数字阵列体制在靶场弹道测量雷达中的应用

杜剑英，吴振国，郭文卓

(1.中国兵器试验测试研究院，陕西 华阴 714200；2.中国电子科技集团公司第38研究所，安徽 合肥 230031)

数字阵列体制在靶场弹道测量雷达中的应用

杜剑英1，吴振国1，郭文卓2

(1.中国兵器试验测试研究院，陕西华阴714200；2.中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥230031)

随着武器装备的技术演进，靶场武器试验对测量雷达在搜索、跟踪、测量等全过程的功能性能要求也日益提高，传统基于机械扫描和模拟相控扫描体制的测量雷达逐渐难以应对。提出采用数字阵列技术的靶场弹道测量雷达，介绍了数字阵列体制在雷达中的应用原理。仿真分析结果表明，采用数字阵列体制能够使雷达在捕获能力、多目标性能、杂波和干扰抑制等方面获得明显提升，是未来靶场测量雷达的主要发展方向。

数字阵列；靶场雷达；弹道测量；数字波束形成

0 引言

靶场试验的主要任务是对武器系统的性能进行测试和评估，其中弹道测量雷达作为核心测量装备，主要用于获取目标的高精度弹道数据和特性参数。近年来，随着武器技术水平的进步和攻击模式的扩展，靶场试验对测量装备的要求也越来越高，使得传统机械扫描和模拟相控扫描为主的雷达测量体制逐渐难以满足试验需要。根据武器攻防对抗的发展需求，新一代弹箭武器系统普遍具有飞行速度快、目标数量多、弹道轨迹复杂等特点，因此要求相应靶场测量雷达的探测能力能够适应上述武器目标飞行特性，主要体现在以下几个方面：

1)初始捕获范围广、速度快

捕获阶段，目标飞行速度快、机动范围大，并且变化速率较高，而雷达为满足远程高精度测量要求，天线波束通常较窄，单个笔形波束很难实现对目标的有效覆盖。因此，要求雷达必须具备较宽的视场覆盖能力，能够通过波束展宽或快速扫描进行大范围搜索，并准确捕获目标。同时，在武器试验过程中，需要尽可能完整地获取目标的全弹道精确数据，以扩展试验评估的能力，提高评估准确度。因此，要求雷达必须具备快速捕获能力，并准确辨别主要目标转入跟踪状态，进行高精度测量。

2)同时多目标能力强

从武器试验的目标特征看，其全程飞行需经历多个阶段，期间会出现多种飞行目标，包括主目标、分离体、诱饵、残骸碎片以及靶标等目标。雷达在对目标进行全弹道测量时，首要任务是始终准确地辨别并跟踪主目标，避免因其他目标的干扰所导致的跟错或跟丢；同时，还需要尽可能地在大视场范围内保证对多批目标的长时稳定跟踪测量，以为武器试验评估提供充分的数据。因此，强大的多目标能力成为靶场试验对雷达的重要要求，一方面可以在出现多批目标时同时维持跟踪测量，尽可能多地获取各类目标的精确信息；另一方面则能够为准确辨别主目标提供足够的时间和数据，并在跟错目标时可以尽快发现并切换。

3)测量稳定性好、精度高

靶场测量雷达主要用于对武器目标进行参数测量，实时获取目标运动信息，以便准确地生成目标全弹道飞行轨迹，推演回放目标在飞行过程中不同阶段的精确状态，进而可靠地对武器系统试验效果进行测试与评估，并为故障的准确定位和武器的改进优化提供依据。因此，试验任务中，测量雷达必须能够稳定可靠地跟踪目标，出现失跟现象时能够快速、准确地重新捕获目标，并对各种目标信息获得足够高的测量精度。

4)良好的复杂环境适应性和对抗能力

为了提高战场环境下的实战能力，武器系统对自身突防能力和对抗性能的重视程度日益增加，引入了复杂的突防对抗手段。因此，新一代测量雷达还需要具备较高的复杂环境下杂波、干扰抑制等能力，以适应靶场武器试验的实战化要求。

目前，国内靶场弹道测量雷达从体制上分主要有两种类型，一是连续波测量雷达，二是相控阵雷达。连续波测量雷达采用机械扫描工作方式，主要用于完成武器系统弹道速度、空间坐标等外弹道参数的准确测量，这类雷达具有集成度高、可靠性高、测量精度高、自动跟踪目标等优点，典型代表是丹麦生产的WEIBEL雷达MFTR系列。但是这类雷达由于不具备边搜索边跟踪能力，无法完成机动性较高目标和多目标的测量，在目标的丢失再捕获方面也差强人意；另外，初始捕获时，由于雷达采用宽波束等待，窄波束跟踪，因此初始捕获段测量精度不高。

相控阵雷达是新一代靶场测量雷达，它综合利用了单脉冲精密跟踪和相控阵波束捷变技术，具备同时对多个目标进行精确跟踪测量的能力，同时具有自主捕获目标能力强、跟踪动态范围大、作用距离远、测量精度高、边搜边跟、可同时跟踪多个目标等优点[1]。但是，相控阵雷达也具有不容忽视的缺陷：①由于它边搜边跟的工作特点，致使初始捕获时间长，难以满足武器系统对主升段弹道测量的要求；②多目标空间分辨能力差，致使目标初始分离段难以快速分辨与跟踪；③由于测量体制问题，导致测速精度较差。

根据以上分析，可以看出连续波测量雷达与相控阵雷达结合使用虽然有较大优势，但仍然难以完全满足新一代弹箭武器系统的全弹道测试需求，因此，应不断在测量雷达中引入新的技术，满足更高的测量要求。

本文提出将数字阵列体制应用于靶场测量雷达，该体制是雷达技术的最新发展，能够在波束灵活性、波束个数、动态范围、空间自由度等方面获得显著的技术优势，进而全面提升系统的综合测量性能[1-4]。

1 数字阵列体制及在雷达中的应用

数字阵列体制雷达技术是在模拟有源相控阵技术的基础之上发展出来的，它是一种基于数字波束形成(Digital Beamforming DBF)技术的数字化雷达。数字阵列与传统相控阵体制最本质的区别是波束形成方式的不同。传统相控阵雷达是依靠移相器、衰减器和微波合成网络来实现波束在空间扫描的，是一种在模拟域的基于射频器件和馈电网络构建的处理方式；而数字阵列雷达对所有通道均进行数字化，可以充分利用空-时-频各维度信息，通过全软件计算的方式实现联合处理，因此具有显著的算法优势，能够灵活适应不同任务需求，并且易于实现功能的扩展和升级。数字阵列雷达的原理如图1所示。

图1 数字阵列雷达原理框图Fig.1 Schematic diagram of digital array radar

理论上看来，数字阵列雷达的主要处理方式是对雷达信号进行空时预编码/解码，其核心雷达功能的实现均可转换为对各个加权矩阵的系数求解和矩阵运算。

假设雷达待发射的信号为一个M×1维的信号矢量：

(1)

式中，S可以表示空间上不同波束指向或空域信道上的M个发射信号。

如果天线的个数为N，则任意时刻雷达天线发射的N×1维信号矢量可以写成如下形式：

(2)

式中，H是对应所有M个发射信号的N×M维空域预编码矩阵。该矩阵是一个时变矩阵，其内各元素对应不同的时刻，能够根据不同准则自适应的选择不同的最优系数(如目标位置、杂波和干扰情况等)，以适应复杂目标和信道传输环境下的任务需求。

经过目标反射后，雷达天线的N×1维接收信号矢量可以写成：

(3)

式中，F是任意时刻的N×N维空间信道传输矩阵，其矩阵各个元素为对应发射-接收天线对的空间信号响应系数，n为噪声矢量。

在数字波束形成器对每个天线的接收信号进行空域解码(滤波)处理，则可以得到Q(Q≥M)个接收信号：

(4)

式中，W是在当前时刻的Q×N维空域解码加权系数矩阵，用于解算出对应不同波束指向和空域信道的目标回波。

最后，对得到的各个目标回波分别进行匹配滤波、时频处理和信号检测等，即可得到最终的信号参数，提取相关目标信息。

以上推导了一种基于数字阵列体制的通用雷达处理构架，它涵盖了不同的雷达应用模式，并可以通过对加权矩阵的优化处理进行扩展：

1)当不同天线间发射相参信号时，发射/接收加权矩阵H和W可以简化为多个对应不同指向的空域滤波导向矢量，进而在数字域根据不同需要产生任意指向和形状的多个波束，满足不同任务需要，并且还可以根据外部电磁环境自适应地产生零点以提高抗干扰性能[5]。此外，还可以对信号在时域上进行预编码/解码处理，进而通过空域-时域上的联合处理进一步改善杂波等抑制性能。

2)当不同天线的发射信号为正交信号或更为复杂的空时预编码信号时，系统处理模式可转为MIMO雷达体制，不同信号可以沿矩阵H和W所形成的广义空域信道进行传输，能够扩大雷达的同时全空域覆盖能力，使得分集增益和编码增益最大化[6]。同时，H和W的矩阵系数可以根据信道传输环境自适应变化，以提高雷达的感知处理能力。

2 主要指标的仿真验证

数字阵列雷达本质上是一种计算雷达，它将传统的雷达处理模式转化为全数字化的计算模式，因此应用更灵活，探测性能更高。特别是对于靶场武器试验测量，相对于传统的机械扫描和模拟相控扫描体制，数字阵列体制能够全面提升捕获、跟踪、测量等整个试验过程的综合应用效能。

1)捕获时间短、距离远、精度高

目标捕获时，为了提高覆盖范围和捕获可靠性，通常将天线波束展宽。机械扫描雷达主要采用关闭部分阵面方式实现，由于发射/接收增益、发射功率均下降P2倍(P为波束一维展宽比)，所以与全阵工作相比增益下降可达P6倍；对于相控阵雷达，波束展宽主要通过发射/接收天线的幅相控制实现，发射功率不变，因此总增益下降P4倍。可以看出，由于增益下降较大，传统雷达的捕获范围有限时间较长，并且由于接收波束展宽，其捕获时的理论测角精度也下降P倍。

采用数字阵列体制，可以利用数字域幅相加权的方式实现波束展宽，并且在接收时利用同时多波束覆盖整个发射波束，因此其发射功率、接收增益均与窄波束全阵工作相同，仅存在发射波束展宽损耗P2，捕获范围广速度快。此外，由于接收波束宽度与跟踪测量模式相同，所以能够确保在捕获阶段具有高测角精度。

图2给出了同全阵面窄波束工作相比，不同体制雷达的归一化捕获距离和时间。可以看出，当展宽比为3时，数字阵列雷达的捕获距离分别提高了3倍和1.7倍，并且随着展宽比的增加而增加。而从捕获时间的角度看，当捕获距离和信噪比一定时，数字阵列优势成指数增加。

图2 数字阵列雷达的目标捕获优势Fig.2 The advantage of target capture by digital array radar

2)同时多目标、多波束能力强

传统机械扫描雷达只在天线阵面的法向形成单个波束，对目标的跟踪是通过伺服控制机械转台随目标转动实现的，这样其仅在法向波束内具有有限的多目标能力；而模拟相控阵雷达的波束形成由移相器和射频网络完成，无法同时指向不同方向，只能实现分时多目标探测，因此对高速弹道测量的多目标能力相对不足。此外，二者的空间分辨力仅与波束宽度相当，无法有效区分分布较近的多个目标。

数字阵列雷达由于每个通道都对应一路数字接收机，因此可以利用DBF技术在数字域同时形成多个波束，即加权矩阵W的每一行均对应一个波束指向实现独立的空域滤波，从而获得了强大的同时多目标能力，并降低了分时相扫对时间资源的需求。此外，由于实现了高密度的空间数字采样，因此可以应用MUSIC等超分辨算法，通过对阵列接收信号R自相关矩阵ARR的特征值分解，并利用导向矢量α(θ)在其噪声子空间Vn(噪声分量对应的特征向量矩阵)进行谱搜索，即可得到高分辨的目标空间位置：

(5)

这样就使得雷达能够精细分辨波束内的多个目标，进一步提高多目标能力。

图3给出了数字阵列雷达与传统机械扫描和模拟相控阵雷达的空间分辨率比较，可以看出，当目标间隔小于波束宽度时，传统雷达已无法实现有效分辨，而数字阵列雷达仍具有足够高的空间区分能力。

图3 数字阵列雷达多目标高分辨能力Fig.3 The capability of multi-target high-resolution by digital array radar

3)自由度高抗干扰能力强

(6)

这样，充分利用所获得的高自由度，再结合先进的信号处理方式，可使数字阵列雷达实时、自适应地调整天线零点位置，将多个副瓣零点对准不同的干扰方向，以实现对不同方位的干扰信号进行“滤波”，从而大幅改善雷达的抗干扰性能，其效果如图4所示。

图4 自适应数字波束形成抑制干扰Fig.4 Adaptive digital beamforming suppresses interference

4)动态范围大杂波抑制能力强

雷达系统瞬时动态范围主要由接收器件性能、单路接收机动态范围以及接收机路数等因素决定。传统连续波雷达和相控阵雷达接收通道个数有限，因而由通道个数所带来的动态范围增益(约为lgN，其中N为接收机路数)也相对较小。数字阵列雷达每个天线单元都对应一个数字接收机，因此其接收机路数为系统所能达到的最大值，所以产生的相应动态范围增益也最大。这样，在器件性能一致的前提下，数字阵列雷达的系统瞬时动态范围相比传统测量雷达有显著提升，并且其随着接收机个数的增加线性增长，因此能够获得更高的杂波抑制能力和大/小目标同时测量能力，进而提升复杂环境下的系统多目标测量性能，如图5所示。

图5 数字阵列雷达动态范围得益Fig.5 Dynamic range benefit of digital array radar

3 结论

本文提出了将数字阵列体制应用于新一代连续波和相控阵结合的通用雷达构架，并分析了该雷达技术在靶场高精度测量领域的应用优势。可以看出，数字阵列雷达本质上是一种高性能、通用化的探测测量平台，它基于全数字化体制，将所有雷达功能转化为算法计算处理。仿真结果表明，该体制雷达可以根据任务需要工作于不同模式，利用空-时-频全维度信息，采用各种先进算法使雷达在捕获能力、多目标性能、杂波和干扰抑制等方面获得明显提升，是未来靶场测量雷达的主要发展方向。

[1]李益民.弹道测量雷达及在兵器试验中的应用[M]. 北京：国防工业出版社，2010.

[2]吴曼青. 数字阵列雷达及其进展[J]. 中国电子科学研究院学报, 2006(2): 11-16.

[3]Ahmed Bassyouni. Future of phased array radar systems [C]//Seventh International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instru- mentation, 2011.

[4]Tarran Chris. Advances in affordable digital array radar [C]//2008 IET Waveform Diversity & Digital Radar Conference, 2008: 1-6.

[5]Yu KaiBor. Digital beamforming of multiple simultaneous beams for improved target search [C]//2009 IEEE Radar Conference, 2009: 1-5.

[6]Fishler Eran, Haimovich Alexander, Blum R S, et al. Spatial diversity in radars-Models and detection performance [J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2006, 54: 823-838.

ApplicationofDigitalArrayinBallisticRangeMeasurementRadar

DU Jianying1，WU Zhenguo1, GUO Wenzhuo2

((1.Weapon industry test and measuring academy in China, Huayin 714200, China; 2.The No. 38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230031, China)

With the evolvement of weapons and equipment technology, the requirements of measurement radar of the function and capability are also increasing,such as search, track and measure performance in the whole test process.It makes the traditional measurement radar based on mechanical scanning and simulation phase-controlling scanning system difficult to deal with.Mainly analyzes the advantage of ballistic measurement radar adopting digital array technology in range measurement, introduces the principle of digital array physical applications in radar .The simulation results show that the use of digital array system enables the radar in capture capability, multi-target performance, clutter and interference suppression has been improved.Simulation results show that the system of digital array radar that can make the ability to capture, multi-objective performance, noise and interference suppression of obvious promotion, is the future main direction of shooting range instrumentation radar. It is the main development direction of the future measurement radars in shooting range.

digital array; range radar; trajectory measurement; digital beam forming

2017-02-10

:杜剑英(1965-)，男，陕西蒲城人，研究员，研究方向：靶场试验测试。E-mail：dujianying051@yahoo.com。

TN955

：A

：1008-1194(2017)04-0067-05