基于波形嵌套的数字阵列雷达资源调度算法

温丹昊 许银龙

摘要：文章根据数字阵列雷达的信号处理特点，提出了一种数字阵雷达的资源调度算法。该调度算法以一种波形嵌套技术为基础，在满足系统时间和能量资源约束的条件下，它使得不同的驻留波束能交错执行，其中，驻留脉冲的等待期可以用来执行其他脉冲的发射或者接收任务，而且不同驻留任务的等待期可以在时间上相互重叠。研究证明，由于驻留脉冲等待期和接收期的充分利用，与传统自适应资源调度算法相比，此算法能有效地提高系统资源利用率，获得更高的系统实现价值率。

关键词：数字阵列雷达;波形嵌套;资源调度

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）16-0111-03

1 引言

近年来，雷达的数字化程度逐步提高，数字阵列雷达作为一种新型全数字化相控阵雷达，开始被雷达行业广泛重视和研究[1-3]。和传统的模拟信号相控阵雷达相比，数字阵列雷达除了具有探测复杂空情能力强、探测目标精度高、电磁抗干扰能力强等优势外，还具有资源调度和信号处理方式灵活的优点，能够同时进行多个空域的搜索，同时对多个空情进行主动跟踪，因此可以很大程度地节省雷达系统资源，包括时间资源和能量资源[4]。其中怎样能够合理、高效、灵活地调度雷达系统资源是数字阵列雷达能发挥其优势的关键所在。根据多年的发展和研究，现有的雷达系统资源优化调度策略主要有两大类：固定模板调度策略和自适应调度策略。其中自适应调度策略是通过平衡各种雷达执行任务所要求的能量、时间以及计算机资源，为在一个调度间隔内选择一个最佳雷达事件执行序列的一种调度方法，是最有效但也最为复杂的调度方法。

现有的自适应调度策略算法主要是基于一定启发规则，从而获得调度次优解的算法[5-6]。这些算法都没有充分考虑到雷达波形参数特别是脉冲信号接收期的长短对资源调度的影响，虽然它们在一定程度上提高了雷达系统的资源利用率，但在同时跟踪目标数量较多的情况下提高程度非常有限。研究证明，对于现代的多功能数字阵列雷达，脉冲信号接收期的长短对波束驻留调度有着相当重要的影响，特别是它可以采用波形嵌套的技术实现多波束收发，显著提高系统资源的利用率。本文将在波束驻留调度过程中引入波形嵌套技术，从而控制嵌套跟踪过程的能量、时间以及计算机资源约束，实现雷达资源调度。该方法与传统自适应调度策略相比， 它在同时跟踪目标数量较多的情况下能有效降低驻留任务的丢失率， 从而使得数字阵列雷达获得更高的实现价值率。

2 嵌套跟踪调度模型

嵌套跟踪是指数字阵列雷达在进行目标跟踪时，在等待第一个目标回波返回期间内插入另一个波形对另一个目标进行探测，以达到节省探测总时间，提高系统资源利用率的目的。假设两目标1（较远）、2（较近）距离分别为R1和R2，用来探测两目标的对应波形的脉宽分别为τ1和τ2，C为光速。

2.1 常规跟踪

若要对两目标分别进行探测，通常根据目标预测的距离，选择参数合适的波形进行探测，则每个波形的周期至少为：

[T1=R1C2+τ1]

[T2=R2C2+τ2]

[T=T1+T2]

在实际应用中一般根据距离远近预先设定几个固定周期参数的波形，波束调度程序根据目标距离从预先设定好的波形库中选择使用，因此实际周期通常还需要大于该理论周期。

2.2 嵌套跟踪

若改用嵌套跟踪方式对两目标进行探测，其工作流程如图 1所示，雷达用嵌套跟踪方式工作时，用两个波位BW1和BW2进行探测，第一个波位嵌套了两个子脉冲subFR1和subFR2，两个子脉冲间隔为Δ1，脉宽分别为τ1和τ2，在BW1的末尾接收目标2的回波τ2，BW2用了一个子脉冲，脉宽是很小的一个Δ2，大部分时间用来接收第一个目标的回波τ1。

和常规跟踪探测相比，嵌套跟踪的探测时间缩短为：

[T=R1C2+τ1+Δ]

其中Δ为了满足雷达发射系统占空比要求而进行补足的时间，是否存在要根据实际占空比要求进行判断，并且其数值一般不会太大，对总时间的影响较小。

2.3 两种方法对比

对目标2的探测过程发生在等待目标1回波到来的时间内，在普通跟踪时，该时间段内雷达处于空闲等待状态。

根据上述计算可知，使用嵌套跟踪方式，对两个目标完成探测的总时间至少减少了。

[TΔ=R2C2+τ2-Δ]

这在系统跟踪任务较多的情况下，可以大量節省时间，有效提高任务成功率。

现代多功能数字阵列雷达通常同时肩负搜索、跟踪、识别、ISAR成像等多种任务，即使在跟踪任务不是很多的情况下，也可以通过嵌套跟踪为其他任务留下更多系统资源。

除此之外，针对预测时间相同或相近的跟踪任务，嵌套跟踪可以起到减少跟踪延迟的作用，能更准确地探测目标，提升系统性能。

3 实现条件

根据系统条件不同，实现嵌套跟踪需要满足若干条件，其中部分为判定类条件，即必须满足该类条件才可以实现相应功能，另一部分为补充类条件，即在实现功能时通过调整相关参数以满足特定条件。

3.1 判定类条件

1）目标距离

如果两目标能够嵌套，则必须满足在探测目标2的回波接收完成后，目标1的回波才有可能到达。因此理论上应有：

[R1≥R2+C2τ1+Δ1+τ2'+Δ2]

即：

[R1≥C2*T2+C2τ1+Δ1+Δ2]

其中：

[T2=R2C2+τ2']

只有在目标1和2的距离满足上述关系时，才可能对两目标进行嵌套跟踪。

2）脉冲宽度

当使用上述嵌套波形技术对两目标进行探测时，脉宽τ1和τ2相当于连续进行发射，因此必须满足雷达收发系统的最大脉宽限制，即：

[τ1+τ2≤τMAX]

其中τMAX为雷达收发系统支持的最长脉宽。

3）波位最短时间

雷达系统进行任务调度时，通常在当前任务执行时，提前为下一任务进行波束编排、计算及传输等准备，以实现收发系统的连续高效工作。由于受到硬件传输、操作系统实时响应速度和软件计算等因素限制，每一任务都要留有足够时间以准备下一个任务的相关参数，系统才能正常连续运作。

如图 2中所示，当收发系统开始执行T1任务时，同时给调度系统一个中断，此时调度系统即开始准备下个任务T2，当编排、计算和传输等全部执行完毕后系统进入空闲等待时间，直到任务T1执行完毕，此时收发系统接着执行已经准备完成的T2任务，同时产生中断，调度系統开始准备T3任务，一直循环往复。

如果波位时间过短，如图中T2任务所示，此时对下一个任务的准备工作尚未完成，导致当T3中断到来时，数据尚未传输完成，任务出错，并导致整个循环出现偏差，并且可能产生不可预知的错误。

在同一系统中，在通常情况下进行任务准备的时间差别不大（几十到一百微秒），假设进行任务准备所需的最长时间为TMAX，考虑图 1中的BW1长度必须大于TMAX，则有：

[R1≥C2TMAX+Δ2]

并且此时有：

[T2=TMAX-τ1-Δ1]

3.2补充类条件

只有目标参数同时满足1类条件中的三个判定类条件，才能实现目标1和目标2之间的嵌套跟踪，此时，需要根据2类条件对跟踪参数进行计算及修正。

根据目标1的位置可以计算出一个波位的总长度应该为：

[T1=R1C2+τ1']

1）占空比

雷达系统占空比主要由收发系统决定，只有满足占空比条件，才能保证设备长时间正常工作，假设系统的占空比最大值为DRMAX，则有：

[T1≥τ1+τ2/DRMAX]

2）波位最短时间

与判定类条件中的条件c类似的，同时需要考虑图 1中BW2长度也必须大于TMAX，因此有：

[T1≥τ1+Δ1+T2+TMAX]

4 算法实现

在雷达实际工作时，可按照以下步骤来实现嵌套跟踪的参数选择和调度：

1）根据目标距离找到对应的探测波形，获得脉宽等参数。

2）判断如下条件是否满足：

[R1≥C2TMAX+Δ2]

不满足则两目标无法嵌套。

3）判断如下条件是否满足：

[R1≥R2+C2τ1+Δ1+τ2'+Δ2]

不满足则两目标无法进行嵌套。

4）此时可以计算得到：

[T2=maxTMAX-τ1-Δ1，R2C2+τ2']

[T1=maxR1C2+τ1'，τ1+τ2DRMAX，τ1+Δ1+T2+TMAX]

5）根据上述结果，组织形成一个波位的参数，发送到信号处理系统。

该算法设计已作为通用标准模块成功应用到多个实际项目中，验证了此算法设计的实用性和有效性。

经过雷达实际探测场景的数据分析，和传统调度算法相比，本文的波形嵌套调度算法能够能获得更高的系统实现价值率和更高的系统时间利用率。

如图3中左图为传统调度算法和波形嵌套调度算法的雷达系统实现的价值率曲线，当同时探测的目标数目较少时，所有雷达波束请求都被调度执行，两种算法的系统实现价值率都能达到100%。传统的自适应调度算法在同时探测目标数量增加35以上时，实现价值率迅速下降，而波形嵌套调度算法的系统实现价值率在目标数目达到55以上时才开始有所降低，且它的下降曲线比较平缓，即下降速度较慢。由此可见，采用波形嵌套调度算法能获得更高的系统实现价值率[5]。图3中右图为两种算法的系统时间利用率曲线，同时探测目标数量较少时，执行相同的波束调度，波形嵌套调度算法由于多个雷达脉冲回波接收期的可重叠性，和传统自适应调度算法相比它的总接收时间不会更大，此时波形嵌套调度算法获得的系统时间利用率更低。在目标数量增加到一定数量后，两种算法的系统时间利用率均开始下降。同时探测目标数增大到25时传统自适应调度算法的时间利用率开始下降，波形嵌套调度算法能充分利用脉冲驻留的等待期发射或者接收回波，同时探测目标数增大到55以上后时间利用率才开始下降，并且和系统实现价值率曲线相似，下降速度比传统自适应调度算法更慢[6]。

5 结论

发射和接收都采用数字波束形成技术的数字阵列雷达是一种全新体制的数字化相控阵雷达，它采用的全数字化处理方式使得雷达信号可以进行全向接收，因此，多个驻留脉冲的回波数据能被同时接收是它的一个显著特点。由此，本文提出了一种波形嵌套算法，并在此基础上设计了一种嵌套跟踪的波束驻留调度方法，这种方法使得不同的驻留脉冲能在满足时间和能量约束条件下进行交错执行。与传统自适应调度算法相比，由于该算法对驻留脉冲等待期和接收期的有效利用，其能获得更好的调度性能，从而使得数字阵雷达的资源得到有效利用，效能得到充分发挥[6]。

参考文献：

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[4] 张浩为，谢军伟，盛川.综合优先级规划下的相控阵雷达自适应调度方法[J].兵工学报，2016，37（11）：2163-2169.

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【通联编辑：闻翔军】