

摘 要：針對相控陣?yán)走_(dá)波束資源管理問題進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)研究了三坐標(biāo)有源相控陣?yán)走_(dá)自由波束的理論和實(shí)現(xiàn)問題，提出了適合于工程應(yīng)用的算法，該方法能夠依據(jù)數(shù)據(jù)處理對航跡的實(shí)時預(yù)測信息，解算高仰角目標(biāo)的動態(tài)位置，通過波束調(diào)度完成對高仰角目標(biāo)的跟蹤，實(shí)現(xiàn)70°范圍的仰角覆蓋，通過在某定型產(chǎn)品中的應(yīng)用，證明了該方法的有效性。



關(guān)鍵詞：相控陣?yán)走_(dá); 波束資源管理; 航跡預(yù)測; 自由波束

中圖分類號：N958.92-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0034-03



Beam resource management of phased-array radar



QIU Tian， GAO Jian

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100， China)



Abstract：

Beam resource management for phased-array radar is analyzed. The free beam control theory and application for 3D active phased-array radar are studied. The engineering application algorithm is offered. This algorithm based on the predicated position of moving target， which can use beam control method for high elevation target tracking， and fulfill the 70 degree elevation range cover. Its effectiveness is verified by the test results.



Keywords： phased-array radar; beam resource management; track prediction; free beam





收稿日期：2011-08-21

三坐標(biāo)雷達(dá)可以提供目標(biāo)的距離、方位和高度等信息，在空中監(jiān)視、警戒引導(dǎo)雷達(dá)、防空火控雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)中得到了廣泛的應(yīng)用。高度測量是對空三坐標(biāo)雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)。早期對目標(biāo)進(jìn)行測高的主要方法是：兩坐標(biāo)雷達(dá)加測高雷達(dá)、V波束測高雷達(dá)等。近年來發(fā)展的測高方法又主要采取兩類方法：一類是俯仰堆積多波束方法；一類是以電掃方式實(shí)現(xiàn)測高，包括頻掃、相掃、數(shù)字波束形成(DBF)、相頻掃結(jié)合等方法。對空情報雷達(dá)要求方位0~360°全覆蓋，出于成本和技術(shù)成熟性的考慮，方位機(jī)械掃描、俯仰電掃測高的三坐標(biāo)雷達(dá)在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，本文著重研究類似方位機(jī)械掃描，俯仰電掃的三坐標(biāo)搜索雷達(dá)波束管理問題。

1 空域覆蓋的權(quán)衡

空域覆蓋范圍是對空情報雷達(dá)的重要指標(biāo)之一，主要包含雷達(dá)作用距離和覆蓋高度等。為了得到足夠的雷達(dá)探測作用距離，對方位機(jī)械掃描體制的雷達(dá)而言，就需要在一次方位駐留時間內(nèi)獲得盡可能多的脈沖積累數(shù)，這樣才能有助于提高目標(biāo)探測威力或是弱小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率等指標(biāo)。但是當(dāng)一次方位駐留周期內(nèi)可能需要關(guān)注的俯仰范圍較大時(如某雷達(dá)型號要求俯仰覆蓋0~70°)，勢必存在探測威力與俯仰空域覆蓋二者之間的相互制約，要想合理解決這一矛盾，就需要從波束管理的角度，按照天線駐留時間、作用距離等約束對俯仰上安排的波束數(shù)、每個波束的指向角、俯仰波束寬度、相鄰波束之間的交疊角、每個波束內(nèi)包含多少脈沖、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率等參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計。

設(shè)計中為提高發(fā)現(xiàn)概率，雷達(dá)俯仰波束在各個不同的高度駐留時間和脈沖寬度都是不同的。根據(jù)作用距離選定能量分配形式：為合理分配仰角空域內(nèi)的能量，即低仰角區(qū)要求作用距離遠(yuǎn)，分配的能量應(yīng)多一些(圖1中Ⅰ區(qū))；中空仰角區(qū)要求的作用距離近一些，分配的能量應(yīng)少一些(圖1中Ⅱ、Ⅲ區(qū))；高空仰角區(qū)要求的作用距離更近，分配能量更少(圖1中Ⅳ區(qū))，使能量分配近似余割平方分布。三坐標(biāo)搜索雷達(dá)俯仰波束能量分配如圖1所示。

圖1 三坐標(biāo)搜索雷達(dá)俯仰波束能量分配

工程設(shè)計中，不論俯仰堆積多波束方法還是俯仰相掃方法，首先都要確定俯仰波束數(shù)目和指向角。確定了波束指向角后，通過天線遠(yuǎn)場和近場測試，可以實(shí)測得到天線在不同波束指向角上的增益G(θ)，不同的波束指向中心角sin θ=h/R。其中，h為覆蓋空域處的高度，R為對應(yīng)高度處的雷達(dá)作用距離。

雷達(dá)在未考慮積累和大氣衰減時的距離方程為：

R4max=PtGtGrσλ2(4π)3kT0FnBnL(S/N)omin

=PtσA2r4πλ2kT0BnFnL(S/N)omin

(1)

式中：Pt為雷達(dá)的發(fā)射功率；Gt為雷達(dá)發(fā)射天線的增益;Gr為接收天線的增益；σ為目標(biāo)散射截面積；λ為波長；T0為標(biāo)準(zhǔn)室溫，一般取為290 K；Bn為接收機(jī)噪聲帶寬，一般可認(rèn)為Bn≈1/τ；L為傳播與系統(tǒng)損失因子；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10－28 W/(Hz#8226;K)；Fn為系統(tǒng)噪聲系數(shù)；Ar為雷達(dá)天線的有效面積。

由雷達(dá)方程可求出不同增益雷達(dá)的作用距離，結(jié)合波束指向中心角sin θ=h/R，可以繪制出雷達(dá)在仰角覆蓋內(nèi)最大作用距離R的輪廓，即雷達(dá)威力圖。工程設(shè)計中不同波束指向的威力圖如圖2所示。

圖2 俯仰覆蓋圖

對空雷達(dá)掃描的空域中，存在大量的中低空目標(biāo)，而在某些方位角存在高仰角目標(biāo)時，就面臨威力、精度和波束指向之間的矛盾，加大波束寬度，會降低天線增益，影響威力和測角精度；采用窄波束，又存在如何滿足覆蓋空域的要求，窄波束在方位駐留期間，俯仰相掃覆蓋固定在某幾個位置，主要覆蓋中低空目標(biāo)，那么就會漏掉高空目標(biāo)，如果分出其中少數(shù)幾個波束固定指向高空，那么有可能某些方位就沒有高空目標(biāo)，同時會漏掉大量中低空目標(biāo)。為充分利用雷達(dá)能量，同時兼顧威力和測角精度，俯仰采用窄波束時，就需要將高波束設(shè)計為自由波束，即根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動情況，實(shí)時計算其中某個或某幾個波束的指向角。實(shí)現(xiàn)中可以在俯仰相掃時，在俯仰上設(shè)計N個波束指向，覆蓋目標(biāo)可能出現(xiàn)的所有高度，其中m個波束為低空波束，n個波束為自由波束，根據(jù)高空目標(biāo)的運(yùn)動情況，實(shí)時改變波束指向。固定雷達(dá)俯仰上的波束指向角，而當(dāng)已建航目標(biāo)的預(yù)測俯仰角超過一定角度時，下一圈在該目標(biāo)預(yù)測方位角上啟用自由波束，天線方位旋轉(zhuǎn)到該目標(biāo)預(yù)測方位角時，抽調(diào)最高波束到指定的仰角對目標(biāo)進(jìn)行照射，完成目標(biāo)參數(shù)的測量，天線方位旋轉(zhuǎn)超過目標(biāo)預(yù)測方位角時，如果在天線當(dāng)前方位指向角上沒有高仰角目標(biāo)，撤銷自由波束，最高波束指向角恢復(fù)為正常指向。圖3為自由波束空域覆蓋圖。

圖3 自由波束空域覆蓋圖

2 波束調(diào)度的實(shí)現(xiàn)

波束調(diào)度是否能跟蹤到關(guān)心的指定波束目標(biāo)，取決于航跡預(yù)測的精度和發(fā)送給波控機(jī)波束指向角，包括在哪個方位上啟用自由波束，在哪個方位上結(jié)束自由波束，以及在該方位上自由波束的指向角，同時由于信號處理數(shù)據(jù)處理的時間、通信的延時，所以需要準(zhǔn)確確定發(fā)送的時刻。

(1) 目標(biāo)航跡預(yù)測

數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是收到信號處理發(fā)送的目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)后，剔除虛假航跡，經(jīng)濾波相關(guān)后形成目標(biāo)的真實(shí)航跡。它包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、航跡起始、點(diǎn)跡航跡相關(guān)、航跡維持、航跡撤銷等。

(2) 波束指向解算

啟用自由波束，需要根據(jù)航跡預(yù)測結(jié)果確定啟用自由波束的方位角，同時設(shè)定自由波束的俯仰指向角。啟用自由波束的天線碼盤轉(zhuǎn)角，按照下式設(shè)計:

Preazimuth－AzimuthCode－Amend

(2)

式中:Preazimuth為目標(biāo)預(yù)測方位角；AzimuthCode為方位碼盤；Amend為修正量，用于補(bǔ)充因處理和通信延時引起的指向滯后問題；BeamWid為雷達(dá)方位波束寬度，滿足該條件時啟用自由波束，否則撤銷自由波束。

啟用自由波束時，選取方位角要考慮到天線方位碼盤過頂問題。首先要判斷過頂，由于信號處理每間隔一定時間(ms級)可以實(shí)時提供碼盤值，可以利用碼盤值來判斷過頂，當(dāng)相鄰兩次的碼盤值相減數(shù)值大于某個值，即判斷為過頂，假設(shè)碼盤值量化到12位，那么量化單位為4 096，碼盤值由4 096附近變化為0附近時，判斷為過頂。此時，啟用自由波束的天線碼盤轉(zhuǎn)角，需如下設(shè)計:

Preazimuth－AzimuthCode－Amend>PassZero

(3)

式中：PassZero為一個接近360°的方位角度值。

俯仰波束指向通過計算目標(biāo)預(yù)測俯仰角和俯仰波束指向角之間的差值確定，選取法則min|Preelevation-Beamelevation|，即選取與目標(biāo)預(yù)測俯仰角差最小的波束指向角為中心角。其中，Preelevation為目標(biāo)預(yù)測俯仰角；Beamelevation為波束俯仰指向角。

3 波束調(diào)度的應(yīng)用

(1) 高空目標(biāo)的動態(tài)跟蹤

當(dāng)目標(biāo)由遠(yuǎn)及近等高飛行時，隨著目標(biāo)的臨近，目標(biāo)發(fā)現(xiàn)仰角會逐漸增大，當(dāng)超過設(shè)定的仰角探測范圍后，目標(biāo)將會丟失，這將嚴(yán)重影響雷達(dá)自身的性能。通過引入波束調(diào)度管理功能，可以根據(jù)已有目標(biāo)航跡特性，對未來航跡預(yù)測點(diǎn)進(jìn)行自由波束調(diào)度，通過波束調(diào)度管理，能夠使雷達(dá)始終照射目標(biāo)當(dāng)前位置，從而確保高仰角目標(biāo)不丟失。

(2) 有源干擾的對抗

現(xiàn)代雷達(dá)工作環(huán)境越來越復(fù)雜，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達(dá)的抗干擾能力要求也越來越高，在搜索雷達(dá)定型試驗(yàn)中，要求雷達(dá)具備對抗掩護(hù)式干擾的能力，通過自適應(yīng)選頻和特定跟蹤(燒穿模式)相結(jié)合，完全達(dá)到了研制任務(wù)書和靶場檢飛大綱的要求。首先通過干擾指示，在有干擾指示的方位選出干擾最小的工作頻點(diǎn)，然后對建航的目標(biāo)啟動特定跟蹤，即在目標(biāo)預(yù)測方位角上，俯仰不再掃描，增加脈沖數(shù)，可以提高3 dB增益。

4 結(jié) 論

按照雷達(dá)作用距離以及空域覆蓋的要求，通過合理的波束分配管理，既可以滿足威力、精度要求，又可以實(shí)現(xiàn)高仰角目標(biāo)的動態(tài)跟蹤，并且具備有源主動干擾的實(shí)時對抗，增大自衛(wèi)式干擾源的發(fā)現(xiàn)距離。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］［美］SKOLNIK Merrill I.雷達(dá)手冊［M］.王軍，林強(qiáng)，譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2003.



［2］BLACKMAN S， POPOLI R. Design and analysis of modern tracking system [M]. Norwood MA: Artech House， 1999.



［3］FARINA A， STUDER F A. Radar data processing [M]. Beijing， China: Defense Industry Press， 1988.



［4］張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1994.



［5］趙洪濤，程婷，何子述.數(shù)字陣列雷達(dá)波束駐留調(diào)度間隔分析算法［J］.信息與電子工程，2011，9(1):17-21.



［6］張伯彥，蔡慶宇.相控陣?yán)走_(dá)的自適應(yīng)調(diào)度和多目標(biāo)數(shù)據(jù)處理技術(shù)［J］.電子學(xué)報，1997(9):1-5.



［7］程婷，何子述，李會勇.一種數(shù)字陣列雷達(dá)自適應(yīng)波束駐留調(diào)度算法［J］.電子學(xué)報，2009(9):2025-2029.



［8］曾光，盧建斌，胡衛(wèi)東.多功能相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)調(diào)度算法研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2004，26(6):14-18.



［9］盧建斌，胡衛(wèi)東，郁文賢.多功能相控陣?yán)走_(dá)實(shí)時任務(wù)調(diào)度研究［J］.電子學(xué)報，2006(4):732-736.