基于無源偵察幅度的相控陣?yán)走_(dá)工作模式仿真

藺誠毅 徐偉

（西安電子工程研究所 陜西省西安市 710100）

1 引言

電子戰(zhàn)在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中扮演著極其主要的角色，已經(jīng)成為了決定戰(zhàn)爭勝敗的關(guān)鍵因素。電子偵察作為電子戰(zhàn)的重要組成部分，對戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知、信息融合、作戰(zhàn)部署起著重要作用。一方面隨著賦予雷達(dá)觀測任務(wù)的不斷增加，另一方面也隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的的機(jī)掃雷達(dá)已經(jīng)在功能和性能上很難滿足當(dāng)代戰(zhàn)爭需求，而相控陣?yán)走_(dá)以其天線波束快速掃描、波形快速截變、空間功率合成、多波束形成靈活以及多目標(biāo)處理等優(yōu)勢，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中得到了廣泛應(yīng)用，在未來戰(zhàn)場的應(yīng)用前景也十分廣闊。根據(jù)不同的工作任務(wù)，相控陣?yán)走_(dá)具有不同的工作模式。各種工作模式在時域和空域上具有不同的天線掃描方式，對偵測目標(biāo)而言，其威脅等級也不同。為了在提高在戰(zhàn)場上的生存能力以及電磁態(tài)勢感知的能力，對相控陣?yán)走_(dá)的工作模式識別已成為電子偵察領(lǐng)域的亟待解決的熱點(diǎn)問題。

相控陣?yán)走_(dá)的工作模式識別是指通過無源偵察的手段獲取雷達(dá)信號的特性，生成輻射源報告，再根據(jù)報告的信息去分辨相控陣?yán)走_(dá)的工作樣式。無論是頻域或時域中，相控陣?yán)走_(dá)的每一種工作模式下，天線波束的掃描方式不盡相同。對于電子偵察方而言，這種變化直接導(dǎo)致其偵收雷達(dá)信號幅度產(chǎn)生特定的變化。

雷達(dá)工作模式識別的前提是要熟悉其基本工作原理、特點(diǎn)、性能要求，并對其進(jìn)行建模仿真。目前，雷達(dá)工作模式的建模仿真大都是站在雷達(dá)系統(tǒng)本身的角度進(jìn)行的，目的是為了給雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考，模型的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則更多的是考慮目標(biāo)特性和應(yīng)用場景的變化，并沒有站在電子偵察方的角度去考慮。本文通過對相控陣?yán)走_(dá)主要工作模式及天線陣面掃描方式的分析，從電子偵察的視角搭建了一套機(jī)載運(yùn)動場景下的偵收幅度信息模型，為后續(xù)的工作模式識別奠定了基礎(chǔ)。

2 相控陣?yán)走_(dá)主要工作模式及掃描方式

一般來說，相控陣具有搜索和跟蹤兩種基本的工作模式。搜索模式用來監(jiān)視雷達(dá)掃描空域中可能存在的新目標(biāo)，由于此時沒有掃描空域內(nèi)目標(biāo)的先驗(yàn)信息，需要按搜索程序規(guī)定自主搜索。在搜索過程中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，經(jīng)過目標(biāo)確認(rèn)后轉(zhuǎn)入跟蹤模式。兩種方式最大的差別在于其數(shù)據(jù)率的不同。當(dāng)雷達(dá)波束搜索完規(guī)定的空域后，再次重新去搜索該空域時的時間間隔為搜索間隔時間，其倒數(shù)即為搜索數(shù)據(jù)率。而雷達(dá)處于跟蹤狀態(tài)時，對同一個目標(biāo)相鄰兩次的照射時間為跟蹤間隔時間，它的倒數(shù)即為對該目標(biāo)的跟蹤數(shù)據(jù)率。對于相控陣?yán)走_(dá)而言，通常其搜索空域覆蓋較大，所以搜索時長較長，間隔也較長，因此搜索數(shù)據(jù)率一般偏低；但要確保目標(biāo)航跡精度，提高目標(biāo)的截獲概率，以及跟蹤的穩(wěn)定性，必須有較高的跟蹤數(shù)據(jù)率。按照跟蹤數(shù)據(jù)率從低到高的劃分，主要的工作模式分為邊掃描邊跟蹤模式（TWS）、搜索加跟蹤模式（TAS）和單目標(biāo)跟蹤模式（STT）。

2.1 邊掃描邊跟蹤模式（TWS）

TWS 工作模式通常用于方位上為窄波束，仰角上為寬波束的相控陣?yán)走_(dá)。在搜索時，天線波束依次掠過搜索空域，再不斷重復(fù)。此模式下主要完成搜索任務(wù)，因此跟蹤式不要求有高的跟蹤率，也不對跟蹤進(jìn)行單獨(dú)采樣，所以跟蹤精度低，但控制相對簡單。其天線掃描方式如圖1 所示。

如圖1所示，天線陣面共有55個波位，其中方位11個，俯仰5個。工作時，波束按照以上排布依次掃描，通常每個波位上的駐留時間一致，所以搜索間隔和跟蹤間隔一樣。意味著新目標(biāo)的檢測與老目標(biāo)的跟蹤以同樣的方式進(jìn)行，沒有專門設(shè)定跟蹤照射波位。

2.2 搜索加跟蹤模式（TAS）

TAS 模式是相控陣?yán)走_(dá)獨(dú)有的，它將跟蹤時間安插在搜索時間內(nèi)，既對搜索數(shù)據(jù)率盡可能地放寬要求以節(jié)省系統(tǒng)資源，又保證跟蹤的穩(wěn)定性和跟蹤精度。當(dāng)天線波束還沒搜索完整個空域時，由于跟蹤數(shù)據(jù)率比搜索數(shù)據(jù)了高得多，當(dāng)跟蹤時間到達(dá)，必須中斷搜索過程，將天線波束用于跟蹤。那么，其天線掃描方式如圖2 所示。

由圖2 可知，目標(biāo)出現(xiàn)在第三個俯仰位中的第七個方位波位，陣面每搜索完七個波位后對目標(biāo)進(jìn)行一次跟蹤照射。跟蹤時間片完成后繼續(xù)之前的搜索工作，直至完成整個監(jiān)視空域的搜索任務(wù)。

2.3 單目標(biāo)跟蹤模式（STT）

單目標(biāo)跟蹤模式是在相控陣?yán)走_(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)需要對其進(jìn)行鎖定和持續(xù)跟蹤。此時，陣面波束會連續(xù)對其采取高數(shù)據(jù)率采樣，此模式幾乎占據(jù)了所有的系統(tǒng)資源，以確保對目標(biāo)跟蹤的精度和可靠性。

3 機(jī)載運(yùn)動場景下電子偵察模型的構(gòu)建

相控陣?yán)走_(dá)布設(shè)于整個場景的坐標(biāo)原點(diǎn)，其天線相控陣為均勻分布式平面陣。其方向圖 為：

λ 為波長，d1為行陣元間距，d2為列陣元間距，θ0和φ0分別表示俯仰和方位角度指向。

假設(shè)相控陣?yán)走_(dá)頻率12GHz，行陣元間距14mm,列陣元間距15mm,行陣元數(shù)為128，列陣元數(shù)為32，且加權(quán)系數(shù)為泰勒級數(shù)，其天線方向如圖3 所示。

通常電子偵察設(shè)備都具備側(cè)向功能，設(shè)定其側(cè)向精度為0.1 度。偵察平臺在雷達(dá)波束覆蓋范圍內(nèi)的空域以一定速度勻速運(yùn)動，其偵察空域覆蓋雷達(dá)位置。根據(jù)以上場景以及雷達(dá)波速掃描方式分別仿真得出相控陣?yán)走_(dá)TWS、TAS 和STT 三種模式下無源偵察幅度特征圖，如圖4、圖5、圖6 所示。

圖1：相控陣?yán)走_(dá)TWS 模式天線掃描示意圖

圖2：相控陣?yán)走_(dá)TAS 模式天線掃描示意圖

圖3：三維天線方向圖

圖4

圖5

圖6

由圖可以看出，雷達(dá)在TWS 和TAS 模式下，由于方位波束寬度窄而俯仰波束寬度寬，偵察機(jī)接收幅度變化主要取決于方位波束掃描，圖中也可以明顯看到雷達(dá)在俯仰維上包含五個掃描波位。因?yàn)槟繕?biāo)在運(yùn)動，因此在下一個雷達(dá)掃描周期的偵察機(jī)接收幅度也隨著距離的變化而改變。在STT 模式中，由于雷達(dá)的波束始終鎖定在偵察機(jī)方向，所以偵察幅度變化不大。

4 結(jié)束語

本文介紹了相控陣?yán)走_(dá)三種典型工作模式及天線掃描方式，并模擬了一個運(yùn)動過程中機(jī)載無源偵察機(jī)對雷達(dá)信號幅度進(jìn)行截獲的場景。仿真得出三種模式下無源偵察的幅度數(shù)據(jù)，可以為進(jìn)一步的相控陣?yán)走_(dá)工作模式識別起到一定的支撐作用。實(shí)際上相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)非常復(fù)雜，所以它的工作樣式也十分靈活，加之電磁波在空間傳輸過程的各種因素的影響，幅度信息的不確定性有待進(jìn)一步分析和研究。