艦載相控陣?yán)走_(dá)跟蹤模式收發(fā)波形時(shí)間分配方法分析

曹文杰，趙新燕，張 磊

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)強(qiáng)調(diào)通過更改雷達(dá)波相位的方式，對(duì)波束方向加以調(diào)整。該雷達(dá)可被拆分成多個(gè)輻射單元排陣，同時(shí)各單元對(duì)應(yīng)相位關(guān)系、幅度激勵(lì)均可控。由于該雷達(dá)具有可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)、功能豐富、抗干擾能力突出、可靠性理想、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已在艦船上得到了廣泛運(yùn)用。要想使其優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，關(guān)鍵是要摒棄以往時(shí)間分配方式，根據(jù)該雷達(dá)所表現(xiàn)出的特點(diǎn)，對(duì)收發(fā)波形時(shí)間進(jìn)行科學(xué)分配。由此可見，圍繞時(shí)間分配方法展開討論很有必要。

1 研究背景

對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)人員往往會(huì)將目光聚焦于波形設(shè)計(jì)，而波形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于收發(fā)時(shí)序。若以收發(fā)時(shí)序?yàn)橐罁?jù)，可將現(xiàn)有雷達(dá)劃分成兩大類，分別是連續(xù)波雷達(dá)和脈沖雷達(dá)。國(guó)內(nèi)船用雷達(dá)多為脈沖雷達(dá)，其特點(diǎn)是收發(fā)分離，通過對(duì)接收、發(fā)射進(jìn)行隔離的方式，最大程度地延長(zhǎng)探測(cè)距離，使探測(cè)數(shù)據(jù)更具有實(shí)際意義。

脈沖體制又可被拆分成接收時(shí)間段、發(fā)射時(shí)間段兩部分。其中，發(fā)射段所使用發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)輻射信號(hào)；而接收段無需輻射信號(hào)，其主要任務(wù)是對(duì)輻射信號(hào)所對(duì)應(yīng)目標(biāo)回波進(jìn)行接收和快速處理。雷達(dá)工作波形所涉及參數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖占空比，即為發(fā)射時(shí)段占比，在不同工作模式下，看雷達(dá)對(duì)應(yīng)占空比波形往往存在明顯區(qū)別，從脈沖占空比的角度出發(fā)，可將現(xiàn)有雷達(dá)劃分成3類，分別是高占空比、中占空比、低占空比。上述分類方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠通過現(xiàn)有收發(fā)分配措施，提高脈沖實(shí)際使用密度。本文所討論的相控陣?yán)走_(dá)，便屬于典型的高占空比雷達(dá)。

2 相控陣?yán)走_(dá)介紹

相控陣?yán)走_(dá)的運(yùn)行模式多為脈沖模式，該模式可為雷達(dá)同時(shí)搜索并跟蹤多個(gè)目標(biāo)提供便利，通過科學(xué)分配時(shí)間的方式，使跟蹤任務(wù)順利完成。現(xiàn)階段，該雷達(dá)已成為艦船不可或缺的探測(cè)設(shè)備，在探測(cè)預(yù)警方面發(fā)揮著極為重要的作用。要想利用該雷達(dá)對(duì)多項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行合理調(diào)度，關(guān)鍵是要對(duì)時(shí)間資源進(jìn)行優(yōu)化。鑒于此，有關(guān)人員選擇以雷達(dá)波形角度為切入點(diǎn)，開發(fā)與分配收發(fā)時(shí)間與所提要求相符的調(diào)整方法，希望可使雷達(dá)波形的收發(fā)效率得到顯著提高。

研究表明，雷達(dá)切換至跟蹤狀態(tài)或是指示狀態(tài)后，通常能夠第一時(shí)間確定目標(biāo)距離，同時(shí)根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)信息確定收發(fā)時(shí)間點(diǎn)。由此可見，只需要確保接收端、雷達(dá)所發(fā)射脈沖相匹配，便能夠得到與目標(biāo)實(shí)際情況相符的信息。現(xiàn)有雷達(dá)僅能進(jìn)行機(jī)械掃描，使得波形效能難以充分發(fā)揮，在目標(biāo)跟蹤方面所采取模式為順次跟蹤單個(gè)目標(biāo)，該模式的不足主要是浪費(fèi)大量時(shí)間，與艦船要求不符。相控陣?yán)走_(dá)則有效規(guī)避了上述問題，創(chuàng)造性地引入了電子波束，以對(duì)切換波束加以控制，無論是對(duì)波束進(jìn)行賦形、還是對(duì)其指向進(jìn)行調(diào)整，所花費(fèi)時(shí)間均可以忽略不計(jì)，使得該雷達(dá)所花費(fèi)控制時(shí)間較目標(biāo)機(jī)動(dòng)周期更小，且控制時(shí)間和切換波形時(shí)間通常能夠處于相同的量級(jí)。

從任務(wù)完成情況來看，相控陣?yán)走_(dá)對(duì)應(yīng)任務(wù)調(diào)度和波形層面對(duì)收發(fā)時(shí)間進(jìn)行分配的操作存在交叉，該雷達(dá)的適配調(diào)度方法有4種，分別是部分模版、多個(gè)模版、固定模版以及自適應(yīng)。而自適應(yīng)調(diào)度對(duì)脈沖進(jìn)行交錯(cuò)的操作，可使時(shí)間效率得到大幅提高。考慮到艦船往往需要大時(shí)間段對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行劃分，同時(shí)對(duì)各類目標(biāo)進(jìn)行快速處理，其所適用操作系統(tǒng)以及硬件時(shí)序，均與自適應(yīng)調(diào)度間存在明顯區(qū)別。而從操控的角度來看，常規(guī)跟蹤模式為信號(hào)層面的串行進(jìn)程，只有先對(duì)某目標(biāo)回波進(jìn)行接收，才能著手接收后續(xù)目標(biāo)回波。相控陣?yán)走_(dá)則用并行進(jìn)程取代了串行進(jìn)程，通過同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)的方式，最大程度提升雷達(dá)收發(fā)速度，同時(shí)壓縮其等待時(shí)間。

3 全新時(shí)間分配方法探究

由于相控陣?yán)走_(dá)和現(xiàn)有雷達(dá)存在較為明顯的差別，現(xiàn)有雷達(dá)在時(shí)間分配方面所采取方法，對(duì)相控陣?yán)走_(dá)并不適用。鑒于此，有關(guān)人員決定以該雷達(dá)特點(diǎn)和需求為依據(jù)，對(duì)全新的分配方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容涉及以下方面：

3.1 邏輯說明

相控陣?yán)走_(dá)與現(xiàn)有雷達(dá)的區(qū)別，主要是其新增了跟蹤、搜索功能，同時(shí)在跟蹤方面具有極為突出的表現(xiàn)，即使需要對(duì)抗飽和攻擊，同樣能夠通過快速切換的方式，高效完成一對(duì)多跟蹤的任務(wù)。而現(xiàn)有雷達(dá)在規(guī)定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，僅能對(duì)單一目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

需要注意的是，相控陣?yán)走_(dá)處于傳統(tǒng)模式時(shí)，通常不會(huì)主動(dòng)接收并使用已知信息，而是按照順序?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行探測(cè)。本文所討論的全新模式，則選擇使用已知信息，強(qiáng)調(diào)以目標(biāo)位置差異為依據(jù)，建立分層模型，同時(shí)結(jié)合目標(biāo)距離決定是否采取嵌入模式。嵌入模式和現(xiàn)有模式的差異見圖1。

圖1 嵌入分層運(yùn)行示意圖

圖1的跟蹤目標(biāo)有3個(gè)，現(xiàn)有模式需要按照順序?qū)Ω髂繕?biāo)進(jìn)行跟蹤，嵌入模式的處理步驟如下：分析目標(biāo)2、目標(biāo)3是否滿足嵌入條件，在目標(biāo)1對(duì)應(yīng)收發(fā)周期內(nèi)嵌入滿足條件的目標(biāo)2。而目標(biāo)3需要在目標(biāo)1對(duì)脈沖段進(jìn)行接收后，再度收發(fā)相應(yīng)脈沖，這表示目標(biāo)1、目標(biāo)3對(duì)應(yīng)層次不同。由此可見，嵌入分層具有以下特征：

(1) 以雷達(dá)硬件所表現(xiàn)出特點(diǎn)為依據(jù)，對(duì)切換模式的時(shí)間點(diǎn)加以確定。綜合考慮相控陣?yán)走_(dá)在波形發(fā)射、脈沖寬度還有調(diào)整硬件用時(shí)方面要求可知，在照射目標(biāo)期間對(duì)模式進(jìn)行切換，其用時(shí)為：

=+

(1)

式中:代表調(diào)整硬件所需時(shí)間；代表該雷達(dá)所發(fā)射脈沖的實(shí)際寬度。

(2) 可對(duì)待跟蹤目標(biāo)對(duì)應(yīng)嵌入關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)。若和間的差距達(dá)到2個(gè)或以上的時(shí)間分辨率，說明二者符合雙目標(biāo)嵌入的條件，相關(guān)公式如下：

(2)

式中：和均為目標(biāo)編號(hào)，且<。

3.2 嵌入方法

基于嵌入分層對(duì)收發(fā)波形時(shí)間進(jìn)行分配，通常需要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：

(1) 接收跟蹤目標(biāo)。在規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，按照順序接收目標(biāo)，待接收操作告一段落，統(tǒng)一對(duì)接收目標(biāo)進(jìn)行處理，摒棄以往逐個(gè)接收的模式，在有限的時(shí)間內(nèi)，最大程度地增加目標(biāo)接收數(shù)量。

(2) 對(duì)雷達(dá)探測(cè)及目標(biāo)距離進(jìn)行量化。以探測(cè)距離對(duì)應(yīng)范圍為依據(jù)，將切換模式所需時(shí)間作為時(shí)間最小粒度，對(duì)探測(cè)距離進(jìn)行量化，獲得相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。隨后，以脈沖周期、切換波形所需時(shí)間為依據(jù)，確定脈沖駐留時(shí)長(zhǎng)，調(diào)整接收時(shí)段對(duì)應(yīng)發(fā)射時(shí)長(zhǎng)。研究表明，對(duì)脈沖進(jìn)行發(fā)射和接收的間隔時(shí)長(zhǎng)通常取決于雷達(dá)探測(cè)范圍，計(jì)算公式如下：

=2

(3)

式中：代表目標(biāo)、雷達(dá)間的相對(duì)距離；代表探測(cè)環(huán)境下的光速。

由此可見，任一目標(biāo)及其所對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，均應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

(4)

式中：代表目標(biāo)序號(hào)；代表對(duì)脈沖進(jìn)行發(fā)射的時(shí)間；代表對(duì)脈沖進(jìn)行接收的時(shí)間；round()代表取整。

研究表明，劃分距離區(qū)間段將使少數(shù)目標(biāo)回波出現(xiàn)跨區(qū)間段的情況，只需對(duì)區(qū)間段實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行增加，便可有效解決以上問題。這里要注意一點(diǎn)，一旦發(fā)生劃分波形范圍偏粗或間隔過大的情況，將有極大概率出現(xiàn)無法快速、準(zhǔn)確探測(cè)近距離目標(biāo)的問題。

(3) 按照距離值對(duì)目標(biāo)進(jìn)行排序。以距離值為依據(jù)，按照從大到小的順序，對(duì)待跟蹤目標(biāo)進(jìn)行排序，為嵌入分層提供便利。待排序操作告一段落，目標(biāo)距離對(duì)應(yīng)嵌入關(guān)系便能得到較為直觀的呈現(xiàn)。

(4) 基于嵌入分層對(duì)目標(biāo)進(jìn)行排列。將目標(biāo)1置于第1行的第1個(gè)位置，對(duì)比目標(biāo)2和目標(biāo)1，如果目標(biāo)2滿足嵌入條件，則將其置于第1行的第2個(gè)位置，反之，則將其置于第2行的第1個(gè)位置。隨后，按照該方法對(duì)剩余目標(biāo)進(jìn)行排序。這樣做可使一維排列對(duì)應(yīng)距離值，盡快轉(zhuǎn)變成二維排列對(duì)應(yīng)距離值，其中，置于分層結(jié)構(gòu)橫列的目標(biāo)可被劃入“滿足嵌入條件”的集合，置于列向的目標(biāo)則無法順利嵌入上述集合。

(5) 對(duì)目標(biāo)進(jìn)行序列化處理。經(jīng)過(4)處理的待跟蹤目標(biāo)，均已獲得相應(yīng)的位置，此時(shí)便可著手對(duì)目標(biāo)進(jìn)行序列化處理。簡(jiǎn)單來說，就是沿行向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行順次排列，直至全部目標(biāo)串行完畢，方可對(duì)收發(fā)脈沖的時(shí)間點(diǎn)加以確定。

(6) 自動(dòng)生成收發(fā)脈沖時(shí)序。以收發(fā)脈沖操作所存在對(duì)齊關(guān)系為切入點(diǎn)，將收發(fā)時(shí)序分成3類，分別是接收對(duì)齊、發(fā)射對(duì)齊和收發(fā)對(duì)齊。其中，接收對(duì)齊需要按照嵌入順序?qū)γ}沖進(jìn)行接收，確保接收期間不存在間隙，保證接收端對(duì)應(yīng)計(jì)算、采集資源高度集中。發(fā)射對(duì)齊需要按照嵌入順序?qū)γ}沖進(jìn)行發(fā)射，保證各脈沖間不存在間隙，其特點(diǎn)在于可保證資源集中。收發(fā)對(duì)齊無需按照順序連接收發(fā)脈沖，同時(shí)要確保各脈沖間存在一定間隔，增強(qiáng)其對(duì)外界干擾所具有的抵抗能力。將目標(biāo)中心設(shè)為，則有：

(5)

式中:代表層常量。

事實(shí)證明，收發(fā)對(duì)齊具有資源不集中的特點(diǎn)，在對(duì)雷達(dá)資源進(jìn)行均衡配置方面，通常可起到極為重要的作用。

作為調(diào)度時(shí)序的全新方法，嵌入分層的關(guān)鍵為批處理，即：在規(guī)定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，接收多個(gè)目標(biāo)，配合分層、嵌入操作，對(duì)收發(fā)時(shí)序波形進(jìn)行優(yōu)化，獲得更加簡(jiǎn)潔且清晰的全新時(shí)序。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 發(fā)射時(shí)序

有關(guān)人員計(jì)劃利用嵌入分層的方法展開仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)該方法所具有可行性進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)所模擬目標(biāo)數(shù)量為20個(gè)，隨機(jī)生成具體距離值，雷達(dá)可探測(cè)距離在300 km以內(nèi)，以4 km為基本單位對(duì)區(qū)間段進(jìn)行量化。在此過程中，將切換雷達(dá)模式所需時(shí)間控制在6.6 μs左右，對(duì)應(yīng)脈沖寬度在20 μs上下浮動(dòng)。實(shí)驗(yàn)所得柱狀圖如圖2所示。其中，柱狀圖高度和目標(biāo)距離的關(guān)系為正相關(guān)，1～15柱狀圖被劃入第1層目標(biāo)，16～19柱狀圖被劃入第2層目標(biāo)，20柱狀圖對(duì)應(yīng)第3層目標(biāo)。隨后，有關(guān)人員通過嵌入分層的方式，分別對(duì)全部目標(biāo)所需跟蹤時(shí)間、3個(gè)大目標(biāo)所需跟蹤時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，運(yùn)用嵌入分層法可使雷達(dá)時(shí)間資源得到較為明顯的節(jié)約。

圖2 待跟蹤目標(biāo)對(duì)應(yīng)嵌入分層圖

4.2 接收時(shí)序

基于各目標(biāo)對(duì)應(yīng)收發(fā)波形所形成時(shí)序圖如圖3所示，柱狀圖所描述對(duì)象為收發(fā)脈沖的順序，顏色值與目標(biāo)的標(biāo)號(hào)相對(duì)應(yīng)。0代表空閑時(shí)段；1～20對(duì)應(yīng)目標(biāo)標(biāo)號(hào)；柱狀圖代表目標(biāo)收發(fā)時(shí)段(均成對(duì)出現(xiàn))。由圖3可知，圖3(a)左側(cè)有大量條紋，圖3(b)中部有大量條紋，以上時(shí)段對(duì)應(yīng)接收段。另外，圖3(a)各條紋間均存在一定距離。

圖3 收發(fā)波形對(duì)應(yīng)時(shí)序圖

4.3 時(shí)間效能

時(shí)間效能的計(jì)算公式為：

(6)

式中：代表使用時(shí)間，其占比越小，說明時(shí)間效能越理想。

本文所介紹仿真實(shí)驗(yàn)共設(shè)定了20個(gè)目標(biāo)，對(duì)應(yīng)層數(shù)為3層，這表示在實(shí)際使用過程中，分配時(shí)間所花費(fèi)時(shí)間<各層最遠(yuǎn)目標(biāo)所需時(shí)間之和。

5 未來展望

本文所討論的嵌入分層法更適合用在目標(biāo)跟蹤過程中，在搜索方面所能發(fā)揮的作用有限，且文中所介紹算法，難以從不同角度及層次對(duì)雷達(dá)細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。未來，要想使相控陣?yán)走_(dá)得到更加廣泛的運(yùn)用，關(guān)鍵是要對(duì)其配置T/R組件的方式、控制波束的方式、采樣以及接收的方式進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合實(shí)際使用所積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)算法加以優(yōu)化，在確保其能夠檢測(cè)復(fù)雜海洋環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)所適用場(chǎng)景進(jìn)行增加。

6 結(jié)束語(yǔ)

作為基于任務(wù)調(diào)度與波形設(shè)計(jì)所提出的、對(duì)收發(fā)波形時(shí)間進(jìn)行分配的全新方法，嵌入分層既沒有采取固定波形，同時(shí)也沒有大量運(yùn)用自適應(yīng)技術(shù)；該方法強(qiáng)調(diào)以目標(biāo)實(shí)際距離為依據(jù)，將其劃分成多個(gè)集合，再根據(jù)集合對(duì)收發(fā)時(shí)序進(jìn)行分層調(diào)整。仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該方法所取得效果基本能夠達(dá)到預(yù)期，可應(yīng)用在目標(biāo)密度較大的海洋環(huán)境中，確保相控陣?yán)走_(dá)在探測(cè)、跟蹤等方面的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，同時(shí)可參考信號(hào)處理機(jī)、發(fā)射機(jī)相關(guān)指標(biāo)，對(duì)切換波形的策略加以調(diào)整。