薛廣然，郗蘊(yùn)天，朱永杰，李瑞東

(西安電子工程研究所，西安　710100)

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直升機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法研究

薛廣然，郗蘊(yùn)天，朱永杰，李瑞東

(西安電子工程研究所，西安710100)

孔徑分割技術(shù)和波形捷變能力讓直升機(jī)雷達(dá)可同時(shí)形成多個(gè)波束完成不同功能，并根據(jù)不同需求選擇不同波形，因此對雷達(dá)資源管理提出更高的要求；綜合考慮時(shí)間資源、能量資源、孔徑資源的約束下，提出一種適合于多子陣直升機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法，對雷達(dá)波束和波形進(jìn)行有效調(diào)度，并通過與傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度算法進(jìn)行仿真對比，證明了該算法在調(diào)度能力、能量節(jié)約等方面的先進(jìn)性。

孔徑分割；多波束；多波形；自適應(yīng)調(diào)度

0　引言

直升機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)采用孔徑分割技術(shù)，將陣面按象限均勻、對稱地劃分為多個(gè)子陣，每個(gè)子陣接一個(gè)接收機(jī)通道。這樣雷達(dá)就可以形成多個(gè)獨(dú)立收發(fā)的波束，同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)、搜索不同空域、完成不同功能[1]。同時(shí)波束捷變能力讓相控陣?yán)走_(dá)可根據(jù)不同的任務(wù)及目標(biāo)特性使用不同的波形，以達(dá)到更好的效果。

國內(nèi)外學(xué)者在相控陣?yán)走_(dá)資源管理研究方面做了大量研究。文獻(xiàn)[2-3]中Huizing提出了時(shí)間窗的概念并加以應(yīng)用。文獻(xiàn)[4-5]進(jìn)行更深入的研究，提出加時(shí)間窗的自適應(yīng)調(diào)度算法，并給出數(shù)學(xué)模型。但這些算法都是針對單波束工作模式的相控陣?yán)走_(dá)，不能滿足直升機(jī)載控陣?yán)走_(dá)多波束、多功能、多波形的需求。為此本文在前人研究的基礎(chǔ)上考慮任務(wù)目標(biāo)的距離及目標(biāo)散射截面積(RCS)等參數(shù)，提出了基于孔徑分割的波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法。

1　建立任務(wù)模型

直升機(jī)雷達(dá)任務(wù)模型應(yīng)包含一個(gè)波束駐留的所有信息，包括任務(wù)類型、執(zhí)行時(shí)間、所用波形、作用距離等，可建立如下雷達(dá)駐留任務(wù)模型：

(1)

任務(wù)模型中task表示任務(wù)的參數(shù)集合，其中v表示任務(wù)的工作方式優(yōu)先級，et表示雷達(dá)任務(wù)的期望執(zhí)行時(shí)間，l表示任務(wù)駐留時(shí)間長度，w代表任務(wù)時(shí)間窗大小，d為任務(wù)目標(biāo)的估計(jì)距離，σ為任務(wù)目標(biāo)RCS估值，vt為雷達(dá)任務(wù)實(shí)際執(zhí)行時(shí)間，ws代表雷達(dá)任務(wù)執(zhí)行所用波形編號，wm為雷達(dá)執(zhí)行任務(wù)時(shí)雷達(dá)孔徑占用情況。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，典型的應(yīng)用在機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)上的孔徑劃分技術(shù)都將陣面分為4或8個(gè)子陣，比如美國裝配F-22戰(zhàn)機(jī)的AN/APG-77和歐洲的AMSAR。圖1所示為AN/APG-77的孔徑劃分方式。wm定義為四位二進(jìn)制數(shù)，每一位代表一個(gè)子陣的工作情況，“1”代表該子陣被占用，“0”代表該子陣空閑。那么wm的取值可以有以下幾種情況：wm=1111，即雷達(dá)處于全陣工作模式；wm=1100或wm=0011，雷達(dá)處于半陣工作模式；wm=0001、wm=0010、wm=0100或wm=1000，表示雷達(dá)處于四分之一陣工作模式。

圖1　AN/APG-77的孔徑分割前視圖

根據(jù)雷達(dá)作用距離方程可知，隨著雷達(dá)子陣工作數(shù)量的增加，雷達(dá)作用距離也會增大。如果雷達(dá)四分之一陣工作模式的作用距離為R1/4,則雷達(dá)的半陣工作模式作用距離R1/2=1.68R1/4，全陣工作模式作用距離R1=2.83R1/4。

2　算法描述

波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法在時(shí)間資源、能量資源和孔徑資源的約束下遵循以下原則：綜合優(yōu)先級高的任務(wù)優(yōu)先調(diào)度；盡可能多的利用時(shí)間資源；任務(wù)執(zhí)行時(shí)間盡可能的接近期望執(zhí)行時(shí)間；充分利用雷達(dá)孔徑資源；盡可能節(jié)約雷達(dá)能量資源。圖2為基于孔徑分割的波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法流程圖。算法具體步驟描述如下：

圖2　波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法流程圖

步驟1：從任務(wù)請求列表中提取滿足(j-1)TSI≤et≤jTSI的任務(wù)，即滿足期望執(zhí)行時(shí)間在本調(diào)度間隔內(nèi)，其中j為調(diào)度間隔序號，TSI為調(diào)度間隔長度。同時(shí)將上一個(gè)調(diào)度間隔的延遲任務(wù)加入本調(diào)度間隔的任務(wù)請求列表并清空延遲任務(wù)列表。

步驟2：計(jì)算Task中每個(gè)任務(wù)的綜合優(yōu)先級。綜合優(yōu)先級計(jì)算準(zhǔn)則[6-7]：

v=[λ·NP+(M+2-λ)ND]/(M+1)

(2)

其中：M為請求任務(wù)個(gè)數(shù)。ND和NP分別為此任務(wù)在截止期和工作方式優(yōu)先級排列中的序號，是[1,M+1]范圍內(nèi)的自然數(shù)，其中截止期排序按由小到大排序，工作方式優(yōu)先級排序按由高到低排序。

MEDF準(zhǔn)則，即λ=1時(shí)，把任務(wù)截止期作為首要考慮因素；

MHPF準(zhǔn)則，即λ=M+1時(shí)，把工作方式優(yōu)先級作為首要考慮因素；

HPEDF準(zhǔn)則，即λ在1和M+1之間時(shí)，兩種因素折中考慮。

將Task中任務(wù)按照綜合優(yōu)先級從高到低排序。wtask={task1,task2,…,taskm}，m為本調(diào)度間隔的待調(diào)度任務(wù)數(shù)。

步驟3：從待調(diào)度任務(wù)列表中提取第i個(gè)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)目標(biāo)距離估值確定任務(wù)所需雷達(dá)孔徑資源情況，若R1/2≤d≤R1則雷達(dá)孔徑占用情況wm=1111；若R1/4≤d≤R1/2，則wm=1100或wm=0011；若R1/4≤d≤R1/2，則wm=0001，wm=0010，wm=0100或wm=1000。

同時(shí)根據(jù)雷達(dá)任務(wù)類型或目標(biāo)的RCS估計(jì)值在波形庫waveform={wave1,wave2,…,waveh}中選取所需波形。其中跟蹤任務(wù)[8-9]波形選擇方法如下：

設(shè)k時(shí)刻使用波形wavel(1≤l≤n)的預(yù)估目標(biāo)回波信噪比為Save(tk,wl)，則：

(3)

(4)

其中：τe(wavel)為波形wavei的脈沖寬度；Rk為雷達(dá)距離波門的中心距離；Σk為天線和波束的電壓方向圖；Gstc為距離雷達(dá)R處的靈敏時(shí)間控制增益。

若目標(biāo)RCS服從Swerling3型分布，其理論檢測概率計(jì)算公式為：

(5)

其中：TH為雷達(dá)檢測門限，TH=10log10(-lnPfa)。具體方法參照文獻(xiàn)[10]。

對于雷達(dá)跟蹤波形的選擇要滿足一定的檢測概率，即

PD(wavel)≥PdTH

(6)

式中，PdTH為檢測概率門限。在滿足條件的波形中選擇能量消耗最小的波形；若沒有滿足條件的波形則選則發(fā)射能量最大的波形。

步驟4：確定任務(wù)駐留時(shí)間是否與其他已執(zhí)行任務(wù)沖突，如果沒有沖突轉(zhuǎn)步驟5；如果有沖突，轉(zhuǎn)步驟6。

步驟5：確定任務(wù)所需孔徑資源是否已被占用，如果任務(wù)所需孔徑資源為半陣，則按照先上半陣后下半陣的順序查看；如果所需孔徑為四分之一陣，則按照第1、第2、第3、第4子陣的順序查看。如果滿足孔徑資源限制則加入執(zhí)行列表并轉(zhuǎn)步驟2；如果不滿足，則轉(zhuǎn)步驟6。

步驟6：加時(shí)間窗調(diào)制，即在滿足max{et-w,(j-1)TSI}≤vt≤min{et+w,jTSI}的情況下再次確定任務(wù)駐留是否滿足步驟4和步驟5中的約束條件，如果滿足則加入執(zhí)行列表并轉(zhuǎn)步驟2；如果不滿足其中任意一條件則轉(zhuǎn)步驟7.

步驟7：確定任務(wù)是否滿足et+w≥jTSI，即滿足下一調(diào)度間隔，如果滿足則將該任務(wù)加入延遲列表；否則加入刪除列表。轉(zhuǎn)步驟2.

3　算法仿真及結(jié)果分析

仿真場景中雷達(dá)采用對稱四子陣的孔徑分割方法，設(shè)置雷達(dá)任務(wù)請求包括敵我識別、高優(yōu)先級跟蹤、中優(yōu)先級跟蹤、通信、低優(yōu)先級跟蹤和搜索六種任務(wù)類型，其工作方式優(yōu)先級依次降低。雷達(dá)波形庫有編號1～7共7種波形，其中編號1～4為跟蹤波形、5為搜索波形，其波形參數(shù)如表1所示；編號6和7波形分別為敵我識別任務(wù)波形和通信任務(wù)波形波形。假設(shè)雷達(dá)最大作用距離為20 km，即R1=20 km，則可設(shè)R1/2=12km、R1/4=7km。仿真任務(wù)目標(biāo)距離為(2km,20km)內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。一個(gè)調(diào)度間隔長度設(shè)為50 ms。

表1　任務(wù)請求參數(shù)

在仿真場景1中，設(shè)置一個(gè)調(diào)度間隔的任務(wù)請求，任務(wù)請求參數(shù)如表2所示。分別用傳統(tǒng)單波束自適應(yīng)調(diào)度算法和基于孔徑分割的波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法分別對雷達(dá)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度并對比。

表3和4分別為兩種調(diào)度算法的調(diào)度結(jié)果。由調(diào)度結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度算法成功調(diào)度了5個(gè)任務(wù)請求，雷達(dá)全部采取全陣工作模式，跟蹤任務(wù)波形全部采取4號波形；波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法將任務(wù)請求全部成功調(diào)度，雷達(dá)用不同的子陣同時(shí)完成不同的功能任務(wù)，跟蹤任務(wù)根據(jù)不同目標(biāo)要求采用不同的跟蹤波形。由對比可知，波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法有更大的任務(wù)調(diào)度容量，可根據(jù)目標(biāo)的不同合理的分配孔徑資源和能量資源，具有更好的自適應(yīng)性，并節(jié)約更多的雷達(dá)能量資源。

表2　任務(wù)請求參數(shù)

表3　傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度算法調(diào)度執(zhí)行結(jié)果

表4　本文算法調(diào)度執(zhí)行結(jié)果

仿真場景2中，對兩種調(diào)度算法在不同任務(wù)請求數(shù)量情況下進(jìn)行仿真及性能對比。任務(wù)請求中6種任務(wù)的任務(wù)數(shù)量比例為2:1:2:2:3:10，最大任務(wù)請求數(shù)為400；每種任務(wù)請求仿真20個(gè)調(diào)度間隔，即仿真時(shí)長為1 s，任務(wù)期望執(zhí)行時(shí)間隨機(jī)出現(xiàn)在仿真時(shí)間內(nèi)，任務(wù)目標(biāo)的RCS估計(jì)值為(0.5 m2,3 m2)內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，分別進(jìn)行100次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)分別對調(diào)度任務(wù)丟失率(SDR)、平均時(shí)間利用率(TUR)、系統(tǒng)能量消耗率(ECR)和平均時(shí)間偏移率(ATSR)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最后取其平均值。仿真結(jié)果如下：

圖3為兩種調(diào)度算法的任務(wù)調(diào)度丟失率的對比圖，由圖3可以看出調(diào)度丟失率隨著任務(wù)請求數(shù)的增加不斷增大，但基于孔徑分割的波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法任務(wù)調(diào)度丟失率一直都小于傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度算法，體現(xiàn)了更好的調(diào)度性能。

圖3　任務(wù)調(diào)度丟失率對比圖

圖4　系統(tǒng)時(shí)間利用率對比圖

圖5　系統(tǒng)能量消耗率對比圖

圖6　平均時(shí)間偏移率對比圖

圖4為兩種調(diào)度算法的系統(tǒng)時(shí)間利用率對比圖，由于本文調(diào)度算法有4個(gè)子陣，相當(dāng)于有4個(gè)時(shí)間軸，所以開始任務(wù)數(shù)量較少時(shí)會有子陣時(shí)間資源空閑，時(shí)間利用率相對較低，但隨著任務(wù)數(shù)量的增加且逐漸達(dá)到飽和，兩種算法的時(shí)間利用率逐漸趨于相等，穩(wěn)定值為0.96。

由圖5可知相同任務(wù)請求數(shù)的條件下，本文算法能量消耗要明顯低于傳統(tǒng)調(diào)度算法，這是因?yàn)楸疚恼{(diào)度算法根據(jù)不同目標(biāo)參數(shù)來合理分配孔徑資源及波形，盡可能的保證精度的情況下節(jié)約了能量資源。

圖6為兩種算法的平均時(shí)間偏移率對比圖，在任務(wù)請求不多時(shí)，本文調(diào)度算法中有相對充裕的時(shí)間資源供任務(wù)選擇，所以偏移率相對較小，但逐漸調(diào)度達(dá)到飽和，兩種調(diào)度算法的平均時(shí)間偏移率逐漸趨于相等。

4　結(jié)論

綜上所述，基于孔徑分割的波束波形聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)度算法在時(shí)間、能量、孔徑資源的約束下有效地對任務(wù)請求進(jìn)行調(diào)度，并合理地分配孔徑及波形。通過仿真對比，該算法在調(diào)度任務(wù)丟失率(SDR)、平均時(shí)間利用率(TUR)、系統(tǒng)能量消耗率(ECR)和平均時(shí)間偏移率(ATSR)4個(gè)指標(biāo)上，調(diào)度性能均優(yōu)于傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度算法。

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Research on Joint Adaptive Scheduling Algorithm of Beam and Waveform for Helicopter-borne Phased Array Radars

Xue Guangran,Xi Yuntian,Zhu Yongjie,Li Ruidong

(Xi′an Electronic Engineering Research Institute,Xi′an710100,China)

Based on the aperture partition and the ability of waveform agility,helicopter-borne radar can form multi-beams to perform different functions at the same time,using different waveform according to different situations,which propose a higher expectation for radar resource management. Considering time,energy and aperture resource,a joint adaptive scheduling algorithm of beam and waveform which adapts to the Helicopter-borne Phased Array Radars is proposed. Comparing with the traditional one,the algorithm is proved effect and advance by simulations.

aperture partition; multi-beam; multi-waveform; adaptive scheduling

1671-4598(2016)04-0163-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.048

TP311

A

2015-10-11；

2015-11-13。

薛廣然(1989-)，男，吉林扶余人，碩士，助理工程師，主要從事二維相控陣?yán)走_(dá)資源管理方向的研究。

郗蘊(yùn)天(1991-)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事雷達(dá)信號處理方向的研究。