趙志國， 丁 原， 王 雨， 房子成， 金穎濤

(1. 93534部隊， 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，采用全自動錄取模式的空中交通管制一次雷達(以下簡稱“空管雷達”)受到廣泛關(guān)注，國內(nèi)也取得了明顯進展[1-3]。近期我國引進的某型是針對空中“非合作”目標(biāo)設(shè)計的新一代S波段近程空管一次雷達，能夠在飛機起降時段提供出眾的空中監(jiān)視信息，適用于機場和航路區(qū)域的空中交通管制。該型雷達按照無人值守的要求進行設(shè)計，可以全天候、全天時完成空中監(jiān)視任務(wù)。實現(xiàn)其優(yōu)越探測性能的技術(shù)基礎(chǔ)是其適合多種復(fù)雜應(yīng)用背景的自適應(yīng)信號與信息處理技術(shù)。該信號處理技術(shù)是基于開放的“軟件化”理念進行設(shè)計，在商用單板計算機平臺上運行。在控制終端，通過本地(或者遠程)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)對工作環(huán)境和探測目標(biāo)類型的變化。本文對該型雷達的信號時序及其處理技術(shù)進行分析，并給出參數(shù)優(yōu)化的一般方法，以期在實際使用過程中充分發(fā)揮其探測性能，并為相關(guān)雷達的設(shè)計和論證提供參考。

1 雷達信號時序分析

該型空管雷達根據(jù)雷達天線的轉(zhuǎn)動速度，將360°的方位探測范圍分為若干個波束駐留時間(Time on Target，TOT)。例如，如果選擇天線轉(zhuǎn)速為10 r/min，則一般設(shè)置的TOT個數(shù)為182個。一個TOT被分成5個時間段(如圖1所示)，分別為：①自動增益控制(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填充時段(FILL)。各個時段完成的功能如下：

圖1 1個TOT時間段內(nèi)的信號時序關(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采樣噪聲差異過大，從而降低系統(tǒng)靈敏度損失或者動態(tài)范圍損失。

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

在相參積累處理時間段，該雷達設(shè)計采用3種不同信號，其時間長度分別是：1 μs+90 μs，10 μs+100 μs和10 μs+150 μs。其中1 μs和10 μs信號為短脈沖(Shortpulse，SP)，用于近距離探測，縮小雷達近距離探測盲區(qū)。90 μs，100 μs和150 μs信號為長脈沖(Longpulse，LP)，用于遠距離探測。1 μs信號的波形是沒有頻率調(diào)制的簡單矩形脈沖，10 μs，90 μs，100 μs和150 μs信號的波形是非線性調(diào)頻(Non-Linear Frequency Modulation，NLFM)矩形脈沖。另外，通過在奇偶CPI內(nèi)頻率分集和改變調(diào)頻方式，可以有效應(yīng)對目標(biāo)雷達截面積(Radar Cross Section，RCS)的起伏變化，降低雷達截面積(RCS)起伏對目標(biāo)檢測的影響[3]。

FILL用于校正天線轉(zhuǎn)動速度變化，降低CPI內(nèi)各相參積累脈沖幅度的起伏變化，保持天線轉(zhuǎn)動對信號幅度調(diào)制模式穩(wěn)定。其優(yōu)點是：第一，有利于降低相參積累損失，提高目標(biāo)的檢測性能；第二，有助于基于幅度信息準(zhǔn)確估計目標(biāo)坐標(biāo)信息，提高探測精度。

由上述分析可見，該型空管雷達的信號時序特點主要有：第一，基于CPI和TOT把方位覆蓋范圍分成固定的處理單元，對雷達探測的時間資源進行嚴(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，改善檢測性；第三，基于AGC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)計和調(diào)整目標(biāo)檢測算法。

2 信號處理分析

該型空管雷達的信號處理流程如圖2所示?？傮w上，其信號處理流程分為兩部分：一是前端快時間處理，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)通道的慢時間處理，對于目標(biāo)通道，主要包括動目標(biāo)檢測(Moving Target Detection，MTD)、過門限檢測(Detection，DET)和多普勒頻率計算(Doppler，DOP)。

圖2 信號處理流程

該型空管雷達的信號處理的主要特點如下：

第一，在一次混頻的基礎(chǔ)上，采用高采樣率完成信號的數(shù)字化處理。在一次混頻之后，通過對載頻為255 MHz的中頻信號進行300 MHz采樣，結(jié)合數(shù)字下變頻，獲取零中頻數(shù)字信號。與常規(guī)信號接收與處理流程相比，其優(yōu)點主要有兩個方面，一是減少了1次(或者2次)模擬信號混頻處理環(huán)節(jié)，有助于降低接收機噪聲系數(shù)，提高接收機的靈敏度，同時這也提高了接收鏈路的可靠性；二是采樣頻率高，基于“過采樣”技術(shù)有效降低采樣噪聲。根據(jù)AD變換理論，對于該型雷達帶寬為1.25 MHz的信號，與2.5 MHz的采樣頻率相比，采用300 MHz的采樣頻率進行采樣，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或者低波束信號，從而達到降低雜波和提高目標(biāo)探測性能的目的，該型雷達設(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)點和缺點如下：

模擬波束選擇的優(yōu)點是：在線極化和圓極化的情況下氣象處理通道均可用，可實時輸出氣象信息。其缺點是：(1)在只有一個主處理控制通道(Processing & Control Channel，PCC)的情況下，不能實現(xiàn)高/低波束選擇；(2)在波束選擇的過程中，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)點是在波束選擇的過程中，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，有利于提高對小型目標(biāo)探測性能。其缺點是在圓極化方式和只有一個主PCC的情況下，氣象處理通道不可用。因此，如果雷達的主要任務(wù)是探測空中飛行目標(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，以獲取實時氣象信息。

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

該型雷達采用的是正切類型的NLFM信號。根據(jù)其技術(shù)手冊，數(shù)字脈沖壓縮后的主副瓣比應(yīng)大于45 dB。實際測試值大于50 dB。這能夠較好地控制強回波距離副瓣對弱小目標(biāo)的遮蔽。因為以民用航空器為主要探測對象，飛行速度一般在1馬赫以內(nèi)，該類型的NLFM信號能夠較好地滿足多普勒容限要求。

從實際使用的角度出發(fā)，利用雷達的測試信號和雷達維護監(jiān)視終端(Radar Maintenance Monitor，RMM)輸出視頻選擇功能，本文測試了該正切型NLFM信號的副瓣分布特征?；緟?shù)設(shè)置為：雷達產(chǎn)生150 μs NLFM測試信號，距離位于60 nmile，方位為0°～360°，信號幅度由本地控制軟件的測試信號衰減值決定；選擇RMM輸出MTD的輸入視頻信號，以避開檢測門限的影響。所得測試結(jié)果如圖3～圖5所示。當(dāng)測試信號的衰減值為96 dB時，其結(jié)果如圖3所示，此時顯示的是測試信號脈沖壓縮之后的主瓣位置，即60 nmile，對應(yīng)的檢測概率約為80%。將測試信號的衰減值降低至39 dB，在原有主瓣實線圓環(huán)的內(nèi)外兩側(cè)各出現(xiàn)1個虛線圓環(huán)，在RMM顯示3個圓環(huán)，對應(yīng)的檢測概率約為40%，局部圖如圖4所示。兩個虛線圓環(huán)為NLFM信號經(jīng)過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)部虛線圓環(huán)距離為47.7 nmile，與主瓣的距離為12.3 nmile；較遠的距離副瓣產(chǎn)生的外部虛線圓環(huán)距離為71.8 nmile，與主瓣的距離為11.8 nmile。兩個距離副瓣之間的距離為24.1 nmile(理論值為24.2 nmile)。將測試信號的衰減值降低至27.5 dB，結(jié)果如圖5所示。兩個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(測試信號衰減值為96 dB)

圖4 RMM顯示結(jié)果-局部圖(測試信號衰減值為39 dB)

圖5 RMM顯示結(jié)果(測試信號衰減值為27.5 dB)

上述測試結(jié)果表明，正切型NLFM信號在其特殊的DPC算法之下，在距離旁瓣區(qū)域的兩端，即與主瓣最遠的位置，出現(xiàn)最大距離旁瓣。常規(guī)雷達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)脈沖壓縮信號及其脈沖壓縮方法的主要差異。

考慮到實際的主副瓣比大于50 dB，所以一些幅度非常大的回波信號在最大副瓣位置易產(chǎn)生虛警，或者遮蔽其他運動目標(biāo)。針對這一問題，基于雜波和干擾的檢測與分類理念，該型空管雷達設(shè)置了強目標(biāo)回波檢測算法，若檢測到強回波信號，由此控制選擇使用恒虛警檢測方法，消除由距離旁瓣產(chǎn)生的虛警[5]。

第四，采用軟件化設(shè)計，實時監(jiān)測并顯示系統(tǒng)參數(shù)，并開放參數(shù)調(diào)整權(quán)限。基于單板計算機，雷達信號處理和時序控制分別用LINUX系統(tǒng)下的軟件實現(xiàn)。信號處理、時序處理、數(shù)據(jù)處理、本地/遠程控制終端、本地/遠程維護與監(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，通過控制面板軟件可實時監(jiān)測系統(tǒng)運行參數(shù)、視頻管理參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)視參數(shù)、時序控制圖、信號處理圖、維護類參數(shù)和自檢狀態(tài)等。同時，系統(tǒng)運行參數(shù)、視頻管理參數(shù)、時序控制圖、信號處理圖和維護類參數(shù)等各類可調(diào)參數(shù)，共計659個，可通過控制面板軟件進行快速調(diào)整。這有助于雷達在各類地理環(huán)境和電磁環(huán)境下，完成多種探測任務(wù)。

3 參數(shù)優(yōu)化

為充分發(fā)揮該型引進空管雷達的探測效能，用戶需要根據(jù)其主要探測任務(wù)和雷達周邊的地理環(huán)境與電磁環(huán)境，對雷達參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)該型空管雷達信號及其處理方法的特點，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)雷達系統(tǒng)理論，對于Swerling Ⅰ型目標(biāo)，如果目標(biāo)的物理長度為L(m)，則F1和F2之間的最小頻率間隔為150/LMHz[6]。對于長度大于6 m的飛機，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度設(shè)置天線波束指向角和高/低波束選擇圖，并根據(jù)主要探測任務(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)檢測概率和虛警概率狀態(tài)，針對長脈沖和短脈沖分別在各個方位扇區(qū)內(nèi)設(shè)置STC。

第四，優(yōu)化調(diào)整檢測門限。雷達可供選擇的門限主要有固定低/高門限、精細多普勒低/高門限和恒虛警低/高門限。雷達主要是根據(jù)各待檢測方位-距離單元的MTD權(quán)值選擇圖狀態(tài)、雜波監(jiān)測圖狀態(tài)、強目標(biāo)監(jiān)測圖狀態(tài)在各類檢測門限之間作出選擇，同時根據(jù)虛警概率監(jiān)測控制圖的狀態(tài)在各類低/高門限之間自適應(yīng)作出選擇。若個別區(qū)域的檢測概率或者虛警概率不符合探測需求，通過檢測準(zhǔn)則控制圖，并結(jié)合STC控制圖，在個別區(qū)域設(shè)定具體檢測門限，使得區(qū)域內(nèi)的檢測性能滿足探測需求。

第五，根據(jù)雜波、干擾和異常傳播等監(jiān)測功能，進行雜波和干擾分類，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。打開或者關(guān)閉相應(yīng)功能，可進一步控制虛警概率。

第六，在設(shè)置各種控制圖的過程中需要注意各類圖的最小處理單元差異，避免因為處理單元的位置重疊引起處理沖突，限制了系統(tǒng)的探測性能。例如，檢測準(zhǔn)則控制圖的一個距離最小處理單元為16個距離分辨單元，而虛警監(jiān)視圖的距離處理單元為32個距離分辨單元。所以當(dāng)兩種控制圖重合時，強制使得檢測準(zhǔn)則控制圖擴展，從而滿足32個距離單元的處理需求。這使得部分重疊邊緣區(qū)域的檢測門限變大，檢測概率降低。

4 結(jié)束語

本文對某新型引進S波段空管雷達的信號時序及其信號處理方法進行了分析，總結(jié)了該型空管雷達信號處理方面的新特點，并根據(jù)該雷達的信號處理技術(shù)流程和特點給出了參數(shù)優(yōu)化基本方法。該型空管雷達的新特點對于國內(nèi)空管雷達等雷達設(shè)計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操作人員和技術(shù)人員的實際操作能力，從而充分發(fā)揮雷達的探測效能。