李　成　盧建斌　席澤敏

(1.海軍試驗(yàn)基地總體所　葫蘆島　125105)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院　武漢　430033)

?

X波段靶場(chǎng)測(cè)量LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李成1盧建斌2席澤敏2

(1.海軍試驗(yàn)基地總體所葫蘆島125105)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033)

摘要針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下靶場(chǎng)測(cè)量LFMCW雷達(dá)的設(shè)計(jì)要求,分析了X波段雷達(dá)波的傳播特性,結(jié)合靶場(chǎng)測(cè)量范圍和測(cè)量精度的要求,提出了基于合作目標(biāo)的靶場(chǎng)測(cè)量LFMCW二次雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,給出了雷達(dá)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù),對(duì)比評(píng)估了一次雷達(dá)和二次雷達(dá)兩種體制下LFMCW雷達(dá)的探測(cè)能力。

關(guān)鍵詞雷達(dá)系統(tǒng); LFMCW; 靶場(chǎng)測(cè)量; 距離方程; 傳播損耗

System Design of X-band LFMCW Radar for Range Measurement

LI Cheng1LU Jianbin2XI Zemin2

(1. The Experiment Basement, General Research Institute, Huludao125105) (2. Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractAccording to the design demand of LFMCW radar for range measurement in complex environment, propagation characteristic of X-band electromagnetic wave is analyzed. And the system design method of LFMCW radar for range measurement is presented for the measurement range and the precision. Based on the radar parameters designed, secondary LFMCW radar is evaluated and compared with the primary radar. The analysis results show that the secondary LFMCW radar can satisfy the application demand.

Key Wordsradar system, LFMCW, range measurement, range equation, propagation attenuation

Class NumberTN95

1引言

在目前靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)中,連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)占有重要的位置,其通過發(fā)射連續(xù)的射頻振蕩信號(hào),利用目標(biāo)回波所產(chǎn)生的多普勒頻移,探測(cè)與雷達(dá)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo),并測(cè)定目標(biāo)徑向速度。隨著多頻、調(diào)頻測(cè)距技術(shù)和相位陣列天線技術(shù)的應(yīng)用,連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)也可以完成目標(biāo)距離、角度等參數(shù)的測(cè)量[1～2]。

最簡(jiǎn)單的單頻連續(xù)波雷達(dá)目前主要用于靶場(chǎng)多普勒測(cè)速,它是靶場(chǎng)武器實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)主要測(cè)試手段,它用來測(cè)量彈丸在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的速度,并據(jù)此算出彈丸飛行彈道,國(guó)際上比較有代表性的測(cè)量雷達(dá)是丹麥Weibel公司生產(chǎn)的Weibel測(cè)速雷達(dá),采用的是基于FFT技術(shù)的頻域測(cè)速體制。然而這種靶場(chǎng)測(cè)速雷達(dá)基本上只具有測(cè)速功能,而沒有測(cè)距功能。而調(diào)頻或者多頻連續(xù)波雷達(dá)在單頻連續(xù)波的基礎(chǔ)上,擴(kuò)展了測(cè)量功能,能夠利用發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)測(cè)量目標(biāo)的距離,實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)中目標(biāo)脫靶量、彈靶遭遇軌跡、彈靶動(dòng)態(tài)相對(duì)位移等參數(shù),如Weibel公司在2000年前后推出的RR-60034多頻連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)。同時(shí)由于其還具有輻射功率小、測(cè)距測(cè)速精度高、分辨率高、大時(shí)寬帶寬和低截獲等優(yōu)點(diǎn),在精確測(cè)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[3～4]。

2雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

對(duì)于靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)而言,除了具備一般雷達(dá)系統(tǒng)所要求的探測(cè)性能外,通常重點(diǎn)考慮以下三個(gè)方面的性能要求。

1) 測(cè)量精度

靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)主要功能是精確測(cè)量彈和靶的空間位置和運(yùn)動(dòng)速度,因此測(cè)量的高精度是該雷達(dá)始終追求的目標(biāo)。對(duì)于常規(guī)脈沖雷達(dá)而言,脈沖寬度越窄,測(cè)距精度越高,最小作用距離也越小,但對(duì)于信號(hào)處理的時(shí)間采樣速率也要求越高。而對(duì)于X波段調(diào)頻連續(xù)波而言,易于獲得大帶寬信號(hào),提高系統(tǒng)的分辨率和測(cè)距精度,達(dá)到米級(jí)或亞米級(jí)的測(cè)距精度,同時(shí)接收機(jī)視頻部分的信號(hào)帶寬又遠(yuǎn)小于信號(hào)帶寬,因此易于工程實(shí)現(xiàn)。

2) 作用距離

考慮到靶場(chǎng)測(cè)量應(yīng)用的實(shí)際需求,測(cè)量雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離通常不會(huì)很近,一般要求作用距離都在30km以上,同時(shí)由于是在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)測(cè)量,因此探測(cè)距離也不需要像警戒雷達(dá)那樣要求在300km或500km以上。結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際,所設(shè)計(jì)的靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)要求對(duì)各種導(dǎo)彈類目標(biāo)的探測(cè)距離不小于60km。

3) 復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性

由于在試驗(yàn)過程中可能會(huì)考慮到復(fù)雜電磁或氣象環(huán)境下的靶彈測(cè)量,因此要求測(cè)量系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力,能夠有效抑制各種人為有源干擾、無源氣象干擾,同時(shí)能夠在各種氣象環(huán)境下穩(wěn)定工作,有效探測(cè)和跟蹤目標(biāo)。

3雷達(dá)波傳播損耗

通常情況下雷達(dá)波的傳播衰減與工作頻率緊密相關(guān),在頻率的低端,如高頻HF、超高頻UHF、甚高頻VHF,雷達(dá)波的大氣衰減很小,幾乎可以忽略不計(jì)。但是在微波波段,雷達(dá)波在大氣中的傳播衰減明顯增大。下面分別針對(duì)晴朗天氣、降雨、云霧、降雪四類氣象環(huán)境來分析雷達(dá)波傳播過程中的損耗。

3.1晴朗天氣

在晴朗的天氣條件下,如果雷達(dá)工作在較低的工作頻段上,那么大氣對(duì)電磁波衰減可以近似忽略不計(jì),但是隨著雷達(dá)頻率的升高,大氣衰減越來越明顯。假設(shè)雷達(dá)波束的仰角為θ0,對(duì)于傳播距離為R的路徑,其大氣衰減可通過沿雷達(dá)波射線跟蹤路徑與高度相關(guān)的衰減系數(shù)的積分求得,Blake給出的近似計(jì)算公式如式(1)[5]

La=

(1)

其中,ka0為海平面衰減系數(shù),ha=6.95km為標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)折射率模型的標(biāo)度大氣高度,h0為海平面以上的雷達(dá)高度,所有距離單位均為km,La的單位為dB/km。式中使用了地球的有效半徑常數(shù)k和地球半徑a=6378km。

對(duì)于不同目標(biāo)仰角和雷達(dá)工作頻率的衰減曲線如圖1所示。圖中曲線的起始斜率代表的是海平面衰減系數(shù),當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)曲線變得平坦,這是由于波束離開高大氣密度區(qū)域的結(jié)果。對(duì)比圖1中各曲線可以看出,隨著雷達(dá)工作頻段的升高,大氣的衰減明顯增大;隨著雷達(dá)波束仰角的增大,大氣的衰減逐漸減小,這也說明仰角的增大,在相同的傳播距離上電磁波更容易離開海面高密度大氣區(qū)域。從圖中可以估算出針對(duì)X波段雷達(dá)波在晴朗天氣下傳播60km衰減約為1dB～2dB。

圖1　X波段雷達(dá)波晴朗天氣下的大氣衰減

3.2降雨天氣

降雨對(duì)雷達(dá)波的衰減與降雨量、雷達(dá)波頻率、極化形式、環(huán)境溫度、降雨區(qū)域分布等參數(shù)有關(guān)。目前常采用的是國(guó)際電信聯(lián)盟推薦的CCIR模型,該模型是基于大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚6],表達(dá)式為

Lr=arb(dB/km)

(2)

式中a和b為與雷達(dá)工作頻率、極化方式有關(guān)的系數(shù),r為降雨量,單位是mm/h。針對(duì)不同雷達(dá)極化方式,參數(shù)a、b的取值如表1所示。

表1　降雨天氣下衰減系數(shù)a、b的取值

根據(jù)式(2)所得雷達(dá)在1GHz～10GHz工作頻段上,針對(duì)不同降雨量天氣條件的單程傳播衰減如圖2所示。

圖2　不同頻率、極化、降雨量條件下的電磁波單程衰減

從圖中可以看出,隨著雷達(dá)工作頻率的升高,電磁波傳播衰減逐漸增大;同時(shí)隨著降雨量的增加,傳播衰減也是呈現(xiàn)逐漸增大的變化規(guī)律。對(duì)于X波段水平極化電磁波,在10mm/h的降雨量條件下雷達(dá)波傳播的單程衰減約為0.2dB/km,那么傳播60km后大氣的衰減為12dB。

3.3云霧天氣

當(dāng)空氣中水粒子直徑小于0.005cm時(shí)通常表現(xiàn)為云或霧等氣象條件,此時(shí)雷達(dá)波傳播過程中的衰減可表示為

(3)

其中m為云霧中的含水量,單位為g/m3,λcm為單位為cm的雷達(dá)波長(zhǎng)。通常情況下,m的取值在0.05～1或2.5之間,經(jīng)過測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)很少有超過0.6g/m3。

在雷達(dá)工作的微波波段,不同云霧含水量條件下電磁波的單程傳播衰減曲線如圖3所示。

從圖中可以明顯地看出隨著雷達(dá)工作頻率的升高,相同云霧天氣下電磁波傳播衰減逐漸增大;同時(shí)隨著云霧含水量的增加或能見度的下降,傳播衰減也是呈現(xiàn)逐漸增大的變化規(guī)律。例如針對(duì)X波段極化電磁波,在云霧含水量4.2g/m3(等效能見度20m)條件下雷達(dá)波傳播的雙程衰減約為0.2dB/km,那么傳播60km后大氣的衰減為12dB。

圖3　云霧條件下不同頻率電磁波單程衰減

3.4降雪天氣

已有研究表明,通常情況下降雪、冰雹等氣象條件電磁波傳播衰減比同樣降水量的雨水的衰減要小。其傳播衰減的計(jì)算公式為

(4)

其中r為降雪量,單位是mm/h,fGHz表示單位為GHz的雷達(dá)頻率。圖4給出的是微波波段雷達(dá)在不同降雪量條件下電磁波的單程傳播衰減曲線。

圖4　不同頻率及降雪條件下的電磁波單程衰減

從圖4中可以看出隨著雷達(dá)工作頻率的升高,相同降雪量的情況下電磁波傳播衰減逐漸增大;同時(shí)隨著降雪量的增大,傳播衰減也是呈現(xiàn)逐漸增大的變化規(guī)律。針對(duì)X波段電磁波而言,在10mm/h降雪量條件下電磁波傳播的單程衰減約為0.05dB/km,那么傳播60km后大氣的衰減為3dB。

綜合上述分析,對(duì)于復(fù)雜氣象條件(如雨天10mm/h或霧天4g/m3),選擇X波段傳播60km的單程氣象衰減大約在12dB左右。

4LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1基于一次雷達(dá)體制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)基本雷達(dá)方程以及連續(xù)波雷達(dá)特點(diǎn),LFMCW一次雷達(dá)距離方程可表示為[7～8]

(5)

其中:Rmax為雷達(dá)的最大作用距離;D0為連續(xù)波雷達(dá)天線物理隔離度;DTR為端口對(duì)消器的對(duì)消比;Prmax為接收天線端口電平[9～10];TB為發(fā)射信號(hào)時(shí)寬帶寬積;Gr和Gt分別為接收和發(fā)射天線增益;λ為電磁波波長(zhǎng);σ為目標(biāo)散射截面積;k為玻耳茲曼常數(shù);T0為接收機(jī)噪聲溫度;Bn為雷達(dá)接收機(jī)匹配帶寬;Fn為接收機(jī)噪聲系數(shù);(S/N)min為雷達(dá)最小可檢測(cè)信噪比;L為損耗,包括系統(tǒng)內(nèi)部損耗和傳播損耗。

對(duì)于系統(tǒng)的工作頻段,因?yàn)轭l段過高時(shí),如K波段或毫米波波段,由于大氣衰減較大通常只用在近程目標(biāo)探測(cè);當(dāng)選擇頻段過低時(shí),如C、S和L波段,此時(shí)設(shè)備的體積、重量較大,綜合考慮選擇雷達(dá)的工作頻段在X波段。對(duì)于發(fā)射和接收天線,假設(shè)X波段天線孔徑為1m2時(shí),天線增益約為41dB。對(duì)于發(fā)射信號(hào)的帶寬,由于要對(duì)彈靶進(jìn)行精確測(cè)距,因此系統(tǒng)的距離分辨率要求較高,當(dāng)設(shè)定系統(tǒng)的距離分辨率為3m時(shí),發(fā)射信號(hào)的帶寬最少為50MHz。對(duì)于發(fā)射信號(hào)的時(shí)長(zhǎng),由于設(shè)定的最大作用距離為60km,因此對(duì)于不模糊測(cè)距而言,發(fā)射信號(hào)的最小重復(fù)周期為0.4ms。對(duì)于連續(xù)波雷達(dá)而言,發(fā)射信號(hào)時(shí)長(zhǎng)通常要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大作用距離,這里取10倍關(guān)系,即發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻時(shí)長(zhǎng)為4ms。

表2　LFMCW一次雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

對(duì)于雷達(dá)散射截面為1m2的目標(biāo),當(dāng)雷達(dá)參數(shù)選取如表2所示時(shí),計(jì)算得出雷達(dá)的作用距離為6.8km。

顯然上述作用距離難以滿足設(shè)計(jì)要求。如果要加大雷達(dá)的探測(cè)距離,在雷達(dá)工作頻率、發(fā)射/接收天線、發(fā)射信號(hào)波形均固定的條件下,只能加大發(fā)射機(jī)的輸出功率,然而考慮到連續(xù)波雷達(dá)收發(fā)隔離的限制,發(fā)射機(jī)功率不可能太大。因此對(duì)于一次連續(xù)波雷達(dá)而言,其作用距離很難滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4.2基于二次雷達(dá)體制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LFMCW二次雷達(dá)距離方程為

(6)

此時(shí)地面雷達(dá)與目標(biāo)采用合作方式工作,首先雷達(dá)發(fā)射LFMCW信號(hào)至目標(biāo),目標(biāo)上的接收機(jī)接收到信號(hào)之后,立即回饋一個(gè)信號(hào)至地面雷達(dá)接收。對(duì)于上述二次雷達(dá)方程,考慮到系統(tǒng)的適裝性,發(fā)射接收天線設(shè)計(jì)為0.01m2,物理隔離度D0為20dB,端口對(duì)消比DTR為10dB,發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻時(shí)長(zhǎng)為0.4ms,同時(shí)氣象衰減變?yōu)閱纬虃鞑ニp,具體參數(shù)參見表3,由此計(jì)算得出雷達(dá)的作用距離為67km,此時(shí)是可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的。

表3　LFMCW二次雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

進(jìn)一步,對(duì)于一次雷達(dá)而言,當(dāng)測(cè)距精度指標(biāo)要求在米級(jí)時(shí),目標(biāo)本身的尺寸就可能超出了測(cè)距精度要求,在回波中可以會(huì)存在目標(biāo)強(qiáng)散射點(diǎn)的不穩(wěn)定引入的測(cè)距誤差。對(duì)于二次雷達(dá)而言,由于目標(biāo)返回信號(hào)總是從發(fā)射天線處返回,因此對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)而言,目標(biāo)就可認(rèn)為是一個(gè)理想的點(diǎn)目標(biāo),不存在散射點(diǎn)不穩(wěn)定的情況。

5結(jié)語

針對(duì)目前靶場(chǎng)試驗(yàn)存在的精確測(cè)量難題及未來新型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈試驗(yàn)需求,探索靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,本文提出了X波段LFMCW二次測(cè)量雷達(dá)的新思路,對(duì)其系統(tǒng)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了論證分析,并與一次雷達(dá)進(jìn)行了對(duì)比,闡述了二次測(cè)量雷達(dá)在雷達(dá)探測(cè)范圍、測(cè)距精度等方面存在的優(yōu)勢(shì)。

隨著數(shù)字信號(hào)處理,特別是DSP器件的發(fā)展發(fā)展,LFMCW雷達(dá)作為一種新的測(cè)量雷達(dá)體制必會(huì)具備更為廣闊的應(yīng)用前景。下一步需針對(duì)LFMCW信號(hào)的精確測(cè)距、多目標(biāo)跟蹤以及系統(tǒng)小型化、高集成度設(shè)計(jì)方面作進(jìn)一步的深入研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] M. I. Skolnik. Introduction to radar systems[M]. Boston: McGraw-Hill Press House,2001:378-435.

[2] 譚朔,郭偉.調(diào)頻連續(xù)波近程測(cè)距系統(tǒng)研究[J].艦船電子工程,2007,7(4):95-99.

[3] 曹延偉.多頻連續(xù)波雷達(dá)跟蹤控制器設(shè)計(jì)及相關(guān)理論和算法研究[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué),2005:4-9.

[4] M. Ferrerasjm. Helicopter classification with a high resolution LFMCW radar[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2009,45(4):1373-1384.

[5] P. Z. Peebles. Radar principles[M]. NewYork: John Wiley & Sons Inc,1998:34-44.

[6] 嚴(yán)軍超,胡明寶.相控陣天氣雷達(dá)氣象雷達(dá)方程修正研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2015,36(5):1-5.

[7] 何源,袁飛,朱彬.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的距離估算[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào),2005,24(4):301-303.

[8] 王穎,曲長(zhǎng)文,蘇峰.FMCW SAR雷達(dá)方程[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008,6(3):178-181.

[9] 李鮮武.數(shù)字調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距雷達(dá)方程[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2009,7(5):329-332,338.

[10] 顧紅,李璽,尚衛(wèi)華,等.解決連續(xù)波雷達(dá)泄漏的一種新途徑——周期方波斷續(xù)法[J].電子學(xué)報(bào),1998,26(12):7-11.

中圖分類號(hào)TN95

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.018

作者簡(jiǎn)介:李成,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:雷達(dá)效能評(píng)估、試驗(yàn)通信與測(cè)量。盧建斌,男,博士,講師,研究方向:雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雷達(dá)信號(hào)處理。席澤敏,男,博士,副教授,研究方向:雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雷達(dá)信號(hào)處理。

*收稿日期:2015年7月2日,修回日期:2015年9月2日