某型空管雷達(dá)信號(hào)分析及其參數(shù)優(yōu)化

趙志國(guó)， 丁 原， 王 雨， 房子成， 金穎濤

(1. 93534部隊(duì)， 天津301700； 2. 中部戰(zhàn)區(qū)空軍參謀部， 北京 100010)

0 引言

隨著民用航空的高速發(fā)展，采用全自動(dòng)錄取模式的空中交通管制一次雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“空管雷達(dá)”)受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)也取得了明顯進(jìn)展[1-3]。近期我國(guó)引進(jìn)的某型是針對(duì)空中“非合作”目標(biāo)設(shè)計(jì)的新一代S波段近程空管一次雷達(dá)，能夠在飛機(jī)起降時(shí)段提供出眾的空中監(jiān)視信息，適用于機(jī)場(chǎng)和航路區(qū)域的空中交通管制。該型雷達(dá)按照無(wú)人值守的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以全天候、全天時(shí)完成空中監(jiān)視任務(wù)。實(shí)現(xiàn)其優(yōu)越探測(cè)性能的技術(shù)基礎(chǔ)是其適合多種復(fù)雜應(yīng)用背景的自適應(yīng)信號(hào)與信息處理技術(shù)。該信號(hào)處理技術(shù)是基于開(kāi)放的“軟件化”理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，在商用單板計(jì)算機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行。在控制終端，通過(guò)本地(或者遠(yuǎn)程)控制面板軟件，可快速完成參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，有助于迅速應(yīng)對(duì)工作環(huán)境和探測(cè)目標(biāo)類(lèi)型的變化。本文對(duì)該型雷達(dá)的信號(hào)時(shí)序及其處理技術(shù)進(jìn)行分析，并給出參數(shù)優(yōu)化的一般方法，以期在實(shí)際使用過(guò)程中充分發(fā)揮其探測(cè)性能，并為相關(guān)雷達(dá)的設(shè)計(jì)和論證提供參考。

1 雷達(dá)信號(hào)時(shí)序分析

該型空管雷達(dá)根據(jù)雷達(dá)天線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，將360°的方位探測(cè)范圍分為若干個(gè)波束駐留時(shí)間(Time on Target，TOT)。例如，如果選擇天線(xiàn)轉(zhuǎn)速為10 r/min，則一般設(shè)置的TOT個(gè)數(shù)為182個(gè)。一個(gè)TOT被分成5個(gè)時(shí)間段(如圖1所示)，分別為：①自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control，AGC)，②性能監(jiān)視(Performance Monitoring，PM)，③偶數(shù)相參處理間隔(Coherent Processing Interval，CPI)，④奇數(shù)CPI，⑤填充時(shí)段(FILL)。各個(gè)時(shí)段完成的功能如下：

圖1 1個(gè)TOT時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)時(shí)序關(guān)系

AGC用于保持系統(tǒng)至A/D變換輸入端的噪聲功率水平穩(wěn)定，避免系統(tǒng)噪聲與A/D采樣噪聲差異過(guò)大，從而降低系統(tǒng)靈敏度損失或者動(dòng)態(tài)范圍損失。

PM用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢，監(jiān)視系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)。

在相參積累處理時(shí)間段，該雷達(dá)設(shè)計(jì)采用3種不同信號(hào)，其時(shí)間長(zhǎng)度分別是：1 μs+90 μs，10 μs+100 μs和10 μs+150 μs。其中1 μs和10 μs信號(hào)為短脈沖(Shortpulse，SP)，用于近距離探測(cè)，縮小雷達(dá)近距離探測(cè)盲區(qū)。90 μs，100 μs和150 μs信號(hào)為長(zhǎng)脈沖(Longpulse，LP)，用于遠(yuǎn)距離探測(cè)。1 μs信號(hào)的波形是沒(méi)有頻率調(diào)制的簡(jiǎn)單矩形脈沖，10 μs，90 μs，100 μs和150 μs信號(hào)的波形是非線(xiàn)性調(diào)頻(Non-Linear Frequency Modulation，NLFM)矩形脈沖。另外，通過(guò)在奇偶CPI內(nèi)頻率分集和改變調(diào)頻方式，可以有效應(yīng)對(duì)目標(biāo)雷達(dá)截面積(Radar Cross Section，RCS)的起伏變化，降低雷達(dá)截面積(RCS)起伏對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響[3]。

FILL用于校正天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化，降低CPI內(nèi)各相參積累脈沖幅度的起伏變化，保持天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)信號(hào)幅度調(diào)制模式穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)是：第一，有利于降低相參積累損失，提高目標(biāo)的檢測(cè)性能；第二，有助于基于幅度信息準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)坐標(biāo)信息，提高探測(cè)精度。

由上述分析可見(jiàn)，該型空管雷達(dá)的信號(hào)時(shí)序特點(diǎn)主要有：第一，基于CPI和TOT把方位覆蓋范圍分成固定的處理單元，對(duì)雷達(dá)探測(cè)的時(shí)間資源進(jìn)行嚴(yán)格有序的管理；第二，基于頻率分集和調(diào)頻方式變化，保持目標(biāo)RCS穩(wěn)定，改善檢測(cè)性；第三，基于A(yíng)GC和PM精確管理接收信道，保持接收信道狀態(tài)穩(wěn)定，便于后續(xù)設(shè)計(jì)和調(diào)整目標(biāo)檢測(cè)算法。

2 信號(hào)處理分析

該型空管雷達(dá)的信號(hào)處理流程如圖2所示?？傮w上，其信號(hào)處理流程分為兩部分：一是前端快時(shí)間處理，包括AD變換(Analogue to digital conversion，ADC)、數(shù)字下變頻(Digital Down-Conversion，DDC)、AGC、數(shù)字脈沖壓縮(Digital Pulse Compression，DPC)和波束選擇。二是氣象或者目標(biāo)通道的慢時(shí)間處理，對(duì)于目標(biāo)通道，主要包括動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(Moving Target Detection，MTD)、過(guò)門(mén)限檢測(cè)(Detection，DET)和多普勒頻率計(jì)算(Doppler，DOP)。

圖2 信號(hào)處理流程

該型空管雷達(dá)的信號(hào)處理的主要特點(diǎn)如下：

第一，在一次混頻的基礎(chǔ)上，采用高采樣率完成信號(hào)的數(shù)字化處理。在一次混頻之后，通過(guò)對(duì)載頻為255 MHz的中頻信號(hào)進(jìn)行300 MHz采樣，結(jié)合數(shù)字下變頻，獲取零中頻數(shù)字信號(hào)。與常規(guī)信號(hào)接收與處理流程相比，其優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè)方面，一是減少了1次(或者2次)模擬信號(hào)混頻處理環(huán)節(jié)，有助于降低接收機(jī)噪聲系數(shù)，提高接收機(jī)的靈敏度，同時(shí)這也提高了接收鏈路的可靠性；二是采樣頻率高，基于“過(guò)采樣”技術(shù)有效降低采樣噪聲。根據(jù)AD變換理論，對(duì)于該型雷達(dá)帶寬為1.25 MHz的信號(hào)，與2.5 MHz的采樣頻率相比，采用300 MHz的采樣頻率進(jìn)行采樣，在理論上可獲得的信噪比改善值為20.8 dB[4]。

第二，在常規(guī)模擬波束選擇方法的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)字波束選擇(如圖2所示波束選擇)功能，實(shí)現(xiàn)高低波束選擇。在目標(biāo)處理通道和氣象處理通道，為在不同距離段選擇高波束信號(hào)或者低波束信號(hào)，從而達(dá)到降低雜波和提高目標(biāo)探測(cè)性能的目的，該型雷達(dá)設(shè)置了兩種波束選擇方式，即模擬波束選擇和數(shù)字波束選擇，其主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)如下：

模擬波束選擇的優(yōu)點(diǎn)是：在線(xiàn)極化和圓極化的情況下氣象處理通道均可用，可實(shí)時(shí)輸出氣象信息。其缺點(diǎn)是：(1)在只有一個(gè)主處理控制通道(Processing & Control Channel，PCC)的情況下，不能實(shí)現(xiàn)高/低波束選擇；(2)在波束選擇的過(guò)程中，接收系統(tǒng)在靈敏度和虛警概率等方面的性能下降。數(shù)字波束選擇的優(yōu)點(diǎn)是在波束選擇的過(guò)程中，接收系統(tǒng)在靈敏度和虛警概率等方面的性能受到的影響很小，有利于提高對(duì)小型目標(biāo)探測(cè)性能。其缺點(diǎn)是在圓極化方式和只有一個(gè)主PCC的情況下，氣象處理通道不可用。因此，如果雷達(dá)的主要任務(wù)是探測(cè)空中飛行目標(biāo)，則選擇使用數(shù)字波束選擇；如果在一些特殊的情況下(如遇到極端惡劣天氣)，則選擇使用模擬波束選擇，以獲取實(shí)時(shí)氣象信息。

第三，采用基于正切型NLFM信號(hào)的數(shù)字脈沖壓縮和與之相匹配的距離旁瓣信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。

該型雷達(dá)采用的是正切類(lèi)型的NLFM信號(hào)。根據(jù)其技術(shù)手冊(cè)，數(shù)字脈沖壓縮后的主副瓣比應(yīng)大于45 dB。實(shí)際測(cè)試值大于50 dB。這能夠較好地控制強(qiáng)回波距離副瓣對(duì)弱小目標(biāo)的遮蔽。因?yàn)橐悦裼煤娇掌鳛橹饕綔y(cè)對(duì)象，飛行速度一般在1馬赫以?xún)?nèi)，該類(lèi)型的NLFM信號(hào)能夠較好地滿(mǎn)足多普勒容限要求。

從實(shí)際使用的角度出發(fā)，利用雷達(dá)的測(cè)試信號(hào)和雷達(dá)維護(hù)監(jiān)視終端(Radar Maintenance Monitor，RMM)輸出視頻選擇功能，本文測(cè)試了該正切型NLFM信號(hào)的副瓣分布特征。基本參數(shù)設(shè)置為：雷達(dá)產(chǎn)生150 μs NLFM測(cè)試信號(hào)，距離位于60 nmile，方位為0°～360°，信號(hào)幅度由本地控制軟件的測(cè)試信號(hào)衰減值決定；選擇RMM輸出MTD的輸入視頻信號(hào)，以避開(kāi)檢測(cè)門(mén)限的影響。所得測(cè)試結(jié)果如圖3～圖5所示。當(dāng)測(cè)試信號(hào)的衰減值為96 dB時(shí)，其結(jié)果如圖3所示，此時(shí)顯示的是測(cè)試信號(hào)脈沖壓縮之后的主瓣位置，即60 nmile，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)概率約為80%。將測(cè)試信號(hào)的衰減值降低至39 dB，在原有主瓣實(shí)線(xiàn)圓環(huán)的內(nèi)外兩側(cè)各出現(xiàn)1個(gè)虛線(xiàn)圓環(huán)，在RMM顯示3個(gè)圓環(huán)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)概率約為40%，局部圖如圖4所示。兩個(gè)虛線(xiàn)圓環(huán)為NLFM信號(hào)經(jīng)過(guò)DPC后出現(xiàn)的距離副瓣。其中，較近的距離副瓣產(chǎn)生的內(nèi)部虛線(xiàn)圓環(huán)距離為47.7 nmile，與主瓣的距離為12.3 nmile；較遠(yuǎn)的距離副瓣產(chǎn)生的外部虛線(xiàn)圓環(huán)距離為71.8 nmile，與主瓣的距離為11.8 nmile。兩個(gè)距離副瓣之間的距離為24.1 nmile(理論值為24.2 nmile)。將測(cè)試信號(hào)的衰減值降低至27.5 dB，結(jié)果如圖5所示。兩個(gè)幅度最大的副瓣圓環(huán)的寬度變化很小，主瓣附近的副瓣明顯增多，其占據(jù)距離寬度約為4 nmile。

圖3 RMM顯示結(jié)果-局部圖(測(cè)試信號(hào)衰減值為96 dB)

圖4 RMM顯示結(jié)果-局部圖(測(cè)試信號(hào)衰減值為39 dB)

圖5 RMM顯示結(jié)果(測(cè)試信號(hào)衰減值為27.5 dB)

上述測(cè)試結(jié)果表明，正切型NLFM信號(hào)在其特殊的DPC算法之下，在距離旁瓣區(qū)域的兩端，即與主瓣最遠(yuǎn)的位置，出現(xiàn)最大距離旁瓣。常規(guī)雷達(dá)脈沖壓縮處理后的旁瓣都是隨著與主瓣距離的增大而逐漸降低。這是與常規(guī)脈沖壓縮信號(hào)及其脈沖壓縮方法的主要差異。

考慮到實(shí)際的主副瓣比大于50 dB，所以一些幅度非常大的回波信號(hào)在最大副瓣位置易產(chǎn)生虛警，或者遮蔽其他運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。針對(duì)這一問(wèn)題，基于雜波和干擾的檢測(cè)與分類(lèi)理念，該型空管雷達(dá)設(shè)置了強(qiáng)目標(biāo)回波檢測(cè)算法，若檢測(cè)到強(qiáng)回波信號(hào)，由此控制選擇使用恒虛警檢測(cè)方法，消除由距離旁瓣產(chǎn)生的虛警[5]。

第四，采用軟件化設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示系統(tǒng)參數(shù)，并開(kāi)放參數(shù)調(diào)整權(quán)限?；趩伟逵?jì)算機(jī)，雷達(dá)信號(hào)處理和時(shí)序控制分別用LINUX系統(tǒng)下的軟件實(shí)現(xiàn)。信號(hào)處理、時(shí)序處理、數(shù)據(jù)處理、本地/遠(yuǎn)程控制終端、本地/遠(yuǎn)程維護(hù)與監(jiān)視終端等子系統(tǒng)之間用網(wǎng)絡(luò)連接。在本地控制終端，通過(guò)控制面板軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、視頻管理參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)視參數(shù)、時(shí)序控制圖、信號(hào)處理圖、維護(hù)類(lèi)參數(shù)和自檢狀態(tài)等。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、視頻管理參數(shù)、時(shí)序控制圖、信號(hào)處理圖和維護(hù)類(lèi)參數(shù)等各類(lèi)可調(diào)參數(shù)，共計(jì)659個(gè)，可通過(guò)控制面板軟件進(jìn)行快速調(diào)整。這有助于雷達(dá)在各類(lèi)地理環(huán)境和電磁環(huán)境下，完成多種探測(cè)任務(wù)。

3 參數(shù)優(yōu)化

為充分發(fā)揮該型引進(jìn)空管雷達(dá)的探測(cè)效能，用戶(hù)需要根據(jù)其主要探測(cè)任務(wù)和雷達(dá)周邊的地理環(huán)境與電磁環(huán)境，對(duì)雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)該型空管雷達(dá)信號(hào)及其處理方法的特點(diǎn)，本文給出以下參數(shù)優(yōu)化基本方法。

第一，根據(jù)干擾分布情況和周邊S波段頻率使用情況選擇工作頻率F1和F2，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)理論，對(duì)于Swerling Ⅰ型目標(biāo)，如果目標(biāo)的物理長(zhǎng)度為L(zhǎng)(m)，則F1和F2之間的最小頻率間隔為150/LMHz[6]。對(duì)于長(zhǎng)度大于6 m的飛機(jī)，25 MHz的頻率間隔將完全保持雙頻工作的得益。

第二，根據(jù)仰角波束覆蓋范圍和雜波強(qiáng)度設(shè)置天線(xiàn)波束指向角和高/低波束選擇圖，并根據(jù)主要探測(cè)任務(wù)和氣象信息的需求確定選擇模擬波束選擇或者數(shù)字波束選擇方法。

第三，根據(jù)監(jiān)控終端顯示的接收系統(tǒng)飽和分布情況，并兼顧后續(xù)檢測(cè)概率和虛警概率狀態(tài)，針對(duì)長(zhǎng)脈沖和短脈沖分別在各個(gè)方位扇區(qū)內(nèi)設(shè)置STC。

第四，優(yōu)化調(diào)整檢測(cè)門(mén)限。雷達(dá)可供選擇的門(mén)限主要有固定低/高門(mén)限、精細(xì)多普勒低/高門(mén)限和恒虛警低/高門(mén)限。雷達(dá)主要是根據(jù)各待檢測(cè)方位-距離單元的MTD權(quán)值選擇圖狀態(tài)、雜波監(jiān)測(cè)圖狀態(tài)、強(qiáng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)圖狀態(tài)在各類(lèi)檢測(cè)門(mén)限之間作出選擇，同時(shí)根據(jù)虛警概率監(jiān)測(cè)控制圖的狀態(tài)在各類(lèi)低/高門(mén)限之間自適應(yīng)作出選擇。若個(gè)別區(qū)域的檢測(cè)概率或者虛警概率不符合探測(cè)需求，通過(guò)檢測(cè)準(zhǔn)則控制圖，并結(jié)合STC控制圖，在個(gè)別區(qū)域設(shè)定具體檢測(cè)門(mén)限，使得區(qū)域內(nèi)的檢測(cè)性能滿(mǎn)足探測(cè)需求。

第五，根據(jù)雜波、干擾和異常傳播等監(jiān)測(cè)功能，進(jìn)行雜波和干擾分類(lèi)，自適應(yīng)選擇MTD濾波器組、反異步干擾功能和反異常傳播功能。打開(kāi)或者關(guān)閉相應(yīng)功能，可進(jìn)一步控制虛警概率。

第六，在設(shè)置各種控制圖的過(guò)程中需要注意各類(lèi)圖的最小處理單元差異，避免因?yàn)樘幚韱卧奈恢弥丿B引起處理沖突，限制了系統(tǒng)的探測(cè)性能。例如，檢測(cè)準(zhǔn)則控制圖的一個(gè)距離最小處理單元為16個(gè)距離分辨單元，而虛警監(jiān)視圖的距離處理單元為32個(gè)距離分辨單元。所以當(dāng)兩種控制圖重合時(shí)，強(qiáng)制使得檢測(cè)準(zhǔn)則控制圖擴(kuò)展，從而滿(mǎn)足32個(gè)距離單元的處理需求。這使得部分重疊邊緣區(qū)域的檢測(cè)門(mén)限變大，檢測(cè)概率降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某新型引進(jìn)S波段空管雷達(dá)的信號(hào)時(shí)序及其信號(hào)處理方法進(jìn)行了分析，總結(jié)了該型空管雷達(dá)信號(hào)處理方面的新特點(diǎn)，并根據(jù)該雷達(dá)的信號(hào)處理技術(shù)流程和特點(diǎn)給出了參數(shù)優(yōu)化基本方法。該型空管雷達(dá)的新特點(diǎn)對(duì)于國(guó)內(nèi)空管雷達(dá)等雷達(dá)設(shè)計(jì)與論證具有一定參考意義。給出的參數(shù)優(yōu)化基本方法有助于提高該型雷達(dá)操作人員和技術(shù)人員的實(shí)際操作能力，從而充分發(fā)揮雷達(dá)的探測(cè)效能。