SMR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的頻率分析*

王金峰

(華東電子工程研究所，安徽 合肥230088)

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá) SMR(Surface Movement Radar)是一種主動(dòng)式微波監(jiān)視設(shè)備，系統(tǒng)對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面目標(biāo)的監(jiān)視不需要與監(jiān)視目標(biāo)合作，是一種重要的非合作目標(biāo)監(jiān)視設(shè)備。同時(shí)，雷達(dá)的工作性能不受外部光照的影響，具備全天時(shí)監(jiān)視的能力；基于電磁波具有的云、雨、霧等介質(zhì)穿透能力，而具備全天候監(jiān)視的能力[1-3]。因此，SMR既可作為全天時(shí)、全天候的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視手段單獨(dú)使用，獲得機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的高更新頻率動(dòng)/靜目標(biāo)實(shí)時(shí)場(chǎng)景畫(huà)面，也可將所監(jiān)視到的信息與ADS-B、二次雷達(dá)、MLAT等獲得的合作目標(biāo)監(jiān)視信息進(jìn)行系統(tǒng)綜合。基于以上特性，SMR不僅在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(SMGCS)中得到了廣泛的應(yīng)用，也是先進(jìn)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(A-SMGCS)的重要組成部分[4]。

由于機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面上運(yùn)行繁忙，飛行器和車(chē)輛多且距離較近，因此，SMR不僅要求具有較高的距離分辨率(≤6 m)，還要求具有很小的方位向波束寬度(≤0.35°)，進(jìn)而獲得區(qū)分臨近目標(biāo)的能力。同時(shí)，為了獲得場(chǎng)面上的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)，SMR的刷新頻率一般為1 Hz，即天線需要1 s轉(zhuǎn)一圈。另一方面，作為低能見(jiàn)度氣象條件下機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視的重要傳感器，SMR的系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮氣象因素的影響。SMR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SMR系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中波段的選擇不僅決定了雷達(dá)系統(tǒng)的性能，也決定了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式及所需的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)SMR系統(tǒng)的特點(diǎn)，從天線尺寸、系統(tǒng)損耗、雨衰及雨雜波等方面對(duì)SMR系統(tǒng)波段進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)頻率分析

SMR是一部高分辨率、全天時(shí)、全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)視的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視設(shè)備。系統(tǒng)工作頻率的選擇不僅需要考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)部因素(如發(fā)射機(jī)功率、天線長(zhǎng)度等)，還需要注重外部環(huán)境（如雨衰、雨雜波等）的影響。

1.1 天線

由于機(jī)場(chǎng)內(nèi)飛行器、車(chē)輛密度較大，為了避免機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面上飛行器、車(chē)輛的碰撞，保障機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的安全及運(yùn)行效率，需要對(duì)場(chǎng)面上的物體進(jìn)行精確定位。對(duì)于SMR就要求其具有較高的方位向分辨率，以增加雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的方位向分辨能力。由天線理論可知，水平向波束寬度與天線長(zhǎng)度的關(guān)系可表示為：

其中，θ為水平向波束角(單位：rad)，C為電磁波的傳播速度，f為雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率，D為天線的水平向長(zhǎng)度，k為不同波束形狀時(shí)的主瓣展寬因子。不同工作頻率時(shí)，場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)0.33°水平向波束寬度所需的天線長(zhǎng)度如圖1所示，由圖可見(jiàn)，隨著雷達(dá)工作頻率的增加，需要的天線也就越短。當(dāng)工作頻率為16 GHz(Ku波段)時(shí)，系統(tǒng)需要 4.1 m的天線；而 9 GHz(X波段)時(shí)，系統(tǒng)的天線長(zhǎng)度需要達(dá)到7.023 m。

圖1 頻率與天線長(zhǎng)度曲線

另一方面，由于SMR需要實(shí)時(shí)監(jiān)視場(chǎng)面上的態(tài)勢(shì)，最低要求更新率為1 Hz，即需要天線的轉(zhuǎn)速最小為60轉(zhuǎn)/min。高轉(zhuǎn)速下天線尺寸越大形變量越難控制，抗風(fēng)能力越差。

因此，頻率越高，SMR系統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)和加工難度越小，同時(shí)對(duì)天線伺服系統(tǒng)的要求越小，易于天線與伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和成本控制。

1.2 雨衰

降雨對(duì)電磁波的衰減源于雨滴對(duì)電磁能量的吸收和散射。一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信部(ITU-R)給出的雨衰模型進(jìn)行計(jì)算。由于SMR的工作距離一般較小 (＜10 km)，降雨分布可假設(shè)為均勻分布，則雙程雷達(dá)回波的雨衰損耗可表示為：

γR=2Krα(2)其中，r為降雨量(mm/h)，K和α為雨衰的統(tǒng)計(jì)特性估計(jì)。由于采用圓極化電磁波時(shí)，不對(duì)稱(chēng)散射體(如飛機(jī)、車(chē)輛等)的回波與圓形對(duì)稱(chēng)散射體(如雨滴等)的回波不同，有利于降雨條件下的目標(biāo)檢測(cè)。因此，在SMR中一般采用圓極化電磁波。此時(shí)，K和α可表示為：

根據(jù)ITU-R P383-3建議書(shū)給出的不同頻率時(shí)的雨衰系數(shù)(如表 2所示)，對(duì)不同降雨量、不同工作頻率時(shí)的雨衰進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)降雨量為16 mm/h、工作頻率為16 GHz時(shí)，系統(tǒng)每公里雨衰比9 GHz時(shí)強(qiáng)1.69 dB，需要更多的工作功率來(lái)彌補(bǔ)雨衰的影響。可見(jiàn)，系統(tǒng)的工作頻率越高，場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要的工作功率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)晴天時(shí)工作所需的工作功率。因此，SMR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇較小的工作頻率有利于降低系統(tǒng)的發(fā)射功率，降低成本和提高可靠性。

表2 ITU-R P838-3給出的參數(shù)表

圖2 頻率與雨衰率變化曲線

1.3 雨雜波

雷達(dá)比光學(xué)或紅外傳感器不容易受到氣象的影響，但當(dāng)雷達(dá)工作于高微波頻率時(shí)，氣象也會(huì)大大降低其性能。其中，遮擋有用目標(biāo)的降水引起的后向散射雜波是主要的問(wèn)題之一。

1.3.1雜波中的目標(biāo)檢測(cè)

由信號(hào)檢測(cè)理論可知，對(duì)于雜波中的目標(biāo)檢測(cè)，要從雷達(dá)回波中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測(cè)。目標(biāo)的雷達(dá)散射面積σt與雜波的目標(biāo)散射面積σc之比滿(mǎn)足：

其中，SCRmin為目標(biāo)檢測(cè)的最低信雜比。因此，在目標(biāo)散射面積一定的情況下，雜波σc越小，雷達(dá)的檢測(cè)性能也就越好。

1.3.2雨雜波的目標(biāo)散射面積

在雷達(dá)分辨單元中，設(shè)第i個(gè)雨滴的雷達(dá)散射面積為σi。那么，雷達(dá)分辨單元內(nèi)雨的雷達(dá)散射面積等于所有雨滴的散射面積之和，可表示為：

其中，vc為雷達(dá)分辨單元的體積，η為單位體積的雷達(dá)散射面積。對(duì)于確定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，雷達(dá)分辨單元的體積已定。因此，影響SMR雨雜波的因素僅取決于η。

由雨的直徑統(tǒng)計(jì)分布和雨的介電系數(shù)，氣象學(xué)家和雷達(dá)工程學(xué)家給出了單位體積雨的雷達(dá)后向散射系數(shù)與波長(zhǎng)和降雨率的函數(shù)關(guān)系：

其中，T為溫度，f是以 GHz為單位的雷達(dá)頻率，r是以mm/h為單位的降雨率。該式表明雨雜波的強(qiáng)度與雷達(dá)工作頻率的四次方成正比關(guān)系。對(duì)不同降雨率、不同雷達(dá)工作頻率計(jì)算得到的單位體積內(nèi)的雨雜波強(qiáng)度曲面如圖3所示。

圖3 單位體積內(nèi)雨的雷達(dá)雜波強(qiáng)度

由圖3可見(jiàn)，隨著頻率由8 GHz增加到 18 GHz，雨雜波的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。由9 GHz(X波段)和16 GHz(Ku波段)的截面對(duì)比(如圖4所示)可見(jiàn)，當(dāng)降雨量為 16 mm/h時(shí)，Ku波段(16 GHz)的單位體積雜波強(qiáng)度要比X波段(9 GHz)的強(qiáng)度強(qiáng)近 10 dB；X波段在16 mm/h的降雨條件下獲得的雷達(dá)檢測(cè)性能，當(dāng)采用Ku波段時(shí)僅能用來(lái)應(yīng)對(duì)4 mm/h的雨雜波。

另一方面，由于機(jī)場(chǎng)的地面多為硬化地面，降雨降落到地面后濺起的水花的統(tǒng)計(jì)分布與降雨的統(tǒng)計(jì)分布存在較大差異，因此，實(shí)際應(yīng)用中Ku波段的雨雜波強(qiáng)度還會(huì)更強(qiáng)[2]。

由于頻率較高時(shí)的雜波較強(qiáng)，為了應(yīng)對(duì)相同的降雨壞境，系統(tǒng)需要更復(fù)雜、更有效的雨雜波抑制方法，這也將增加系統(tǒng)的信號(hào)處理難度。

1.4 傳輸損耗

圖4 X波段與Ku波段雜波強(qiáng)度的對(duì)比

為了降低雷達(dá)視線上近距目標(biāo)對(duì)遠(yuǎn)距目標(biāo)的遮擋效應(yīng)，機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)的天線和伺服單元需要架高安裝。同時(shí)，為了便于系統(tǒng)的使用、維護(hù)和維修，場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)的微波發(fā)射/接收、數(shù)字處理等單元要安裝于電子設(shè)備室。發(fā)射/接收單元通過(guò)波導(dǎo)與天線相連，實(shí)現(xiàn)微波的輻射與接收。

電磁波沿波導(dǎo)傳播時(shí)，波導(dǎo)金屬壁的熱損耗和波導(dǎo)內(nèi)填充的介質(zhì)損耗必然引起能量或功率的遞減，且頻率越高，波導(dǎo)的衰減也越強(qiáng)。表3為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的波導(dǎo)傳輸損耗，實(shí)際損耗值遠(yuǎn)大于表中的數(shù)值。根據(jù)表3的數(shù)值，可估算得到30 m塔臺(tái)高度時(shí)、9 GHz頻率條件下的損耗約為9.6 dB，16 GHz頻率時(shí)的損耗約為18 dB。

表3 波導(dǎo)損耗表

2 SMR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)天線、雨衰、雨雜波和傳輸損耗的分析，結(jié)合國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定的雷達(dá)系統(tǒng)工作范圍，SMR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇9 GHz(X波段)為其工作頻率，針對(duì)表 1中 SMR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，系統(tǒng)主要參數(shù)如表4所示。

表4 SMR系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

本文從天線尺寸、雨衰、雨雜波及傳輸損耗四個(gè)方面分析了SMR工作頻率對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。由于SMR工作于低頻率波段時(shí)的雨衰較小，不必為降雨環(huán)境設(shè)計(jì)更強(qiáng)的發(fā)射功率，且雨雜波較弱，有利于目標(biāo)的檢測(cè)，不容易出現(xiàn)漏警和虛警。另外，低頻率波段時(shí)SMR的傳輸損耗較小，發(fā)射/接收單元不必緊靠天線，可以采取更靈活的安裝方式。最后根據(jù)頻率分析的結(jié)果，給出了X波段SMR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。

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