唐玉文,何明浩,韓俊,張小涵
(空軍預(yù)警學(xué)院,湖北 武漢 430019)
經(jīng)過(guò)近80年的發(fā)展,當(dāng)前機(jī)載火控雷達(dá)已經(jīng)成為先機(jī)戰(zhàn)機(jī)遂行多樣化作戰(zhàn)任務(wù)最重要的電子傳感器之一。不同的工作環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)雷達(dá)的功能要求也不同,為了適應(yīng)這種要求,雷達(dá)系統(tǒng)必須針對(duì)可能面臨的不同任務(wù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的工作模式才能滿足高速的任務(wù)切換。以AN/APG-77雷達(dá)為例,為了適應(yīng)復(fù)雜的空戰(zhàn)環(huán)境,僅空對(duì)空就設(shè)計(jì)了多達(dá)十幾種工作模式[1]。不同的工作模式對(duì)應(yīng)不同的戰(zhàn)術(shù)任務(wù),也就意味著不同的威脅等級(jí)。所以空戰(zhàn)中只有準(zhǔn)確識(shí)別藍(lán)方火控雷達(dá)空-空工作模式才能采取恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。
文獻(xiàn)[2-12]對(duì)雷達(dá)工作模式識(shí)別做了一部分研究,但是他們的研究重點(diǎn)在于識(shí)別分類器的構(gòu)造和選擇,弱化了雷達(dá)在不同工作模式下的信號(hào)特征和內(nèi)部機(jī)理分析,然而這些卻是識(shí)別參數(shù)提取的關(guān)鍵,也是實(shí)現(xiàn)工作模式識(shí)別的前提。文獻(xiàn)[13-16]對(duì)機(jī)載火控雷達(dá)工作模式的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究,但主要集中在信號(hào)處理層面,對(duì)信號(hào)樣式和掃描規(guī)律的分析較少。文獻(xiàn)[17-18]對(duì)不同工作模式下雷達(dá)的探測(cè)距離做了分析。
以上文獻(xiàn)從不同角度對(duì)機(jī)載火控雷達(dá)的工作模式做了研究,但是都缺乏對(duì)于信號(hào)樣式和掃描規(guī)律的系統(tǒng)分析和總結(jié),因此本文著重從信號(hào)樣式和掃描規(guī)律上對(duì)幾種典型的空-空工作模式展開(kāi)研究。
空-空工作模式按照?qǐng)?zhí)行搜索或跟蹤的任務(wù)來(lái)分,可以粗劃分為搜索狀態(tài)的工作模式、跟蹤狀態(tài)的工作模式和復(fù)合狀態(tài)的工作模式。每種狀態(tài)的工作模式又可以劃分為很多子模式。
搜索狀態(tài)的典型工作模式主要包括速度搜索(velocity search,VS)模式和邊搜索邊測(cè)距(range-while-search,RWS)模式。這類工作模式的典型特征是雷達(dá)只發(fā)現(xiàn)目標(biāo)而不進(jìn)行跟蹤,威脅等級(jí)最低。
速度搜索,即檢測(cè)目標(biāo)速度信息,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)存在,但不能給出目標(biāo)距離信息。速度搜索模式是體現(xiàn)雷達(dá)最遠(yuǎn)探測(cè)距離的模式,主要用于對(duì)遠(yuǎn)距離迎頭(下視)目標(biāo)的探測(cè),能夠提供目標(biāo)的速度、方位、俯仰等參數(shù)。戰(zhàn)術(shù)上一般用于威脅告警和遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo),數(shù)據(jù)率低,不能引導(dǎo)武器攻擊,是威脅等級(jí)較低的一種工作模式。
該模式的典型特征是雷達(dá)采用高脈沖重復(fù)頻率(high pulse repetition frequency,HPRF)波形,在無(wú)雜波區(qū)檢測(cè)目標(biāo)。一般而言,X波段機(jī)載火控雷達(dá)的HPRF范圍大致在100~300 kHz之間。而為了保證高速迎頭目標(biāo)落入無(wú)雜波區(qū),VS模式下要求雷達(dá)的最小PRF應(yīng)當(dāng)滿足[19]
(1)
式中:v0為載機(jī)速度;vtmax為目標(biāo)最大速度。
這種高的PRF設(shè)計(jì)不僅能使得目標(biāo)落入無(wú)雜波區(qū),而且還能在發(fā)射脈沖寬度和峰值功率一定的情況下有效提高平均發(fā)射功率和一次駐留內(nèi)的回波脈沖數(shù),從而顯著提高雷達(dá)的探測(cè)性能。從PRF變化模式來(lái)看,VS的主要目的是盡可能地探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo),所以在重頻運(yùn)用上為了最大化相參積累時(shí)間,一般不會(huì)頻繁變換PRF。但是由于HPRF帶來(lái)好處的同時(shí)還存在著嚴(yán)重的距離遮擋,影響目標(biāo)檢測(cè)。所以在目標(biāo)距離未知的情況下,有時(shí)為了對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量也需要變換多個(gè)重復(fù)頻率[20],但是這種變換不同于中重頻條件下的多重PRF解模糊,它的變換頻度更低、單一重頻持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。
掃描上,VS模式采用典型的逐行掃描方式,可以為1行,2行或4行,方位掃描范圍:±15°,±30°或±60°,天線搜索中心可按需調(diào)整,搜索周期較長(zhǎng)。
RWS模式是現(xiàn)代機(jī)載火控雷達(dá)最常用的搜索工作模式之一,主要用于搜索目標(biāo)的同時(shí)對(duì)其測(cè)距。該模式下能粗略顯示目標(biāo)的距離、方位和高度等信息,但不對(duì)點(diǎn)跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)。飛行員可以通過(guò)顯示器上的目標(biāo)歷程粗略觀察目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。RWS模式可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)探測(cè),但測(cè)量精度較低,不能直接用來(lái)控制導(dǎo)彈攻擊,因此威脅程度較低。
根據(jù)使用的PRF高低RWS模式可以具體劃分為高重頻邊搜索邊測(cè)距(high-PRF range-while-search,HRWS)模式和中重頻邊搜索邊測(cè)距(medium-PRF range-while-search,MRWS)模式。
1.2.1 高重頻邊搜索邊測(cè)距模式
HRWS模式下,雷達(dá)使用HPRF波形以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè),同時(shí)利用載頻線性調(diào)制實(shí)現(xiàn)無(wú)模糊測(cè)距[21]。理論上來(lái)說(shuō),發(fā)射2段不同調(diào)制斜率的調(diào)頻脈沖串即可算出目標(biāo)的不模糊距離。但實(shí)際上,當(dāng)目標(biāo)個(gè)數(shù)大于1時(shí),兩段式的調(diào)頻測(cè)距將出現(xiàn)距離幻影(ghosting)現(xiàn)象,導(dǎo)致不能得到目標(biāo)的真實(shí)距離。因此實(shí)際中常常加入一段不調(diào)頻的脈沖串用于解決距離幻影問(wèn)題。具體方法是:發(fā)射3段不同調(diào)制斜率的脈沖波形,即1段頻率固定的脈沖串和2段不同調(diào)制斜率的脈沖串(一般是三角調(diào)制或者2段不同斜率的雙正斜調(diào)制)。以三角調(diào)制為例,圖1為調(diào)頻測(cè)距的原理圖。
使用三角調(diào)頻測(cè)距時(shí)要求發(fā)射信號(hào)調(diào)制的正負(fù)斜率數(shù)值相同,調(diào)制方向相反。三段中,不調(diào)頻段脈沖串用于檢測(cè)目標(biāo)的多普勒頻率fd,上升段和下降段用于檢測(cè)與發(fā)射信號(hào)的頻率差
Δf1=ktr-fd,
(2)
Δf2=ktr+fd.
(3)
聯(lián)立式(2),(3)可以計(jì)算出目標(biāo)回波的延時(shí):
(4)
由于調(diào)制斜率已知,根據(jù)式(4)即可解算出目標(biāo)的不模糊距離。與多重PRF解模糊法相比,調(diào)頻測(cè)距的方法簡(jiǎn)單,但是精度較低,約為幾千米[22],并且要求至少在連續(xù)2段不同調(diào)制斜率的脈沖串中均能檢測(cè)到目標(biāo)才有可能計(jì)算出目標(biāo)的距離和速度。因此在檢測(cè)概率較低時(shí),不能保證在每次測(cè)量中均能獲得目標(biāo)距離用于維持目標(biāo)跟蹤[21]。
1.2.2 中重頻邊搜索邊測(cè)距模式
MRWS模式下雷達(dá)使用中重頻(medium pulse repetition frequency,MPRF)波形,主要用于改善后半球探測(cè)性能。變化樣式上,多采用PRF組變方式用以解距離和速度模糊。相比于HRWS的調(diào)頻測(cè)距法,多脈沖重復(fù)頻率測(cè)距的精度更高,但必須發(fā)射多組不同重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)才能得到目標(biāo)的真實(shí)距離。所以MRWS模式下測(cè)距的實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜,并且由于將一次駐留內(nèi)的時(shí)間切分成多塊分配給了不同PRF,從而使得一個(gè)相參處理間隔內(nèi)的脈沖數(shù)減少,相參處理增益降低,導(dǎo)致雷達(dá)的探測(cè)距離下降。所以,實(shí)際中為了克服使用單一MRWS或HRWS存在的不足,RWS模式下通常中高重頻交替使用以適應(yīng)上視、下視全高度對(duì)目標(biāo)的搜索和測(cè)距。掃描上RWS與VS模式類似,方位一般為:±15°,±30°或±60°,俯仰:1行,2行或4行,掃描周期較大,多為s量級(jí)。
本文定義的跟蹤狀態(tài)的工作模式指的是單純執(zhí)行跟蹤任務(wù)而不進(jìn)行搜索的一類工作模式。典型的空-空跟蹤工作模式是單目標(biāo)跟蹤(single-target tracking,STT)模式。這種類型的工作模式測(cè)量精度和數(shù)據(jù)率都很高,可以直接控制武器進(jìn)行精確打擊,具有最高的威脅等級(jí)。
STT模式下,雷達(dá)的主要目的是連續(xù)、精確地獲取目標(biāo)的方位、距離和速度信息[23]。因此掃描上,天線始終隨動(dòng)于目標(biāo),集中能量對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)照射。
信號(hào)層面上,STT模式主要使用MPRF波形和HPRF波形。由于STT模式一般是由TWS,TAS或者SAM模式引導(dǎo)轉(zhuǎn)換而來(lái),此時(shí)雷達(dá)已經(jīng)粗略掌握了目標(biāo)的不模糊距離和速度信息,所以沒(méi)有必要再利用多重PRF解模糊。這種情況下,雷達(dá)為了增加駐留期內(nèi)脈沖積累數(shù),不會(huì)頻繁切換PRF,一個(gè)PRF值可能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。例如美軍的AN/APG-73雷達(dá)工作于STT模式時(shí),為了給AIM-7導(dǎo)彈提供照射,只單獨(dú)使用HPRF波形[24]。
為了適應(yīng)武器發(fā)展的需要,特別是空對(duì)空“發(fā)射后不管”導(dǎo)彈的發(fā)展,要求現(xiàn)代機(jī)載雷達(dá)不僅要有單目標(biāo)跟蹤能力,還必須具備多目標(biāo)跟蹤能力[13]。這就促使了復(fù)合狀態(tài)工作模式的出現(xiàn)。這類模式的特點(diǎn)是兼具搜索和跟蹤能力,主要包括邊掃描邊跟蹤(track-while-scan,TWS)模式、搜索加跟蹤(track-and-search,TAS)模式和態(tài)勢(shì)感知模式(situation awareness mode,SAM)。這類模式的威脅等級(jí)介于搜索和跟蹤之間,但由于具備多目標(biāo)攻擊能力,因此威脅等級(jí)較高。
TWS模式是機(jī)載火控雷達(dá)常用的一種工作模式,指的是在搜索狀態(tài)下利用相關(guān)技術(shù)跟蹤已發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)。這種模式既可以用于機(jī)械掃描雷達(dá),也可以用于相控陣?yán)走_(dá)。但是在相控陣?yán)走_(dá)中應(yīng)用TWS技術(shù)時(shí)的跟蹤性能不如機(jī)械掃描雷達(dá)[25]。該模式下天線處于搜索狀態(tài)的掃描方式,采用多重PRF組變或調(diào)頻法對(duì)目標(biāo)測(cè)距,把檢測(cè)到的所有目標(biāo)的距離、角度、速度(多普勒頻率)信息都存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里,利用這些目標(biāo)數(shù)據(jù)形成跟蹤文件,并用檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行掃描間的相關(guān)處理來(lái)更新跟蹤文件[26]。TWS工作模式功能框圖如圖2所示。
TWS的跟蹤是通過(guò)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)的,不消耗額外的雷達(dá)波束資源。這使得雷達(dá)跟蹤和搜索的數(shù)據(jù)率完全一樣[27],所以TWS模式下的目標(biāo)跟蹤精度遠(yuǎn)不如STT模式,但好處是可以在一個(gè)較大的范圍內(nèi)跟蹤多個(gè)目標(biāo)。
信號(hào)樣式上,TWS模式與RWS模式基本一致,主要為HPRF波形和MPRF波形。有時(shí)為了獲得良好的全向探測(cè)性能,TWS模式常常在掃描中交替使用2種波形,并且這種交替不僅在行與行之間而且在幀與幀之間也是交替的。圖3為掃描示意圖。
TAS是相控陣?yán)走_(dá)特有的工作模式,它利用相控陣天線靈活的波束調(diào)度將搜索任務(wù)和跟蹤任務(wù)分別對(duì)待,交替執(zhí)行,使得不僅跟蹤和搜索可以采用不同的數(shù)據(jù)率,而且對(duì)不同目標(biāo)也可以采用不同的數(shù)據(jù)率。這種跟蹤和搜索分時(shí)工作的方式使得TAS模式能夠提供比TWS模式更高的跟蹤精度和更加靈活的資源調(diào)度,因此在相控陣機(jī)載火控雷達(dá)中得到廣泛應(yīng)用。
TAS模式下,每個(gè)目標(biāo)經(jīng)歷的狀態(tài)包括搜索、確認(rèn)、跟蹤、小搜(重新捕獲)和航跡終結(jié)[15-16, 28]。確認(rèn)指的是,搜索過(guò)程中,如果在某個(gè)波位上檢測(cè)到目標(biāo),調(diào)度中心會(huì)申請(qǐng)重新探測(cè)該波位,如果再次(或多次)檢測(cè)到目標(biāo)則認(rèn)為是確定目標(biāo),而不是虛警[15]。小搜指的是由于目標(biāo)機(jī)動(dòng)等原因而丟失跟蹤時(shí),雷達(dá)為了盡快發(fā)現(xiàn)失跟的目標(biāo),會(huì)在目標(biāo)丟失的小范圍空域進(jìn)行搜索以盡快重新捕獲該目標(biāo)。TAS的一個(gè)典型時(shí)序如圖4所示。圖中T1到T4表示的是跟蹤時(shí)間,不同的寬度表示不同的駐留時(shí)間;跟蹤間隔Ts為搜索時(shí)間;Td表示的是一個(gè)搜索、確認(rèn)的過(guò)程。
TAS模式下,跟蹤的優(yōu)先級(jí)始終高于搜索。實(shí)現(xiàn)TAS的核心是通過(guò)有效的波束調(diào)度和駐留時(shí)間分配,使得每次照射都能保證目標(biāo)被有效檢測(cè),且跟蹤精度達(dá)到要求[14]。其中典型的調(diào)度方法是基于協(xié)方差的調(diào)度思想[29-30],即對(duì)每個(gè)目標(biāo)設(shè)定一個(gè)誤差協(xié)方差門限,通過(guò)比較當(dāng)前的誤差協(xié)方差值與門限協(xié)方差值從而實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度。信號(hào)樣式上,區(qū)分搜索和跟蹤,搜索波形類似RWS,跟蹤波形類似STT。
SAM模式有時(shí)也叫RWS-SAM模式,是雷達(dá)RWS模式下的一個(gè)子模式,主要用于在單目標(biāo)跟蹤的同時(shí)保持對(duì)一定空域的搜索,等效于分時(shí)的STT加上RWS。該模式同時(shí)具有跟蹤和搜索2種工作狀態(tài):跟蹤狀態(tài)與STT模式類似,為連續(xù)相參信號(hào),重復(fù)間隔值變換不頻繁,數(shù)據(jù)率較高,波束駐留時(shí)間通常在秒級(jí);搜索狀態(tài)與RWS,TWS相似,數(shù)據(jù)率較低,波束駐留時(shí)間較短。
由RWS轉(zhuǎn)入SAM模式的過(guò)程與TAS啟動(dòng)目標(biāo)跟蹤的過(guò)程類似,一般為3個(gè)階段,即RWS搜索階段;發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后進(jìn)行再探測(cè)以確認(rèn)目標(biāo)存在的再探測(cè)階段。在這個(gè)階段雷達(dá)為了減少目標(biāo)起伏帶來(lái)的影響會(huì)進(jìn)行頻率跳變以提高檢測(cè)概率[31];確認(rèn)為目標(biāo)后雷達(dá)將調(diào)整天線中心以對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),進(jìn)入SAM模式。進(jìn)入SAM模式后雷達(dá)的典型掃描特征是,波束周期性地跳到目標(biāo)波位進(jìn)行照射,持續(xù)一段時(shí)間后跳回到之前的波位繼續(xù)空域搜索,2種狀態(tài)周期性交替進(jìn)行。SAM模式的跟蹤精度可以充分滿足武器發(fā)射的要求。當(dāng)有重要威脅目標(biāo)出現(xiàn)在一定距離之內(nèi),以及當(dāng)需要以全部雷達(dá)資源去跟蹤一個(gè)特定的目標(biāo)時(shí),雷達(dá)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)入單目標(biāo)跟蹤模式[32]。
盡管機(jī)載火控雷達(dá)的工作模式眾多,但本質(zhì)上講,雷達(dá)采用不同的工作模式就是為了實(shí)現(xiàn)不同的戰(zhàn)術(shù)目的,直接表現(xiàn)是使用不同的信號(hào)樣式和波束掃描方式。表1簡(jiǎn)要列出了幾種典型模式的特點(diǎn)。
從以上梳理可以發(fā)現(xiàn),有些工作模式由于它們的特殊用途,在信號(hào)和掃描樣式上明顯區(qū)別于其他模式,例如VS模式和STT模式。而有些模式則十分相近,特別是TWS模式和RWS模式,無(wú)論從信號(hào)樣式或者掃描規(guī)律上來(lái)看幾乎都一樣。但從偵察的角度來(lái)說(shuō)他們也并非完全不可分,因?yàn)閺膽?zhàn)術(shù)目的上來(lái)說(shuō),TWS為了實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤,特別是維持多目標(biāo)攻擊能力,必須保持相對(duì)較高的數(shù)據(jù)率才能保證目標(biāo)航跡的連續(xù)性以及武器發(fā)射所要求的跟蹤精度,所以TWS的掃描范圍相對(duì)于RWS來(lái)說(shuō)會(huì)更小。這就給兩者的區(qū)分提供了一定的依據(jù)。
各種工作模式的聯(lián)系則主要體現(xiàn)在相互轉(zhuǎn)換上。例如,由于跟蹤往往需要較高的數(shù)據(jù)率,所以當(dāng)需要跟蹤的目標(biāo)數(shù)目較多時(shí),TAS模式將消耗大量的雷達(dá)資源,這會(huì)使得搜索完一個(gè)空域的時(shí)間顯著增加,不利于態(tài)勢(shì)的感知,這時(shí)雷達(dá)可以轉(zhuǎn)為TWS模式來(lái)改善這種狀況;另一方面,有些模式的切換則必須經(jīng)過(guò)其他模式的引導(dǎo),例如,VS模式下要進(jìn)入STT就必須經(jīng)過(guò)RWS或TWS完成測(cè)距。圖5描述了典型情況下機(jī)載火控雷達(dá)空-空工作模式的轉(zhuǎn)換關(guān)系(圖5中HPT指高優(yōu)先級(jí)目標(biāo))。
表1 典型空-空工作模式對(duì)比
本文針對(duì)機(jī)載火控雷達(dá)幾種典型的空-空工作模式,從戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)2個(gè)層面作了系統(tǒng)地分析和總結(jié),重點(diǎn)梳理了各個(gè)模式的信號(hào)特點(diǎn)和掃描規(guī)律。指出工作模式的本質(zhì)區(qū)別是為了實(shí)現(xiàn)不同的戰(zhàn)術(shù)目的,直接表現(xiàn)是信號(hào)樣式和波束掃描的不同。通過(guò)細(xì)致地對(duì)比,論證了工作模式識(shí)別的可能性,并提供了識(shí)別的理論依據(jù)。