雷達(dá)天線掃描周期精確測量技術(shù)研究

康志勇，李仙茂，張范軍

（1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢430033；2.海司第四部，北京100000）

0 引言

不同型號雷達(dá)的天線掃描周期一般不同。天線掃描周期一旦確定后，不會過多地進(jìn)行更改，特別是艦載雷達(dá)和機(jī)載雷達(dá)，工作模式不變情況下單獨(dú)更改天線掃描周期的可能性非常小。天線掃描周期信息通常具有較長的生命周期，可作為雷達(dá)輻射源識別的一項(xiàng)重要作戰(zhàn)技術(shù)參數(shù)［1］。高精度的雷達(dá)天線掃描周期測量可為目標(biāo)融合提供準(zhǔn)確的特征參數(shù)，提高目標(biāo)相容性判別的準(zhǔn)確率。

天線掃描周期的測量方法較為簡單，過去一般通過測量相鄰兩次雷達(dá)照射的時(shí)間間隔來確定天線掃描周期，但是一次雷達(dá)照射的持續(xù)時(shí)間比較短，常常被忽略，導(dǎo)致雷達(dá)天線掃描周期的測量精度受到雷達(dá)照射持續(xù)時(shí)間影響。本文通過研究一次雷達(dá)照射持續(xù)時(shí)間內(nèi)的脈沖族信息，提出一種新的雷達(dá)天線掃描周期測量方法，能夠在一定程度上提高該參數(shù)的測量精度和穩(wěn)定度，該方法既比較經(jīng)濟(jì)，又可自動、快速進(jìn)行。

1 雷達(dá)天線掃描周期的測量思路

雷達(dá)為了探測到各個(gè)方位的目標(biāo)，通常利用雷達(dá)天線的機(jī)械轉(zhuǎn)動使得信號波束能夠在不同方位上掃描，相控陣體制雷達(dá)通過相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)機(jī)械掃描雷達(dá)天線同樣的波束掃描效果［2-3］。雷達(dá)天線的掃描類型一般包括：圓周掃描（環(huán)形掃描）、扇形掃描、圓錐掃描、矩形掃描等［4］。雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)動一般按照一定的周期重復(fù)進(jìn)行，稱最小的時(shí)間周期為雷達(dá)天線掃描周期。

在滿足一定的信號偵收條件下，雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動一個(gè)周期，就會對偵察設(shè)備進(jìn)行一次（或多次）照射。一次照射的持續(xù)時(shí)間非常短，一般在幾十毫秒以上［5］。雷達(dá)偵察一般通過測量雷達(dá)照射的時(shí)間間隔來計(jì)算雷達(dá)天線掃描周期，比如圓周掃描雷達(dá)的天線掃描周期為第一次照射到第二次照射之間的時(shí)間間隔。一次雷達(dá)照射有一定的持續(xù)時(shí)間，所以一次照射的時(shí)間具有多選性，可以說某次照射時(shí)間為照射開始時(shí)，也可以說某次照射時(shí)間為照射結(jié)束后，或說成期間的任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。為了準(zhǔn)確計(jì)算前后兩次照射之間的時(shí)間間隔，應(yīng)該在每一次照射時(shí)間內(nèi)取一個(gè)同樣的參考時(shí)刻。

偵察設(shè)備在雷達(dá)一次照射時(shí)間內(nèi)偵獲的脈沖信號個(gè)數(shù)一般有十幾個(gè)到上百個(gè)，稱為一族（群）脈沖。在一族脈沖數(shù)據(jù)里，每個(gè)脈沖都有自己的脈沖到達(dá)時(shí)間。脈沖族里第一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間稱為整個(gè)脈沖族的到達(dá)時(shí)間，脈沖族里最后一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間稱為整個(gè)脈沖族的結(jié)束時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間的差值稱為脈沖族的持續(xù)時(shí)間，也就是照射持續(xù)時(shí)間。

那么用脈沖族哪個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間來作為雷達(dá)照射時(shí)間的參考時(shí)刻最為準(zhǔn)確呢？為了得到比較穩(wěn)定的測量結(jié)果，雷達(dá)照射時(shí)間選擇的參考時(shí)刻應(yīng)該具有最高的穩(wěn)定性。所以，在此有必要研究脈沖族數(shù)據(jù)分析的相關(guān)理論。

2 脈沖族數(shù)據(jù)分析的相關(guān)理論

雷達(dá)信號脈沖族是雷達(dá)信號發(fā)射后，經(jīng)過一定的空間傳播，被偵察天線偵收，經(jīng)過一定的分析處理后得到的用來描述目標(biāo)信號特征的脈沖數(shù)據(jù)組合。一族脈沖通常對應(yīng)一次雷達(dá)照射，如果多部雷達(dá)同時(shí)對偵察設(shè)備進(jìn)行照射，則會出現(xiàn)多族脈沖數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上交叉重疊的現(xiàn)象，分析時(shí)一般要將屬于不同輻射源的多族脈沖數(shù)據(jù)分開。

根據(jù)目標(biāo)雷達(dá)輻射電磁波的基本特性和信號偵收時(shí)的幾何模型，一族脈沖數(shù)據(jù)一般包括主瓣部分和副瓣部分［6］。比如：在滿足信號偵收的條件下，偵察設(shè)備天線方位固定不變，雷達(dá)天線進(jìn)行方位掃描，每次照射（方位對準(zhǔn)）到偵察設(shè)備天線時(shí)，都是其信號波束的副瓣部分先對準(zhǔn)偵察設(shè)備天線，然后是主瓣部分對準(zhǔn)，最后再是副瓣部分對準(zhǔn)。所以，偵察設(shè)備偵獲的脈沖族數(shù)據(jù)也相應(yīng)地包括主瓣部分和副瓣部分，如圖1所示。該脈沖族包含了兩個(gè)副瓣部分和一個(gè)主瓣部分，主瓣部分的脈沖幅度比副瓣部分的脈沖幅度大。

圖1 包含主副瓣的脈沖族

雷達(dá)天線波束副瓣是天線附加產(chǎn)物［7］，并不是雷達(dá)所需要的，所以一般采用高主副瓣增益比來降低副瓣對雷達(dá)探測產(chǎn)生的副作用，但在副瓣方向上還是有電磁波輻射。而實(shí)際雷達(dá)信號偵察時(shí)，因?yàn)樾盘栐趥鞑サ冗^程受到各種信號衰減，可能導(dǎo)致雷達(dá)副瓣信號未被偵察設(shè)備偵收，甚至連主瓣部分都不能完全被偵收，如圖2所示。該脈沖族僅包含部分的主瓣脈沖數(shù)據(jù)。這是因?yàn)椴糠置}沖信號幅度低于檢測門限，未被偵收處理，造成脈沖數(shù)據(jù)的丟失。脈沖數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，信號傳播環(huán)境越差脈沖數(shù)據(jù)丟失越嚴(yán)重。通常情況下主瓣部分的脈沖數(shù)據(jù)比副瓣部分的脈沖數(shù)據(jù)要穩(wěn)定得多，因?yàn)橹靼瓴糠值拿}沖幅度相對副瓣部分的脈沖幅度大很多，更不容易造成脈沖數(shù)據(jù)丟失。雷達(dá)信號波束的主瓣和副瓣之間為波束零點(diǎn)位置，該位置的信號無增益，越靠近該位置的信號增益越小。所以相應(yīng)的脈沖族數(shù)據(jù)的主瓣部分和副瓣部分之間會有若干脈沖幅度比較低，甚至出現(xiàn)低于門限值而造成脈沖丟失的現(xiàn)象，圖1中在脈沖族主瓣部分右邊的零點(diǎn)位置附近就丟失了一個(gè)脈沖。

圖2 僅包含主瓣的脈沖族

3 雷達(dá)天線掃描周期脈沖族測量法

雷達(dá)天線掃描周期的脈沖族測量法就是利用脈沖族數(shù)據(jù)分析理論來對雷達(dá)天線掃描周期進(jìn)行精確測量。為了更形象地對該方法進(jìn)行說明，本文采集了某雷達(dá)輻射源信號的脈沖族數(shù)據(jù)，其主副瓣脈沖幅度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1所示的脈沖族是在信號環(huán)境較好的情況下偵獲的，其信號的主副瓣數(shù)據(jù)較為完整，未出現(xiàn)較多的脈沖丟失現(xiàn)象。通過研究脈沖族數(shù)據(jù)的主副瓣分布規(guī)律，知道主瓣脈沖部分具有較高的穩(wěn)定度，所以在確定雷達(dá)照射時(shí)間時(shí)應(yīng)該選擇脈沖族主瓣部分的脈沖到達(dá)時(shí)間。

一般來說，選擇主瓣部分的脈沖到達(dá)時(shí)間有三種方法。第一種方法是選擇波束零點(diǎn)位置（如圖1中A點(diǎn)位置）的脈沖到達(dá)時(shí)間作為雷達(dá)照射時(shí)間，其優(yōu)點(diǎn)是該位置是脈沖幅度大小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，容易區(qū)分，選取比較準(zhǔn)確，一般誤差在1 到2個(gè)PRI時(shí)間范圍內(nèi)，其缺點(diǎn)是在信號環(huán)境較差時(shí)，波束零點(diǎn)位置附近的脈沖丟失較為嚴(yán)重，選取誤差變大。第二種方法是選擇主瓣脈沖數(shù)據(jù)中脈沖幅度最高（如圖1中B 點(diǎn)位置）的脈沖到達(dá)時(shí)間作為雷達(dá)照射時(shí)間，其優(yōu)點(diǎn)是脈沖幅度最高的脈沖容易選取，在信號的主瓣波束寬度較窄時(shí)，該方法取得的脈沖到達(dá)時(shí)間具有較高穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是當(dāng)雷達(dá)主瓣波束寬度較寬或采用相控陣體制時(shí)，脈沖族中有較多位置具有最高幅度值，選取穩(wěn)定性不高。第三種方法是選取脈沖族主瓣部分全部脈沖的到達(dá)時(shí)間均值作為雷達(dá)照射時(shí)間，該方法雖然計(jì)算量較大，但是具有非常高的穩(wěn)定性，因?yàn)楫?dāng)檢測門限增大或信號衰減增大時(shí)，脈沖族主瓣前后兩個(gè)增益零點(diǎn)位置附近的脈沖丟失程度不會相差太大，保證了主瓣脈沖的脈沖到達(dá)時(shí)間均值比較平穩(wěn)，最大測量誤差一般在若干個(gè)PRI范圍內(nèi)。在選取主瓣脈沖數(shù)據(jù)時(shí)，一般從脈沖幅度最高處向前后進(jìn)行遍歷，當(dāng)出現(xiàn)脈沖丟失現(xiàn)象（脈沖丟失會導(dǎo)致PRI翻倍）或遇見波束零點(diǎn)位置時(shí)，認(rèn)為是主瓣部分的端點(diǎn)。

以上三種方法中，第三種方法應(yīng)用范圍最為廣泛，是測量雷達(dá)天線掃描周期最可靠的方法。該方法有利于在雷達(dá)天線掃描周期測量時(shí)，通過脈沖數(shù)據(jù)脈沖到達(dá)時(shí)間信息的自動計(jì)算來實(shí)現(xiàn)測量，其測量精度和穩(wěn)定度都比較高。但是利用該方法對雷達(dá)天線掃描周期進(jìn)行測量時(shí)，要保證脈沖族數(shù)據(jù)的獨(dú)立性，不能與其他脈沖族數(shù)據(jù)相交迭，所以還要對該方法的可行性進(jìn)行論證。

4 可行性分析

在復(fù)雜的雷達(dá)信號環(huán)境下，各種雷達(dá)信號一起被雷達(dá)偵察設(shè)備偵收，形成數(shù)據(jù)量巨大的全脈沖數(shù)據(jù)。是否能在大量的全脈沖數(shù)據(jù)中分選出目標(biāo)雷達(dá)信號主瓣部分的脈沖數(shù)據(jù)，首先要看該雷達(dá)信號的脈沖數(shù)據(jù)是否與其他雷達(dá)信號交迭在一起。下面對目標(biāo)雷達(dá)信號被一次交迭和被連續(xù)多次交迭進(jìn)行概率分析。

假設(shè)在目標(biāo)雷達(dá)信號載頻附近范圍內(nèi)，可同時(shí)偵獲到環(huán)境中的9個(gè)與之工作頻率近似的雷達(dá)信號，即全脈沖數(shù)據(jù)中有10個(gè)輻射源的脈沖數(shù)據(jù)，每個(gè)脈沖族的主瓣部分持續(xù)時(shí)間都為40ms，天線的掃描周期都為4s，偵收到的所有雷達(dá)信號在時(shí)間上相互獨(dú)立分布，且偵收時(shí)間都是隨機(jī)的。則在4s可偵收到10個(gè)雷達(dá)信號，目標(biāo)雷達(dá)信號和另外一個(gè)指定雷達(dá)信號在主瓣部分相互分開的概率為99%，所以目標(biāo)雷達(dá)信號和其他所有雷達(dá)信號的主瓣部分都相互分開的概率：

若目標(biāo)雷達(dá)信號的脈沖族數(shù)據(jù)與其它雷達(dá)信號的脈沖數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上交迭，則可用其它脈沖族數(shù)據(jù)分選方法把目標(biāo)脈沖族數(shù)據(jù)從相互交迭的全脈沖數(shù)據(jù)中提取出來。以上所說的目標(biāo)載頻范圍就是在載頻上對目標(biāo)信號進(jìn)行的一種分選［8］。對目標(biāo)雷達(dá)信號脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行分選的方法還有PRI分選法、脈寬分選法等［9-10］。通過這些方法對目標(biāo)雷達(dá)信號進(jìn)行脈沖數(shù)據(jù)綜合分選，能有效提取目標(biāo)雷達(dá)信號的脈沖族數(shù)據(jù)，使得雷達(dá)天線掃描周期的脈沖族測量方法的可行性得到保證。

5 結(jié)束語

本文提出的雷達(dá)天線掃描周期脈沖族測量法，是在研究脈沖族形成過程、基本組成、要素穩(wěn)定性等相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，對雷達(dá)照射時(shí)間做更為精確的分析，從而實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)天線掃描周期的高精度測量，并通過脈沖族數(shù)據(jù)分選的可能性分析證明了該方法的可行性?！?/p>

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