雷达天线扫描周期精确测量技术研究

康志勇，李仙茂，张范军

（1.海军工程大学，湖北 武汉430033；2.海司第四部，北京100000）

0 引言

不同型号雷达的天线扫描周期一般不同。天线扫描周期一旦确定后，不会过多地进行更改，特别是舰载雷达和机载雷达，工作模式不变情况下单独更改天线扫描周期的可能性非常小。天线扫描周期信息通常具有较长的生命周期，可作为雷达辐射源识别的一项重要作战技术参数［1］。高精度的雷达天线扫描周期测量可为目标融合提供准确的特征参数，提高目标相容性判别的准确率。

天线扫描周期的测量方法较为简单，过去一般通过测量相邻两次雷达照射的时间间隔来确定天线扫描周期，但是一次雷达照射的持续时间比较短，常常被忽略，导致雷达天线扫描周期的测量精度受到雷达照射持续时间影响。本文通过研究一次雷达照射持续时间内的脉冲族信息，提出一种新的雷达天线扫描周期测量方法，能够在一定程度上提高该参数的测量精度和稳定度，该方法既比较经济，又可自动、快速进行。

1 雷达天线扫描周期的测量思路

雷达为了探测到各个方位的目标，通常利用雷达天线的机械转动使得信号波束能够在不同方位上扫描，相控阵体制雷达通过相位调制实现机械扫描雷达天线同样的波束扫描效果［2-3］。雷达天线的扫描类型一般包括：圆周扫描（环形扫描）、扇形扫描、圆锥扫描、矩形扫描等［4］。雷达天线的转动一般按照一定的周期重复进行，称最小的时间周期为雷达天线扫描周期。

在满足一定的信号侦收条件下，雷达天线转动一个周期，就会对侦察设备进行一次（或多次）照射。一次照射的持续时间非常短，一般在几十毫秒以上［5］。雷达侦察一般通过测量雷达照射的时间间隔来计算雷达天线扫描周期，比如圆周扫描雷达的天线扫描周期为第一次照射到第二次照射之间的时间间隔。一次雷达照射有一定的持续时间，所以一次照射的时间具有多选性，可以说某次照射时间为照射开始时，也可以说某次照射时间为照射结束后，或说成期间的任何一个时间点。为了准确计算前后两次照射之间的时间间隔，应该在每一次照射时间内取一个同样的参考时刻。

侦察设备在雷达一次照射时间内侦获的脉冲信号个数一般有十几个到上百个，称为一族（群）脉冲。在一族脉冲数据里，每个脉冲都有自己的脉冲到达时间。脉冲族里第一个脉冲的到达时间称为整个脉冲族的到达时间，脉冲族里最后一个脉冲的到达时间称为整个脉冲族的结束时间，这两个时间的差值称为脉冲族的持续时间，也就是照射持续时间。

那么用脉冲族哪个脉冲的到达时间来作为雷达照射时间的参考时刻最为准确呢？为了得到比较稳定的测量结果，雷达照射时间选择的参考时刻应该具有最高的稳定性。所以，在此有必要研究脉冲族数据分析的相关理论。

2 脉冲族数据分析的相关理论

雷达信号脉冲族是雷达信号发射后，经过一定的空间传播，被侦察天线侦收，经过一定的分析处理后得到的用来描述目标信号特征的脉冲数据组合。一族脉冲通常对应一次雷达照射，如果多部雷达同时对侦察设备进行照射，则会出现多族脉冲数据在时间轴上交叉重叠的现象，分析时一般要将属于不同辐射源的多族脉冲数据分开。

根据目标雷达辐射电磁波的基本特性和信号侦收时的几何模型，一族脉冲数据一般包括主瓣部分和副瓣部分［6］。比如：在满足信号侦收的条件下，侦察设备天线方位固定不变，雷达天线进行方位扫描，每次照射（方位对准）到侦察设备天线时，都是其信号波束的副瓣部分先对准侦察设备天线，然后是主瓣部分对准，最后再是副瓣部分对准。所以，侦察设备侦获的脉冲族数据也相应地包括主瓣部分和副瓣部分，如图1所示。该脉冲族包含了两个副瓣部分和一个主瓣部分，主瓣部分的脉冲幅度比副瓣部分的脉冲幅度大。

图1 包含主副瓣的脉冲族

雷达天线波束副瓣是天线附加产物［7］，并不是雷达所需要的，所以一般采用高主副瓣增益比来降低副瓣对雷达探测产生的副作用，但在副瓣方向上还是有电磁波辐射。而实际雷达信号侦察时，因为信号在传播等过程受到各种信号衰减，可能导致雷达副瓣信号未被侦察设备侦收，甚至连主瓣部分都不能完全被侦收，如图2所示。该脉冲族仅包含部分的主瓣脉冲数据。这是因为部分脉冲信号幅度低于检测门限，未被侦收处理，造成脉冲数据的丢失。脉冲数据丢失现象经常发生，信号传播环境越差脉冲数据丢失越严重。通常情况下主瓣部分的脉冲数据比副瓣部分的脉冲数据要稳定得多，因为主瓣部分的脉冲幅度相对副瓣部分的脉冲幅度大很多，更不容易造成脉冲数据丢失。雷达信号波束的主瓣和副瓣之间为波束零点位置，该位置的信号无增益，越靠近该位置的信号增益越小。所以相应的脉冲族数据的主瓣部分和副瓣部分之间会有若干脉冲幅度比较低，甚至出现低于门限值而造成脉冲丢失的现象，图1中在脉冲族主瓣部分右边的零点位置附近就丢失了一个脉冲。

图2 仅包含主瓣的脉冲族

3 雷达天线扫描周期脉冲族测量法

雷达天线扫描周期的脉冲族测量法就是利用脉冲族数据分析理论来对雷达天线扫描周期进行精确测量。为了更形象地对该方法进行说明，本文采集了某雷达辐射源信号的脉冲族数据，其主副瓣脉冲幅度变化规律如图1所示。

图1所示的脉冲族是在信号环境较好的情况下侦获的，其信号的主副瓣数据较为完整，未出现较多的脉冲丢失现象。通过研究脉冲族数据的主副瓣分布规律，知道主瓣脉冲部分具有较高的稳定度，所以在确定雷达照射时间时应该选择脉冲族主瓣部分的脉冲到达时间。

一般来说，选择主瓣部分的脉冲到达时间有三种方法。第一种方法是选择波束零点位置（如图1中A点位置）的脉冲到达时间作为雷达照射时间，其优点是该位置是脉冲幅度大小的转折点，容易区分，选取比较准确，一般误差在1 到2个PRI时间范围内，其缺点是在信号环境较差时，波束零点位置附近的脉冲丢失较为严重，选取误差变大。第二种方法是选择主瓣脉冲数据中脉冲幅度最高（如图1中B 点位置）的脉冲到达时间作为雷达照射时间，其优点是脉冲幅度最高的脉冲容易选取，在信号的主瓣波束宽度较窄时，该方法取得的脉冲到达时间具有较高稳定性，缺点是当雷达主瓣波束宽度较宽或采用相控阵体制时，脉冲族中有较多位置具有最高幅度值，选取稳定性不高。第三种方法是选取脉冲族主瓣部分全部脉冲的到达时间均值作为雷达照射时间，该方法虽然计算量较大，但是具有非常高的稳定性，因为当检测门限增大或信号衰减增大时，脉冲族主瓣前后两个增益零点位置附近的脉冲丢失程度不会相差太大，保证了主瓣脉冲的脉冲到达时间均值比较平稳，最大测量误差一般在若干个PRI范围内。在选取主瓣脉冲数据时，一般从脉冲幅度最高处向前后进行遍历，当出现脉冲丢失现象（脉冲丢失会导致PRI翻倍）或遇见波束零点位置时，认为是主瓣部分的端点。

以上三种方法中，第三种方法应用范围最为广泛，是测量雷达天线扫描周期最可靠的方法。该方法有利于在雷达天线扫描周期测量时，通过脉冲数据脉冲到达时间信息的自动计算来实现测量，其测量精度和稳定度都比较高。但是利用该方法对雷达天线扫描周期进行测量时，要保证脉冲族数据的独立性，不能与其他脉冲族数据相交迭，所以还要对该方法的可行性进行论证。

4 可行性分析

在复杂的雷达信号环境下，各种雷达信号一起被雷达侦察设备侦收，形成数据量巨大的全脉冲数据。是否能在大量的全脉冲数据中分选出目标雷达信号主瓣部分的脉冲数据，首先要看该雷达信号的脉冲数据是否与其他雷达信号交迭在一起。下面对目标雷达信号被一次交迭和被连续多次交迭进行概率分析。

假设在目标雷达信号载频附近范围内，可同时侦获到环境中的9个与之工作频率近似的雷达信号，即全脉冲数据中有10个辐射源的脉冲数据，每个脉冲族的主瓣部分持续时间都为40ms，天线的扫描周期都为4s，侦收到的所有雷达信号在时间上相互独立分布，且侦收时间都是随机的。则在4s可侦收到10个雷达信号，目标雷达信号和另外一个指定雷达信号在主瓣部分相互分开的概率为99%，所以目标雷达信号和其他所有雷达信号的主瓣部分都相互分开的概率：

若目标雷达信号的脉冲族数据与其它雷达信号的脉冲数据在时间轴上交迭，则可用其它脉冲族数据分选方法把目标脉冲族数据从相互交迭的全脉冲数据中提取出来。以上所说的目标载频范围就是在载频上对目标信号进行的一种分选［8］。对目标雷达信号脉冲数据进行分选的方法还有PRI分选法、脉宽分选法等［9-10］。通过这些方法对目标雷达信号进行脉冲数据综合分选，能有效提取目标雷达信号的脉冲族数据，使得雷达天线扫描周期的脉冲族测量方法的可行性得到保证。

5 结束语

本文提出的雷达天线扫描周期脉冲族测量法，是在研究脉冲族形成过程、基本组成、要素稳定性等相关理论的基础上，对雷达照射时间做更为精确的分析，从而实现了雷达天线扫描周期的高精度测量，并通过脉冲族数据分选的可能性分析证明了该方法的可行性。■

［1］张宁，黄建冲，邹鹏，等.辐射源指纹识别及其关键技术的发展［J］.飞航导弹，2011（5）：42-45，69.

［2］张光义.相控阵雷达系统［M］.北京：国防工业出版社，2001.

［3］殷洪沛，叶素珍，林桂道，等.超宽带相控阵天线的低副瓣设计［J］.舰船电子对抗，2009，32（1）：81-84.

［4］承德宝.雷达原理［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［5］张友兵，黄高明，李仙茂.雷达对抗原理［M］.武汉：海军工程大学出版社，2009.

［6］石紫璇，顾浩，朱士龙.全脉冲幅度信息的分析与特征提取［J］.指挥控制与仿真，2009，31（3）：43-45，57.

［7］李莉.天线与电波传播［M］.北京：科学出版社，2009.

［8］李合生，韩宇，蔡英武，等.雷达信号分选关键技术研究综述［J］.系统工程与电子技术，2005，27（12）：2035-2040.

［9］张春林.基于脉冲幅度的预处理方法［J］.电子信息对抗技术，2009，24（2）：23-27.

［10］高双成，陈莹.基于PRI的未知雷达脉冲序列分选综合算法［J］.电子科技，2012，25（2）：8-11.