傳感器功率管理的性能評(píng)估方法

高鵬程

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都，610036）

0 引言

機(jī)載平臺(tái)傳感器功率管理是指在保證傳感器任務(wù)性能的前提下盡可能的降低傳感器輻射功率[1]。傳感器功率管理有很多益處，首先，在降低平臺(tái)能耗方面，功率管理可以使傳感器輻射自身維持功能所需的能量即可，降低了能量消耗；其次，在多傳感器系統(tǒng)兼容方面，功率管理降低了本傳感器的發(fā)射功率，也降低了對(duì)本平臺(tái)其他傳感器的干擾，有利于傳感器系統(tǒng)的兼容工作；最后，在與無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)對(duì)抗方面，功率管理可以降低非合作方無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)的被截獲距離，提高本平臺(tái)的生存力[5]。

機(jī)載傳感器系統(tǒng)包含的射頻傳感器種類(lèi)繁多，從傳感器用途可分為雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、敵我識(shí)別和電子干擾等，其中已實(shí)現(xiàn)功率管理能力的傳感器有雷達(dá)[3-5]和數(shù)據(jù)鏈[6-8]，導(dǎo)航[10]、敵我識(shí)別和電子干擾[11]的功率管理也在研究突破，其中文獻(xiàn)[12]研究了雷達(dá)功率管理步進(jìn)和雷達(dá)反射截面積(RCS，Radar Cross-Section)對(duì)雷達(dá)低截獲概率(LPI, Low Probability of Intercept)探測(cè)性能的影響。文獻(xiàn)[13]研究了不同隱蔽通信管控策略下的任務(wù)性能，表明聯(lián)合速率和功率管理可以保證傳感器不被截獲的前提下有最佳的任務(wù)性能。文獻(xiàn)[14]研究了基于低截獲概率的集成多基地雷達(dá)和通信系統(tǒng)的最優(yōu)功率配置方案?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)著重于研究傳感器功率管理的實(shí)現(xiàn)方式以及使用策略，鮮有研究傳感器功率管理技/戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的關(guān)系。本文首先論述傳感器功率管理的實(shí)現(xiàn)原理，然后研究了傳感器功率管理技/戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的內(nèi)容及相互關(guān)系，最后結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真，直觀地說(shuō)明功率管理技術(shù)指標(biāo)對(duì)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的影響。

1 傳感器功率管理的實(shí)現(xiàn)原理

如圖1所示，按照功率管理量的計(jì)算依據(jù)，傳感器功率管理可分為依據(jù)距離的非合作功率管理和依據(jù)接收信號(hào)質(zhì)量的合作功率管理[15]。非合作功率管理方法適用于收發(fā)兩端不處于同一平臺(tái)的通信類(lèi)傳感器；合作功率管理方法可應(yīng)用于自收自發(fā)的雷達(dá)、無(wú)線電高度表等傳感器，也適用于通信類(lèi)傳感器。

圖1 功率管理實(shí)現(xiàn)原理

以通信類(lèi)傳感器為例來(lái)介紹兩種功率管理的實(shí)現(xiàn)原理。

1.1 非合作功率管理

非合作功率管理是基于通信雙方位置以及通信信道參數(shù)如功放功率檔位、發(fā)射/接收天線增益、路徑衰減、接收機(jī)靈敏度等參數(shù)對(duì)傳感器發(fā)射功率檔位直接進(jìn)行計(jì)算的方法。其功率管理依據(jù)為通信鏈路傳播公式：

其中，Pt為發(fā)射功率，Gtc為發(fā)射天線通信方向增益，Grc為接收天線通信方向增益，λ為發(fā)射波長(zhǎng)，Rc為通信距離，LRc為氣象損耗，Prc為接收機(jī)信號(hào)電平。

將公式(1)轉(zhuǎn)換成dB形式，有：

上式中，f為發(fā)射頻率，c為光速。

當(dāng)接收機(jī)口面電平為接收機(jī)靈敏度Smin時(shí)，有發(fā)射功率的最小需求值Ptmin。

通信鏈路公式(2)移項(xiàng)，得到通信鏈路公式(3)：

由計(jì)算的Pmint和額定的Pmaxt相減得到功控量：

其中，Pmaxt為功放最大輻射功率，表示下取整，ΔP為功率管理步進(jìn)。

1.2 合作功率管理

合作功率管理通過(guò)比較鏈路實(shí)時(shí)接收質(zhì)量和鏈路接收質(zhì)量門(mén)限實(shí)時(shí)控制輻射功率，可用接收信號(hào)功率和接受信號(hào)信噪比來(lái)表征鏈路接收質(zhì)量，這里用接收信號(hào)功率來(lái)表征。

參照公式(1)，已知傳感器發(fā)射功率為Pt，接收機(jī)電平為Pr，接收機(jī)靈敏度為Smin，因此傳感器發(fā)射功率需求值Ptmin滿(mǎn)足以下公式：

公式(2)減公式(5)得：

同樣，由公式(4)得傳感器當(dāng)前功控量。

2 傳感器功率管理的評(píng)估指標(biāo)體系

傳感器功率管理的評(píng)估指標(biāo)由技術(shù)指標(biāo)和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)組成。技術(shù)指標(biāo)表征了功率管理的硬件能力，能夠反映傳感器功率管理的精細(xì)程度，包括功率管理范圍、功率管理步進(jìn)以及功率管理精度。戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)則體現(xiàn)了傳感器功率管理對(duì)敵方無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的效果，包括被截獲距離、截獲因子等。

2.1 技術(shù)指標(biāo)定義

對(duì)于技術(shù)指標(biāo)，功率管理范圍、功率管理步進(jìn)以及精度的關(guān)系如下。

由功率實(shí)測(cè)值Pi，計(jì)算功率管理范圍Prange：

其中，max[·]和min[·]分別表示取最大值和最小值。

功率管理精度可分為步進(jìn)的精度和衰減量的精度兩種。

步進(jìn)的精度以步進(jìn)的均方根誤差表示，計(jì)算過(guò)程如下：

(1)由功率實(shí)測(cè)值Pi，計(jì)算功率管理步進(jìn)Pstep_i：

(2)由功率管理步進(jìn)的真值Ps′tep，計(jì)算功率管理步進(jìn)的均方根誤差：

其中，Ps′tep為功率管理步進(jìn)的真值。

(3)將Pstep_rmse作為功率管理精度。

衰減量的精度以衰減量的均方根誤差表示，計(jì)算過(guò)程如下：

(1)由功率實(shí)測(cè)值Pi，計(jì)算衰減量的實(shí)測(cè)值Patt_i

(2)由衰減量的期望值 _attiP′ ，計(jì)算衰減量的均方根誤差：

其中，_attiP′ 為衰減量的期望值

(3)將Patt_rmse作為功率管理精度。

比較兩種功率管理精度的處理算法，步進(jìn)精度的誤差計(jì)算都是相鄰兩個(gè)功率實(shí)測(cè)值Pi相減，因此功率管理的誤差不會(huì)累積；衰減精度的誤差計(jì)算都是功率實(shí)測(cè)值Pi與第一個(gè)功率實(shí)測(cè)值P1相減，因此功率管理的誤差會(huì)累積或者補(bǔ)償。

2.2 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)定義

不計(jì)氣象損耗，截獲方程為：

上式中，Gti為發(fā)射天線截獲方向增益，Gri為截獲天線增益，Ri為被截獲距離，PrminI為截獲接收機(jī)靈敏度。被截獲距離iR可表示為：

不計(jì)氣象損耗，探測(cè)方程為：

上式中，Gtd為雷達(dá)天線主瓣發(fā)射增益，Grd為雷達(dá)接收天線增益，σ為雷達(dá)反射截面積，Rd為雷達(dá)探測(cè)距離，PrminR為雷達(dá)接收機(jī)靈敏度。

將公式(14)移項(xiàng)，得雷達(dá)探測(cè)距離RD的表達(dá)式為：

結(jié)合公式(13)和公式(15)，截獲因子α的表達(dá)式為：

2.3 戰(zhàn)技指標(biāo)關(guān)系

將公式(16)展開(kāi)并轉(zhuǎn)換成dB形式，得：

即：

當(dāng)截獲主瓣時(shí)，Gti=Gtd，主瓣截獲因子為：

經(jīng)過(guò)以上分析，可以得出：

(1)功率管理作為傳感器的技術(shù)指標(biāo)能力，能夠影響戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)例如被截獲距離、截獲因子的大小。

(2)單個(gè)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的值由多個(gè)技術(shù)指標(biāo)的共同作用，如被截獲距離受發(fā)射功率管理、截獲方向上發(fā)射天線增益和工作頻率三個(gè)傳感器本身技術(shù)指標(biāo)影響，截獲因子受發(fā)射功率管理、發(fā)射天線增益、接收天線增益、工作頻率、接收機(jī)靈敏度等指標(biāo)共同影響。

(3)被截獲距離、截獲因子等戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)屬于上層指標(biāo)，用于表征傳感器的抗截獲能力；功率管理范圍、步進(jìn)及精度屬于底層指標(biāo)，表示傳感器自身的技術(shù)能力，技術(shù)指標(biāo)由戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)分解而來(lái)。

3 分析驗(yàn)證

針對(duì)某S波段傳感器，在內(nèi)場(chǎng)條件下測(cè)量了其功率管理的技術(shù)指標(biāo)。由于內(nèi)場(chǎng)環(huán)境限制，無(wú)法進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)如傳感器被截獲距離和截獲因子的測(cè)量，因此，將傳感器技術(shù)指標(biāo)測(cè)量結(jié)果作為輸入條件，結(jié)合傳感器的其他參數(shù)，對(duì)傳感器戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)分析

由表1可以看出，將步進(jìn)的均方根誤差作為功率管理精度與將衰減量的均方根誤差作為功率管理精度相比，步進(jìn)的均方根誤差值較小。

表1 某S頻段傳感器功率管理技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)

3.2 基于實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)仿真分析

(1)被截獲距離

由圖2分析可以得出：

圖2 傳感器主/副瓣被截獲距離

傳感器輻射功率越小，其主/副瓣被截獲距離越小，其射頻隱身能力越強(qiáng)；

針對(duì)固定參數(shù)的截獲接收機(jī)，傳感器實(shí)際的功率管理范圍與傳感器的主/副瓣被截獲距離相對(duì)應(yīng)，功率管理范圍越大，傳感器被截獲距離的下限越??；

功率管理的步進(jìn)與精度表征傳感器功率管理的精細(xì)程度，反映在被截獲距離上，不同的功率管理檔位對(duì)應(yīng)不同的被截獲距離，功率管理的步進(jìn)越小，輻射功率的設(shè)計(jì)值與需求值相差越小，對(duì)傳感器的射頻隱身管控也就越精細(xì)。

表2 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)仿真參數(shù)

(2)截獲因子

由圖3分析可以得出：

圖3 傳感器截獲因子

傳感器輻射功率越小，其主/副瓣截獲因子就越小，當(dāng)截獲因子值小于1時(shí)，表明傳感器已探測(cè)到目標(biāo)平臺(tái)而未被目標(biāo)平臺(tái)的無(wú)源探測(cè)設(shè)備截獲，傳感器具備低截獲探測(cè)能力；

當(dāng)傳感器功率管理步進(jìn)越小，精度越高，輻射功率的設(shè)計(jì)值與需求值相差越小，對(duì)傳感器的射頻隱身管控也就越精細(xì)；

當(dāng)截獲接收機(jī)未處于目標(biāo)平臺(tái)，即截獲接收機(jī)進(jìn)行副瓣截獲時(shí)，截獲因子遠(yuǎn)小于主瓣截獲時(shí)的截獲因子。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了機(jī)載傳感器功率管理的實(shí)現(xiàn)原理，分析了功率管理的技/戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和兩者之間的關(guān)系，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。分析及仿真結(jié)果均表明，傳感器功率管理量約大，傳感器的被截獲距離越小，截獲因子也越小，傳感器的抗截獲性能越好。本文主要研究了功率管理技術(shù)指標(biāo)與戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的相互關(guān)系，下一步的工作重點(diǎn)是傳感器其他低截獲概率措施下如猝發(fā)探測(cè)、低截獲概率波形等的傳感器戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)影響研究。