舰载相控阵雷达跟踪模式收发波形时间分配方法分析

曹文杰，赵新燕，张 磊

(中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 扬州 225101)

0 引 言

相控阵雷达强调通过更改雷达波相位的方式，对波束方向加以调整。该雷达可被拆分成多个辐射单元排阵，同时各单元对应相位关系、幅度激励均可控。由于该雷达具有可同时跟踪多个目标、功能丰富、抗干扰能力突出、可靠性理想、反应速度快等优势，现已在舰船上得到了广泛运用。要想使其优势得到充分发挥，关键是要摒弃以往时间分配方式，根据该雷达所表现出的特点，对收发波形时间进行科学分配。由此可见，围绕时间分配方法展开讨论很有必要。

1 研究背景

对雷达系统进行设计时，有关人员往往会将目光聚焦于波形设计，而波形设计的关键在于收发时序。若以收发时序为依据，可将现有雷达划分成两大类，分别是连续波雷达和脉冲雷达。国内船用雷达多为脉冲雷达，其特点是收发分离，通过对接收、发射进行隔离的方式，最大程度地延长探测距离，使探测数据更具有实际意义。

脉冲体制又可被拆分成接收时间段、发射时间段两部分。其中，发射段所使用发射机负责辐射信号；而接收段无需辐射信号，其主要任务是对辐射信号所对应目标回波进行接收和快速处理。雷达工作波形所涉及参数对应的脉冲占空比，即为发射时段占比，在不同工作模式下，看雷达对应占空比波形往往存在明显区别，从脉冲占空比的角度出发，可将现有雷达划分成3类，分别是高占空比、中占空比、低占空比。上述分类方法的优点在于能够通过现有收发分配措施，提高脉冲实际使用密度。本文所讨论的相控阵雷达，便属于典型的高占空比雷达。

2 相控阵雷达介绍

相控阵雷达的运行模式多为脉冲模式，该模式可为雷达同时搜索并跟踪多个目标提供便利，通过科学分配时间的方式，使跟踪任务顺利完成。现阶段，该雷达已成为舰船不可或缺的探测设备，在探测预警方面发挥着极为重要的作用。要想利用该雷达对多项任务进行合理调度，关键是要对时间资源进行优化。鉴于此，有关人员选择以雷达波形角度为切入点，开发与分配收发时间与所提要求相符的调整方法，希望可使雷达波形的收发效率得到显著提高。

研究表明，雷达切换至跟踪状态或是指示状态后，通常能够第一时间确定目标距离，同时根据所掌握的数据信息确定收发时间点。由此可见，只需要确保接收端、雷达所发射脉冲相匹配，便能够得到与目标实际情况相符的信息。现有雷达仅能进行机械扫描，使得波形效能难以充分发挥，在目标跟踪方面所采取模式为顺次跟踪单个目标，该模式的不足主要是浪费大量时间，与舰船要求不符。相控阵雷达则有效规避了上述问题，创造性地引入了电子波束，以对切换波束加以控制，无论是对波束进行赋形、还是对其指向进行调整，所花费时间均可以忽略不计，使得该雷达所花费控制时间较目标机动周期更小，且控制时间和切换波形时间通常能够处于相同的量级。

从任务完成情况来看，相控阵雷达对应任务调度和波形层面对收发时间进行分配的操作存在交叉，该雷达的适配调度方法有4种，分别是部分模版、多个模版、固定模版以及自适应。而自适应调度对脉冲进行交错的操作，可使时间效率得到大幅提高。考虑到舰船往往需要大时间段对多个目标进行划分，同时对各类目标进行快速处理，其所适用操作系统以及硬件时序，均与自适应调度间存在明显区别。而从操控的角度来看，常规跟踪模式为信号层面的串行进程，只有先对某目标回波进行接收，才能着手接收后续目标回波。相控阵雷达则用并行进程取代了串行进程，通过同时跟踪多个目标的方式，最大程度提升雷达收发速度，同时压缩其等待时间。

3 全新时间分配方法探究

由于相控阵雷达和现有雷达存在较为明显的差别，现有雷达在时间分配方面所采取方法，对相控阵雷达并不适用。鉴于此，有关人员决定以该雷达特点和需求为依据，对全新的分配方法进行设计，具体内容涉及以下方面：

3.1 逻辑说明

相控阵雷达与现有雷达的区别，主要是其新增了跟踪、搜索功能，同时在跟踪方面具有极为突出的表现，即使需要对抗饱和攻击，同样能够通过快速切换的方式，高效完成一对多跟踪的任务。而现有雷达在规定时间长度内，仅能对单一目标进行跟踪。

需要注意的是，相控阵雷达处于传统模式时，通常不会主动接收并使用已知信息，而是按照顺序对目标进行探测。本文所讨论的全新模式，则选择使用已知信息，强调以目标位置差异为依据，建立分层模型，同时结合目标距离决定是否采取嵌入模式。嵌入模式和现有模式的差异见图1。

图1 嵌入分层运行示意图

图1的跟踪目标有3个，现有模式需要按照顺序对各目标进行跟踪，嵌入模式的处理步骤如下：分析目标2、目标3是否满足嵌入条件，在目标1对应收发周期内嵌入满足条件的目标2。而目标3需要在目标1对脉冲段进行接收后，再度收发相应脉冲，这表示目标1、目标3对应层次不同。由此可见，嵌入分层具有以下特征：

(1) 以雷达硬件所表现出特点为依据，对切换模式的时间点加以确定。综合考虑相控阵雷达在波形发射、脉冲宽度还有调整硬件用时方面要求可知，在照射目标期间对模式进行切换，其用时为：

=+

(1)

式中:代表调整硬件所需时间；代表该雷达所发射脉冲的实际宽度。

(2) 可对待跟踪目标对应嵌入关系进行设计。若和间的差距达到2个或以上的时间分辨率，说明二者符合双目标嵌入的条件，相关公式如下：

(2)

式中：和均为目标编号，且<。

3.2 嵌入方法

基于嵌入分层对收发波形时间进行分配，通常需要经过以下几个步骤：

(1) 接收跟踪目标。在规定的时间长度内，按照顺序接收目标，待接收操作告一段落，统一对接收目标进行处理，摒弃以往逐个接收的模式，在有限的时间内，最大程度地增加目标接收数量。

(2) 对雷达探测及目标距离进行量化。以探测距离对应范围为依据，将切换模式所需时间作为时间最小粒度，对探测距离进行量化，获得相应的时间点。随后，以脉冲周期、切换波形所需时间为依据，确定脉冲驻留时长，调整接收时段对应发射时长。研究表明，对脉冲进行发射和接收的间隔时长通常取决于雷达探测范围，计算公式如下：

=2

(3)

式中：代表目标、雷达间的相对距离；代表探测环境下的光速。

由此可见，任一目标及其所对应时间点，均应满足以下关系式：

(4)

式中：代表目标序号；代表对脉冲进行发射的时间；代表对脉冲进行接收的时间；round()代表取整。

研究表明，划分距离区间段将使少数目标回波出现跨区间段的情况，只需对区间段实际长度进行增加，便可有效解决以上问题。这里要注意一点，一旦发生划分波形范围偏粗或间隔过大的情况，将有极大概率出现无法快速、准确探测近距离目标的问题。

(3) 按照距离值对目标进行排序。以距离值为依据，按照从大到小的顺序，对待跟踪目标进行排序，为嵌入分层提供便利。待排序操作告一段落，目标距离对应嵌入关系便能得到较为直观的呈现。

(4) 基于嵌入分层对目标进行排列。将目标1置于第1行的第1个位置，对比目标2和目标1，如果目标2满足嵌入条件，则将其置于第1行的第2个位置，反之，则将其置于第2行的第1个位置。随后，按照该方法对剩余目标进行排序。这样做可使一维排列对应距离值，尽快转变成二维排列对应距离值，其中，置于分层结构横列的目标可被划入“满足嵌入条件”的集合，置于列向的目标则无法顺利嵌入上述集合。

(5) 对目标进行序列化处理。经过(4)处理的待跟踪目标，均已获得相应的位置，此时便可着手对目标进行序列化处理。简单来说，就是沿行向对目标进行顺次排列，直至全部目标串行完毕，方可对收发脉冲的时间点加以确定。

(6) 自动生成收发脉冲时序。以收发脉冲操作所存在对齐关系为切入点，将收发时序分成3类，分别是接收对齐、发射对齐和收发对齐。其中，接收对齐需要按照嵌入顺序对脉冲进行接收，确保接收期间不存在间隙，保证接收端对应计算、采集资源高度集中。发射对齐需要按照嵌入顺序对脉冲进行发射，保证各脉冲间不存在间隙，其特点在于可保证资源集中。收发对齐无需按照顺序连接收发脉冲，同时要确保各脉冲间存在一定间隔，增强其对外界干扰所具有的抵抗能力。将目标中心设为，则有：

(5)

式中:代表层常量。

事实证明，收发对齐具有资源不集中的特点，在对雷达资源进行均衡配置方面，通常可起到极为重要的作用。

作为调度时序的全新方法，嵌入分层的关键为批处理，即：在规定时间长度内，接收多个目标，配合分层、嵌入操作，对收发时序波形进行优化，获得更加简洁且清晰的全新时序。

4 仿真实验

4.1 发射时序

有关人员计划利用嵌入分层的方法展开仿真实验，对该方法所具有可行性进行系统验证。实验所模拟目标数量为20个，随机生成具体距离值，雷达可探测距离在300 km以内，以4 km为基本单位对区间段进行量化。在此过程中，将切换雷达模式所需时间控制在6.6 μs左右，对应脉冲宽度在20 μs上下浮动。实验所得柱状图如图2所示。其中，柱状图高度和目标距离的关系为正相关，1～15柱状图被划入第1层目标，16～19柱状图被划入第2层目标，20柱状图对应第3层目标。随后，有关人员通过嵌入分层的方式，分别对全部目标所需跟踪时间、3个大目标所需跟踪时间进行计算。结果表明，运用嵌入分层法可使雷达时间资源得到较为明显的节约。

图2 待跟踪目标对应嵌入分层图

4.2 接收时序

基于各目标对应收发波形所形成时序图如图3所示，柱状图所描述对象为收发脉冲的顺序，颜色值与目标的标号相对应。0代表空闲时段；1～20对应目标标号；柱状图代表目标收发时段(均成对出现)。由图3可知，图3(a)左侧有大量条纹，图3(b)中部有大量条纹，以上时段对应接收段。另外，图3(a)各条纹间均存在一定距离。

图3 收发波形对应时序图

4.3 时间效能

时间效能的计算公式为：

(6)

式中：代表使用时间，其占比越小，说明时间效能越理想。

本文所介绍仿真实验共设定了20个目标，对应层数为3层，这表示在实际使用过程中，分配时间所花费时间<各层最远目标所需时间之和。

5 未来展望

本文所讨论的嵌入分层法更适合用在目标跟踪过程中，在搜索方面所能发挥的作用有限，且文中所介绍算法，难以从不同角度及层次对雷达细节进行描述。未来，要想使相控阵雷达得到更加广泛的运用，关键是要对其配置T/R组件的方式、控制波束的方式、采样以及接收的方式进行调整，结合实际使用所积累经验，对算法加以优化，在确保其能够检测复杂海洋环境的基础上，对所适用场景进行增加。

6 结束语

作为基于任务调度与波形设计所提出的、对收发波形时间进行分配的全新方法，嵌入分层既没有采取固定波形，同时也没有大量运用自适应技术；该方法强调以目标实际距离为依据，将其划分成多个集合，再根据集合对收发时序进行分层调整。仿真实验证实，该方法所取得效果基本能够达到预期，可应用在目标密度较大的海洋环境中，确保相控阵雷达在探测、跟踪等方面的优势得到充分发挥，同时可参考信号处理机、发射机相关指标，对切换波形的策略加以调整。