3.4　相控阵雷达的信号能量管理

信号能量管理是相控阵雷达系统设计中资源管理的一项重要内容。相控阵雷达具有多种工作方式与多目标跟踪能力，充分发挥这些特点，有利于提高相控阵雷达的工作性能。通常要求相控阵雷达具有作用距离远、跟踪目标多的性能，考虑到要观测目标的RCS值变化范围大，且在空间和时间上分布不均匀等特点，合理分配雷达信号能量，对雷达进行信号能量管理是完全必要的。

3.4.1　信号能量管理的调节项目与调节措施

以下先简要介绍实现信号能量管理的调节措施与相控阵雷达信号能量管理的项目。

1. 相控阵雷达信号能量管理的调节措施

雷达探测信号的能量是指信号功率及其持续时间的乘积，因此改变信号能量即要改变信号的功率时间乘积。表3.1共列出了12种主要的相控阵雷达信号能量管理的调节措施或调节控制参量。

表3.1中序号12所列“集中能量工作方式”实际上是利用序号1（调节波束驻留脉冲数 n ）的调节措施，但因“集中能量”的概念比增加波束驻留脉冲数 n 的概念要更宽一些，也更受相控阵雷达使用方重视，故单独列出。

2. 相控阵雷达信号能量管理项目

表3.2列出了相控阵雷达信号能量管理中希望调节信号能量的项目及可用于实现该项目的调节措施的序号。其中“调节项目”反映了信号能量管理的必要性；该表中的调节措施序号则说明实现调节的可能性。具体采用哪一项或哪几项调节措施，由相控阵雷达控制程序实现。

表3.2中所列的若干有代表性的信号能量管理方式的一个前提是维持发射机平均功率不变，即充分利用发射信号的平均功率。当然，在有的情况下也可以在降低发射机辐射功率情况下进行工作，这时各种降低发射机平均功率的措施，如降低信号工作比，控制工作发射机的数量等均可用作进行信号能量管理的控制措施。

以下将分别就主要信号能量管理项目进行论述。

3.4.2　按目标远近及其RCS的大小进行信号能量管理

若雷达方程中最大作用距离 R max 是按目标有效反射面积 σ d 设计的，则在安排相控阵雷达的搜索工作方式时，若雷达能获得引导数据或分区/分段搜索时可预计目标的出现距离为 R t ，目标反射面积为 σ t ，则可用调节系数 K RR 来调整搜索信号的能量。按雷达方程不难得出调节参数 K RR 的表达式为

搜索控制软件按 K RR 大小在必要时实现搜索信号的能量管理。

当雷达处于跟踪状态时，目标跟踪距离已知，目标回波的RCS可以从回波信号的信噪比估计得出（尽管有1～3dB的估计误差），因而系数 K RR 可以在雷达信号数据处理中得出其估值，将其作为控制分配跟踪信号能量的一个依据。

雷达在处于跟踪状态时，最重要的是雷达的测量精度，因而这时的调节参数往往不是其跟踪作用距离，而是回波信号的信噪比，它是用于信号能量调节的必要性与调节方向判决的参数。表3-1所示的调节参数序号1, 2和3等则是用于实现信号能量调整的控制参数。因此，为了判断信号的信噪比，用其作为是否需进行信号能量调节的判决参数，而雷达回波信号的录取参数中应包括回波信号的幅度参数。

3.4.3　搜索和跟踪状态之间的信号能量分配

1. 搜索与跟踪能量的分配系数

在跟踪加搜索（TAS）工作方式情况下，总的搜索间隔时间（即搜索数据率的倒数） T si 将包括两部分，即搜索时间 T s 、与 T si 内对所有已跟踪目标的总的跟踪时间 T tt 。最简单的情况是对所有 N t 个目标均按同一种跟踪采样间隔时间 T ti 、同样的跟踪波束驻留时间 n t T r 来安排跟踪。由于跟踪目标数目 N t 等的变化， T tt 是经常变化的，这使得相控阵雷达控制程序要不断在搜索状态和跟踪状态之间进行信号的能量分配。

设 T s =K s T si ， T tt =K t T si ，则式（3.5）可改写为

T si =（ K s + K t ） T si

（3.29）

式中， K s 和 K t 可称为搜索与跟踪状态的信号能量分配系数。

在搜索和跟踪状态之间分配信号能量就是要根据不同的目标状况，如目标数目多少、目标空间分布的远近、目标RCS的大小、目标的重要性与威胁度、目标是否有先验知识及对目标测量精度的不同要求等，合理选择 K s 或 K t 。

2. 搜索阶段与截获阶段的信号能量分配

当还没有发现目标，雷达完全处在搜索状态，因而无须安排信号用于跟踪时，因 K t =0，故 K s =1，搜索间隔时间与搜索时间相等，即 T si =T s 。

相控阵雷达在搜索阶段有两种情况：一种情况是没有目标引导数据，这时搜索方式可按对预定的搜索空域、搜索时间、搜索间隔时间进行安排，即从若干典型的搜索区与搜索方式中选择一种或若干种进行搜索；另一种是有引导数据，对要搜索目标的出现时间和空间位置有先验知识，因而搜索空域的大小和允许的搜索时间、最大允许的搜索间隔时间均可预先设定，在不超过发射机平均输出功率的条件下，信号波形可灵活设置。

在搜索过程中一旦发现目标，便应启动目标确认程序，并在截获目标后启动跟踪程序。为了缩短目标确认时间，提高目标确认的准确率，可增加用于目标确认与截获的信号能量，如在缩短“搜索确认”距离波门的同时，增加观察脉冲数目 n 或增加信号脉冲宽度 T 等。

3. 同时进行搜索和多目标跟踪时的信号能量分配

相控阵雷达搜索到目标，并已对其转入正常跟踪之后，雷达的工作方式通常以跟踪方式为主，搜索方式为辅，在两种工作方式的信号能量分配上，取 K t >K s （例如 K t =0.8， K s =0.2）。对一些精密跟踪相控阵雷达，如果不能确信已跟踪上的目标是预定要观测的目标，这时可以在目标飞行轨迹周围安排一个随时间移动的搜索区域，分配一定的用于搜索的信号能量，以便确保不会因跟踪错误目标而丢失预定跟踪目标，并可在出现目标跟踪丢失后，能很快重新将其捕获。

如果相控阵雷达以空中监视或空间监视为主，这时尽管已跟踪上多批目标，但仍应继续搜索以便发现可能出现的新目标。这时在搜索与跟踪之间的信号能量分配是在保证最小搜索时间，即 K s ≥ K smin 的条件下，通过调整跟踪数据率来实现对所有目标的跟踪，即按实际跟踪目标数目通过调整跟踪采样间隔时间，使 K t ≤1 - K smin ，即在保证必要的搜索条件下，将剩下的信号能量分配给跟踪工作方式。

3.4.4　波束驻留数目 n 的选择与信号能量管理

无论搜索工作方式还是跟踪工作方式，波束驻留数目都是一个最易于改变的控制参数，因此，波束驻留数目的改变常用作雷达信号的能量管理。

对各种相控阵雷达来说，由于要对多目标进行高数据率采样跟踪，因此无论是在搜索还是在跟踪工作状态中，波束驻留数目（波束位置数） n 通常均不可能很大，因而 n 的增减对雷达探测性能影响较大，故应力求合理利用这一控制参数。

1. 影响波束驻留数目 n 的主要因素

影响波束驻留数目 n 的选择因素主要包括以下五种。

（1）随波束扫描方向的改变补偿天线增益变化。

天线增益随扫描角增大而降低，导致作用距离降低和测量精度变差。易于补偿的方法便是增大波束驻留时间 nT r 。

以一维相扫天线为例，因天线有效口径及天线增益随波束扫描角增大而降低，因此在扫描角为 φ max 的情况下，相控阵雷达接收信号功率将较不扫描（波束指向天线法线方向）时的 S / N 降低至（ S / N ） s 。

（ S / N ） s =cos 2 φ max （ S / N ）

（3.31）

为了克服因波束扫描造成的信噪比降低，需增加波束驻留时间，由原来的 n 0 增加至 n s ，即

当 φ max 分别等于45°和60°时， n s 应增加至2 n 0 和4 n 0 。

（2）从控制搜索时间、搜索间隔时间和跟踪时间与跟踪间隔时间考虑，这主要是为了节省雷达的时间资源，提高雷达数据率。

（3）从维持和调整跟踪目标数目考虑，通过调整波束驻留时间，在多个跟踪目标之间合理分配时间与能量资源。

（4）从分配和调整搜索与跟踪状态的信号能量角度考虑，这是为了确保重点搜索区域的搜索和对重点目标的跟踪测量。

（5）从降低 n 个探测信号的总能量考虑。

在每一个搜索或跟踪方向上，天线波束的驻留数目（波束位置数） n 最小等于1，也可是等于或大于2的整数。当 n =1时，为单脉冲检测，由于采用匹配滤波器在一个重复周期内实现了全相参处理，因此不需要在各重复周期间实现相参积累；当 n 为大于1的整数时，若脉冲间不能实现全相参积累，则会存在 n 个脉冲进行非相参积累造成的损失。 n 值越大，这种非相参积累损失越大。故影响天线波束驻留数目 n 的选择的另一个因素便是如何降低 n 个探测信号的总能量。

2. 天线波束驻留数目 n 的计算过程

天线波束驻留数目 n 的计算首先要满足雷达探测距离的要求。考虑到 n 的值较小，在重复周期之间接收信号不进行相参积累带来的损失不是很大，这时 n 的计算过程可简要叙述如下。首先，在满足同样的单个检测单元发现概率 P d 和虚警间隔时间 T f 的情况下，或满足同样的单个检测单元的 P d 和由 T f 推导出的单个检测单元的虚警概率 P f 的情况下，可分别求出与不同的 n 相对应的单个脉冲的发现概率 P d 和虚警概率 P f ，并由此定出要求的单个脉冲的信噪比（ S / N ）。由于波束驻留数目为 n ，因此所花费的总的信噪比为 n （ S / N ）。若按通常情况， n 个重复周期内发射信号的脉冲宽度相同，均为 τ n 时，则在每一波束位置上所花费的总的信号脉宽为 n τ n 。显然，从合理使用信号的能量角度考虑，应这样选择 n ，使 n （ S / N ）的值最小，或使它对应的 n τ n 的值最小。具体运算过程，如图3.9所示。

按上述流程，经过计算可以发现， n = 1时要求的信噪比[ n （ S / N ） = S 1 ]和 n = 2时二进制检测器要求的信噪比[ n （ S / N ）= 2 S 2 ]均大于 n = 3时的二进制检测器要求的信噪比[ n （ S / N ）= 3 S 3 ]。 n 继续增大，会使对单个脉冲的信噪比要求进一步降低，但 n （ S / N ）却会上升。选择 n 等于多大合适，若以信号能量为出发点，则应比较[ n （ S / N ）] 或 n τ n 。

3. 采用序列检测方法对降低 n 的作用

相控阵天线波束扫描的灵活性为序列检测方法的应用提供了可能。从降低雷达信号能量消费、提高雷达数据率，或当降低波束驻留数目 n 成为关键时，采用序列检测方法是一种有效的措施。该措施在中国20世纪70年代研制的大型相控阵雷达中就得到过成功的验证 [2-3] 。二进制检测器是一种双门限检测器，第一门限是普通雷达信号检测器中应用的幅度门限，第二门限为数字门限，当波束驻留数目 n=m 时，若在同一距离单元上有 K 个信号超过门限（ K ≤ m ），则判定该距离单元上存在目标 H 1 。序列检测方法也是一种双门限检测方法，但第二门限 K 并不固定。将通常的二进制检测器判决 K / m 准则中的 K 设置为两个门限值 K 1 和 K 0 ，如 K ≥ K 1 ，判为有目标（ H 1 ），如果 K < K 0 ，判为无目标（ H 0 ）；如果 K 0 < K < K 1 ，则继续检测过程，再发射一个探测信号，即波束驻留数 n 增加1，由 m 变为 m +1，因此序列检测器的数字门限也是双门限的。序列检测方法可用于降低波束的驻留时间 nT r 。 tGXC2nyUy+UKzESd3pTFgf5Hw9ZIvqJMmlrOl5G7miVz7WjwWPH4B+dMDrLX8CpQ