汪潤(rùn)生， 張景東， 劉志棟， 黃曉兵， 趙明旭

(中國(guó)人民解放軍63615部隊(duì)，新疆 庫(kù)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(cè)雷達(dá)帶來(lái)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

在常規(guī)方式下，雷達(dá)通過(guò)單個(gè)回波信號(hào)的能量完成對(duì)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(duì)微弱目標(biāo)的跟蹤，往往因回波信號(hào)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(guò)對(duì)雷達(dá)脈沖相參積累的方式[1-4]，將多個(gè)回波的能量進(jìn)行有效累加，提高回波信號(hào)的信噪比，從而大幅提升作用距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)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(shì)而受到廣泛的研究和應(yīng)用[5-7]。

相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)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(lái)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(shì)的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量深入的研究[8-17]，這對(duì)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(shí)間換取作用距離，在大幅提升雷達(dá)作用距離的同時(shí)，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(gè)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(shí)間的相參積累模式，若需要較大作用距離，則選擇較長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(cè)距離與積累時(shí)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?jī)?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(hào)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(cè)信號(hào)Smin時(shí)，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T(mén)0，積累時(shí)間為T(mén)，相參積累損失因子為k，GP為信號(hào)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(cè)信號(hào)Smin時(shí)，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(cè)距離與積累時(shí)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(cè)距離與積累時(shí)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(shí)，單個(gè)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(shí)間的增大而迅速提高，當(dāng)積累時(shí)間為2 s時(shí)，作用距離可達(dá)4000 km，由此可知，雷達(dá)通過(guò)相參積累工作方式，以時(shí)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(shí)間的變化關(guān)系

從圖1中還可以看出當(dāng)積累時(shí)間達(dá)到2 s以后，隨積累時(shí)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(shì)逐漸變緩，時(shí)間繼續(xù)累積對(duì)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(shí)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(lái)合理選擇積累時(shí)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(hào)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(gè)隨動(dòng)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(shí)，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(duì)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(shí)間。

2.1 數(shù)引模式

當(dāng)引導(dǎo)信息較為精確可靠時(shí)，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(shí)，不能通過(guò)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(dòng)。

若單個(gè)波位相參積累時(shí)間為tAcc，則覆蓋N個(gè)搜索波位的時(shí)間為N·tAcc。

數(shù)引附近搜索時(shí)，雖然沒(méi)有嚴(yán)格的空域遍歷周期的限制，但搜索時(shí)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T(mén)pntr，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(gè)波位積累時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)波位積累時(shí)間的增大而迅速下降，當(dāng)積累時(shí)間較長(zhǎng)(如4 s)時(shí)搜索范圍僅限制在一個(gè)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(shí)，視情擴(kuò)大搜索區(qū)域在數(shù)引附近搜索。無(wú)引導(dǎo)信息時(shí)，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(shí)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(shí)，系統(tǒng)全部能量用于跟蹤一個(gè)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(chǎng)內(nèi)不同波束間的多目標(biāo)跟蹤兩種情況。對(duì)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(duì)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(cè)過(guò)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(jí)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(duì)一個(gè)目標(biāo)先發(fā)射一組(n1個(gè))脈沖，發(fā)射完成后，切換到另一個(gè)目標(biāo)，再發(fā)射另一組(n2個(gè))脈沖。分別對(duì)不同組的回波進(jìn)行相參積累檢測(cè)、測(cè)量，根據(jù)測(cè)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(gè)目標(biāo)的順序分組發(fā)射示意圖，圖中n1和n2對(duì)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(shí)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(duì)不同類(lèi)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(duì)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(shí)間和信號(hào)能量的開(kāi)銷(xiāo)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(duì)已發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤和繼續(xù)對(duì)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(shí)間安插在搜索時(shí)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(shí)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(duì)于跟蹤目標(biāo)的信號(hào)積累，既可以在連續(xù)時(shí)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(duì)資源調(diào)度的約束。

4.2 能量調(diào)度類(lèi)型

相參積累工作方式下，主要的能量調(diào)度類(lèi)型如表1所示。

調(diào)度的優(yōu)先級(jí)，可對(duì)搜索景幅及目標(biāo)指定，優(yōu)先級(jí)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(jí)順序執(zhí)行，在每一優(yōu)先級(jí)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(lèi)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(duì)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(cè)。

為了提高能量分配的自由度，相參積累能量請(qǐng)求可采用多組脈沖串的方式，每組脈沖串長(zhǎng)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(shí)，為了將能量在多目標(biāo)和搜索景幅間合理分配，同時(shí)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(cè)RCS均值和當(dāng)前距離，選擇合適積累時(shí)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(shí)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(shí)間和搜索景幅積累時(shí)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(shí)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(duì)搜索景幅、跟蹤目標(biāo)所占的雷達(dá)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)顯示各個(gè)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(shí)調(diào)整搜索跟蹤參數(shù)提供有效參考。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)合理的能量調(diào)度，選擇合適的積累時(shí)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(shì)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)。