[4–5]多采用脈沖模式，為雷達多功能即多目標跟蹤和搜索提供了最佳時間分配手段，相控陣雷達也多被定位為整條艦船甚至編隊中最重要的探測預警設備。相控陣雷達調度多項任務時需要合理優(yōu)化時間資源，這是相控陣雷達顯著的工作特點。這里從雷達波形角度采用一定自動調整的方式分配收發(fā)時間，進一步提高雷達波形的收發(fā)效率。雷達一旦進入目標指示狀態(tài)或目標跟蹤狀態(tài)，目標的距離已經(jīng)獲知，那么基于發(fā)射時間點與接收時間點也相應確定，因此接收段正確匹配雷達發(fā)射的脈沖即可獲得目標信息。傳統(tǒng)雷達由于機械掃描式運動制約了波形效能發(fā)揮，跟蹤目標模式采用單目標逐次跟蹤方式，必然容易造成時間資源浪費。對比傳統(tǒng)機械掃描方式，相控陣雷達采用電子波束：控制切換雷達波束，波束的賦形與指向調整都是在瞬間完成，這一控制時間遠小于目標機動周期，與雷達波形的切換時間相當或處于同一量級。

從計算機操控角度講，傳統(tǒng)跟蹤目標模式屬于信號層面的串行進程[6]，一個目標回波接收后開始照射接收另一目標回波；使用相控陣跟蹤雷達后目標跟蹤轉為并行進程，減少了雷達收發(fā)之間的等待時間。從相控陣雷達執(zhí)行任務角度講，相控陣雷達的任務調度與這里波形層面的收發(fā)時間分配有一定交叉。相控陣雷達調度方式包括固定模版法、多模版方法、部分模版法和自適應調度法四類[7]，其中自適應調度法的脈沖交錯方式[8–10]考慮了迭代雙脈沖交錯提高時間效率，該方法是完全時間自適應方法，而本文基于大時間片劃分多目標批處理的思路在硬件時序和操作系統(tǒng)設計上存在較大差異，屬于一種新的設計思路。

1 相控陣雷達收發(fā)波形時間分配方法

1.1 波形收發(fā)時序邏輯

相控陣雷達是多功能性表現(xiàn)為可以搜索可以跟蹤，其最突出的優(yōu)勢是跟蹤能力，尤其體現(xiàn)對抗飽和攻擊的態(tài)勢情況下，這時僅相控陣雷達有能力完成“一對多”的目標跟蹤任務。傳統(tǒng)跟蹤雷達某個時間段內只能跟蹤單一目標，相控陣雷達通過波束快速切換實現(xiàn)多任務、多批次、多目標“同時跟蹤”。

但是相控陣雷達的傳統(tǒng)模式未采用雷達目標的已知信息，前面目標探測后下一目標接著探測，接著后續(xù)目標接著探測；相比較而言，新模式采用了雷達目標的已知信息，根據(jù)目標位置的差異自動建立分層模式，并且根據(jù)目標距離遠近盡量采用嵌入式即發(fā)射-發(fā)射-接收-接收模式。傳統(tǒng)模式與新嵌入分層模式的差異采用圖示說明更清晰，如圖1 所示。

圖中顯示了3 個待跟蹤目標，傳統(tǒng)模式下順次逐個跟蹤目標，新模式下目標2 嵌入目標1 的收發(fā)周期內部，目標3 未能嵌入其中，目標3 在目標1 接收脈沖段后發(fā)射脈沖并接收回波脈沖,即目標3 與目標1 屬于不同層次。根據(jù)上述圖示原理，這里給出嵌入分層方法跟蹤探測多目標的技術特點：

圖1 嵌入分層模式的效果圖Fig. 1 Effect picture of embedding layered pattern

1）根據(jù)雷達硬件特點，確定相控陣模式切換時間，相控陣雷達硬件調整時間、波形發(fā)射及脈沖寬度等因素決定目標照射過程需要一定的相控陣模式切換時間為：

其中：Tshi ft為雷達硬件調整的時間，Tτ為雷達發(fā)射脈沖寬度。

2）設計待跟蹤目標間的時間嵌入關系

待跟蹤目標i比待跟蹤目標j（i,j為排序編號）的距離大兩個時間分辨率，則滿足雙目標之間的嵌入關系，其計算公式如下：

其中目標i,j滿足排序關系i

1.2 嵌入分層波形時序方法

基于嵌入分層的收發(fā)波形時間分配方法包含6 個基本步驟，其流程圖如圖2 所示。

圖2 嵌入分層波形時序方法流程圖Fig. 2 Flow chart of embedding layered waveform timing method

1）接收多批待跟蹤目標

在允許時間內接收多批待跟蹤目標，接收時段結束后將全部待跟蹤目標一同處理，不采用文獻[8]逐個目標接收的方式，這里在單位時間內分組形式接收盡量多的待跟蹤目標。

2）量化雷達探測距離與目標距離

同時考慮到目標探測距離范圍，將探測距離范圍以模式切換時間為最小時間粒度劃量化為整數(shù)個時間點；

根據(jù)波形切換時間與脈沖周期計算脈沖駐留時間，接收時段采用發(fā)射相同的時間長度。雷達探測范圍決定了發(fā)射脈沖與接收脈沖之間隔為：

式中：R為目標相對雷達的距離；c為光在探測環(huán)境中的傳播速度。

因此每個目標i對應一個時間點對滿足：

式中：Ti1與Ti2分別表示發(fā)射脈沖時間點和接收脈沖時間點， round()表示四舍五入取整處理。

將整個距離區(qū)間段劃分后必然造成某些目標回波存在跨區(qū)間段問題，通過適當增加區(qū)間段長度可以解決。需要特別指出，時間切換量化間隔過大或波形范圍劃分過粗將會導致超近距目標無法探測。

3）排序待跟蹤目標距離值

將待跟蹤目標距離值由大到小排序，這是嵌入分層方法的關鍵步驟，排序后目標距離之間的嵌入關系就呈現(xiàn)出來。

4）嵌入分層排列待跟蹤目標

將排序后的目標第1 個目標置于首行第1 位置，第2 目標與第1 目標比較，若滿足第2 目標嵌入第1 目標條件，則排在第1 行第2 列，否則，第2 目標排在第2 行第1 列，同理，第3 個目標先判斷能否放置在第1 行，否則，考慮第2 行、第3 行，…，直到最后一個目標放置完畢。

嵌入分層排列處理將一維排列的目標距離值調整為兩維排列的目標距離值。嵌入分層結構橫向表示滿足嵌入關系的目標集合，列向表示無法嵌入前面行的目標集合。

5）序列化處理待跟蹤目標

經(jīng)過嵌入分層排列后所有跟蹤目標有明確的排列位置，接下來將層次目標序列化排列。

將目標沿著行向排列然后第2 行目標續(xù)第1 行后面，直到全面待跟蹤目標串行序列化完成。這樣，全部脈沖的前后次序排列完成，下面進一步確定脈沖發(fā)射與接收時間點位置。

6）生成收發(fā)脈沖時序

根據(jù)發(fā)射脈沖與接收脈沖的對齊關系，這里分為3 種時序：發(fā)射脈沖對齊，接收脈沖對齊和發(fā)射接收中心對齊。

發(fā)射脈沖對齊，將嵌入脈沖對的發(fā)射脈沖前后順次發(fā)射，發(fā)射脈沖之間不留時間間隙，這種條件下發(fā)射資源更集中；接收脈沖對齊，將嵌入脈沖對的接收脈沖前后順次接收，接收脈沖中間不留時間間隙，這種條件下接收段采集和計算資源更集中；中心對齊，發(fā)射脈沖和接收脈沖都不順次連接，確保中間有一定的時間間隔，有利于抗干擾環(huán)境。確定待跟蹤目標中心為Ci，滿足：

式中：dk表示k層對應的常量。

中心對齊模式中發(fā)射資源與計算資源均不集中，有利于降低雷達系統(tǒng)資源的均衡配置。

嵌入分層方法是一類新的時序調度方式，本方法采用批處理的方式，一定時段內接收可以多個待跟蹤目標；嵌入分層法采用嵌入和分層2 種措施優(yōu)化了多目標的發(fā)射接收時序波形，新時序清晰簡潔。

2 嵌入分層時序方法仿真

本節(jié)采用嵌入分層方法進行仿真驗證，仿真實驗模擬了20 個目標，其距離值隨機產(chǎn)生，雷達的探測距離小于300 km，按照4 km 一個量化區(qū)間段（這里雷達模式切換的時間為6.7 us，脈沖寬度為20 us）。

目標與雷達的距離值由均勻隨機數(shù)產(chǎn)生，目標距離值分別為73.71，190.44，234.06，218.95，176.02，159.45，153.63，87.24，262.67，249.35，247.48，127.22，47.69，256.92，153.82，291.14，294.77，252.80，273.10，189.10，單位為km；其對應的量化距離值分別為18，48，59，55，44，40，38，22，66，62，62，32，12，64，38，73，74，63，68，47。

2.1 嵌入分層方法獲取的發(fā)射脈沖時序

最終產(chǎn)生的脈沖排列嵌入分層柱狀圖見圖3，柱狀圖越高代表目標距離越遠，圖中前15 個柱狀圖為第1 層目標，后續(xù)4 個柱狀圖為第2 層目標，第3 層僅1 個目標。通過嵌入分層方法計算全部20 個目標的跟蹤時間僅需要3 個大目標的跟蹤時間，會節(jié)省雷達時間資源。

圖3 20 個待跟蹤目標形成的嵌入分層圖Fig. 3 Embedded hierarchical graph formed by 20 targets to be tracked

2.2 嵌入分層方法獲取的接收脈沖時序

圖4為20 個待跟蹤目標形成的收發(fā)波形時序圖，圖中深藍色0 為空閑時段，標號1～20 對應20 個不同目標的標號，成對出現(xiàn)的柱狀圖分別表示待跟蹤目標的發(fā)射時段和接收時段。其中，圖4（a）為發(fā)射脈沖對齊時序圖，圖4（b）為接收脈沖對齊時序圖，圖4（c）為發(fā)射脈沖與接收脈沖中心對齊的時序圖，可以看到圖4（a）左側發(fā)射時間內出現(xiàn)多條密集的條紋，圖4（b）中間時間內出現(xiàn)多條密集的條紋，這段時間為雷達接收段，圖4（a）中沒有出現(xiàn)多條緊鄰的條紋。

圖4 雷達跟蹤目標形成的收發(fā)波形時序圖Fig. 4 Time sequence diagram of receiving and transmitting waveform formed by radar tracking target

2.3 嵌入分層方法時間效能

這里使用時間占用率PT來衡量嵌入分層方法的時間效能：

式中：PT表示實際使用的時間。時間占用率越小，則時間效能越高。

本次仿真中圖3 表明存在20 個待目標，實際使用了3 層，即實際使用時間不會超過3 個最遠目標的時間總和，經(jīng)具體計算20 個目標的時間占用率為21.1%。

3 結 語

嵌入分層方法是基于波形設計和任務調度兩角度提出的收發(fā)波形時間分配方法，本方法沒有使用固定的時序波形，同樣沒有采用完全的自適應技術，而是根據(jù)目標距離集合分層調整發(fā)射接收時序，文中仿真結果表明嵌入分層方法合理有效，適用于海洋密集目標環(huán)境下相控陣雷達的跟蹤與探測，實際應用中結合發(fā)射機和信號處理機具體指標會提供一種非常有益且實用的波形切換策略。

本文提出的波形嵌入分層方法主要用于目標跟蹤，實施搜索功能方面考慮不充分，算法中無法詳盡相控陣雷達的具體細節(jié)。相控陣雷達會存在T/R 組件配置模式、波束控制方式、接收方式或采樣方式的差異，具體使用過程中應對嵌入分層算法進行適當調整。艦載相控陣多功能雷達海戰(zhàn)場應用情況復雜，合理優(yōu)化算法參數(shù)應用于多種實際場景是后續(xù)的研究方向。