李軍俠

(中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

0 引 言

波形設(shè)計(jì)[1–2]是艦載雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其中發(fā)射接收時(shí)序是雷達(dá)波形主要因素之一。從發(fā)射接收時(shí)序上現(xiàn)代雷達(dá)包括脈沖雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)2 種體制，軍用艦載雷達(dá)大部分采用收發(fā)分離的脈沖體制，脈沖體制增強(qiáng)發(fā)射與接收的隔離度有利于提高探測(cè)距離。脈沖體制分成了功能相對(duì)獨(dú)立的發(fā)射與接收2 個(gè)時(shí)間段，發(fā)射段發(fā)射機(jī)輻射信號(hào)，接收段不輻射信號(hào)接收并處理輻射信號(hào)的目標(biāo)回波。發(fā)射時(shí)段占整個(gè)工作周期的百分比就是雷達(dá)工作波形的重要參數(shù)脈沖占空比，不同占空比的波形與雷達(dá)工作模式緊密相關(guān)，雷達(dá)按照脈沖占空比分為低占空比、中占空比和高占空比三類[3]。這種傳統(tǒng)劃分方式可利用收發(fā)分配措施提高脈沖使用密度，相控陣?yán)走_(dá)逐漸具有高占比波形。

相控陣?yán)走_(dá)[4–5]多采用脈沖模式，為雷達(dá)多功能即多目標(biāo)跟蹤和搜索提供了最佳時(shí)間分配手段，相控陣?yán)走_(dá)也多被定位為整條艦船甚至編隊(duì)中最重要的探測(cè)預(yù)警設(shè)備。相控陣?yán)走_(dá)調(diào)度多項(xiàng)任務(wù)時(shí)需要合理優(yōu)化時(shí)間資源，這是相控陣?yán)走_(dá)顯著的工作特點(diǎn)。這里從雷達(dá)波形角度采用一定自動(dòng)調(diào)整的方式分配收發(fā)時(shí)間，進(jìn)一步提高雷達(dá)波形的收發(fā)效率。雷達(dá)一旦進(jìn)入目標(biāo)指示狀態(tài)或目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，目標(biāo)的距離已經(jīng)獲知，那么基于發(fā)射時(shí)間點(diǎn)與接收時(shí)間點(diǎn)也相應(yīng)確定，因此接收段正確匹配雷達(dá)發(fā)射的脈沖即可獲得目標(biāo)信息。傳統(tǒng)雷達(dá)由于機(jī)械掃描式運(yùn)動(dòng)制約了波形效能發(fā)揮，跟蹤目標(biāo)模式采用單目標(biāo)逐次跟蹤方式，必然容易造成時(shí)間資源浪費(fèi)。對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)械掃描方式，相控陣?yán)走_(dá)采用電子波束：控制切換雷達(dá)波束，波束的賦形與指向調(diào)整都是在瞬間完成，這一控制時(shí)間遠(yuǎn)小于目標(biāo)機(jī)動(dòng)周期，與雷達(dá)波形的切換時(shí)間相當(dāng)或處于同一量級(jí)。

從計(jì)算機(jī)操控角度講，傳統(tǒng)跟蹤目標(biāo)模式屬于信號(hào)層面的串行進(jìn)程[6]，一個(gè)目標(biāo)回波接收后開始照射接收另一目標(biāo)回波；使用相控陣跟蹤雷達(dá)后目標(biāo)跟蹤轉(zhuǎn)為并行進(jìn)程，減少了雷達(dá)收發(fā)之間的等待時(shí)間。從相控陣?yán)走_(dá)執(zhí)行任務(wù)角度講，相控陣?yán)走_(dá)的任務(wù)調(diào)度與這里波形層面的收發(fā)時(shí)間分配有一定交叉。相控陣?yán)走_(dá)調(diào)度方式包括固定模版法、多模版方法、部分模版法和自適應(yīng)調(diào)度法四類[7]，其中自適應(yīng)調(diào)度法的脈沖交錯(cuò)方式[8–10]考慮了迭代雙脈沖交錯(cuò)提高時(shí)間效率，該方法是完全時(shí)間自適應(yīng)方法，而本文基于大時(shí)間片劃分多目標(biāo)批處理的思路在硬件時(shí)序和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)上存在較大差異，屬于一種新的設(shè)計(jì)思路。

1 相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)波形時(shí)間分配方法

1.1 波形收發(fā)時(shí)序邏輯

相控陣?yán)走_(dá)是多功能性表現(xiàn)為可以搜索可以跟蹤，其最突出的優(yōu)勢(shì)是跟蹤能力，尤其體現(xiàn)對(duì)抗飽和攻擊的態(tài)勢(shì)情況下，這時(shí)僅相控陣?yán)走_(dá)有能力完成“一對(duì)多”的目標(biāo)跟蹤任務(wù)。傳統(tǒng)跟蹤雷達(dá)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)只能跟蹤單一目標(biāo)，相控陣?yán)走_(dá)通過波束快速切換實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多批次、多目標(biāo)“同時(shí)跟蹤”。

但是相控陣?yán)走_(dá)的傳統(tǒng)模式未采用雷達(dá)目標(biāo)的已知信息，前面目標(biāo)探測(cè)后下一目標(biāo)接著探測(cè)，接著后續(xù)目標(biāo)接著探測(cè)；相比較而言，新模式采用了雷達(dá)目標(biāo)的已知信息，根據(jù)目標(biāo)位置的差異自動(dòng)建立分層模式，并且根據(jù)目標(biāo)距離遠(yuǎn)近盡量采用嵌入式即發(fā)射-發(fā)射-接收-接收模式。傳統(tǒng)模式與新嵌入分層模式的差異采用圖示說明更清晰，如圖1 所示。

圖中顯示了3 個(gè)待跟蹤目標(biāo)，傳統(tǒng)模式下順次逐個(gè)跟蹤目標(biāo)，新模式下目標(biāo)2 嵌入目標(biāo)1 的收發(fā)周期內(nèi)部，目標(biāo)3 未能嵌入其中，目標(biāo)3 在目標(biāo)1 接收脈沖段后發(fā)射脈沖并接收回波脈沖,即目標(biāo)3 與目標(biāo)1 屬于不同層次。根據(jù)上述圖示原理，這里給出嵌入分層方法跟蹤探測(cè)多目標(biāo)的技術(shù)特點(diǎn)：

圖1 嵌入分層模式的效果圖Fig. 1 Effect picture of embedding layered pattern

1）根據(jù)雷達(dá)硬件特點(diǎn)，確定相控陣模式切換時(shí)間，相控陣?yán)走_(dá)硬件調(diào)整時(shí)間、波形發(fā)射及脈沖寬度等因素決定目標(biāo)照射過程需要一定的相控陣模式切換時(shí)間為：

其中：Tshi ft為雷達(dá)硬件調(diào)整的時(shí)間，Tτ為雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度。

2）設(shè)計(jì)待跟蹤目標(biāo)間的時(shí)間嵌入關(guān)系

待跟蹤目標(biāo)i比待跟蹤目標(biāo)j（i,j為排序編號(hào)）的距離大兩個(gè)時(shí)間分辨率，則滿足雙目標(biāo)之間的嵌入關(guān)系，其計(jì)算公式如下：

其中目標(biāo)i,j滿足排序關(guān)系i

1.2 嵌入分層波形時(shí)序方法

基于嵌入分層的收發(fā)波形時(shí)間分配方法包含6 個(gè)基本步驟，其流程圖如圖2 所示。

圖2 嵌入分層波形時(shí)序方法流程圖Fig. 2 Flow chart of embedding layered waveform timing method

1）接收多批待跟蹤目標(biāo)

在允許時(shí)間內(nèi)接收多批待跟蹤目標(biāo)，接收時(shí)段結(jié)束后將全部待跟蹤目標(biāo)一同處理，不采用文獻(xiàn)[8]逐個(gè)目標(biāo)接收的方式，這里在單位時(shí)間內(nèi)分組形式接收盡量多的待跟蹤目標(biāo)。

2）量化雷達(dá)探測(cè)距離與目標(biāo)距離

同時(shí)考慮到目標(biāo)探測(cè)距離范圍，將探測(cè)距離范圍以模式切換時(shí)間為最小時(shí)間粒度劃量化為整數(shù)個(gè)時(shí)間點(diǎn)；

根據(jù)波形切換時(shí)間與脈沖周期計(jì)算脈沖駐留時(shí)間，接收時(shí)段采用發(fā)射相同的時(shí)間長(zhǎng)度。雷達(dá)探測(cè)范圍決定了發(fā)射脈沖與接收脈沖之間隔為：

式中：R為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的距離；c為光在探測(cè)環(huán)境中的傳播速度。

因此每個(gè)目標(biāo)i對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)滿足：

式中：Ti1與Ti2分別表示發(fā)射脈沖時(shí)間點(diǎn)和接收脈沖時(shí)間點(diǎn)， round()表示四舍五入取整處理。

將整個(gè)距離區(qū)間段劃分后必然造成某些目標(biāo)回波存在跨區(qū)間段問題，通過適當(dāng)增加區(qū)間段長(zhǎng)度可以解決。需要特別指出，時(shí)間切換量化間隔過大或波形范圍劃分過粗將會(huì)導(dǎo)致超近距目標(biāo)無(wú)法探測(cè)。

3）排序待跟蹤目標(biāo)距離值

將待跟蹤目標(biāo)距離值由大到小排序，這是嵌入分層方法的關(guān)鍵步驟，排序后目標(biāo)距離之間的嵌入關(guān)系就呈現(xiàn)出來。

4）嵌入分層排列待跟蹤目標(biāo)

將排序后的目標(biāo)第1 個(gè)目標(biāo)置于首行第1 位置，第2 目標(biāo)與第1 目標(biāo)比較，若滿足第2 目標(biāo)嵌入第1 目標(biāo)條件，則排在第1 行第2 列，否則，第2 目標(biāo)排在第2 行第1 列，同理，第3 個(gè)目標(biāo)先判斷能否放置在第1 行，否則，考慮第2 行、第3 行，…，直到最后一個(gè)目標(biāo)放置完畢。

嵌入分層排列處理將一維排列的目標(biāo)距離值調(diào)整為兩維排列的目標(biāo)距離值。嵌入分層結(jié)構(gòu)橫向表示滿足嵌入關(guān)系的目標(biāo)集合，列向表示無(wú)法嵌入前面行的目標(biāo)集合。

5）序列化處理待跟蹤目標(biāo)

經(jīng)過嵌入分層排列后所有跟蹤目標(biāo)有明確的排列位置，接下來將層次目標(biāo)序列化排列。

將目標(biāo)沿著行向排列然后第2 行目標(biāo)續(xù)第1 行后面，直到全面待跟蹤目標(biāo)串行序列化完成。這樣，全部脈沖的前后次序排列完成，下面進(jìn)一步確定脈沖發(fā)射與接收時(shí)間點(diǎn)位置。

6）生成收發(fā)脈沖時(shí)序

根據(jù)發(fā)射脈沖與接收脈沖的對(duì)齊關(guān)系，這里分為3 種時(shí)序：發(fā)射脈沖對(duì)齊，接收脈沖對(duì)齊和發(fā)射接收中心對(duì)齊。

發(fā)射脈沖對(duì)齊，將嵌入脈沖對(duì)的發(fā)射脈沖前后順次發(fā)射，發(fā)射脈沖之間不留時(shí)間間隙，這種條件下發(fā)射資源更集中；接收脈沖對(duì)齊，將嵌入脈沖對(duì)的接收脈沖前后順次接收，接收脈沖中間不留時(shí)間間隙，這種條件下接收段采集和計(jì)算資源更集中；中心對(duì)齊，發(fā)射脈沖和接收脈沖都不順次連接，確保中間有一定的時(shí)間間隔，有利于抗干擾環(huán)境。確定待跟蹤目標(biāo)中心為Ci，滿足：

式中：dk表示k層對(duì)應(yīng)的常量。

中心對(duì)齊模式中發(fā)射資源與計(jì)算資源均不集中，有利于降低雷達(dá)系統(tǒng)資源的均衡配置。

嵌入分層方法是一類新的時(shí)序調(diào)度方式，本方法采用批處理的方式，一定時(shí)段內(nèi)接收可以多個(gè)待跟蹤目標(biāo)；嵌入分層法采用嵌入和分層2 種措施優(yōu)化了多目標(biāo)的發(fā)射接收時(shí)序波形，新時(shí)序清晰簡(jiǎn)潔。

2 嵌入分層時(shí)序方法仿真

本節(jié)采用嵌入分層方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M了20 個(gè)目標(biāo)，其距離值隨機(jī)產(chǎn)生，雷達(dá)的探測(cè)距離小于300 km，按照4 km 一個(gè)量化區(qū)間段（這里雷達(dá)模式切換的時(shí)間為6.7 us，脈沖寬度為20 us）。

目標(biāo)與雷達(dá)的距離值由均勻隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，目標(biāo)距離值分別為73.71，190.44，234.06，218.95，176.02，159.45，153.63，87.24，262.67，249.35，247.48，127.22，47.69，256.92，153.82，291.14，294.77，252.80，273.10，189.10，單位為km；其對(duì)應(yīng)的量化距離值分別為18，48，59，55，44，40，38，22，66，62，62，32，12，64，38，73，74，63，68，47。

2.1 嵌入分層方法獲取的發(fā)射脈沖時(shí)序

最終產(chǎn)生的脈沖排列嵌入分層柱狀圖見圖3，柱狀圖越高代表目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，圖中前15 個(gè)柱狀圖為第1 層目標(biāo)，后續(xù)4 個(gè)柱狀圖為第2 層目標(biāo)，第3 層僅1 個(gè)目標(biāo)。通過嵌入分層方法計(jì)算全部20 個(gè)目標(biāo)的跟蹤時(shí)間僅需要3 個(gè)大目標(biāo)的跟蹤時(shí)間，會(huì)節(jié)省雷達(dá)時(shí)間資源。

圖3 20 個(gè)待跟蹤目標(biāo)形成的嵌入分層圖Fig. 3 Embedded hierarchical graph formed by 20 targets to be tracked

2.2 嵌入分層方法獲取的接收脈沖時(shí)序

圖4為20 個(gè)待跟蹤目標(biāo)形成的收發(fā)波形時(shí)序圖，圖中深藍(lán)色0 為空閑時(shí)段，標(biāo)號(hào)1～20 對(duì)應(yīng)20 個(gè)不同目標(biāo)的標(biāo)號(hào)，成對(duì)出現(xiàn)的柱狀圖分別表示待跟蹤目標(biāo)的發(fā)射時(shí)段和接收時(shí)段。其中，圖4（a）為發(fā)射脈沖對(duì)齊時(shí)序圖，圖4（b）為接收脈沖對(duì)齊時(shí)序圖，圖4（c）為發(fā)射脈沖與接收脈沖中心對(duì)齊的時(shí)序圖，可以看到圖4（a）左側(cè)發(fā)射時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多條密集的條紋，圖4（b）中間時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多條密集的條紋，這段時(shí)間為雷達(dá)接收段，圖4（a）中沒有出現(xiàn)多條緊鄰的條紋。

圖4 雷達(dá)跟蹤目標(biāo)形成的收發(fā)波形時(shí)序圖Fig. 4 Time sequence diagram of receiving and transmitting waveform formed by radar tracking target

2.3 嵌入分層方法時(shí)間效能

這里使用時(shí)間占用率PT來衡量嵌入分層方法的時(shí)間效能：

式中：PT表示實(shí)際使用的時(shí)間。時(shí)間占用率越小，則時(shí)間效能越高。

本次仿真中圖3 表明存在20 個(gè)待目標(biāo)，實(shí)際使用了3 層，即實(shí)際使用時(shí)間不會(huì)超過3 個(gè)最遠(yuǎn)目標(biāo)的時(shí)間總和，經(jīng)具體計(jì)算20 個(gè)目標(biāo)的時(shí)間占用率為21.1%。

3 結(jié) 語(yǔ)

嵌入分層方法是基于波形設(shè)計(jì)和任務(wù)調(diào)度兩角度提出的收發(fā)波形時(shí)間分配方法，本方法沒有使用固定的時(shí)序波形，同樣沒有采用完全的自適應(yīng)技術(shù)，而是根據(jù)目標(biāo)距離集合分層調(diào)整發(fā)射接收時(shí)序，文中仿真結(jié)果表明嵌入分層方法合理有效，適用于海洋密集目標(biāo)環(huán)境下相控陣?yán)走_(dá)的跟蹤與探測(cè)，實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合發(fā)射機(jī)和信號(hào)處理機(jī)具體指標(biāo)會(huì)提供一種非常有益且實(shí)用的波形切換策略。

本文提出的波形嵌入分層方法主要用于目標(biāo)跟蹤，實(shí)施搜索功能方面考慮不充分，算法中無(wú)法詳盡相控陣?yán)走_(dá)的具體細(xì)節(jié)。相控陣?yán)走_(dá)會(huì)存在T/R 組件配置模式、波束控制方式、接收方式或采樣方式的差異，具體使用過程中應(yīng)對(duì)嵌入分層算法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。艦載相控陣多功能雷達(dá)海戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用情況復(fù)雜，合理優(yōu)化算法參數(shù)應(yīng)用于多種實(shí)際場(chǎng)景是后續(xù)的研究方向。