(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710071)

0 引言

由于地面微波雷達(dá)受到地球曲率的限制,在海邊沒有高山,岸基雷達(dá)的視距一般只有幾十公里。為了突破這一限制,近幾十年來,世界主要大國(guó)均在大力發(fā)展高頻(2～30 MHz)雷達(dá)[1-5]。高頻雷達(dá)根據(jù)電波傳播方式的差異,可分為高頻天波超視距雷達(dá)(Sky Wave OTHR,SKWOTHR)和高頻地波超視距雷達(dá)(Surface Wave OTHR,SWOTHR)。高頻天波雷達(dá)借用電離層作為傳播媒介,實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)視距外的遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè),其作用距離一般為1 000～3 500 km;高頻地波雷達(dá)則利用了高頻電磁波的垂直極化特性及其沿海表面低損耗的傳播特性,實(shí)現(xiàn)超視距目標(biāo)的探測(cè),其作用距離一般在300～400 km[3,6-7]。

高頻地波雷達(dá)由于波長(zhǎng)長(zhǎng),具有反隱身、反低空突防、抗反輻射導(dǎo)彈和超視距預(yù)警等優(yōu)勢(shì),并得到了廣泛的研究。但是,現(xiàn)有用于目標(biāo)探測(cè)的高頻地波雷達(dá)一般采用大型對(duì)數(shù)天線發(fā)射,高數(shù)十米,并采用數(shù)百米長(zhǎng)的大型陣列天線接收,占地面積約為10 000 m2。例如,加拿大的某高頻地波雷達(dá)的發(fā)射天線為架設(shè)在高40 m鐵塔上的對(duì)數(shù)周期天線,接收天線為40個(gè)單元并鋪設(shè)在1.5 km長(zhǎng)的海岸上[1-2]。因此,地波雷達(dá)面臨著“陣地大、選址難、角度分辨率低、機(jī)動(dòng)性差”等問題。高頻地波雷達(dá)從天線架設(shè)角度主要分岸基和艦載兩種,從使用角度主要分為用于目標(biāo)探測(cè)和用于海流流向、浪高、流速和海面風(fēng)向、風(fēng)速、浪周期等參數(shù)的測(cè)量。本文主要針對(duì)用于目標(biāo)探測(cè)的高頻地波雷達(dá)。艦載高頻地波雷達(dá)的天線孔徑受到艦船尺寸的限制,例如,對(duì)百米長(zhǎng)的艦船,若天線孔徑為100 m,在8 MHz工作頻率波束寬度約20°,且在船的兩頭幾乎不能探測(cè)。而岸 艦雙基地地波超視距雷達(dá)可以在海岸上架設(shè)大型發(fā)射天線陣,并發(fā)射正交信號(hào),在接收站即使采用單個(gè)無方向性的天線,也可以在接收站利用發(fā)射天線孔徑,形成發(fā)射方向圖,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與定位,因此,它是一種多輸入單輸出(MISO)雷達(dá)。當(dāng)然若在大型艦船上接收,也可以采用陣列天線接收,構(gòu)成多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)。

岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)綜合利用地波超視距、多基地、無源定位、空時(shí)編碼正交信號(hào)等先進(jìn)雷達(dá)體制或技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)成一種嶄新的岸-艦雙基地超視距探測(cè)雷達(dá)。這種雷達(dá)有利于克服現(xiàn)有單基地的岸基或艦載地波雷達(dá)的缺點(diǎn)或不足。由于采用多天線陣列發(fā)射,且發(fā)射“空-時(shí)”編碼正交信號(hào);在接收站可只采用單根無方向天線接收,便于安裝在多個(gè)小型艦船上。因此,本文首先簡(jiǎn)述該雷達(dá)的工作原理和主要特點(diǎn),然后分析其關(guān)鍵技術(shù),計(jì)算其威力覆蓋范圍,最后介紹原理性試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)結(jié)果。

1 岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)的工作原理

考慮岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)的出發(fā)點(diǎn)主要有:1)雷達(dá)置于軍艦一類的運(yùn)動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)上,便于機(jī)動(dòng),且構(gòu)成岸 艦雙基地雷達(dá);2)在軍艦上不發(fā)射電磁波(相當(dāng)于“無源”定位),所有軍艦均利用岸上發(fā)射站發(fā)射的信號(hào),既可以避免敵方利用我方發(fā)射的信號(hào)偵察到自己和反輻射導(dǎo)彈的攻擊,又可以減少軍艦上的雷達(dá)設(shè)備;3)采用高頻(HF)波段,因?yàn)榈夭?表面波)傳播方式能夠看到視距以外,并且雷達(dá)波長(zhǎng)與散射目標(biāo)尺寸相當(dāng)時(shí)因諧振效應(yīng)而獲得較大的散射截面積,有利于對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)。

岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)采用N個(gè)發(fā)射天線架設(shè)在海灘上,發(fā)射信號(hào)采用空時(shí)編碼技術(shù),向空間全向或扇區(qū)照射,并不形成發(fā)射方向圖,相當(dāng)于一個(gè)“廣播臺(tái)”;接收站采用一個(gè)無方向性的天線且安裝在艦船上,可以在任意艦船上安裝接收設(shè)備,共享一個(gè)發(fā)射站輻射的信號(hào)。它在接收端通過綜合處理而形成發(fā)射方向圖,這一點(diǎn)與稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)(SIAR)類似。岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)實(shí)際上是“窄發(fā)寬收”體制(普通地波超視距雷達(dá)一般為“寬發(fā)窄收”體制)。

岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)的發(fā)射、接收與目標(biāo)的位置示意圖如圖1所示,假定發(fā)射站O、接收站P(可以有多個(gè),圖中只畫出一個(gè))和目標(biāo)T投影到一個(gè)平面上。在接收站,接收站相對(duì)于發(fā)射站的距離R0和方位∠1可以利用GPS等設(shè)備得到,對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行發(fā)射綜合處理(類似于發(fā)射數(shù)字波束形成)、相干積累和目標(biāo)檢測(cè)等處理,可以得到發(fā)射站到目標(biāo)的距離Rt與目標(biāo)到接收站的距離Rr的“距離和”R(即Rt+Rr),以及目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射站的方位θ(等于∠NOT,它與接收站所在位置無關(guān))。在 △POT中,∠POT=α=θ-∠1,利用幾何關(guān)系可以計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)于接收站的距離Rr和方位φ=∠NPT=180°-∠2,

圖1 岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)示意圖

岸艦雙基地地波超視距雷達(dá)的信號(hào)處理過程如圖2所示。在圖中下邊的目標(biāo)處理支路需要先對(duì)各發(fā)射信號(hào)分量進(jìn)行分離,對(duì)各分量的脈沖壓縮等處理;然后進(jìn)行發(fā)射孔徑綜合處理,形成發(fā)射方向圖;再進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間相干積累處理等。對(duì)海面目標(biāo)的速度較慢,且地波雷達(dá)的距離分辨率較低,不需要考慮目標(biāo)跨距離單元和跨多普勒通道的問題。

圖2 岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)的信號(hào)處理過程

該雷達(dá)與常規(guī)地波超視距雷達(dá)的主要區(qū)別有:

1)常規(guī)地波超視距雷達(dá)一般發(fā)射寬波束覆蓋某一扇區(qū),接收為窄波束,即“寬發(fā)窄收”體制;而岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)采用陣列發(fā)射,發(fā)射信號(hào)時(shí)在功率意義上并不形成發(fā)射方向圖,但可以在接收端通過“DBF”處理而形成發(fā)射方向圖。

2)任意艦載接收站都可以通過信號(hào)處理形成發(fā)射方向圖,而常規(guī)地波超視距雷達(dá)不可能。即使常規(guī)地波超視距雷達(dá)的接收天線能安裝在艦船上,構(gòu)成岸-艦雙(多)基地雷達(dá)系統(tǒng),但接收站必須采用大孔徑天線陣測(cè)角,因而只能安裝在大型艦船上。

3)接收站最少可只采用一個(gè)小型化天線,因而可以安裝在小型艦船上,這是其他體制地波雷達(dá)所無法具備的。

4)由于收發(fā)分置,接收站不發(fā)射信號(hào),因此,對(duì)接收站而言,具有一切“無源”的優(yōu)勢(shì),即良好的抗有源定向干擾能力和抗摧毀能力。

5)利用發(fā)射陣在兩維平面上垂直維的孔徑來降低天線仰角副瓣電平,從而減少電離層的干擾[8]。而一般艦載地波OTH雷達(dá)天線的垂直維的副瓣電平高,易受電離層干擾。

因此,本雷達(dá)是一種新型岸-艦雙基地地波OTH雷達(dá),且接收站能裝載于任意多個(gè)小型艦船上(也可以裝載于大型艦船上)。為我軍艦船提供一種新型“無源”警戒與引導(dǎo)手段,以提高這類小型艦船的隱蔽性和機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力。

2 岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)的主要關(guān)鍵問題

岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)需要解決的關(guān)鍵問題主要有:

1)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的雙基地雷達(dá)的時(shí)間和頻率同步問題。盡管發(fā)射的時(shí)鐘基準(zhǔn)和接收端給A/D的采樣時(shí)鐘均采用高穩(wěn)定度的恒溫晶振,但是兩個(gè)恒溫晶振之間在10 MHz頻率可能存在10 m Hz左右的頻率差異,在百秒量級(jí)的相干處理之前需要對(duì)頻率的差異進(jìn)行補(bǔ)償[9]。若采用線性調(diào)頻中斷連續(xù)波,還需要利用直達(dá)波提取時(shí)間同步信號(hào)等[10-11]。

2)利用直達(dá)波對(duì)發(fā)射陣列的幅相與互耦校正。岸-艦雙基地地波雷達(dá)采用陣列發(fā)射,在接收端進(jìn)行通道分離,并采用發(fā)射綜合技術(shù)獲取目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射站的方向信息。實(shí)際中,由于發(fā)射通道電路特征的差異不可避免,必須進(jìn)行陣列誤差校準(zhǔn)?？紤]到接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)且位置可測(cè)量,不同位置接收到的直達(dá)波有所不同,本文已提出在接收端利用直達(dá)波信號(hào)估計(jì)發(fā)射通道誤差參數(shù)的校準(zhǔn)方法[12-14]。

3)直達(dá)波抑制。由于直達(dá)波比目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)得多,因此,在該雷達(dá)中應(yīng)采用兩級(jí)接收機(jī),第一級(jí)接收機(jī)為低增益,用于接收直達(dá)波信號(hào);第二級(jí)接收機(jī)為高增益,用于接收目標(biāo)回波信號(hào)。然后對(duì)目標(biāo)回波支路采用時(shí)、頻域等方法抑制直達(dá)波[15]。

4)雜波特征及其抑制方法。針對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上海雜波譜可能被展寬,需要研究海雜波特征及其抑制方法,本文在文獻(xiàn)[16]中提出了在圖像域進(jìn)行海雜波抑制的處理方法。需要分析在雙基地工作情況下電離層雜波的散射特征,通過對(duì)發(fā)射陣列優(yōu)化設(shè)計(jì),控制仰角維的副瓣電平。研究雙基地工作情況下地波雷達(dá)的射頻干擾抑制方法[7,17]。

3 岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)威力的計(jì)算

針對(duì)海面艦船目標(biāo),岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)威力計(jì)算的主要參數(shù)為:

發(fā)射天線單元數(shù)為Ne,考慮阻抗匹配后發(fā)射天線單元天線增益為Gt=5 dB;

單元天線發(fā)射的峰值功率為Pt;

接收天線采用小型化高效地波天線,增益為Gr=0 dB;

接收機(jī)帶寬B=100 k Hz;

接收機(jī)噪聲系數(shù)F=5 d B,外部環(huán)境的噪聲系數(shù)為Fc,根據(jù)有關(guān)資料[1-2]:

當(dāng)工作頻率為4～12 M Hz時(shí),Fc=51～42.5 d B?？梢?在地波雷達(dá)中,外部噪聲的功率密度為Nc=k T0Fc·Gr,當(dāng)取Fc=45 dB,Gr=0 dB時(shí),Nc=-159d B。而接收機(jī)內(nèi)部噪聲的功率密度為Nnei=k T0F,當(dāng)取F=5 dB時(shí),Nnei=-199 dB。所以,接收信號(hào)總的噪聲功率密度為N0=Nc+Nnei≈Nc,即接收的噪聲主要是外部環(huán)境噪聲。

系統(tǒng)總損耗為L(zhǎng)s,這里是指發(fā)射和接收電纜的損耗。由于分散發(fā)射,發(fā)射機(jī)就在天線旁邊,連接電纜較短;接收機(jī)也在接收天線下方。因此取Ls=2 dB。

在HF波段,艦船目標(biāo)的有效散射截面積(RCS)σ的近似計(jì)算公式[8]為故在威力計(jì)算過程中,對(duì)不同噸位的船的平均RCS取值如表1所示。

_表1 不同噸位船只的平均RCS

相干積累時(shí)間為Ti(如取256 s);檢測(cè)前的信噪比(即檢測(cè)因子)為D0。若發(fā)射站到目標(biāo)、目標(biāo)到艦船(接收站)的距離分別為Rt,Rr,則雙基地雷達(dá)方程為

式中:λ為波長(zhǎng);Ft,Fr分別為發(fā)射站到目標(biāo)傳播路徑、目標(biāo)到艦船傳播路徑上的地波衰減因子。由式(5)的距離積的雷達(dá)方程可以看出,該雷達(dá)的作用距離與接收天線的增益Gr無關(guān),因此,接收天線的增益可以采用無方向性的低增益天線。

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟無線電委員會(huì)(ITU-R)建議,在海面表面波傳播不同距離時(shí)場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)于自由空間的平均衰減的地波傳播衰減曲線[7]如圖3(a)所示,這組曲線設(shè)定天線的輻射功率為1 k W,方向系數(shù)為Dr≈3。單程接收時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)為

如取工作頻率f0=10 M Hz,對(duì)于平均鹽度的海水(電導(dǎo)率σ=5 S/m,相對(duì)介電常數(shù)εr=70),可從傳播曲線查得r=400 km處的場(chǎng)強(qiáng)Ef≈25 d B(μV/m)。而在400 km 處的場(chǎng)強(qiáng)Ex1=57.5 dB(μV/m),可得傳播衰減為:A=57.5-25=32.5(dB)。因此,在400 km內(nèi)的平均單程衰減因子為32.5/400=0.0813 d B/km。圖3(b)給出了左右距離分別為200 km和400 km的平均衰減因子。從圖中可以看出,載頻f0=5 M Hz時(shí),地波的衰減(單程)平均可按0.06 dB/km計(jì)算;f0=8 M Hz時(shí),地波的衰減(單程)為0.09 d B/km。

雙基地地波超視距雷達(dá)的威力覆蓋如圖4所示,這里RCS=40 d Bm2。圖中曲線為檢測(cè)前信雜噪比為10.5 d B時(shí)雷達(dá)的探測(cè)距離范圍。坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)為發(fā)射站位置,圖中3個(gè)橢圓曲線(實(shí)線)表示接收站與發(fā)射站之間的距離分別為[100,200,300]km時(shí)的探測(cè)范圍,虛線的橢圓區(qū)域表示雙基地的盲區(qū)。圖4(a)為在接收站只裝單根接收天線的威力覆蓋;圖4(b)為接收站安裝8根接收天線的威力覆蓋。

從圖4中可見,接收站離發(fā)射站越遠(yuǎn),在一定范圍內(nèi)增大了對(duì)目標(biāo)的探測(cè)范圍。

4 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)結(jié)果

圖5為該雷達(dá)原理性試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)射天線陣和接收天線,發(fā)射采用8組三元八木天線,接收為小型磁介天線。圖6為部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果,圖6(a)為目標(biāo)的航跡(航行時(shí)間約半小時(shí)),圖6(b)為目標(biāo)的距離-速度圖,圖6(c)為在某一時(shí)刻信號(hào)處理得到目標(biāo)所在多普勒通道的時(shí)域輸出,圖6(d)為在某一時(shí)刻信號(hào)處理得到目標(biāo)所在距離單元的多普勒處理結(jié)果。

圖3 海面表面波的傳播衰減曲線與衰減因子

圖4 接收站在不同位置時(shí)對(duì)艦船目標(biāo)的威力覆蓋

圖5 發(fā)射天線陣和接收天線

圖6 目標(biāo)的航跡和相關(guān)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文概述了岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)的工作原理、信號(hào)處理流程和主要特點(diǎn),計(jì)算雙基地的威力覆蓋范圍,闡述了在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的時(shí)頻同步、基于直達(dá)波的幅相校正、直達(dá)波抑制、電離層雜波與射頻干擾的抑制等關(guān)鍵技術(shù),給出了試驗(yàn)結(jié)果。岸-艦雙基地地波超視距雷達(dá)采用小型接收天線且不發(fā)射信號(hào),有利于自身的隱蔽,特別適合安裝在小型艦船或大型船只上,可以為我軍艦船和海監(jiān)船只等提供一種新型“無源”超視距探測(cè)手段,提高艦船自身的電磁隱蔽性。因此,這種地波雷達(dá)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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