摘 要:對(duì)單脈沖二次雷達(dá)工作原理作簡(jiǎn)要介紹，分析天線波瓣外部測(cè)量法與內(nèi)部測(cè)量法的優(yōu)缺點(diǎn)以及波瓣發(fā)生變形產(chǎn)生的后果，從而對(duì)外部測(cè)量法進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。使用振幅-相位法測(cè)試二次雷達(dá)天線水平極化圖和垂直極化圖，并給出幅相不一致和交叉極化影響的解決方法，最終設(shè)計(jì)了一套二次雷達(dá)天線極化測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)為民航雷達(dá)檢測(cè)中心的建設(shè)提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:MSSR;天線波瓣;外部測(cè)量法;極化

中圖分類號(hào):TN95文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)05-044-03

Measurement Research of Monopulse Secondery Surveillance Radar Antenna Pattern

WEI Yuejun

(Civil Aviation University of China，Tianjin，300300，China)

Abstract:The principle of Monopulse Secondary Surveillance Radar(MSSR)，the merits and disadvantages of external method measurement and internal method measurement are introduced.The result of on pattern distortion working is given，and the external method is improved.Using amplitude phase method to measure the HPD/VPD of MSSR，the solution for amplitude and phase discordance and cross polarization impac are provided.A set of polarization measurement system is designed.This can be applied for the centre of civil radar detection construction and the theoretical and practical guidance are provided.

Keywords:MSSR;antenna pattern;external measurement method; polarization

0 引 言

二次雷達(dá)系統(tǒng)在民航空管領(lǐng)域的重要性勿需置疑，但由于該系統(tǒng)的復(fù)雜程度，決定了對(duì)其設(shè)備各級(jí)單元及系統(tǒng)整體性能的測(cè)試，帶來(lái)了一定的難度。目前中國(guó)民航尚未建立起一套完整的、系統(tǒng)性的雷達(dá)綜合測(cè)試系統(tǒng)，更不可能更多地去研究、優(yōu)化系統(tǒng)測(cè)試方法。同時(shí)，目前民航有關(guān)部門正在建立空管設(shè)備系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估平臺(tái)，并且有關(guān)部門還在籌備建設(shè)雷達(dá)合資工廠，雷達(dá)天線性能測(cè)試系統(tǒng)作為其中的一個(gè)主要組成部分，如何更好地展開建設(shè)，是目前建設(shè)者需考慮的一個(gè)重要課題。由此，本文著重從二次雷達(dá)天線測(cè)試方案進(jìn)行研究。

1 單脈沖二次雷達(dá)(MSSR)工作原理

單脈沖二次雷達(dá)為三脈沖體制，它的詢問(wèn)信號(hào)為脈幅調(diào)制(PAM)信號(hào)。詢問(wèn)脈沖由三個(gè)脈沖組成，P1，P3脈沖為詢問(wèn)信息脈沖，由定向天線發(fā)射;P2脈沖為旁瓣抑制脈沖，由全向天線發(fā)射。按照P1和P3脈沖的時(shí)間間隔可以分為六種詢問(wèn)模式[1]，見表1。

表1 二次雷達(dá)工作模式

模式P1到P3脈沖間隔 /μs作用用途

13±0.1識(shí)別軍用

25±0.2識(shí)別軍用

3/A8±0.2身份民用/軍用

B17±0.2識(shí)別民用

C21±0.2高度民用

D25±0.2未指定備用

近代民航的航管二次雷達(dá)，一般只用A模式和C模式輪流詢問(wèn)，這樣，在航管中心熒光屏上就能同時(shí)在目標(biāo)旁顯示出飛機(jī)的代號(hào)和高度。這里稱這種雷達(dá)為A-C模式二次雷達(dá)，其時(shí)間關(guān)系[2]如圖1所示。

圖1 詢問(wèn)信號(hào)格式

2 單脈沖二次雷達(dá)測(cè)試方法及影響分析

目前對(duì)于二次雷達(dá)天線波瓣測(cè)量的方法主要有兩種[3]:

(1) 遠(yuǎn)場(chǎng)法，通常稱為外部測(cè)量法。把射頻接收測(cè)量設(shè)備放于雷達(dá)天線作用范圍內(nèi)的某點(diǎn)，通過(guò)對(duì)二次雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波進(jìn)行檢測(cè)，從而得出二次雷達(dá)天線水平波瓣圖。

(2) 內(nèi)部測(cè)量法，把測(cè)量設(shè)備接于雷達(dá)接收通道輸入端進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 外部測(cè)量法分析

外部測(cè)量法原理[4]如圖2所示。

圖2 外部測(cè)量原理

外部測(cè)量法是日常對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試時(shí)常用的一種最直觀的方法，也是最有效的方法，但同時(shí)應(yīng)用在二次雷達(dá)天線測(cè)量中也存在著不足，通過(guò)二次雷達(dá)原理[2]可知，二次雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)，只發(fā)射和(Σ)信號(hào)與控制信號(hào)(Ω)，而差(Δ)信號(hào)只用于接收。因此該方法只能測(cè)量和(Σ)通道與控制(Ω)通道的波瓣圖，不能測(cè)量差(Δ)通道的波瓣，而差信號(hào)在判別目標(biāo)方位角起著至關(guān)重要的作用。再者，難以使兩發(fā)射通道波瓣圖實(shí)現(xiàn)較好的重疊[3]。由于兩通道是不同時(shí)刻輻射的電磁波，難以分辨各通道何時(shí)發(fā)射的電磁波，難以對(duì)兩通道不同時(shí)刻發(fā)射的電磁波進(jìn)行分離，繼而增加了系統(tǒng)測(cè)量的難度和復(fù)雜性。

2.2 內(nèi)部測(cè)量法分析

內(nèi)部測(cè)量法原理如圖3所示。

圖3 內(nèi)部測(cè)量法原理

內(nèi)部測(cè)量法從測(cè)量原理可知，它只能測(cè)量二次雷達(dá)天線三個(gè)通道接收時(shí)的波瓣特性，而無(wú)法測(cè)量發(fā)射時(shí)的波瓣特性。若天線上的某一列饋存在駐波，在天線接收時(shí)對(duì)波瓣的影響不會(huì)太大，但在發(fā)射時(shí)此列列饋對(duì)二次雷達(dá)天線波瓣的影響將變得較大，所以這種測(cè)量法并不能反映出二次雷達(dá)天線發(fā)射時(shí)真實(shí)的波瓣特性[3]。

2.3 影響分析

A/C模式二次雷達(dá)代碼數(shù)據(jù)項(xiàng)由八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換，初始格式[5]如表2所示。

表2 二次雷達(dá)代碼數(shù)據(jù)格式

Octet No.1

161514131211109

VGL0A4A2A1B4

87654321

B2B1C4C2C1D4D2D1

應(yīng)答機(jī)響應(yīng)A模式詢問(wèn)的應(yīng)答碼是識(shí)別碼，飛機(jī)的識(shí)別應(yīng)答碼到其低12位，按八進(jìn)制進(jìn)行編碼，12個(gè)信息碼從高位到低位的排列順序是:

A4A2A1 B4B2B1 C4C2C1 D4D2D1

應(yīng)答機(jī)響應(yīng)C模式詢問(wèn)的應(yīng)答碼是高度碼，高度碼的組成方式與識(shí)別碼完全不同，它的組成順序是:

D1D2D3 A1A2A3 B1B2B3 C1C2C4

單脈沖二次雷達(dá)是一種高復(fù)雜度、高精密的設(shè)備。天線在使用一定時(shí)間后其精度都會(huì)有不同程度的下降，會(huì)使天線波瓣發(fā)生變形，影響到上述所述編碼出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致飛機(jī)識(shí)別代碼混亂，高度碼產(chǎn)生誤差，飛機(jī)方位不準(zhǔn)確等一系列問(wèn)題，由此產(chǎn)生的后果不堪設(shè)想。基于此，提出一種建設(shè)性的測(cè)試方法。

3 建設(shè)性測(cè)試方案

從天線極化圖方面入手，對(duì)二次雷達(dá)天線HPD(水平極化圖)及VPD(垂直極化圖)進(jìn)行測(cè)定，從而確定其極化參數(shù)。二次監(jiān)視雷達(dá)的HPD主要用于測(cè)量目標(biāo)的方位，決定分辨同一距離不同方向上目標(biāo)的能力和方位精度;VPD在二次監(jiān)視雷達(dá)中用于保證不同高度層的距離覆蓋，使在正確的高度角發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離最大[6]。由此可以看出，HPD及VPD在二次雷達(dá)中的重要性是不言而喻的，極化圖測(cè)試方法有極化圖法、利薩如圖法、振幅-相位法及多振幅法。在對(duì)二次雷達(dá)VPD及HPD測(cè)量過(guò)程中，本文對(duì)二次雷達(dá)常規(guī)外部測(cè)量法進(jìn)行改進(jìn)，使用的接收天線為雙極化基準(zhǔn)天線且極化純度較高，接收天線可認(rèn)是理想線極化天線，因?yàn)槎卫走_(dá)是開放式陣列LVA天線，因此選擇振幅-相位法。測(cè)量線極化兩分量E1與E2的值及相位差δL，從HPD/VPD極化圖方面來(lái)分析天線波瓣?duì)顩r，極化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量如圖4所示。

如果雙極化天線接收的幅相不一致，系統(tǒng)測(cè)量時(shí)將引入由不一致性產(chǎn)生的相對(duì)幅度比值k和相位φ，由式(1)，式(2)接收數(shù)據(jù)計(jì)算出線極化幅值比和相位。

ρ′L=VHVV=ρLk

(1)

δ′L=δL+φ

(2)

當(dāng)極化測(cè)量系統(tǒng)用于接收的極化天線交叉極化分量較大，可求接收系統(tǒng)的等效畸變矩陣，取其逆矩陣來(lái)處理接收數(shù)據(jù)，達(dá)到校準(zhǔn)的效果。

圖4 極化測(cè)量系統(tǒng)

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合民航空管雷達(dá)測(cè)試的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)目前缺乏針對(duì)航管二次雷達(dá)天線波瓣測(cè)量的相關(guān)方案和設(shè)備，較難獲得二次雷達(dá)天線瓣圖，準(zhǔn)確地判斷二次雷達(dá)系統(tǒng)及天線性能。通過(guò)對(duì)二次雷達(dá)天線波瓣測(cè)試方法的分析，提出一個(gè)系統(tǒng)性、經(jīng)過(guò)初步優(yōu)化了的天線測(cè)試方案，一方面可以對(duì)有效地建立空管測(cè)試評(píng)估平臺(tái)和搭建雷達(dá)生產(chǎn)測(cè)試檢驗(yàn)平臺(tái)打下良好基礎(chǔ)，另一方面還可以為確?？展芏卫走_(dá)選址和設(shè)備正常運(yùn)行提供手段，同時(shí)也為準(zhǔn)備建立的雷達(dá)檢測(cè)中心提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

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