一種被動相控陣雷達搜索調(diào)度算法研究

皇甫一江，楊玉亮，趙海東，江偉偉

(1. 海軍裝備部信息系統(tǒng)局，北京 100841； 2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

一種被動相控陣雷達搜索調(diào)度算法研究

皇甫一江1，楊玉亮2，趙海東2，江偉偉2

(1. 海軍裝備部信息系統(tǒng)局，北京 100841； 2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

被動相控陣雷達在一個波束周期內(nèi)可實現(xiàn)多波束寬角覆蓋，同時波束指向可快速變化。利用該特點，合理設(shè)計搜索調(diào)度算法可靈活地完成指定空域的搜索。從被動相控陣雷達波束駐留特點出發(fā)，設(shè)計了一種基于區(qū)域交疊的搜索調(diào)度算法。算法加入隨機序列控制駐留順序，可有效避免輻射源旋轉(zhuǎn)周期與駐留周期相同導(dǎo)致目標無法截獲，在仿真環(huán)境完成算法的實現(xiàn)和測試。測試結(jié)果驗證了算法的有效性。

被動相控陣；搜索調(diào)度；波束駐留；隨機序列

Abstract: Multi-beam wide-angle coverage and rapidly variable beam pointing can be simultaneously realized in one beam cycle for the passive phased array radars. The search and scheduling algorithm can be reasonably designed to search the designated airspace flexibly by using this characteristic. From the characteristics of beam dwell of the passive phased array radars, a search and scheduling algorithm is designed based on region overlapping. The targets cannot be intercepted when the rotation period of the radiation source is identical to the dwell period. The algorithm along with the random sequence controls the dwell sequence, which can effectively avoid that situation. The algorithm is implemented and tested in the simulation environment. It is verified that the algorithm is effective through the test results.

Keywords: passive phased array; search and scheduling; beam dwell; random sequence

0 引 言

被動雷達由于其作用距離遠、隱蔽性好等優(yōu)點發(fā)展迅速，而相控陣技術(shù)的多波束、多功能性、靈活性、高數(shù)據(jù)率等特點逐漸應(yīng)用到被動雷達的設(shè)計和研制中。[1]監(jiān)視空域的搜索是相控陣雷達系統(tǒng)的主要執(zhí)行任務(wù)之一，也是相控陣雷達系統(tǒng)其他功能運作的基礎(chǔ)。相控陣雷達系統(tǒng)可以按照所承擔的任務(wù)要求以及環(huán)境目標特性設(shè)計出多種不同的監(jiān)視空域樣式。[2]因此，設(shè)計合理的搜索調(diào)度算法，保證波束駐留能完成對搜索監(jiān)視空域的有效覆蓋與探測，對被動相控陣雷達至關(guān)重要。

現(xiàn)大多數(shù)研究主要針對主動搜索或者多任務(wù)的自適應(yīng)調(diào)度，例如文獻[3]提出了一種基于發(fā)射脈沖交錯的波束駐留算法，文獻[4]提出一種基于采樣周期最大公約數(shù)分區(qū)的任務(wù)實時交叉調(diào)度算法，文獻[5]提出一種基于目標威脅度的相控陣雷達自適應(yīng)調(diào)度方法等等。這些研究對多任務(wù)調(diào)度提供了很大的參考，但缺乏針對被動探測特別是被動搜索波束調(diào)度算法的研究。

本文從被動相控陣雷達波束駐留特點出發(fā)，針對平面相控陣雷達空域覆蓋范圍，以及搜索任務(wù)的方位覆蓋請求，在駐留時間內(nèi)計算區(qū)域交疊情況，完成單次多波束搜索駐留。對當前所有搜索區(qū)任務(wù)按上述方法進行迭代，完成被動相控陣雷達的搜索調(diào)度。搜索區(qū)任務(wù)需多次駐留時，駐留順序使用隨機數(shù)進行控制，避免輻射源旋轉(zhuǎn)周期與駐留周期相同導(dǎo)致目標無法截獲。通過算法的仿真測試驗證了算法的有效性。

1 搜索調(diào)度算法設(shè)計

搜索任務(wù)調(diào)度設(shè)計主要包括任務(wù)參數(shù)設(shè)計、搜索空域劃分、搜索波位編排和波束駐留算法。其中任務(wù)參數(shù)設(shè)計、搜索空域劃分、搜索波位編排等內(nèi)容受被動雷達參數(shù)和雷達探測指標等因素的影響，可參考文獻[2]、[6-7]中相關(guān)內(nèi)容進行設(shè)計。本文以對海被動相控陣雷達為基礎(chǔ)，對搜索參數(shù)進行假設(shè)，然后對波束駐留算法進行研究。

具體搜索參數(shù)設(shè)計如下：

(1) 搜索任務(wù)參數(shù)：駐留時間50 ms，頻率范圍1～2 GHz(范圍內(nèi)可任意設(shè)置)，方位范圍0°～360°(范圍內(nèi)可任意設(shè)置)，帶寬100 MHz；

(2) 搜索空域：對海探測，仰角水平0°，方位覆蓋0°～360°；

(3) 搜索波位編排：平面相控陣天線，面陣坐標覆蓋-45°～45°，采用3 dB交疊進行方位覆蓋。頻率通道帶寬為100 MHz，使用帶寬內(nèi)中心頻點計算波寬，例如：1～1.1 GHz對應(yīng)頻點1.05 GHz。中心波束指向面陣法線，由法線向面陣邊緣依次編排波束，形成搜索波位表。

1.1 空域交疊模型

本文算法主要考慮方位空域交疊，所有方位對應(yīng)一個俯仰?？沼蚪化B情況使用大地坐標方位進行設(shè)計。由于波位編排及波束控制信號的產(chǎn)生均使用面陣坐標方位，因此需進行坐標變化，具體變換方法可參考文獻[8]。

為方便對模型進行描述，作以下定義，其中方位均為大地坐標方位：

? S：搜索任務(wù)起始方位；

? E：搜索任務(wù)結(jié)束方位；

? A：面陣中第一個波束的起始方位；

? B：面陣中最后一個波束的結(jié)束方位。

S和E為搜索區(qū)任務(wù)的起始和結(jié)束方位，A和B為面陣覆蓋空域范圍的起始和結(jié)束，示意圖如圖2所示。

圖1 面陣范圍與搜索區(qū)范圍交疊情況

根據(jù)S、E、A、B的相對關(guān)系，搜索區(qū)S～E與面陣覆蓋范圍A～B有不同的交疊情況，對應(yīng)需要不同的波束駐留方法，如圖1所示。

圖2 交疊情況示例

由排列組合公式：A(4,4) = 4*3*2=24，共24種情況，歸納如表1所示。

1.2 區(qū)域邊界計算

對于上節(jié)中的交疊模型，首先找出交疊邊界在波位表中的位置，然后根據(jù)起始和結(jié)束位置的波束號完成搜索波束駐留。其中邊界A和B分別對應(yīng)波位表的第1個和最后1個波束，邊界S和E計算方法分為3種情況，如圖3所示。

表1 區(qū)域交疊情況歸納

圖3 邊界情況分類

圖3中，E為交疊區(qū)邊界，同理S作為邊界時與E的情況相同，不再贅述。

為描述計算方法，作以下定義：

? beamLocal：邊界的波束位置；

? Index：安排波束時的波束索引；

? MaxCount：相應(yīng)頻率波位表包含的波束數(shù)；

? StartAzi [Index]：波位表中第Index波束的起始方位；

? EndAzi [Index]：波位表中第Index波束的結(jié)束方位。

邊界計算方法包括以下3種：

(1) 邊界算法1：初始化Index = 0，while(Index <= MaxCount), Index ++，判斷E< EndAzi [Index]時，停止循環(huán)，此時的Index即為所求邊界波束索引；

(2) 邊界算法2：初始化Index = MaxCount，while( beamBound>0)，Index --，判斷E< StartAzi [Index]或者StartAzi [Index]> EndAzi [Index]時，停止循環(huán)，此時的Index即為所求邊界波束索引；

(3) 邊界算法3：初始化Index = 0，while(Index <= MaxCount), Index ++，判斷E< EndAzi [Index]或者StartAzi [Index]> EndAzi [Index]，停止循環(huán)，此時的Index即為所求邊界波束索引。

1.3 隨機序列生成

被動雷達搜索過程中，由于探測的目標雷達旋轉(zhuǎn)，當波束駐留周期與旋轉(zhuǎn)周期相同時，可能導(dǎo)致目標無法截獲、重要目標丟失。為了避免這種巧合，本文使用隨機序列改變駐留順序，使算法更加合理。

當系統(tǒng)設(shè)置多個搜索區(qū)任務(wù)或單個搜索區(qū)任務(wù)跨多個頻率通道時，先將搜索區(qū)任務(wù)按頻率通道拆分成多個子任務(wù)，然后按區(qū)域交疊算法對其中的單個子任務(wù)進行調(diào)度。

使用兩個隨機序列增加搜索的隨機性，其中隨機序列1用于控制所有子任務(wù)的搜索順序，隨機序列2用于控制單個子任務(wù)的波束駐留順序：

? 隨機序列1：根據(jù)搜索任務(wù)隊列中子任務(wù)的個數(shù)，假設(shè)為n，對1～n進行隨機排序，得到隨機序列1，按該序列取對應(yīng)子任務(wù)進行波束駐留；

? 隨機序列2：根據(jù)搜索任務(wù)隊列中子任務(wù)的個數(shù)，假設(shè)為n，生成一個長度為n的隨機序列2，序列中每一個數(shù)均為0或1，隨機產(chǎn)生，0表示子任務(wù)從右邊界開始搜索駐留，1表示子任務(wù)從左邊界開始搜索駐留。

2 算法實現(xiàn)

算法實現(xiàn)時建立兩個任務(wù)：搜索申請接收任務(wù)和搜索申請調(diào)度任務(wù)。任務(wù)間通信采用共享內(nèi)存。調(diào)試機模擬顯控發(fā)送搜索區(qū)任務(wù)，并使用看門狗定時器定時釋放信號量控制調(diào)度時間片，驅(qū)動任務(wù)的執(zhí)行。算法實現(xiàn)流程如圖3所示。

3 測試結(jié)果及分析

測試場景1：假設(shè)單次最多8波束駐留，面陣覆蓋范圍90°，調(diào)整面陣法線的大地坐標方位，并設(shè)置多個搜索區(qū)，使其滿足表2中的所有交疊情況，對算法進行驗證。測試輸入如表2所示。

圖4 算法實現(xiàn)流程

測試編號面陣法線指向S(°)E(°)1230°105020320609045645°03001001040

表2中，S為搜索區(qū)起始方位，E為搜索區(qū)結(jié)束方位。面陣法線為0°時面陣覆蓋大地坐標315°～45°，面陣法線為45°時面陣覆蓋大地坐標0°～90°。設(shè)計的測試用例滿足表2中6類交疊情況。通過采集調(diào)度輸出，查看搜索波束駐留情況，測試結(jié)果如表3所示。

測試結(jié)果表明，算法完成了面陣與搜索區(qū)交疊方位的全覆蓋，驗證了算法在各交疊情況的有效性。

表3 場景1測試結(jié)果

表3(續(xù))

測試場景2：假設(shè)單次最多8波束駐留，在測試頻率下波寬為4.88°，8波束可覆蓋39.04°；面陣法線指向45°，即面陣覆蓋范圍為0°～90°。設(shè)置多個與面陣交疊的搜索區(qū)，驗證駐留順序的隨機性。測試輸入如表4所示。

表4 測試場景2輸入?yún)?shù)

表4中，S為搜索區(qū)起始方位，E為搜索區(qū)結(jié)束方位。設(shè)置的搜索區(qū)均需兩次駐留，采集調(diào)度輸出，并使用matlab進行分析。搜索區(qū)1第1次駐留表示為1.1，第2次駐留表示為1.2。類似，搜索區(qū)6第1次駐留表示為6.1，第2次駐留表示為6.2。畫出200次駐留的散點圖，測試結(jié)果如圖5所示。圖中，橫坐標為駐留序號，縱坐標為搜索區(qū)的駐留情況。圖(a)、圖(b)分別對應(yīng)兩次搜索調(diào)度運行結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖5 駐留順序測試結(jié)果

由單個圖可看出，駐留順序無規(guī)律，是隨機的；兩個圖對比，標注出的點駐留波束也是隨機的。測試結(jié)果表明，各搜索區(qū)的波束駐留順序滿足隨機駐留的要求。

4 結(jié)束語

在被動相控陣雷達中，多波束、寬覆蓋應(yīng)用廣泛。本文設(shè)計了一種基于區(qū)域交疊的搜索調(diào)度算法，通過設(shè)置不同搜索區(qū)，可以靈活地覆蓋指定空域，并增加了波束駐留順序的隨機性。通過測試驗證了算法能夠滿足被動相控陣雷達的搜索波束駐留需求。本文設(shè)計的算法可為被動相控陣搜索調(diào)度提供參考。

[1] 唐永年.雷達對抗工程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2012.6.

[2] 畢增軍,等.相控陣雷達資源管理技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2016.8.

[3] 程婷,等.一種數(shù)字陣列雷達自適應(yīng)波束駐留調(diào)度算法[J].電子學報，2009(9).

[4] 葉朝謀,等.基于周期分區(qū)的相控陣雷達任務(wù)交叉調(diào)度研究[J]. 電子與信息學報，2014(2).

[5] 張浩為,等. 基于目標威脅度的相控陣雷達自適應(yīng)調(diào)度方法[J].火力與指揮控制，2016(6).

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Study on a search and scheduling algorithm of passive phased array radars

HUANGFU Yi-jiang1, YANG Yu-liang2, ZHAO Hai-dong2, JIANG Wei-wei2

(1.Information System Bureau, Naval Equipment Department, Beijing 100841; 2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN958.52

A

1009-0401(2017)03-0001-04

2017-08-10；

2017-08-22

皇甫一江(1980-)，男，技術(shù)九級，碩士，研究方向：雷達光電技術(shù)；楊玉亮(1987-)，工程師，碩士，雷達資源調(diào)度；江偉偉(1984-)，工程師，碩士，雷達數(shù)據(jù)處理；趙海東(1992-)，助理工程師，碩士，雷達資源調(diào)度。