傳感器功率管理的性能評估方法

高鵬程

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都，610036）

0 引言

機載平臺傳感器功率管理是指在保證傳感器任務性能的前提下盡可能的降低傳感器輻射功率[1]。傳感器功率管理有很多益處，首先，在降低平臺能耗方面，功率管理可以使傳感器輻射自身維持功能所需的能量即可，降低了能量消耗；其次，在多傳感器系統兼容方面，功率管理降低了本傳感器的發射功率，也降低了對本平臺其他傳感器的干擾，有利于傳感器系統的兼容工作；最后，在與無源探測系統對抗方面，功率管理可以降低非合作方無源探測系統的被截獲距離，提高本平臺的生存力[5]。

機載傳感器系統包含的射頻傳感器種類繁多，從傳感器用途可分為雷達、通信、導航、敵我識別和電子干擾等，其中已實現功率管理能力的傳感器有雷達[3-5]和數據鏈[6-8]，導航[10]、敵我識別和電子干擾[11]的功率管理也在研究突破，其中文獻[12]研究了雷達功率管理步進和雷達反射截面積(RCS，Radar Cross-Section)對雷達低截獲概率(LPI, Low Probability of Intercept)探測性能的影響。文獻[13]研究了不同隱蔽通信管控策略下的任務性能，表明聯合速率和功率管理可以保證傳感器不被截獲的前提下有最佳的任務性能。文獻[14]研究了基于低截獲概率的集成多基地雷達和通信系統的最優功率配置方案。現有的文獻著重于研究傳感器功率管理的實現方式以及使用策略，鮮有研究傳感器功率管理技/戰術指標的關系。本文首先論述傳感器功率管理的實現原理，然后研究了傳感器功率管理技/戰術指標的內容及相互關系，最后結合實測數據進行了仿真，直觀地說明功率管理技術指標對戰術指標的影響。

1 傳感器功率管理的實現原理

如圖1所示，按照功率管理量的計算依據，傳感器功率管理可分為依據距離的非合作功率管理和依據接收信號質量的合作功率管理[15]。非合作功率管理方法適用于收發兩端不處于同一平臺的通信類傳感器；合作功率管理方法可應用于自收自發的雷達、無線電高度表等傳感器，也適用于通信類傳感器。

圖1 功率管理實現原理

以通信類傳感器為例來介紹兩種功率管理的實現原理。

1.1 非合作功率管理

非合作功率管理是基于通信雙方位置以及通信信道參數如功放功率檔位、發射/接收天線增益、路徑衰減、接收機靈敏度等參數對傳感器發射功率檔位直接進行計算的方法。其功率管理依據為通信鏈路傳播公式：

其中，Pt為發射功率，Gtc為發射天線通信方向增益，Grc為接收天線通信方向增益，λ為發射波長，Rc為通信距離，LRc為氣象損耗，Prc為接收機信號電平。

將公式(1)轉換成dB形式，有：

上式中，f為發射頻率，c為光速。

當接收機口面電平為接收機靈敏度Smin時，有發射功率的最小需求值Ptmin。

通信鏈路公式(2)移項，得到通信鏈路公式(3)：

由計算的Pmint和額定的Pmaxt相減得到功控量：

其中，Pmaxt為功放最大輻射功率，表示下取整，ΔP為功率管理步進。

1.2 合作功率管理

合作功率管理通過比較鏈路實時接收質量和鏈路接收質量門限實時控制輻射功率，可用接收信號功率和接受信號信噪比來表征鏈路接收質量，這里用接收信號功率來表征。

參照公式(1)，已知傳感器發射功率為Pt，接收機電平為Pr，接收機靈敏度為Smin，因此傳感器發射功率需求值Ptmin滿足以下公式：

公式(2)減公式(5)得：

同樣，由公式(4)得傳感器當前功控量。

2 傳感器功率管理的評估指標體系

傳感器功率管理的評估指標由技術指標和戰術指標組成。技術指標表征了功率管理的硬件能力，能夠反映傳感器功率管理的精細程度，包括功率管理范圍、功率管理步進以及功率管理精度。戰術指標則體現了傳感器功率管理對敵方無源探測系統產生的效果，包括被截獲距離、截獲因子等。

2.1 技術指標定義

對于技術指標，功率管理范圍、功率管理步進以及精度的關系如下。

由功率實測值Pi，計算功率管理范圍Prange：

其中，max[·]和min[·]分別表示取最大值和最小值。

功率管理精度可分為步進的精度和衰減量的精度兩種。

步進的精度以步進的均方根誤差表示，計算過程如下：

(1)由功率實測值Pi，計算功率管理步進Pstep_i：

(2)由功率管理步進的真值Ps′tep，計算功率管理步進的均方根誤差：

其中，Ps′tep為功率管理步進的真值。

(3)將Pstep_rmse作為功率管理精度。

衰減量的精度以衰減量的均方根誤差表示，計算過程如下：

(1)由功率實測值Pi，計算衰減量的實測值Patt_i

(2)由衰減量的期望值 _attiP′ ，計算衰減量的均方根誤差：

其中，_attiP′ 為衰減量的期望值

(3)將Patt_rmse作為功率管理精度。

比較兩種功率管理精度的處理算法，步進精度的誤差計算都是相鄰兩個功率實測值Pi相減，因此功率管理的誤差不會累積；衰減精度的誤差計算都是功率實測值Pi與第一個功率實測值P1相減，因此功率管理的誤差會累積或者補償。

2.2 戰術指標定義

不計氣象損耗，截獲方程為：

上式中，Gti為發射天線截獲方向增益，Gri為截獲天線增益，Ri為被截獲距離，PrminI為截獲接收機靈敏度。被截獲距離iR可表示為：

不計氣象損耗，探測方程為：

上式中，Gtd為雷達天線主瓣發射增益，Grd為雷達接收天線增益，σ為雷達反射截面積，Rd為雷達探測距離，PrminR為雷達接收機靈敏度。

將公式(14)移項，得雷達探測距離RD的表達式為：

結合公式(13)和公式(15)，截獲因子α的表達式為：

2.3 戰技指標關系

將公式(16)展開并轉換成dB形式，得：

即：

當截獲主瓣時，Gti=Gtd，主瓣截獲因子為：

經過以上分析，可以得出：

(1)功率管理作為傳感器的技術指標能力，能夠影響戰術指標例如被截獲距離、截獲因子的大小。

(2)單個戰術指標的值由多個技術指標的共同作用，如被截獲距離受發射功率管理、截獲方向上發射天線增益和工作頻率三個傳感器本身技術指標影響，截獲因子受發射功率管理、發射天線增益、接收天線增益、工作頻率、接收機靈敏度等指標共同影響。

(3)被截獲距離、截獲因子等戰術指標屬于上層指標，用于表征傳感器的抗截獲能力；功率管理范圍、步進及精度屬于底層指標，表示傳感器自身的技術能力，技術指標由戰術指標分解而來。

3 分析驗證

針對某S波段傳感器，在內場條件下測量了其功率管理的技術指標。由于內場環境限制，無法進行戰術指標如傳感器被截獲距離和截獲因子的測量，因此，將傳感器技術指標測量結果作為輸入條件，結合傳感器的其他參數，對傳感器戰術指標進行仿真計算。

3.1 技術指標實測分析

由表1可以看出，將步進的均方根誤差作為功率管理精度與將衰減量的均方根誤差作為功率管理精度相比，步進的均方根誤差值較小。

表1 某S頻段傳感器功率管理技術指標實測

3.2 基于實測技術指標的戰術指標仿真分析

(1)被截獲距離

由圖2分析可以得出：

圖2 傳感器主/副瓣被截獲距離

傳感器輻射功率越小，其主/副瓣被截獲距離越小，其射頻隱身能力越強；

針對固定參數的截獲接收機，傳感器實際的功率管理范圍與傳感器的主/副瓣被截獲距離相對應，功率管理范圍越大，傳感器被截獲距離的下限越小；

功率管理的步進與精度表征傳感器功率管理的精細程度，反映在被截獲距離上，不同的功率管理檔位對應不同的被截獲距離，功率管理的步進越小，輻射功率的設計值與需求值相差越小，對傳感器的射頻隱身管控也就越精細。

表2 戰術指標仿真參數

(2)截獲因子

由圖3分析可以得出：

圖3 傳感器截獲因子

傳感器輻射功率越小，其主/副瓣截獲因子就越小，當截獲因子值小于1時，表明傳感器已探測到目標平臺而未被目標平臺的無源探測設備截獲，傳感器具備低截獲探測能力；

當傳感器功率管理步進越小，精度越高，輻射功率的設計值與需求值相差越小，對傳感器的射頻隱身管控也就越精細；

當截獲接收機未處于目標平臺，即截獲接收機進行副瓣截獲時，截獲因子遠小于主瓣截獲時的截獲因子。

4 結束語

本文介紹了機載傳感器功率管理的實現原理，分析了功率管理的技/戰術指標和兩者之間的關系，并根據實測數據進行仿真驗證。分析及仿真結果均表明，傳感器功率管理量約大，傳感器的被截獲距離越小，截獲因子也越小，傳感器的抗截獲性能越好。本文主要研究了功率管理技術指標與戰術指標的相互關系，下一步的工作重點是傳感器其他低截獲概率措施下如猝發探測、低截獲概率波形等的傳感器戰術指標影響研究。