3.2　相控阵雷达搜索方式设计

相控阵雷达可能要在三种情况下进行搜索：第一，监视雷达空域中可能出现的新目标，这时没有目标指示数据。由于没有在监视空域中是否存在目标的先验知识，也就没有目标进入雷达观察空域的航向和时间等可作为进一步修正搜索方式安排的目标指示数据，雷达需要按搜索程序规定自主进行搜索。第二，按上级指挥所或友邻雷达提供的目标指示数据进行搜索。相控阵雷达在执行某一具体任务之前，已经掌握要观测目标的初步数据，如目标的某些特性，进入观察空域的航向、时间及随时间变化的粗略坐标位置，目标航迹或轨道参数等。这些数据可作为对该空域或空域内的目标建立搜索控制参数的引导数据。这时，相控阵雷达可在较小的搜索空域内对其进行搜索，这有利于提高发现概率及截获概率。第三，初次发现目标后，对目标进行检验、确认或跟踪丢失后在较小的搜索区域内进行重新搜索。相控阵雷达在对目标进行跟踪的过程中，一旦发生目标跟踪丢失，需要安排在原来跟踪预测（外推）位置附近的一个小的搜索区域内进行搜索，以便重新发现该目标，继续维持对该目标的跟踪。

3.2.1　搜索数据率

搜索数据率的计算和分配是安排搜索过程及搜索过程控制中的一个重要环节，搜索数据率是搜索过程的重要调节参数或控制参数。

1. 搜索时间的计算

为搜索完一个规定的空域，若用 φ 和 θ 分别表示方位和仰角的搜索范围，Δ φ 1/2 和Δ θ 1/2 分别表示相控阵天线搜索波束在方位和仰角上的半功率点宽度，则搜索时间 T s 大致可表示为

式（3.1）中， T r 为雷达信号重复周期， n 为在一个波束位置上天线波束的驻留次数，故 nT r 为在一个波束位置上的驻留时间。

由于相控阵天线波束宽度是随天线波束的扫描角度而变化的，在扫描过程中相邻天线波束的间隔（波束跃度）也不一定正好是波束的半功率点宽度，因此更为准确的 T s 计算公式应为

式（3.2）中， K φ 为覆盖整个方位搜索范围 φ 所需的波束位置数目，大体上与式（3.1）中的 φ /Δ φ 1/2 接近； K θ 为仰角平面上的波束位置数目，与式（3.1）中的 θ /Δ θ 1/2 接近。 K φ 与 K θ 可简称为“波位”数目。 K φ 与 K θ 的计算方式相同。以 K φ 的计算为例，当天线波束从天线法线方向扫描至± φ max 时， K φ 为 [1]

K φ =2 P b +1

（3.3）

式（3.3）中， P b 为由法线扫描到 φ max 时所需的波束数目，即

式（3.4）中， K 为实现相邻天线波束间隔（波束跃度）所要求的数字式移相器的计算位数。

2. 搜索间隔时间计算

相邻两次搜索同一波束位置的间隔时间称为搜索间隔时间 T si 。如果相控阵雷达在搜索过程中没发现目标，雷达只需继续进行搜索，不必进行跟踪，这时 T si 与搜索时间 T s 相等。如果相控阵雷达在搜索过程中发现目标后，在搜索间隔时间 T si 以内用于检验这些目标需要花费一定时间。加上用于跟踪新老目标所花费的全部时间 T tt ，则搜索间隔时间 T si 应为

式（3.5）表明，搜索间隔时间要长于搜索时间，如在 T si 内用于跟踪目标所花费的时间增加，则搜索间隔时间相应增加，其倒数即搜索数据率将会降低。由此式还可看出，若允许的搜索间隔时间 T si 越大，则可增大 T s 与 T tt 。增加 T s 意味着可扩展搜索范围或增加每一个搜索波束位置上的驻留时间（ nT r ），而增加 T tt 意味着可提高跟踪采样率（跟踪数据率）或增加跟踪目标的数目。

雷达允许的搜索间隔时间 T si 主要取决于目标穿过雷达搜索屏的时间Δ t p 和在搜索过程中对目标的累积发现概率。例如，按图3.1所示，设目标飞越一定的仰角空间Δ θ （注：Δ θ = θ 1 − θ 2 ），根据目标飞行方向、速度和预计的目标距离，可确定Δ t p ，若要求目标飞越设置的雷达搜索区域的时间为 n r T si ，即Δ t p ≥ n r T si ，则在Δ t p 内，对目标进行搜索照射的次数有 n r 次，若每次搜索时对目标的发现概率为 P d ，则根据搜索累积检测概率 P c 与 P d 的关系，可确定 n r 的选择，因而有

对远程相控阵雷达来说，由于重复周期长，导致 T s 很大， T si 也相应增加，当设置的搜索空域过大时，有可能不能保证 n r = 2或3，甚至可能出现 n r < 1，即Δ t p /T si < 1，这时便没有时间用于跟踪。因此在搜索到预定的目标，对其进行跟踪后，便不得不缩小搜索空域，调整 T s 和 T si ，总之，要在 T s 与 T tt 之间进行折中。

为了缩短搜索时间 T s ，必须采用多波束发射和多波束接收，用 m 个通道同时处理，这时搜索时间 T s 将变为

T s = K φ K θ n T r / m

（3.7）

于是， T s 将缩短到原来的1/ m ， T s 及 T si 的缩短，是靠增加接收馈线系统、波束控制系统和接收系统的复杂性及设备量而得到的，每个波位上的信号能量也相应降低到原来的1/ m ，信号的能量也应重新进行分配。

3.2.2　搜索方式

根据相控阵雷达承担的任务，充分利用相控阵天线波束的灵活性和相控阵雷达信号波形的多样性，可以实现多种搜索工作方式。

1. 搜索控制参数

为了编制搜索工作方式的控制程序，需要设定若干搜索工作方式的控制参数，主要的控制参数有以下四种。

（1）搜索区域序号；

（2）每一搜索区域的搜索范围包括角度搜索范围（方位和仰角）和距离搜索范围，即搜索距离波门的宽度与起始点；

（3）搜索信号的重复周期（ T r ）与信号形式，包括信号脉冲宽度、信号调制方式和信号瞬时带宽；

（4）对不同搜索区域内波位的搜索波束驻留周期数 n 。

从以下工作方式讨论中可以看出，相控阵雷达搜索工作方式是很灵活的，可根据雷达要执行的主要任务来进行合理安排与调整。

2. 分区域搜索与重点空域的搜索

利用相控阵天线波束扫描的灵活性，可以将整个搜索区域分为多个子搜索区域，每个子搜索区域内可按不同重复周期、不同信号波形及不同的波束驻留时间来安排不同的搜索时间和搜索间隔时间。

在若干子搜索区域内可以选择个别搜索区域为重点搜索空域，给该重点搜索区域分配更多的信号能量，以保证更远的作用距离。

对仰角上一维相扫的三坐标雷达来说，重点搜索区域放在低仰角，一般搜索区域放在高仰角。对二维相扫的战术三坐标雷达，重点搜索区域还可在方位搜索空域内安排。为说明在有重点搜索区域安排情况下的搜索时间与搜索间隔时间的计算，下面以图3.2为例。

图3.2中搜索区域1为重点搜索区域，搜索区域2又分为两部分，它们的搜索时间分别为 T s1 和 T s2 ，即有

为了增加重点搜索区域的距离， n 1 应大于 n 2 ；如要求的重点搜索区域的作用距离大于非重点搜索区域的作用距离，则它们可用不同的信号重复周期， T r1 大于 T r2 。

如果要求对重点搜索区域增加搜索数据率，即减少搜索间隔时间，使 T si1 < T si2 ，如当要求对第2a和2b两个搜索区域搜索完一遍之后，搜索区域1应搜完两遍，即搜索区域1的搜索数据率比搜索区域2高1倍，这时，两个搜索区域的搜索间隔时间分别为

式（3.10）中， T s2 为搜索完2a及2b两个区域的总的搜索时间，即

T s2 = T s2a + T s2b

（3.11）

3. 同时对远区及近区进行搜索

有一些相控阵雷达要观察的目标种类多、目标数量多，需充分利用相控阵雷达的时间资源，同时对远区及近区目标进行搜索，如在舰载相控阵三坐标雷达中，在观察远区飞机的同时还需观察海面目标及其他近程空中目标。

地基战术三坐标相控阵雷达在搜索远距离目标时，重复周期长，所需信号能量大，相应的信号脉冲宽度也较宽；当预计搜索目标所在的距离只在重复周期的后半部或后 T r /3时间段内时，可将对这类目标的搜索距离波门安排在重复周期的后半部或后1/3时间段内，而将重复周期的前半段时间或前2/3段时间用于对近距离目标进行搜索，这将有利于充分利用相控阵雷达的时间资源，可部分地克服远程相控阵雷达由于作用距离很远而带来的提高搜索数据率和跟踪数据率的困难。

图3.3所示为在一个重复周期内同时对远区（远程搜索区）及近区（近程搜索区）进行搜索的示意图。

图3.3（a）所示的低仰角和高仰角搜索区分别为远程搜索区和近程搜索区。图3.3（b）所示的远程搜索区的搜索波门只占 T r1 / n p ，其中 T r1 为雷达最大作用距离决定的重复周期，近区搜索所用的脉冲数目 n p 为大于1的整数。为方便计可设 n p 为大于1的整数，如图3.3所示设 n p =3。Δ τ BK 为宽窄脉冲之间的转换时间，它与相控阵雷达天线波束转换时间有关。令远程搜索脉冲宽度为 τ 1 ，在重复周期余下的时间里，若安排长度为 m 的窄脉冲串信号（脉宽为 τ 2 ），则其重复周期 T r2 为

按式（3.12）可计算出搜索区2的最大作用距离。以 n p =3， m =3为例，即远程搜索区搜索波门安排在 T r 的后1/3时间内，搜索波门宽度为 T r1 /3。这时若 m =1，则 T r2 =2 T r /3- τ 1 ，如 +Δ τ BK = T r1 /10，则 T r2 =0.566 T r1 ，即可在远距离搜索波门到来之前，安排对近程搜索区域进行搜索，其作用距离 R max2 接近56% R max1 ，而其脉宽 τ 2 按下式计算仅为0.1 τ 1 ，即

4. 多波束同时搜索

为了降低搜索间隔时间或提高搜索数据率，除了降低波束驻留时间 n T r 以外，还必须采用多波束同时搜索，如图3.4（a）所示，在每一个重复周期内，将 m 个脉冲发往相邻的 m 个方向，同时用 m 个接收波束接收。多个接收波束的安排可以有多种方式，图3.4中以 m =3为例，需形成10个接收波束，可利用上、下波束和左、右波束信号的幅度比较，在搜索时进行单脉冲测角。如果采用数字方法形成接收多波束（DBF），多个接收波束的安排方式可做得更为灵活。

5. 搜索波束的相交电平与扫描方式

与机扫雷达不同，相控阵天线波束指向不能连续移动（扫描），只能按一定波束跃度做离散移动。在搜索过程中，天线波束的扫描方式有两种：一种与机扫雷达天线波束的扫描相似，当 n 较大时，每个重复周期天线波束以较小的波束跃度在角度上移动；当 n 较小时，如 n =1，则相邻搜索波束间距只能大致上与波束半功率点宽度相一致。另一种是两者皆已确定，则波束相交电平也就确定，搜索时存在较大的天线波束覆盖损失。强调合理安排搜索波束扫描方式的重要原因之一是要降低搜索时天线波束的覆盖损失。 Gz6svpRmKxAs4fVrkT3GZK1LFvhbfYL5PexUvccmsjBPxB1eVVzIWNxS33wLWTb7