基于波形嵌套的數(shù)字陣列雷達資源調(diào)度算法

溫丹昊 許銀龍

摘要：文章根據(jù)數(shù)字陣列雷達的信號處理特點，提出了一種數(shù)字陣雷達的資源調(diào)度算法。該調(diào)度算法以一種波形嵌套技術(shù)為基礎(chǔ)，在滿足系統(tǒng)時間和能量資源約束的條件下，它使得不同的駐留波束能交錯執(zhí)行，其中，駐留脈沖的等待期可以用來執(zhí)行其他脈沖的發(fā)射或者接收任務(wù)，而且不同駐留任務(wù)的等待期可以在時間上相互重疊。研究證明，由于駐留脈沖等待期和接收期的充分利用，與傳統(tǒng)自適應(yīng)資源調(diào)度算法相比，此算法能有效地提高系統(tǒng)資源利用率，獲得更高的系統(tǒng)實現(xiàn)價值率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字陣列雷達;波形嵌套;資源調(diào)度

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）16-0111-03

1 引言

近年來，雷達的數(shù)字化程度逐步提高，數(shù)字陣列雷達作為一種新型全數(shù)字化相控陣雷達，開始被雷達行業(yè)廣泛重視和研究[1-3]。和傳統(tǒng)的模擬信號相控陣雷達相比，數(shù)字陣列雷達除了具有探測復(fù)雜空情能力強、探測目標精度高、電磁抗干擾能力強等優(yōu)勢外，還具有資源調(diào)度和信號處理方式靈活的優(yōu)點，能夠同時進行多個空域的搜索，同時對多個空情進行主動跟蹤，因此可以很大程度地節(jié)省雷達系統(tǒng)資源，包括時間資源和能量資源[4]。其中怎樣能夠合理、高效、靈活地調(diào)度雷達系統(tǒng)資源是數(shù)字陣列雷達能發(fā)揮其優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。根據(jù)多年的發(fā)展和研究，現(xiàn)有的雷達系統(tǒng)資源優(yōu)化調(diào)度策略主要有兩大類：固定模板調(diào)度策略和自適應(yīng)調(diào)度策略。其中自適應(yīng)調(diào)度策略是通過平衡各種雷達執(zhí)行任務(wù)所要求的能量、時間以及計算機資源，為在一個調(diào)度間隔內(nèi)選擇一個最佳雷達事件執(zhí)行序列的一種調(diào)度方法，是最有效但也最為復(fù)雜的調(diào)度方法。

現(xiàn)有的自適應(yīng)調(diào)度策略算法主要是基于一定啟發(fā)規(guī)則，從而獲得調(diào)度次優(yōu)解的算法[5-6]。這些算法都沒有充分考慮到雷達波形參數(shù)特別是脈沖信號接收期的長短對資源調(diào)度的影響，雖然它們在一定程度上提高了雷達系統(tǒng)的資源利用率，但在同時跟蹤目標數(shù)量較多的情況下提高程度非常有限。研究證明，對于現(xiàn)代的多功能數(shù)字陣列雷達，脈沖信號接收期的長短對波束駐留調(diào)度有著相當(dāng)重要的影響，特別是它可以采用波形嵌套的技術(shù)實現(xiàn)多波束收發(fā)，顯著提高系統(tǒng)資源的利用率。本文將在波束駐留調(diào)度過程中引入波形嵌套技術(shù)，從而控制嵌套跟蹤過程的能量、時間以及計算機資源約束，實現(xiàn)雷達資源調(diào)度。該方法與傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度策略相比， 它在同時跟蹤目標數(shù)量較多的情況下能有效降低駐留任務(wù)的丟失率， 從而使得數(shù)字陣列雷達獲得更高的實現(xiàn)價值率。

2 嵌套跟蹤調(diào)度模型

嵌套跟蹤是指數(shù)字陣列雷達在進行目標跟蹤時，在等待第一個目標回波返回期間內(nèi)插入另一個波形對另一個目標進行探測，以達到節(jié)省探測總時間，提高系統(tǒng)資源利用率的目的。假設(shè)兩目標1（較遠）、2（較近）距離分別為R1和R2，用來探測兩目標的對應(yīng)波形的脈寬分別為τ1和τ2，C為光速。

2.1 常規(guī)跟蹤

若要對兩目標分別進行探測，通常根據(jù)目標預(yù)測的距離，選擇參數(shù)合適的波形進行探測，則每個波形的周期至少為：

[T1=R1C2+τ1]

[T2=R2C2+τ2]

[T=T1+T2]

在實際應(yīng)用中一般根據(jù)距離遠近預(yù)先設(shè)定幾個固定周期參數(shù)的波形，波束調(diào)度程序根據(jù)目標距離從預(yù)先設(shè)定好的波形庫中選擇使用，因此實際周期通常還需要大于該理論周期。

2.2 嵌套跟蹤

若改用嵌套跟蹤方式對兩目標進行探測，其工作流程如圖 1所示，雷達用嵌套跟蹤方式工作時，用兩個波位BW1和BW2進行探測，第一個波位嵌套了兩個子脈沖subFR1和subFR2，兩個子脈沖間隔為Δ1，脈寬分別為τ1和τ2，在BW1的末尾接收目標2的回波τ2，BW2用了一個子脈沖，脈寬是很小的一個Δ2，大部分時間用來接收第一個目標的回波τ1。

和常規(guī)跟蹤探測相比，嵌套跟蹤的探測時間縮短為：

[T=R1C2+τ1+Δ]

其中Δ為了滿足雷達發(fā)射系統(tǒng)占空比要求而進行補足的時間，是否存在要根據(jù)實際占空比要求進行判斷，并且其數(shù)值一般不會太大，對總時間的影響較小。

2.3 兩種方法對比

對目標2的探測過程發(fā)生在等待目標1回波到來的時間內(nèi)，在普通跟蹤時，該時間段內(nèi)雷達處于空閑等待狀態(tài)。

根據(jù)上述計算可知，使用嵌套跟蹤方式，對兩個目標完成探測的總時間至少減少了。

[TΔ=R2C2+τ2-Δ]

這在系統(tǒng)跟蹤任務(wù)較多的情況下，可以大量節(jié)省時間，有效提高任務(wù)成功率。

現(xiàn)代多功能數(shù)字陣列雷達通常同時肩負搜索、跟蹤、識別、ISAR成像等多種任務(wù)，即使在跟蹤任務(wù)不是很多的情況下，也可以通過嵌套跟蹤為其他任務(wù)留下更多系統(tǒng)資源。

除此之外，針對預(yù)測時間相同或相近的跟蹤任務(wù)，嵌套跟蹤可以起到減少跟蹤延遲的作用，能更準確地探測目標，提升系統(tǒng)性能。

3 實現(xiàn)條件

根據(jù)系統(tǒng)條件不同，實現(xiàn)嵌套跟蹤需要滿足若干條件，其中部分為判定類條件，即必須滿足該類條件才可以實現(xiàn)相應(yīng)功能，另一部分為補充類條件，即在實現(xiàn)功能時通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)以滿足特定條件。

3.1 判定類條件

1）目標距離

如果兩目標能夠嵌套，則必須滿足在探測目標2的回波接收完成后，目標1的回波才有可能到達。因此理論上應(yīng)有：

[R1≥R2+C2τ1+Δ1+τ2'+Δ2]

即：

[R1≥C2*T2+C2τ1+Δ1+Δ2]

其中：

[T2=R2C2+τ2']

只有在目標1和2的距離滿足上述關(guān)系時，才可能對兩目標進行嵌套跟蹤。

2）脈沖寬度

當(dāng)使用上述嵌套波形技術(shù)對兩目標進行探測時，脈寬τ1和τ2相當(dāng)于連續(xù)進行發(fā)射，因此必須滿足雷達收發(fā)系統(tǒng)的最大脈寬限制，即：

[τ1+τ2≤τMAX]

其中τMAX為雷達收發(fā)系統(tǒng)支持的最長脈寬。

3）波位最短時間

雷達系統(tǒng)進行任務(wù)調(diào)度時，通常在當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行時，提前為下一任務(wù)進行波束編排、計算及傳輸?shù)葴蕚?，以實現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)的連續(xù)高效工作。由于受到硬件傳輸、操作系統(tǒng)實時響應(yīng)速度和軟件計算等因素限制，每一任務(wù)都要留有足夠時間以準備下一個任務(wù)的相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)才能正常連續(xù)運作。

如圖 2中所示，當(dāng)收發(fā)系統(tǒng)開始執(zhí)行T1任務(wù)時，同時給調(diào)度系統(tǒng)一個中斷，此時調(diào)度系統(tǒng)即開始準備下個任務(wù)T2，當(dāng)編排、計算和傳輸?shù)热繄?zhí)行完畢后系統(tǒng)進入空閑等待時間，直到任務(wù)T1執(zhí)行完畢，此時收發(fā)系統(tǒng)接著執(zhí)行已經(jīng)準備完成的T2任務(wù)，同時產(chǎn)生中斷，調(diào)度系統(tǒng)開始準備T3任務(wù)，一直循環(huán)往復(fù)。

如果波位時間過短，如圖中T2任務(wù)所示，此時對下一個任務(wù)的準備工作尚未完成，導(dǎo)致當(dāng)T3中斷到來時，數(shù)據(jù)尚未傳輸完成，任務(wù)出錯，并導(dǎo)致整個循環(huán)出現(xiàn)偏差，并且可能產(chǎn)生不可預(yù)知的錯誤。

在同一系統(tǒng)中，在通常情況下進行任務(wù)準備的時間差別不大（幾十到一百微秒），假設(shè)進行任務(wù)準備所需的最長時間為TMAX，考慮圖 1中的BW1長度必須大于TMAX，則有：

[R1≥C2TMAX+Δ2]

并且此時有：

[T2=TMAX-τ1-Δ1]

3.2補充類條件

只有目標參數(shù)同時滿足1類條件中的三個判定類條件，才能實現(xiàn)目標1和目標2之間的嵌套跟蹤，此時，需要根據(jù)2類條件對跟蹤參數(shù)進行計算及修正。

根據(jù)目標1的位置可以計算出一個波位的總長度應(yīng)該為：

[T1=R1C2+τ1']

1）占空比

雷達系統(tǒng)占空比主要由收發(fā)系統(tǒng)決定，只有滿足占空比條件，才能保證設(shè)備長時間正常工作，假設(shè)系統(tǒng)的占空比最大值為DRMAX，則有：

[T1≥τ1+τ2/DRMAX]

2）波位最短時間

與判定類條件中的條件c類似的，同時需要考慮圖 1中BW2長度也必須大于TMAX，因此有：

[T1≥τ1+Δ1+T2+TMAX]

4 算法實現(xiàn)

在雷達實際工作時，可按照以下步驟來實現(xiàn)嵌套跟蹤的參數(shù)選擇和調(diào)度：

1）根據(jù)目標距離找到對應(yīng)的探測波形，獲得脈寬等參數(shù)。

2）判斷如下條件是否滿足：

[R1≥C2TMAX+Δ2]

不滿足則兩目標無法嵌套。

3）判斷如下條件是否滿足：

[R1≥R2+C2τ1+Δ1+τ2'+Δ2]

不滿足則兩目標無法進行嵌套。

4）此時可以計算得到：

[T2=maxTMAX-τ1-Δ1，R2C2+τ2']

[T1=maxR1C2+τ1'，τ1+τ2DRMAX，τ1+Δ1+T2+TMAX]

5）根據(jù)上述結(jié)果，組織形成一個波位的參數(shù)，發(fā)送到信號處理系統(tǒng)。

該算法設(shè)計已作為通用標準模塊成功應(yīng)用到多個實際項目中，驗證了此算法設(shè)計的實用性和有效性。

經(jīng)過雷達實際探測場景的數(shù)據(jù)分析，和傳統(tǒng)調(diào)度算法相比，本文的波形嵌套調(diào)度算法能夠能獲得更高的系統(tǒng)實現(xiàn)價值率和更高的系統(tǒng)時間利用率。

如圖3中左圖為傳統(tǒng)調(diào)度算法和波形嵌套調(diào)度算法的雷達系統(tǒng)實現(xiàn)的價值率曲線，當(dāng)同時探測的目標數(shù)目較少時，所有雷達波束請求都被調(diào)度執(zhí)行，兩種算法的系統(tǒng)實現(xiàn)價值率都能達到100%。傳統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)度算法在同時探測目標數(shù)量增加35以上時，實現(xiàn)價值率迅速下降，而波形嵌套調(diào)度算法的系統(tǒng)實現(xiàn)價值率在目標數(shù)目達到55以上時才開始有所降低，且它的下降曲線比較平緩，即下降速度較慢。由此可見，采用波形嵌套調(diào)度算法能獲得更高的系統(tǒng)實現(xiàn)價值率[5]。圖3中右圖為兩種算法的系統(tǒng)時間利用率曲線，同時探測目標數(shù)量較少時，執(zhí)行相同的波束調(diào)度，波形嵌套調(diào)度算法由于多個雷達脈沖回波接收期的可重疊性，和傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度算法相比它的總接收時間不會更大，此時波形嵌套調(diào)度算法獲得的系統(tǒng)時間利用率更低。在目標數(shù)量增加到一定數(shù)量后，兩種算法的系統(tǒng)時間利用率均開始下降。同時探測目標數(shù)增大到25時傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度算法的時間利用率開始下降，波形嵌套調(diào)度算法能充分利用脈沖駐留的等待期發(fā)射或者接收回波，同時探測目標數(shù)增大到55以上后時間利用率才開始下降，并且和系統(tǒng)實現(xiàn)價值率曲線相似，下降速度比傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度算法更慢[6]。

5 結(jié)論

發(fā)射和接收都采用數(shù)字波束形成技術(shù)的數(shù)字陣列雷達是一種全新體制的數(shù)字化相控陣雷達，它采用的全數(shù)字化處理方式使得雷達信號可以進行全向接收，因此，多個駐留脈沖的回波數(shù)據(jù)能被同時接收是它的一個顯著特點。由此，本文提出了一種波形嵌套算法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種嵌套跟蹤的波束駐留調(diào)度方法，這種方法使得不同的駐留脈沖能在滿足時間和能量約束條件下進行交錯執(zhí)行。與傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度算法相比，由于該算法對駐留脈沖等待期和接收期的有效利用，其能獲得更好的調(diào)度性能，從而使得數(shù)字陣雷達的資源得到有效利用，效能得到充分發(fā)揮[6]。

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