董金良,韓長(zhǎng)喜,李 旭

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210013)

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海雜波測(cè)量雷達(dá)總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究

董金良,韓長(zhǎng)喜,李 旭

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210013)

以某海島固定式海雜波測(cè)量雷達(dá)項(xiàng)目為背景,針對(duì)海雜波測(cè)量雷達(dá)總體設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。從需求上分析了海雜波測(cè)量雷達(dá)總體設(shè)計(jì)特點(diǎn),對(duì)該雷達(dá)的整機(jī)工作原理、工作方式和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了描述,給出了海雜波測(cè)量雷達(dá)主要指標(biāo)的分析與計(jì)算結(jié)果。

海雜波測(cè)量;數(shù)據(jù)采集;雜波錄取;雜噪比

0 引 言

海雜波測(cè)量雷達(dá)主要用于海雜波數(shù)據(jù)采集工作,在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上對(duì)海雜波進(jìn)行時(shí)域和頻域特性分析,根據(jù)雜波特性分析結(jié)果可以對(duì)雜波抑制措施進(jìn)行優(yōu)化,使對(duì)海雷達(dá)在雜波背景下的目標(biāo)探測(cè)能力得到進(jìn)一步提升。國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)都是對(duì)海雜波的特性進(jìn)行分析和研究,尚無文獻(xiàn)討論海雜波測(cè)量專用雷達(dá)的設(shè)計(jì)方法。本文以某海島固定式海雜波測(cè)量雷達(dá)項(xiàng)目為背景,對(duì)其總體設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 需求分析

固定式海雜波測(cè)量雷達(dá)一般架設(shè)在海島上,需要具有防雷擊、抗風(fēng)和“三防”措施,以適應(yīng)海島工作環(huán)境。雷達(dá)架設(shè)在山頂,運(yùn)輸、架設(shè)和安裝困難,需要進(jìn)行組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雷達(dá)采用遠(yuǎn)程集中控制,只能采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和指令控制,需要進(jìn)行統(tǒng)一的接口設(shè)計(jì)。雷達(dá)具有遠(yuǎn)程遙控開關(guān)機(jī),以及過熱、過壓、過流等故障下的自動(dòng)保護(hù)和狀態(tài)異常報(bào)警等功能,需要具有完善的機(jī)內(nèi)自檢設(shè)計(jì)。雷達(dá)具有多種工作方式,且要求定時(shí)控制靈活,定時(shí)器需要具備根據(jù)參數(shù)實(shí)時(shí)產(chǎn)生定時(shí)的能力。雷達(dá)交付后需配合系統(tǒng)聯(lián)試并完成系統(tǒng)集成,軟件需具備二次開發(fā)能力。

2 雷達(dá)工作原理

固定式海雜波測(cè)量雷達(dá)一般由雷達(dá)站和指控中心構(gòu)成。雷達(dá)站由天饋伺總成、天線罩及配套設(shè)施構(gòu)成,其中天饋伺總成由天線陣面和天線座總成組成,配套設(shè)施包括視頻監(jiān)控、照明消防、環(huán)控設(shè)備、防雷接地等組合而成。

圖1給出了海雜波測(cè)量雷達(dá)工作的基本原理框圖。雷達(dá)采用全數(shù)字相控陣體制,方位上機(jī)掃加相掃,仰角上角度可機(jī)械調(diào)整。

圖1 海雜波測(cè)量雷達(dá)工作原理框圖

當(dāng)雷達(dá)處于發(fā)射階段時(shí),接收機(jī)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的線性調(diào)頻信號(hào),同時(shí)完成所有通道的相位控制功能,以形成指定的波束形狀,激勵(lì)信號(hào)送至模擬T/R組件,經(jīng)發(fā)射激勵(lì)放大和極化開關(guān)選擇后從組件輸出,饋給列饋天線單元并將信號(hào)輻射至空中。當(dāng)雷達(dá)處于接收階段時(shí),目標(biāo)信號(hào)經(jīng)列饋天線進(jìn)入模擬T/R組件,經(jīng)低噪聲高放放大、限幅等處理后輸出至接收機(jī)數(shù)字接收模塊,經(jīng)下變頻、中頻采樣和數(shù)字正交鑒相輸出數(shù)字信號(hào),送至陣列處理板打包。打包后的數(shù)據(jù)一路送至記錄與控制終端,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和短期存儲(chǔ),并同時(shí)完成雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示;另一路通過數(shù)據(jù)采集終端,將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至磁盤陣列中。

3 工作方式設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)多種雷達(dá)參數(shù)和海洋環(huán)境條件下海面后向散射回波的測(cè)量,以及便于雷達(dá)狀態(tài)檢測(cè)和維護(hù),雷達(dá)設(shè)計(jì)了多種工作方式。

3.1 常規(guī)雜波錄取方式

常規(guī)雜波錄取方式下,雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)方位/俯仰位置可變條件下的波束固定,以及俯仰位置固定下的方位連續(xù)掃描。該工作方式包含全陣工作、半陣工作、4通道合成工作3種子模式。

操作員可根據(jù)雜波錄取任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行任務(wù)加載,對(duì)每條任務(wù)的工作方式、工作參數(shù)、工作時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)將按照任務(wù)規(guī)劃表對(duì)每條任務(wù)順序執(zhí)行并形成相應(yīng)記錄文件。操作員也可在顯控中心針對(duì)當(dāng)前海情等條件實(shí)時(shí)更改雷達(dá)參數(shù),進(jìn)行雜波錄取工作。

操作員可對(duì)感興趣的原始數(shù)據(jù)靈活選擇其中一路信號(hào)進(jìn)行脈壓前或脈壓后實(shí)時(shí)顯示,以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否工作正常。所有原始數(shù)據(jù)與數(shù)字波束合成(DBF)后的和通道數(shù)據(jù)將根據(jù)不同的工作參數(shù)生成相應(yīng)文件,便于事后數(shù)據(jù)分析。

3.2 仿機(jī)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)雜波錄取方式

當(dāng)處于仿機(jī)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)雜波錄取方式時(shí),雷達(dá)采用逆相位中心偏置天線(IDPCA)[1]技術(shù),通過定時(shí)器的分布控制實(shí)現(xiàn)載機(jī)運(yùn)動(dòng)的模擬,即通過發(fā)射天線孔徑的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)天線等效相位中心的移動(dòng),從而模擬一定速度的載機(jī)運(yùn)動(dòng)。該工作狀態(tài)下,采用脈沖間順序改變發(fā)射的天線陣列(或稱通道),直至所有陣列結(jié)束,并重復(fù)該過程。

雷達(dá)待機(jī)狀態(tài)下,操作員通過顯控臺(tái)選擇雷達(dá)進(jìn)入仿機(jī)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)雜波錄取方式,然后將雷達(dá)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。操作員設(shè)定需要模擬的載機(jī)速度、發(fā)射孔徑使用陣列數(shù)和移動(dòng)陣列數(shù)等參數(shù)。雷達(dá)定時(shí)器產(chǎn)生相應(yīng)的定時(shí)波形,對(duì)所有發(fā)射組件進(jìn)行單獨(dú)控制,對(duì)發(fā)射孔徑所用陣列實(shí)時(shí)切換,以實(shí)現(xiàn)地面雷達(dá)仿機(jī)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

3.3 自檢方式

作為雷達(dá)的一個(gè)基本組成部分,雷達(dá)機(jī)內(nèi)自檢與雷達(dá)各分系統(tǒng)同步研制。雷達(dá)的機(jī)內(nèi)自檢具有3種工作方式:加電自檢測(cè)(PUBIT)、周期自檢測(cè)(PBIT)和操作員啟動(dòng)自檢測(cè)(MBIT)。

(1) 加電自檢 當(dāng)雷達(dá)開機(jī)時(shí)進(jìn)行加電自檢,通過處理器診斷檢查雷達(dá)數(shù)據(jù)相關(guān)處理器工作是否正常,并進(jìn)行總體檢查、存儲(chǔ)器讀/寫檢查和輸入/輸出循環(huán)檢查。

(2) 周期自檢 雷達(dá)正常工作后,在不中斷雷達(dá)工作情況下對(duì)雷達(dá)的一些重要工作參數(shù)進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)。

(3) 操作員啟動(dòng)自檢測(cè) 根據(jù)操作員的請(qǐng)求,對(duì)雷達(dá)各最小可更換單元進(jìn)行自檢,并將自檢結(jié)果在終端上顯示。

3.4 監(jiān)測(cè)方式

在雷達(dá)處于陣面監(jiān)測(cè)狀態(tài)下,當(dāng)監(jiān)測(cè)發(fā)射通道時(shí),被測(cè)路正常工作,其他路組件關(guān)閉,激勵(lì)信號(hào)由定向耦合器耦合經(jīng)功分器送至監(jiān)校通道,經(jīng)后續(xù)處理并存儲(chǔ)。對(duì)多路的接收結(jié)果進(jìn)行幅相比對(duì),完成發(fā)射通道的監(jiān)測(cè)。同樣在雷達(dá)處于陣面監(jiān)測(cè)狀態(tài)下,當(dāng)監(jiān)測(cè)接收通道時(shí),監(jiān)校通道產(chǎn)生激勵(lì)測(cè)試信號(hào)經(jīng)功分器分配至所有T/R組件,各組件輸 出經(jīng)接收機(jī)數(shù)字接收通道后送至DBF,可直接對(duì)多路結(jié)果進(jìn)行幅相比對(duì),完成接收通道的監(jiān)測(cè)。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 可靠性和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)

雷達(dá)架設(shè)在海島上,所處環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧的特點(diǎn),同時(shí)設(shè)備應(yīng)具備連續(xù)24 h工作的能力,因此對(duì)雷達(dá)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求很高?？刹扇∫韵麓胧┮?guī)避風(fēng)險(xiǎn):

(1) 采取長(zhǎng)效環(huán)控措施,加裝除濕除鹽霧及空調(diào)設(shè)備,改善室內(nèi)工作環(huán)境。環(huán)控設(shè)施應(yīng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù),并能根據(jù)環(huán)境參數(shù)設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行或停止。對(duì)于雷達(dá)陣地長(zhǎng)期閑置的特殊情況,應(yīng)根據(jù)季節(jié)氣候特點(diǎn)定期運(yùn)行環(huán)控設(shè)施,確保室內(nèi)環(huán)境始終處于較好的條件,并定期檢查、維護(hù)環(huán)控設(shè)施，定期更換過濾網(wǎng)等。

(2) 高頻箱采取內(nèi)部熱傳導(dǎo)、箱壁設(shè)置冷板、外部通風(fēng)方式,將內(nèi)部設(shè)備熱量轉(zhuǎn)移到外界空氣中。采用仿真分析和試驗(yàn)相結(jié)合的手段驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的效果。

(3) 采用耐腐蝕性能較好的金屬材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及工藝手段,提高設(shè)備自身的環(huán)境適應(yīng)能力。

(4) 對(duì)于T/R組件、電源、風(fēng)機(jī)組等關(guān)鍵設(shè)備,采取適當(dāng)冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)可靠性。

(5) 定期對(duì)雷達(dá)設(shè)備、配套設(shè)施進(jìn)行檢查維護(hù)。

4.2 有源相控陣脈組極化切換技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)在不同極化方式下海雜波的測(cè)量,天線陣面需要在有限的結(jié)構(gòu)尺寸下實(shí)現(xiàn)雙極化快速切換的功能,分別對(duì)應(yīng)水平和垂直極化方式。

天線陣面雙極化的實(shí)現(xiàn)有以下幾項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn):

(1) 雙極化天線單元的設(shè)計(jì)

在有限的結(jié)構(gòu)尺寸下,設(shè)計(jì)雙極化工作的天線單元,需要兩種極化之間具有高隔離度,需要雙極化單元具備結(jié)構(gòu)上的可包封性能等。

(2) 雙極化饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)雙極化的工作,需要兩套獨(dú)立的饋電網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)天線陣面在能量上的分配。

可采取以下措施:

(1) 天線單元采用十字交叉半波振子。該十字交叉半波振子有兩個(gè)射頻端口,分別對(duì)應(yīng)水平、垂直極化方式。十字交叉振子單獨(dú)密封,它們的背后安裝完整的反射平板。

(2) 每根天線上有N個(gè)雙極化單元,每根天線對(duì)應(yīng)兩個(gè)射頻輸入口,內(nèi)部形成兩個(gè)1/N功分網(wǎng)絡(luò)背靠背裝配。每個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)一種極化形式的天線單元,與十字交叉振子之間過渡連接。

5 主要指標(biāo)的分析和計(jì)算

5.1 海雜波反射截面積計(jì)算[2]

海雜波可定義為雷達(dá)照射波與海面交互作用后的散射回波。海雜波回波的幅度通常用散射系數(shù)來表示(計(jì)為σ°),即單位面積的散射截面積。海雜波散射系數(shù)與照射面積的乘積為目標(biāo)散射截面積(Radar Cross-Section,RCS),RCS=σ°A即(其中A為照射面積)。對(duì)于工作于脈沖體制下的雷達(dá)來講,在小擦地角下,有

其中,R為雷達(dá)距海面的斜距,c為光速,τ′為有效脈沖寬度,θ為擦地角,?為天線方位波束寬度。

圖2和圖3分別給出了L波段雷達(dá)水平極化和垂直極化條件下不同海情的海雜波平均后向散射系數(shù)。圖4和圖5分別給出了水平極化和垂直極化條件下全陣面工作時(shí)不同海情下的目標(biāo)散射截面積。

由圖中可以看出,水平極化條件下的后向散射系數(shù)和目標(biāo)散射截面積明顯小于垂直極化。

圖2 水平極化條件下的后向散射系數(shù)(L波段)

圖3 垂直極化條件下的后向散射系數(shù)(L波段)

圖4 不同海情下的目標(biāo)散射截面積(水平極化)

圖5 不同海情下的目標(biāo)散射截面積(垂直極化)

5.2 雜噪比計(jì)算

雷達(dá)方程為[3]

在探測(cè)距離為20 km、3級(jí)海情、水平極化、雷達(dá)全陣收發(fā)條件下,雜噪比計(jì)算結(jié)果見表1,滿足大于15 dB的設(shè)計(jì)要求。

表1 雜噪比計(jì)算

圖6和圖7分別給出了水平極化和垂直極化條件下不同距離、不同海情下的雜噪比計(jì)算結(jié)果。由圖中可以看出,在20 km處,3級(jí)及以上海情下海雜波雜噪比均大于15 dB。

圖6 不同海情下的雜噪比(水平極化)

圖7 不同海情下的雜噪比(垂直極化)

6 結(jié)束語

本文主要研究了海島固定式海雜波測(cè)量雷達(dá)總體設(shè)計(jì)技術(shù)。針對(duì)海雜波測(cè)量雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,并給出了相應(yīng)解決措施。最后對(duì)不同海情下海雜波反射截面積和雜噪比進(jìn)行了分析與計(jì)算。本文給出的海雜波測(cè)量雷達(dá)總體設(shè)計(jì)技術(shù)可為相關(guān)研究和應(yīng)用領(lǐng)域提供參考。

[1] H Wang,L Cai. On adaptive Spatial-Temporal Processing for Airborne Surveillance Radar Systems[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1994,30(3):850-853.

[2] 丁鷺飛,耿富錄,陳建春. 雷達(dá)原理[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2009.3:20-21.

[3] 張光義, 趙玉潔. 相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2006.12:60-66.

Research on overall design technology of sea clutter measurement radar

DONG Jin-liang, HAN Chang-xi, LI Xu

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210013)

Based on the project of the fixed sea clutter measurement radar on an island, the overall design technology of the sea clutter measurement radar is studied. The overall design characteristics of the sea clutter measurement radar are analyzed from the demands, and the working principle, the working modes and the key technologies of the overall radar are described. Finally, the main specifications of the sea clutter measurement radar are analyzed and calculated with the results given.

sea clutter measurement; data collection; clutter extraction; clutter-to-noise ratio

2016-09-10

董金良(1984- ), 男,碩士,工程師,研究方向:地面情報(bào)雷達(dá)總體設(shè)計(jì)、信息融合;韓長(zhǎng)喜(1983-),男,碩士,工程師,研究方向:軍事電子裝備科技情報(bào)研究;李旭(1984- ), 男 ,碩士,工程師,研究方向:地面火控雷達(dá)總體設(shè)計(jì)。

TN959.6

A

1009-0401(2016)04-0001-04