多功能相控阵雷达的波位编排方法仿真
时间：2021-11-11 14:32:44
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[导读]相控阵雷达波位编排的功能是对一个给定的监视空域进行照射波束编排，为相控阵雷达的波位扫描提供搜索波位表。不同于传统的机械扫描雷达，相控阵雷达在探测目标时，将存在着如下的问题：1.天线波束宽度随着扫描角（即偏离阵面法线的夹角）变化，导致波束排列不均匀。2.阵面调节后导致波束宽度发生变...
相控阵雷达波位编排的功能是对一个给定的监视空域进行照射波束编排，为相控阵雷达的波位扫描提供搜索波位表。不同于传统的机械扫描雷达，相控阵雷达在探测目标时，将存在着如下的问题：
1. 天线波束宽度随着扫描角（即偏离阵面法线的夹角）变化，导致波束排列不均匀。2. 阵面调节后导致波束宽度发生变化。3. 波束在空间中的切换（移动）是离散的，存在着最小波束跃度。
为了解决上述问题，都需要进行预先的波位编排，才能使雷达性能满足指标要求。同时通过进行波位编排，确定各波位位置，预先计算并存储相应的波控码，在波束调度时直接调用波控码，能够快速相应波控速度，而无需再重复计算各阵元的附加相移量。
波位排列方法
对于给定的搜索监视空域，所需要的波位数目除了与波位参数有关以外，还与波位排列方式密切相关，波位排列方式的选择应该在波位个数与覆盖范围内的平均增益损失之间进行折中考虑。
在设计波位排列时，临近的两个波位直径距离越大，雷达完成对整个监视空域扫描的时间就越短，但是会有很多区域被漏检，使得所指定区域平均波束增益损失较多。
实际中，多采用三种方式进行波位排列，即列状波束（矩形排列）、交错波束（三角形排列）和低损耗点波束（交叠排列）。
三种波位编排各有优点，列状波束编排所需要的波位数目最少，但是它的覆盖率较低，当有限的相控阵资源是主要矛盾时，或者目标分布密度较小时可以考虑这种排列方式；
低损耗点波位编排虽然其覆盖率高，但是重叠率也高，容易造成对目标的冗余探测，反而增加了后续航迹管理的难度，限制了其应用范围；
交错波位编排的3dB覆盖率达到了90%左右，同时重叠率为0，波位个数与覆盖范围内的平均增益损失这两种性能达到了较好的平衡，是一种常见的波位编排样式，在本建模仿真中，主要采用这种方式进行空域波位编排。
波位编排仿真
将波位编排的一般步骤描述为如下五个具体步骤：
1. 根据雷达预设的监视区域范围，包括方位扫描范围、俯仰扫描范围，通过坐标变换，将其变换至正弦空间坐标系内，即完成探测空域轮廓，并将其映射至正弦坐标空间。
2. 根据正弦空间内的波束宽度、预设的波束排列方式（如矩形排列、三角形排列、交叠排列等），在正弦空间内安排各波位，计算各波位的中心坐标；
3. 将各波位的中心坐标通过坐标转换（一般需要转换两次，首先转至天线阵面坐标系，然后转至雷达站坐标系内），变换到雷达站坐标系内；
4. 通过方位、俯仰二维检测，检验该波位是否落入雷达预设的监视区域范围内，如果落入监视区域内，则将波位位置存入正弦空间波位编排列表中，否则将丢弃；
5. 逐一执行上述操作，生成整个正弦空间的波位编排列表，并通过坐标转换，将其变换至雷达站球坐标系，便于后续进行事件调度使用。
在实际过程中，还需要根据波位编排列表中的每一个波位，对应地生成波控码，以提高波控相应速度，在数字仿真中暂时不考虑。
利用上述五个步骤，给出具体的波位编排实例，详见BeamArrange函数，它的调用形式如图 3.1所示。
图 3.1 波位编排主函数调用方式说明
采用如下图所示的相控阵雷达典型参数进行仿真。图 3.2 仿真参数设置
在正弦空间坐标系内，采用三角形排列方式进行波位编排，得到如图 3.3所示的结果。通过仿真可以看到，采用三角形排列（交错波位）编排时，其3dB覆盖率能达到90%左右，重复率为0，波位数目也较少，约为1423个。
图 3.3 三角形排列下的波位编排结果
相控阵雷达处于搜索工作状态时，要对搜索空域立体角进行扫描并形成目标检测报告。为了提高对搜索空域中目标的检测概率，一般希望搜索空域立体角内排列的波束不宜过松，以免造成漏检；
另一方面，为了提高雷达搜索数据率，又要求搜索空域立体角内排列的波束不宜过于紧密，安排的波位数目不宜过多。此外，天线阵列排列过密还会增加雷达的冗余探测，导致雷达在目标航迹关联、滤波预测等数据处理负担增加。
综上考虑，波位编排要在雷达检测性能损失和搜索数据率之间寻求折中。在大多数实际用中，通常期望天线波束在搜索空域立体角内均匀排列，并且根据不同的战术要求，天线波位序列排列的紧密程度也有所不同。
本文节选自新推出的一个精品课程：《相控阵雷达波束调度和多目标航迹管理》，包含一个32页的WORD文档和丰富的Matlab程序集，见下面截图：
精品课程目录
1相控阵雷达事件调度1.1概述1.2影响调度的主要因素1.2.1各种工作方式的相对优先级1.2.2调度间隔的选择1.2.3资源与设计条件约束1.3自适应调度策略及其准则2雷达事件调度建模2.1雷达事件类型2.2雷达事件优先级准则2.2.1精度准则2.2.2紧迫性准则2.3时间和能量约束2.4雷达自适应调度仿真流程2.5程序仿真实现3空域波位编排3.1波位排列方法3.2波位编排仿真4多目标航迹管理4.1状态预测与更新4.2航迹起始和终结4.2.1概述4.2.2起始和终结规则4.3航迹关联5结束语5.1工作总结5.2需完善内容附录A 程序中使用的坐标系定义附录B 程序使用说明
点击“阅读原文”订阅后下载文档和程序，运行主函数：MPAR2DBeamScan.m，得到上面视频中的调度效果，更多方式你可以自行消化程序后自行修改。该精品课程有专属的交流群，订阅后联系小编(ID:Zang_lxl)邀请加入。
1. 天线波束宽度随着扫描角（即偏离阵面法线的夹角）变化，导致波束排列不均匀。2. 阵面调节后导致波束宽度发生变化。3. 波束在空间中的切换（移动）是离散的，存在着最小波束跃度。
为了解决上述问题，都需要进行预先的波位编排，才能使雷达性能满足指标要求。同时通过进行波位编排，确定各波位位置，预先计算并存储相应的波控码，在波束调度时直接调用波控码，能够快速相应波控速度，而无需再重复计算各阵元的附加相移量。
波位排列方法
对于给定的搜索监视空域，所需要的波位数目除了与波位参数有关以外，还与波位排列方式密切相关，波位排列方式的选择应该在波位个数与覆盖范围内的平均增益损失之间进行折中考虑。
在设计波位排列时，临近的两个波位直径距离越大，雷达完成对整个监视空域扫描的时间就越短，但是会有很多区域被漏检，使得所指定区域平均波束增益损失较多。
实际中，多采用三种方式进行波位排列，即列状波束（矩形排列）、交错波束（三角形排列）和低损耗点波束（交叠排列）。
三种波位编排各有优点，列状波束编排所需要的波位数目最少，但是它的覆盖率较低，当有限的相控阵资源是主要矛盾时，或者目标分布密度较小时可以考虑这种排列方式；
低损耗点波位编排虽然其覆盖率高，但是重叠率也高，容易造成对目标的冗余探测，反而增加了后续航迹管理的难度，限制了其应用范围；
交错波位编排的3dB覆盖率达到了90%左右，同时重叠率为0，波位个数与覆盖范围内的平均增益损失这两种性能达到了较好的平衡，是一种常见的波位编排样式，在本建模仿真中，主要采用这种方式进行空域波位编排。
波位编排仿真
将波位编排的一般步骤描述为如下五个具体步骤：
1. 根据雷达预设的监视区域范围，包括方位扫描范围、俯仰扫描范围，通过坐标变换，将其变换至正弦空间坐标系内，即完成探测空域轮廓，并将其映射至正弦坐标空间。
2. 根据正弦空间内的波束宽度、预设的波束排列方式（如矩形排列、三角形排列、交叠排列等），在正弦空间内安排各波位，计算各波位的中心坐标；
3. 将各波位的中心坐标通过坐标转换（一般需要转换两次，首先转至天线阵面坐标系，然后转至雷达站坐标系内），变换到雷达站坐标系内；
4. 通过方位、俯仰二维检测，检验该波位是否落入雷达预设的监视区域范围内，如果落入监视区域内，则将波位位置存入正弦空间波位编排列表中，否则将丢弃；
5. 逐一执行上述操作，生成整个正弦空间的波位编排列表，并通过坐标转换，将其变换至雷达站球坐标系，便于后续进行事件调度使用。
在实际过程中，还需要根据波位编排列表中的每一个波位，对应地生成波控码，以提高波控相应速度，在数字仿真中暂时不考虑。
利用上述五个步骤，给出具体的波位编排实例，详见BeamArrange函数，它的调用形式如图 3.1所示。
图 3.1 波位编排主函数调用方式说明
采用如下图所示的相控阵雷达典型参数进行仿真。图 3.2 仿真参数设置
在正弦空间坐标系内，采用三角形排列方式进行波位编排，得到如图 3.3所示的结果。通过仿真可以看到，采用三角形排列（交错波位）编排时，其3dB覆盖率能达到90%左右，重复率为0，波位数目也较少，约为1423个。
图 3.3 三角形排列下的波位编排结果
相控阵雷达处于搜索工作状态时，要对搜索空域立体角进行扫描并形成目标检测报告。为了提高对搜索空域中目标的检测概率，一般希望搜索空域立体角内排列的波束不宜过松，以免造成漏检；
另一方面，为了提高雷达搜索数据率，又要求搜索空域立体角内排列的波束不宜过于紧密，安排的波位数目不宜过多。此外，天线阵列排列过密还会增加雷达的冗余探测，导致雷达在目标航迹关联、滤波预测等数据处理负担增加。
综上考虑，波位编排要在雷达检测性能损失和搜索数据率之间寻求折中。在大多数实际用中，通常期望天线波束在搜索空域立体角内均匀排列，并且根据不同的战术要求，天线波位序列排列的紧密程度也有所不同。
本文节选自新推出的一个精品课程：《相控阵雷达波束调度和多目标航迹管理》，包含一个32页的WORD文档和丰富的Matlab程序集，见下面截图：
精品课程目录
1相控阵雷达事件调度1.1概述1.2影响调度的主要因素1.2.1各种工作方式的相对优先级1.2.2调度间隔的选择1.2.3资源与设计条件约束1.3自适应调度策略及其准则2雷达事件调度建模2.1雷达事件类型2.2雷达事件优先级准则2.2.1精度准则2.2.2紧迫性准则2.3时间和能量约束2.4雷达自适应调度仿真流程2.5程序仿真实现3空域波位编排3.1波位排列方法3.2波位编排仿真4多目标航迹管理4.1状态预测与更新4.2航迹起始和终结4.2.1概述4.2.2起始和终结规则4.3航迹关联5结束语5.1工作总结5.2需完善内容附录A 程序中使用的坐标系定义附录B 程序使用说明
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