機(jī)載火控雷達(dá)典型空-空工作模式淺析*

唐玉文，何明浩，韓俊，張小涵

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引言

經(jīng)過近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]。不同的工作模式對應(yīng)不同的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，也就意味著不同的威脅等級。所以空戰(zhàn)中只有準(zhǔn)確識別藍(lán)方火控雷達(dá)空-空工作模式才能采取恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施。

文獻(xiàn)[2-12]對雷達(dá)工作模式識別做了一部分研究，但是他們的研究重點(diǎn)在于識別分類器的構(gòu)造和選擇，弱化了雷達(dá)在不同工作模式下的信號特征和內(nèi)部機(jī)理分析，然而這些卻是識別參數(shù)提取的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)工作模式識別的前提。文獻(xiàn)[13-16]對機(jī)載火控雷達(dá)工作模式的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，但主要集中在信號處理層面，對信號樣式和掃描規(guī)律的分析較少。文獻(xiàn)[17-18]對不同工作模式下雷達(dá)的探測距離做了分析。

以上文獻(xiàn)從不同角度對機(jī)載火控雷達(dá)的工作模式做了研究，但是都缺乏對于信號樣式和掃描規(guī)律的系統(tǒng)分析和總結(jié)，因此本文著重從信號樣式和掃描規(guī)律上對幾種典型的空-空工作模式展開研究。

空-空工作模式按照執(zhí)行搜索或跟蹤的任務(wù)來分，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。

1 搜索狀態(tài)的工作模式

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，威脅等級最低。

1.1 速度搜索模式

速度搜索，即檢測目標(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)探測距離的模式，主要用于對遠(yuǎn)距離迎頭(下視)目標(biāo)的探測，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，在無雜波區(qū)檢測目標(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)的探測性能。從PRF變化模式來看，VS的主要目的是盡可能地探測遠(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，一般不會頻繁變換PRF。但是由于HPRF帶來好處的同時(shí)還存在著嚴(yán)重的距離遮擋，影響目標(biāo)檢測。所以在目標(biāo)距離未知的情況下，有時(shí)為了對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)測量也需要變換多個(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。

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。

1.2 邊搜索邊測距模式

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)對其測距。該模式下能粗略顯示目標(biāo)的距離、方位和高度等信息，但不對點(diǎn)跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)。飛行員可以通過顯示器上的目標(biāo)歷程粗略觀察目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。RWS模式可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)探測，但測量精度較低，不能直接用來控制導(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距(high-PRF range-while-search,HRWS)模式和中重頻邊搜索邊測距(medium-PRF range-while-search,MRWS)模式。

1.2.1 高重頻邊搜索邊測距模式

HRWS模式下，雷達(dá)使用HPRF波形以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測，同時(shí)利用載頻線性調(diào)制實(shí)現(xiàn)無模糊測距[21]。理論上來說，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)頻測距的原理圖。

使用三角調(diào)頻測距時(shí)要求發(fā)射信號調(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目標(biāo)的多普勒頻率fd，上升段和下降段用于檢測與發(fā)射信號的頻率差

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)頻測距的方法簡單，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。因此在檢測概率較低時(shí)，不能保證在每次測量中均能獲得目標(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)頻測距法，多脈沖重復(fù)頻率測距的精度更高，但必須發(fā)射多組不同重復(fù)頻率的脈沖信號才能得到目標(biāo)的真實(shí)距離。所以MRWS模式下測距的實(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、下視全高度對目標(biāo)的搜索和測距。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。

2 跟蹤狀態(tài)的工作模式

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。

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，天線始終隨動于目標(biāo)，集中能量對一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)照射。

信號層面上，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，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)，不會頻繁切換PRF，一個(gè)PRF值可能持續(xù)很長時(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]。

3 復(fù)合狀態(tài)的工作模式

為了適應(yīng)武器發(fā)展的需要，特別是空對空“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)勢感知模式(situation awareness mode,SAM)。這類模式的威脅等級介于搜索和跟蹤之間，但由于具備多目標(biāo)攻擊能力，因此威脅等級較高。

3.1 邊掃描邊跟蹤模式

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)頻法對目標(biāo)測距，把檢測到的所有目標(biāo)的距離、角度、速度(多普勒頻率)信息都存儲在計(jì)算機(jī)里，利用這些目標(biāo)數(shù)據(jù)形成跟蹤文件，并用檢測結(jié)果進(jìn)行掃描間的相關(guān)處理來更新跟蹤文件[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。

3.2 搜索加跟蹤模式

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，搜索過程中，如果在某個(gè)波位上檢測到目標(biāo)，調(diào)度中心會申請重新探測該波位，如果再次(或多次)檢測到目標(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)的過程。

TAS模式下，跟蹤的優(yōu)先級始終高于搜索。實(shí)現(xiàn)TAS的核心是通過有效的波束調(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，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]，即對每個(gè)目標(biāo)設(shè)定一個(gè)誤差協(xié)方差門限，通過比較當(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。

3.3 態(tài)勢感知模式

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，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；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模式的過程與TAS啟動目標(biāo)跟蹤的過程類似，一般為3個(gè)階段，即RWS搜索階段；發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后進(jìn)行再探測以確認(rèn)目標(biāo)存在的再探測階段。在這個(gè)階段雷達(dá)為了減少目標(biāo)起伏帶來的影響會進(jìn)行頻率跳變以提高檢測概率[31]；確認(rèn)為目標(biāo)后雷達(dá)將調(diào)整天線中心以對準(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)可以自動轉(zhuǎn)入單目標(biāo)跟蹤模式[32]。

4 不同工作模式之間的區(qū)別聯(lián)系

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)是使用不同的信號樣式和波束掃描方式。表1簡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，無論從信號樣式或者掃描規(guī)律上來看幾乎都一樣。但從偵察的角度來說他們也并非完全不可分，因?yàn)閺膽?zhàn)術(shù)目的上來說，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的掃描范圍相對于RWS來說會更小。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，這會使得搜索完一個(gè)空域的時(shí)間顯著增加，不利于態(tài)勢的感知，這時(shí)雷達(dá)可以轉(zhuǎn)為TWS模式來改善這種狀況;另一方面，有些模式的切換則必須經(jīng)過其他模式的引導(dǎo)，例如，VS模式下要進(jìn)入STT就必須經(jīng)過RWS或TWS完成測距。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)先級目標(biāo))。

表1 典型空-空工作模式對比

5 結(jié)束語

本文針對機(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)是信號樣式和波束掃描的不同。通過細(xì)致地對比，論證了工作模式識別的可能性，并提供了識別的理論依據(jù)。