基于脈沖塊追趕的雙基地雷達空間同步技術(shù)

李 根，梁玉英，董 健

（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

基于脈沖塊追趕的雙基地雷達空間同步技術(shù)

李 根，梁玉英，董 健

（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

為解決脈沖追趕技術(shù)在雙基地雷達空間同步上的應(yīng)用問題，提出了一種基于脈沖塊追趕的雙基地雷達空間同步技術(shù)，推導(dǎo)了脈沖塊追趕時間表的計算公式，提出了以接收機波束形成速率為標準的工程可實現(xiàn)性分析方法，并對脈沖塊追趕下的接收波束寬度和波束形成速率進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，在相同的雙基距離積下，減小發(fā)射波束寬度、基線距離、發(fā)射脈沖寬度以及增大脈沖塊長度可以降低對接收機波束形成的要求，便于工程實現(xiàn)。

雙基地雷達，空間同步，脈沖塊追趕，工程可實現(xiàn)性

0 引言

雙基地雷達以其特有的‘四抗’性能而受到越來越多的關(guān)注。收、發(fā)波束之間的空間同步是雙基地雷達的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)字波束形成技術(shù)的出現(xiàn)使‘脈沖追趕’這一高效空間同步方式的實現(xiàn)成為了可能。采用這種方法，雙基地雷達可以達到和單基地雷達同樣好的空間掃描特性［1］。近年來，眾多文獻在地面組網(wǎng)雷達［2-3］、機機雙基地［4-5］、球地雙基地［6］以及空地雙基地［7］等不同體制的雙基地雷達空間同步中提到了脈沖追趕技術(shù)，但理論上的脈沖追趕技術(shù)對接收機的要求極高，如何更合理地應(yīng)用脈沖追趕技術(shù)進行空間同步還有待解決。

在脈沖追趕技術(shù)的分析中，現(xiàn)有文獻多側(cè)重于理論上分析接收波束指向和波束寬度的變化規(guī)律，所追趕的‘脈沖’也通常用點或線來代替。在接收波束寬度的分析上，文獻［8-10］分別忽略了發(fā)射波束寬度和脈沖寬度，文獻［11］綜合考慮了發(fā)射波束寬度和脈沖寬度給出了接收波束寬度的數(shù)學(xué)模型，但其建立在目標的距離和遠遠大于基線距離的條件上，因此，在脈沖追趕的初期距離和較小時，該模型并不適用。

本文主要從應(yīng)用層角度分析脈沖追趕技術(shù)，提出了一種更實用的基于脈沖塊追趕的空間同步模型，推導(dǎo)了該模型下脈沖塊追趕時間表的計算方式。為分析該模型的可實現(xiàn)性，給出了實時脈沖塊追趕的波束形成速率和按發(fā)射角進行接收的平均波束形成速率兩種評估方式，并對脈沖塊長度、發(fā)射波束寬度、基線距離、脈沖寬度等因素對平均波束形成速率的影響進行了仿真分析。

1 基于脈沖塊追趕的空間同步模型

在脈沖追趕技術(shù)的應(yīng)用分析中，用點或線來代替脈沖可能會產(chǎn)生空域覆蓋盲區(qū)。因此，將整個探測空域按塊進行劃分可保證采用脈沖追趕進行空間同步時不會出現(xiàn)盲區(qū)。

基于脈沖塊追趕的空間同步過程如圖1所示，L為基線距離，θT為發(fā)射波束指向，△θT為發(fā)射波束寬度。ABCD為當前發(fā)射波束下的一個脈沖塊，AB和CD分別為脈沖塊的前沿和后沿，p為脈沖塊的長度。

理想情況下，p為0，接收波束實時追趕脈沖前沿，當脈沖前沿到達AB位置時，接收波束的起止角分別為射線RA和RB與RT的夾角即（θRA，θRB），脈沖前沿在接收機距離和上的分布為（TA+AR，TB+ BR），當脈沖的時間寬度為 時，AB位置上目標回波在接收機距離和上的分布為（TA+AR，TB+BR+c），c為光速。因此，對于每個脈沖塊，接收機都需要額外處理一個時間長度為 的數(shù)據(jù)，p趨近于0時，脈沖塊的個數(shù)趨近于無窮大，接收機處理的數(shù)據(jù)也將趨近于無窮大。

接收機的數(shù)據(jù)處理能力是有限的，p需要大于0時，設(shè)此時接收波束對脈沖塊ABCD的接收起止角為（θ1，θ2），為保證對該脈沖塊區(qū)域內(nèi)的回波進行全部接收，則

設(shè)脈沖塊ABCD在接收機距離和上起止點為（Rs1，Rs2），由于無論脈沖塊在什么位置，A點總為距離和最小點，C點總為距離和最大點，因此，

2 脈沖追趕時間表的計算

定義一個發(fā)射角下，脈沖從發(fā)射初始位置傳播到最大探測距離所用的時間為一個脈沖追趕周期。一個脈沖追趕周期內(nèi)接收到數(shù)據(jù)根據(jù)脈沖塊長度可劃分成具有不同時間起止點數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊對應(yīng)不同的接收波束起止角（不同的波束起止角對應(yīng)不同的加權(quán)系數(shù)），接收機進行脈沖追趕時需要知道每個數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的加權(quán)系數(shù)。每個數(shù)據(jù)塊的時間起止點和對應(yīng)的加權(quán)系數(shù)定義為脈沖追趕時間表。為提高脈沖追趕效率，應(yīng)事先將所有脈沖塊的接收波束權(quán)系數(shù)計算好，追趕時只需調(diào)用相應(yīng)脈沖塊的權(quán)系數(shù)進行波束形成即可。下面對脈沖追趕時間表的計算進行推導(dǎo)分析。

2.1 不同發(fā)射角下脈沖塊個數(shù)分析

雙基地雷達目標探測示意圖如圖2所示，RT為目標到發(fā)射機的距離，RR為目標到接收機的距離，L為基線距離，θT為發(fā)射波束指向角。在雙基距離積固定的情況下，不同的θT對應(yīng)的最大RT也不同，因此，對于不同寬度的脈沖塊，其在一個脈沖追趕周期內(nèi)的個數(shù)是不同的。

圖2 雙基地雷達目標探測示意圖

在不考慮方向圖傳播因子的情況下，雙基地雷達方程為

σB為目標雷達截面積，PRmin為接收機的最小可檢測信號功率。為雙基地最大距離積，它決定了雙基地雷達的探測范圍。令，根據(jù)圖2建立如下幾何關(guān)系：

當發(fā)射波束指向角為θT脈沖塊個數(shù)為

其中，RT根據(jù)式（6）計算。

2.2 不同脈沖塊對應(yīng)的接收波束起止角分析

發(fā)射機進行空域搜索時，發(fā)射波束通常以△θ的3 dB波束寬度把空域劃分成若干波位，不同波位之間波束不重疊，如圖3所示。第i個發(fā)射波位的波束下邊界角度為i△θT，上邊界角度為（i+1）△θT，定義波束的發(fā)射角為波束的下邊界角度，則第i個波位的發(fā)射角為

圖3 接收起止角切換臨界示意圖

發(fā)射角小于90°，脈沖塊的前沿或后沿與接收角位于同一直線上時，式（1）或式（2）中接收波束起止角的選擇將發(fā)生切換，如圖3所示。而當發(fā)射角大于90°時，接收波束起止角始終為θTi=i△θT。

當發(fā)射角大于90°時

當發(fā)射角小于90°時

2.3 不同脈沖塊對應(yīng)的時間起止點分析

定義第i個發(fā)射波位的第k個脈沖塊在接收機距離和上的時間起止點分別為和，則

該脈沖塊的時間長度為

3 脈沖追趕的可實現(xiàn)性分析

接收機進行脈沖追趕時所需的波束形成速率不能超過現(xiàn)有硬件水平所能提供的波束形成速率，否則將無法及時接收處理回波數(shù)據(jù)。對于雙基地雷達，其最大探測范圍曲線是卡西尼卵形線，因此，發(fā)射機在不同的發(fā)射角下根據(jù)應(yīng)具有不同的脈沖重復(fù)頻率，這樣可以提高對空域的搜索效率。當接收機硬件處理速度足夠高時，可以實現(xiàn)對每個脈沖塊進行實時的接收處理，若硬件處理速度有限，可以在一個發(fā)射角下的脈沖追趕周期內(nèi)完成對該周期內(nèi)所有脈沖塊的接收，下面分析按脈沖塊進行實時接收和按發(fā)射角進行平均接收兩種方式所需的接收機波束形成速率。

3.1 脈沖塊實時接收的波束形成速率分析

圖4 脈沖塊的距離和時間分布

脈沖塊的距離和時間分布如圖4所示，在t3時刻可接收到脈沖塊k的全部數(shù)據(jù)，在t4時刻可接收到脈沖塊k+1的全部數(shù)據(jù)。為保證能實時接收和處理回波數(shù)據(jù)，在t3～t4的時間段內(nèi)需要完成脈沖塊k的接收運算。因此，脈沖塊k的結(jié)束時刻到脈沖塊k+1的結(jié)束時刻之間的時間是脈沖塊k對應(yīng)數(shù)據(jù)的接收時間。

第i個發(fā)射波位的第k個脈沖塊要求的接收處理速度為

l為接收機的采樣速率。

3.2 按發(fā)射角進行接收的平均波束形成速率

第i個發(fā)射波位的平均波束形成速率為需要處理的總數(shù)據(jù)比上脈沖追趕周期，即

Td為需要處理的總數(shù)據(jù)占的時間，Ti為該發(fā)射角下的脈沖追趕周期。

RTi為第i個發(fā)射波位目標到發(fā)射機的最大距離，RTi根據(jù)式（6）計算，kB為最大雙基距離積。

4 仿真分析

仿真1 脈沖前沿實時追趕仿真

圖5給出了基線距離L=20 km，發(fā)射波束寬度為5°時，實時追趕（p趨近于0）下接收波束指向和波束寬度在不同發(fā)射角下的變化。（在發(fā)射機和接收機時間同步的基礎(chǔ)上，接收機測得的目標回波延時是脈沖從發(fā)射機到目標再從目標到接收機所用的總時間，在這里定義為距離和時間。）

圖5 實時追趕下接收波束寬度和指向的變化

從圖5（a）中可以看出，在實時脈沖追趕模式下，追趕初期的接收波束指向變化速率較快，同時發(fā)射指向角越低，接收波束指向的變化速率越快，因此，在追趕初期實現(xiàn)實時追趕難度較大。脈沖前沿在空間傳播的過程中長度越來越大，其與接收機的角度也在改變，因此，接收波束對脈沖前沿實時追趕時，波束寬度存在一個從0增大再減小到0然后再增大的過程，如圖5（b）所示。然而接收波束寬度受天線孔徑長度限制而不能無限小，理論上的脈沖追趕是難以實現(xiàn)的。

仿真2 脈沖塊追趕仿真

圖6（a）給出了基線距離L=20 km，發(fā)射波束寬度為5°，脈沖塊長度p=300 m時，不同發(fā)射角下接收波束寬度隨波束指向的變化情況。圖6（b）給出了發(fā)射角為30°，不同脈沖塊長度下，接收波束寬度隨波束指向的變化情況。

圖6 脈沖塊長度對接收波束寬度的影響

在空域中劃分脈沖塊進行脈沖追趕時，追趕初期接收波束寬度較小會使空間同步存在一定誤差，之后不同發(fā)射角下的接收波束寬度變化的增減規(guī)律同脈沖前沿實時追趕相同，但波束寬度不會減小到0，如圖6（a）所示。圖6（b）表明，同一發(fā)射角下，隨著脈沖塊長度的增加，不同接收指向上的波束寬度會相應(yīng)地增加，由此可見增大脈沖塊長度可以降低對天線孔徑長度的要求。

仿真3 波束形成速率仿真分析

假定基線距離L=20 km，發(fā)射波束寬度△θ=5°，接收機采樣速率為l=100 MHz，脈沖塊長度p=300 m，脈沖寬度=5 us雙基距離積kB=50*50 km2（等效單基地探測范圍R=50 km），對每個脈沖塊進行實時接收時，不同發(fā)射波位下接收機波束形成速率如圖7所示。圖8（a）給出了p=300 m，L=20 km，=5 us，發(fā)射波束寬度不同時的平均波束形成速率；圖8（b）給出了△θ=5°，L=20 km，=5 us，脈沖塊長度不同時的平均波束形成速率；圖8（c）給出了p=300 m，=5 us，△θ=5°，基線長度不同時的平均波束形成速率；圖8（d）給出了p=300 m，L=20 km，△θ=5°，脈沖寬度不同時的平均波束形成速率。

圖7 脈沖塊實時接收下的波束形成速率

圖8 不同發(fā)射角下的平均波束形成速率

圖7表明，對脈沖塊實時接收時，在脈沖追趕的初期階段，需要極高的波束形成速率，且發(fā)射角越低對波束形成速率的要求越高，因此，若對脈沖塊實時追趕對接收機硬件要求較高且在追趕中后期會造成硬件資源的浪費。從圖8可以看出，采用按發(fā)射角進行平均接收可以降低對接收機波束形成速率的要求，在相同的雙基距離積下，減小發(fā)射波束寬度、基線距離、脈沖寬度以及增大脈沖塊長度可以進一步降低對接收機的平均波束形成速率的要求。

5 結(jié)論

本文提出了基于脈沖塊追趕的空間同步模型實現(xiàn)了對空域的全覆蓋接收，并給出了脈沖塊追趕時間表的計算方法，可直接應(yīng)用于工程實現(xiàn)。仿真分析表明，采用按發(fā)射角對脈沖回波數(shù)據(jù)進行平均接收可以降低接收機波束形成速率的要求，在相同的雙基距離積下，減小發(fā)射波束寬度、基線距離、脈沖寬度以及增大脈沖塊長度可以進一步降低對接收機平均波束形成速率的要求，可以為雙基地雷達空間同步的工程設(shè)計提供參考。

［1］楊振起，張永順，駱永軍.雙（多）基地雷達系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.

［2］周肖章，韓國璽.一種新型有源目標探測搜索方法研究［J］.信息工程大學(xué)學(xué)報，2012，13（6）：735-739.

［3］劉方正，祁建清.網(wǎng)絡(luò)雷達對抗系統(tǒng)有源模式的目標探測搜索［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，2013，28（4）：492-496.

［4］王喜，王喜，王更辰，等.機-機雙基地雷達空間同步技術(shù)研究［J］.微計算機信息，2009，26（2）：162-163.

［5］王喜，王更辰，劉文輝.機-機雙基地雷達接收波束形成［J］.火力與指揮控制，2010，35（12）：105-106.

［6］戰(zhàn)立曉，湯子躍，朱振波，等.球地雙基地雷達接收DBF技術(shù)［J］.火力與指揮控制，2010，35（S1）：119-124.

［7］馬彥恒，宋瑤，董健.空地雙基地雷達空間同步研究［J］.雷達科學(xué)與技術(shù)，2015，13（1）：66-69.

［8］張衛(wèi)東，謝軍偉.脈沖追趕式同步掃描下雙基地雷達目標分辨力分析［J］.火力與指揮控制，2009，34（6）：55-56.

［9］艾小鋒，戴幻堯，李永禎，等.雙基地雷達脈沖追趕空間同步誤差分析［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2010，5（6）：557-559.

［10］陳波，黃金杰，宋思盛.雙（多）基地炮位偵校雷達的空間同步研究［J］.火控雷達技術(shù)，2007，30（4）：36-40.

［11］劉張林，高新成.DBF及脈沖追趕技術(shù)在雙基地雷達中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達，2006，28（2）：33-35.

A Spatial Synchronization Technology of Bistatic Radar Based on Pulse Block Chasing

LI Gen，LIANG Yu-ying，DONG Jian
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In order to solve the problem of application of pulse chasing to bistatic radar in spatial synchronization，a spatial synchronization technology based on pulse block chasing is proposed.The calculation formulas of pulse block chasing timetable are derived.An analysis method of engineering feasibility，taking beam forming rate as standard is presented.Under pulse block chasing，the simulation analysis of receiving beam width and beam forming rate is made.The result of simulation analysis shows that，at the same bistatic distance product，reducing transmiting beam width，baseline distance，transmiting pulse width and increasing the length of pulse block width can reduce the demand of receiver in beam forming to implement easily in practice.

bistatic radar，spatial synchronization，pulse block chasing，engineering feasibility

TN958

A

1002-0640（2017）05-0164-05

2016-03-06

2016-05-07

李 根（1991- ），男，山東棗莊人，碩士研究生。研究方向：雙基地雷達。