相控陣?yán)走_(dá)相參積累工作模式下的能量調(diào)度策略

汪潤生， 張景東， 劉志棟， 黃曉兵， 趙明旭

(中國人民解放軍63615部隊(duì)，新疆 庫爾勒 841000)

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，微小衛(wèi)星和火箭箭體等空間碎片目標(biāo)大量出現(xiàn)，低雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section,RCS)武器迅速發(fā)展，這都給空間探測雷達(dá)帶來嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

在常規(guī)方式下，雷達(dá)通過單個回波信號的能量完成對目標(biāo)的搜索和跟蹤，作用距離受限于雷達(dá)發(fā)射機(jī)增益、接收機(jī)增益、天線口徑等硬件指標(biāo)。雷達(dá)對微弱目標(biāo)的跟蹤，往往因回波信號信噪比較低而受限。在不改變雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)有硬件設(shè)施的情況下，可以通過對雷達(dá)脈沖相參積累的方式[1-4]，將多個回波的能量進(jìn)行有效累加，提高回波信號的信噪比，從而大幅提升作用距離，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離小目標(biāo)的連續(xù)穩(wěn)定跟蹤。

在空間目標(biāo)探測雷達(dá)中，相控陣?yán)走_(dá)因具有快速的波束掃描能力、靈活的波形捷變能力、豐富的多波束形成能力、高效的資源配置能力及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力等突出優(yōu)勢而受到廣泛的研究和應(yīng)用[5-7]。

相控陣?yán)走_(dá)通過資源的合理分配、能量的有效調(diào)度及工作參數(shù)的優(yōu)化控制來實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際工作效能。因此,能量的管理與調(diào)度是相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮優(yōu)勢的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對此，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量深入的研究[8-17]，這對相控陣?yán)走_(dá)性能的充分挖掘產(chǎn)生了積極的影響。

然而，這些研究都是基于相控陣?yán)走_(dá)工作在常規(guī)方式下。

在相參積累工作模式下，雷達(dá)以時間換取作用距離，在大幅提升雷達(dá)作用距離的同時，雷達(dá)的搜索效率和跟蹤數(shù)據(jù)率也急劇下降，這就意味著，必須在雷達(dá)作用距離和多目標(biāo)搜索與跟蹤能力之間做一個恰當(dāng)?shù)娜∩幔盒枰走_(dá)較強(qiáng)的空域搜索能力和較高的數(shù)據(jù)率，則選擇常規(guī)模式或較短時間的相參積累模式，若需要較大作用距離，則選擇較長時間的相參積累。顯然，常規(guī)的能量調(diào)度方式不能適應(yīng)相參積累的要求。為了實(shí)現(xiàn)相參積累工作模式下多目標(biāo)的高效搜索和穩(wěn)定跟蹤，需對相控陣?yán)走_(dá)在相參積累工作方式下的能量調(diào)度和分配進(jìn)行優(yōu)化完善。

筆者基于最遠(yuǎn)可探測距離與積累時間的變化關(guān)系，分析了相控陣?yán)走_(dá)在相參積累工作模式下的空域搜索能力和多目標(biāo)跟蹤能力，設(shè)計(jì)了多目標(biāo)跟蹤及邊搜索邊跟蹤模式下的能量調(diào)度與分配策略。結(jié)合目標(biāo)特性，進(jìn)行靈活的目標(biāo)資源分配和積累參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在各種工作方式下的能量優(yōu)化調(diào)度和分配。

結(jié)果表明，相控陣?yán)走_(dá)在相參積累工作模式下并不適合大范圍固定空域搜索，在可靠的數(shù)引信息引導(dǎo)及合適的能力調(diào)度方案下，仍可實(shí)現(xiàn)波束間多目標(biāo)的可靠穩(wěn)定跟蹤。

1 相參積累工作模式下的雷達(dá)作用距離

根據(jù)經(jīng)典雷達(dá)方程，在常規(guī)工作模式下，雷達(dá)回波功率為

(1)

式中：Pr為雷達(dá)接收到的回波信號功率;Pt為發(fā)射峰值功率;G為天線增益;Ae為雷達(dá)天線有效接收面積;σ為目標(biāo)反射面積;R為目標(biāo)距離。

當(dāng)接收到的雷達(dá)回波功率Pr為最小可檢測信號Smin時，雷達(dá)達(dá)到其最大作用距離Rmax，且有：

(2)

相參積累工作模式下，設(shè)脈沖重復(fù)周期為T0，積累時間為T，相參積累損失因子為k，GP為信號積累處理增益。

Gp=T/T0/k

(3)

則相參積累后的回波功率PrAcc為

(4)

同理，當(dāng)接收到的雷達(dá)回波功率PrAcc為最小可檢測信號Smin時，雷達(dá)達(dá)到其最大作用距離RmaxAcc，則有：

(5)

由式(2)與式(5)相比可得：

(6)

由式(6)可知，在相參積累工作模式下，目標(biāo)最遠(yuǎn)可探測距離與積累時間的四次方根成正比，圖1所示為不同大小RCS的目標(biāo)在相參積累工作模式下的最遠(yuǎn)可探測距離與積累時間的變化關(guān)系。以RCS為1 m2的目標(biāo)為例，當(dāng)雷達(dá)在常規(guī)方式下工作時，單個脈沖的作用距離僅為1500 km，在相參積累工作模式下，作用距離隨積累時間的增大而迅速提高，當(dāng)積累時間為2 s時，作用距離可達(dá)4000 km，由此可知，雷達(dá)通過相參積累工作方式，以時間換取作用距離，大幅提升了雷達(dá)作用距離。

圖1 相參積累工作模式下的作用距離與積累時間的變化關(guān)系

從圖1中還可以看出當(dāng)積累時間達(dá)到2 s以后，隨積累時間的繼續(xù)增加，雷達(dá)作用距離雖然仍在繼續(xù)提升，但提升的趨勢逐漸變緩，時間繼續(xù)累積對作用距離提升的效果在減弱。因此，相參積累工作模式下，并不是積累時間越多越好，而是要根據(jù)需要綜合考慮跟蹤數(shù)據(jù)率和作用距離來合理選擇積累時間。

2 相參積累工作方式下的空域搜索能力

相控陣?yán)走_(dá)在相參積累工作方式下可用的目標(biāo)搜索方法有：數(shù)引搜索、數(shù)引附近搜索及固定空域搜索。數(shù)引搜索指波束隨外部數(shù)據(jù)引導(dǎo)信息指向變化，進(jìn)行信號積累等處理，完成目標(biāo)捕獲，然后閉環(huán)跟蹤。數(shù)引附近搜索指在當(dāng)前數(shù)引附近設(shè)置一個隨動搜索空域，當(dāng)雷達(dá)在數(shù)引控制下未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，控制波束在設(shè)定的數(shù)引附近空域內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)搜索，直到發(fā)現(xiàn)并截獲目標(biāo)。固定空域搜索指使用固定空域搜索屏對目標(biāo)進(jìn)行截獲，設(shè)定的掃描區(qū)域大小受限于目標(biāo)穿屏?xí)r間、掃描波位數(shù)和積累時間。

2.1 數(shù)引模式

當(dāng)引導(dǎo)信息較為精確可靠時，可采用數(shù)引模式，利用引導(dǎo)信息進(jìn)行目標(biāo)精確搜索，搜索波束始終指向目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)高效的相參積累，完成目標(biāo)捕獲跟蹤。

2.2 數(shù)引附近搜索

當(dāng)引導(dǎo)信息存在一定偏差時，不能通過數(shù)引模式正常搜索到目標(biāo)，可以在數(shù)引附近一定范圍的空域?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行搜索，搜索空域隨引導(dǎo)信息移動。

若單個波位相參積累時間為tAcc，則覆蓋N個搜索波位的時間為N·tAcc。

數(shù)引附近搜索時，雖然沒有嚴(yán)格的空域遍歷周期的限制，但搜索時間隨空域波位數(shù)的增加而線性增加，搜索效率相應(yīng)下降。因此，需合理設(shè)置數(shù)引附近空域的大小，兼顧搜索效率和搜索能力。

2.3 固定空域搜索

設(shè)穿屏?xí)r間為Tpntr，要求在穿屏?xí)r間內(nèi)掃描次數(shù)為m次，方位搜索范圍為X，目標(biāo)穿屏速度為v⊥(垂直于屏方向)，目標(biāo)距離為R，波束寬度為θ(近似取方位θa≈俯仰θe)，每個波位積累時間為tAcc，波束交疊系數(shù)為α，則有：

(7)

從式(7)可以看出，在固定空域搜索屏搜索條件下，方位搜索范圍受限于最大積累時間、掃描次數(shù)、目標(biāo)距離、穿屏速度和波束寬度，尤其是與波束寬度的平方成正比。由于穿屏?xí)r間、空域遍歷次數(shù)等的限制，搜索空域設(shè)定范圍將非常有限。

典型地，取目標(biāo)距離為1000 km，穿屏速度為1 km/s，波束交疊系數(shù)為0.8，波束寬度為1°(0.017 rad)，穿屏?xí)r間內(nèi)掃描次數(shù)為3次，則搜索屏X與積累時間的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，相參積累工作模式下的固定空域搜索能力隨單個波位積累時間的增大而迅速下降，當(dāng)積累時間較長(如4 s)時搜索范圍僅限制在一個波位。

因此，相參積累工作方式下的搜索，若有可用引導(dǎo)信息且引導(dǎo)信息精確可靠，則應(yīng)采用數(shù)引模式搜索目標(biāo)。若引導(dǎo)信息存在一定偏差時，視情擴(kuò)大搜索區(qū)域在數(shù)引附近搜索。無引導(dǎo)信息時，可根據(jù)距離信息設(shè)置合理固定空域，一般不采用低效率的大范圍固定空域搜索目標(biāo)。

圖2 搜索范圍與積累時間的變化關(guān)系

3 多目標(biāo)跟蹤能力

雷達(dá)在捕獲目標(biāo)后進(jìn)入閉環(huán)跟蹤狀態(tài)，跟蹤工作模式包括單目標(biāo)跟蹤和多目標(biāo)跟蹤兩種模式。單目標(biāo)跟蹤時，系統(tǒng)全部能量用于跟蹤一個目標(biāo)，即所謂的“燒穿模式”。

多目標(biāo)跟蹤模式包括同一波束內(nèi)的多目標(biāo)跟蹤和雷達(dá)視場內(nèi)不同波束間的多目標(biāo)跟蹤兩種情況。對于同一波束內(nèi)的多目標(biāo)跟蹤，選擇波束內(nèi)某一目標(biāo)為主目標(biāo)，波束中心始終對準(zhǔn)主目標(biāo)，波束內(nèi)其他目標(biāo)作為副目標(biāo)，主副目標(biāo)采用相同的積累參數(shù)。觀測過程中，主副目標(biāo)可進(jìn)行切換。

在波束間多目標(biāo)跟蹤模式下，需要根據(jù)跟蹤目標(biāo)的特點(diǎn)(如跟蹤目標(biāo)的優(yōu)先級信息、RCS大小、目標(biāo)距離)，采用不同的積累參數(shù)，實(shí)現(xiàn)合理的資源分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

波束間多目標(biāo)跟蹤模式下可采用波束順序分組發(fā)射的方式，即針對一個目標(biāo)先發(fā)射一組(n1個)脈沖，發(fā)射完成后，切換到另一個目標(biāo)，再發(fā)射另一組(n2個)脈沖。分別對不同組的回波進(jìn)行相參積累檢測、測量，根據(jù)測量結(jié)果更新目標(biāo)的狀態(tài)信息，以維持目標(biāo)跟蹤。圖3給出了兩個目標(biāo)的順序分組發(fā)射示意圖，圖中n1和n2對應(yīng)不同目標(biāo)的積累脈沖數(shù)。

圖3 波束順序分組發(fā)射示意圖

波束間多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)周期Tti為

(8)

式中：ni為積累脈沖數(shù)；Tri為脈沖重復(fù)周期；niTri為積累時間；N為波束間跟蹤目標(biāo)數(shù)(波束內(nèi)多目標(biāo)不降低數(shù)據(jù)周期)。

在多目標(biāo)跟蹤模式下，可綜合考慮跟蹤目標(biāo)的特點(diǎn)，充分利用相控陣天線波束的靈活性，針對不同類別的跟蹤目標(biāo)選用不同的跟蹤數(shù)據(jù)率。一般取數(shù)據(jù)周期為：0.2～6 s/f。

跟蹤數(shù)據(jù)周期的確定對目標(biāo)跟蹤的連續(xù)性、可靠性和跟蹤精度有重要影響。跟蹤數(shù)據(jù)率越高，目標(biāo)跟蹤得越穩(wěn)定，但時間和信號能量的開銷越大，可跟蹤目標(biāo)數(shù)就越少。數(shù)據(jù)周期的選擇要兼顧波束間目標(biāo)數(shù)和跟蹤數(shù)據(jù)率。

圖4所示為0.2、1、3、6 s/f數(shù)據(jù)周期條件下，雷達(dá)最大可跟蹤目標(biāo)數(shù)與目標(biāo)距離的關(guān)系。

圖4 不同數(shù)據(jù)周期下目標(biāo)距離與可跟蹤目標(biāo)數(shù)關(guān)系

4 能量調(diào)度與分配策略

4.1 邊搜索邊跟蹤模式

為了兼顧對已發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤和繼續(xù)對監(jiān)視空域的搜索，相參積累模式下具備邊搜索邊跟蹤方式。在邊搜索邊跟蹤方式下，跟蹤時間安插在搜索時間之內(nèi)，以保證跟蹤精度并兼顧放寬搜索數(shù)據(jù)率的要求。

邊搜索邊跟蹤工作方式依靠相控陣天線波束掃描的靈活性和時間分割原理實(shí)現(xiàn)，示意圖如圖5所示。

圖5 邊搜索邊跟蹤方式示意圖

對于跟蹤目標(biāo)的信號積累，既可以在連續(xù)時間段內(nèi)進(jìn)行，也可以在段間進(jìn)行，段間的間隔也不必嚴(yán)格均勻，以降低對資源調(diào)度的約束。

4.2 能量調(diào)度類型

相參積累工作方式下，主要的能量調(diào)度類型如表1所示。

調(diào)度的優(yōu)先級，可對搜索景幅及目標(biāo)指定，優(yōu)先級包括5檔：全能量、關(guān)鍵、重要、次要和一般。

能量調(diào)度按優(yōu)先級順序執(zhí)行，在每一優(yōu)先級下，按跟蹤、驗(yàn)證、補(bǔ)救、搜索依次執(zhí)行。

表1 雷達(dá)調(diào)度類型

能量調(diào)度流程如圖6所示。

圖6 相參積累系統(tǒng)能量調(diào)度流程

對于數(shù)引附近搜索或固定空域搜索，如果目標(biāo)數(shù)量已知，截獲目標(biāo)數(shù)達(dá)到已知目標(biāo)數(shù)后，停止搜索；如果目標(biāo)數(shù)量未知，可按設(shè)定的搜索策略繼續(xù)搜索。

相參積累方式下的多目標(biāo)跟蹤，可根據(jù)目標(biāo)特性，進(jìn)行靈活的資源分配和積累參數(shù)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同大小目標(biāo)的有效探測。

為了提高能量分配的自由度，相參積累能量請求可采用多組脈沖串的方式，每組脈沖串長度可裝訂，積累需要在組內(nèi)和組間進(jìn)行。

4.3 能量分配原則

在進(jìn)行多目標(biāo)跟蹤或搜索加跟蹤模式工作時，為了將能量在多目標(biāo)和搜索景幅間合理分配，同時適當(dāng)控制目標(biāo)與景幅數(shù)量，確保目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定，且能有效進(jìn)行目標(biāo)搜索，需綜合考慮目標(biāo)距離和目標(biāo)RCS情況。

具體分配原則如下。

① 跟蹤目標(biāo)根據(jù)目標(biāo)實(shí)測RCS均值和當(dāng)前距離，選擇合適積累時間。

② 搜索景幅根據(jù)目標(biāo)RCS先驗(yàn)信息和大致距離信息，選擇合適積累時間。

③ 為保證目標(biāo)連續(xù)穩(wěn)定跟蹤，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)距離和數(shù)據(jù)率要求選擇合適的數(shù)據(jù)周期。

④ 多目標(biāo)跟蹤積累時間和搜索景幅積累時間之和應(yīng)小于數(shù)據(jù)周期。

5 能量統(tǒng)計(jì)與監(jiān)控

為了便于及時了解雷達(dá)資源的利用情況及調(diào)度策略的有效性，可在控制軟件界面設(shè)置能量統(tǒng)計(jì)顯示區(qū)，以便對搜索景幅、跟蹤目標(biāo)所占的雷達(dá)資源進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計(jì)顯示。能量統(tǒng)計(jì)顯示窗口如圖7所示。

圖7 能量統(tǒng)計(jì)顯示窗口

能量統(tǒng)計(jì)圖可實(shí)時顯示各個景幅和跟蹤目標(biāo)所占系統(tǒng)資源情況及空閑資源情況，可為操作人員實(shí)時調(diào)整搜索跟蹤參數(shù)提供有效參考。

6 結(jié)束語

通過合理的能量調(diào)度，選擇合適的積累時間及數(shù)據(jù)周期，利用相控陣的波束捷變能力，可以實(shí)現(xiàn)波束間多目標(biāo)的可靠穩(wěn)定跟蹤，從而充分發(fā)揮相控陣?yán)走_(dá)在相參積累工作模式下的多目標(biāo)跟蹤優(yōu)勢并顯著提升了雷達(dá)作用距離。

采用的相控陣?yán)走_(dá)相參積累工作方式下的能量調(diào)度策略物理意義直觀，在工程上容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性較強(qiáng)。