機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能飛行檢驗(yàn)的相關(guān)理論

邢志川 李淑華

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 青島 266041)

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機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能飛行檢驗(yàn)的相關(guān)理論

邢志川 李淑華

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 青島 266041)

介紹了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的主要工作方式,分析了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能飛行驗(yàn)證的參數(shù),討論了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能飛行檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)科目和統(tǒng)計(jì)方法,對機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能飛行檢驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了簡要的探討,為飛行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立打下基礎(chǔ)。

相控陣; 戰(zhàn)術(shù)性能; 飛行檢驗(yàn)

Class Number TN95

1 引言

由于采用了固態(tài)有源自適應(yīng)相控陣天線技術(shù)和自適應(yīng)時(shí)空二維信息處理技術(shù),相控陣?yán)走_(dá)由于其原理性的特點(diǎn)相對于其他傳統(tǒng)體制的雷達(dá)具有一定的優(yōu)勢。同時(shí),機(jī)載雷達(dá)作為需要被攜帶在飛機(jī)上的雷達(dá),其體積和功能有一定的限制。那么,傳統(tǒng)的機(jī)載雷達(dá)的飛行檢驗(yàn)方法對于機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)來說,不能完全的適用。研究科學(xué)合理的檢飛方法對于相控陣?yán)走_(dá)的研制和裝備來說至關(guān)重要。本文將從戰(zhàn)術(shù)性能參數(shù)、相控陣?yán)走_(dá)工作方式、飛行檢驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理分析等角度出發(fā)探討機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的戰(zhàn)術(shù)性能飛行檢驗(yàn)的相關(guān)理論,為飛行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和更進(jìn)一步的研究打下基礎(chǔ)。

2 機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能飛行驗(yàn)證的參數(shù)

任何一部雷達(dá)都有其一定的技術(shù)參數(shù),這些技術(shù)參數(shù)直接影響著雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)性能,比如雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度,雷達(dá)的距離分辨力,角度分辨力以及天線增益與雷達(dá)工作波長有關(guān),在發(fā)現(xiàn)概率相同的情況下,隨著脈沖積累數(shù)的增加,作用距離也會(huì)增大,此外,脈沖重復(fù)頻率越高,天線掃描引起的背景起伏越小,抗干擾的能力越強(qiáng)。而分析技術(shù)參數(shù)得到的戰(zhàn)術(shù)性能與雷達(dá)在實(shí)際戰(zhàn)情下的戰(zhàn)術(shù)性能作對比分析是機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的飛行檢驗(yàn)過程的重要內(nèi)容之一,因此,有必要從飛行檢驗(yàn)的角度對雷達(dá)的主要戰(zhàn)術(shù)性能進(jìn)行簡單的探討。

1) 作用距離

可分為最大作用距離和最小作用距離,可由雷達(dá)方程直接得出,但是對于飛行檢驗(yàn)的目的而言,需要設(shè)定一定的實(shí)體目標(biāo),分析機(jī)載雷達(dá)對這些實(shí)體目標(biāo)的探測距離統(tǒng)計(jì)分布。這里的實(shí)體目標(biāo)不僅包括突防的真實(shí)目標(biāo),如飛機(jī)和彈頭等,也包括其他的實(shí)體裝置,如干擾裝置和其他無源誘餌艙等。同時(shí),相控陣?yán)走_(dá)波束掃描的快速性與信號(hào)能量分配的靈活性使得雷達(dá)作用距離可以在相當(dāng)程度上調(diào)整,且搜索狀態(tài)下和跟蹤狀態(tài)下的作用距離也不相同,由此可安排多架次的飛行試驗(yàn),全面地檢驗(yàn)這一型號(hào)的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)在不同工作方式情況下探測不同目標(biāo)的能力。

2) 測量精度

是與雷達(dá)接收機(jī)在噪聲背景中進(jìn)行測量時(shí)所能達(dá)到的、潛在的最小測量誤差相對應(yīng)的,通?？煞譃槔走_(dá)對目標(biāo)距離的測量精度和雷達(dá)對目標(biāo)角度的測量角度,簡稱為測距精度和測角精度,測距精度決定于信號(hào)的瞬時(shí)帶寬及信噪比,測角精度決定于天線波束寬度及信噪比。天線波束越窄,雷達(dá)測量精度越高,從提高數(shù)據(jù)率、提高測角精度和從抗角度欺騙干擾能力考慮,多數(shù)的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)采用單脈沖的測角方法,即通過形成兩個(gè)天線方向圖,對它們所收到的回波信號(hào)的幅度或相位進(jìn)行比較,再通過內(nèi)插法來確定目標(biāo)偏離中心位置的角度。此外,相控陣?yán)走_(dá)還可以設(shè)置對重點(diǎn)目標(biāo)的測角工作模式,通過對在重點(diǎn)目標(biāo)方向上增加天線波束駐留時(shí)間,即增加觀測次數(shù)以及減小波束躍變,實(shí)現(xiàn)同軸跟蹤等來提高測角精度。

3) 分辨力

可分為角度分辨力、距離分辨力、橫向距離分辨力和速度分辨力。雷達(dá)的空間分辨力決定于雷達(dá)天線波束在方位與仰角上的半功率點(diǎn)寬度,波束寬度選擇除了角度分辨力的考慮外,往往更多地決定于獲得更高天線增益、更高測角角度的要求,由于相控陣天線具有波束形狀捷變能力,因此角分辨力也可根據(jù)需要適當(dāng)加以調(diào)整。相控陣?yán)走_(dá)的距離分辨力與機(jī)掃雷達(dá)一樣,決定于采用的信號(hào)瞬時(shí)帶寬,相控陣?yán)走_(dá)有多種工作模式,在不同工作模式下,由于信號(hào)波形的不同,因而距離分辨力也不同。在采用瞬時(shí)寬帶信號(hào)的前提下,可以利用目標(biāo)自身的旋轉(zhuǎn)或目標(biāo)圍繞雷達(dá)視線的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的目標(biāo)上各散射點(diǎn)的多普勒頻移差,獲得目標(biāo)的橫向距離分辨力。

4) 數(shù)據(jù)率

數(shù)據(jù)率定義為雷達(dá)對威力范圍內(nèi)的目標(biāo)提供一次信息所需時(shí)間的倒數(shù),是相控陣?yán)走_(dá)的一個(gè)重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。由于相控陣?yán)走_(dá)既要完成搜索,又要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤,因此需要區(qū)分搜索數(shù)據(jù)和跟蹤數(shù)據(jù)率,它們分別是搜索間隔時(shí)間與跟蹤間隔時(shí)間的倒數(shù)。由于相控陣?yán)走_(dá)需要搜索的區(qū)域可以按重要性等區(qū)分為多個(gè)搜索區(qū),例如,重點(diǎn)搜索區(qū)、非重點(diǎn)搜索區(qū),因而可以在不同的搜索區(qū)分配不同的搜索時(shí)間,總的搜索時(shí)間是在各個(gè)搜索區(qū)域所花費(fèi)的時(shí)間之和。此外,在搜索過程中還要不斷加上跟蹤所需要的時(shí)間,這將導(dǎo)致對同一空域進(jìn)行搜索的間隔時(shí)間加長,因而導(dǎo)致搜索數(shù)據(jù)率的降低。在多目標(biāo)跟蹤情況下,按目標(biāo)重要性或其威脅度可以有不同的跟蹤采樣間隔時(shí)間。這些情況使得數(shù)據(jù)率這一指標(biāo)在相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)資源分配和工作方式安排中成為一個(gè)重要的控制參數(shù)。

5) 抗干擾能力

雷達(dá)通常在各種自然干擾和人為干擾的條件下工作,其中主要是敵方施放的干擾,包括無源干擾和有源干擾。這些干擾最終作用于雷達(dá)終端設(shè)備,嚴(yán)重時(shí)可能使雷達(dá)失去工作能力。相控陣?yán)走_(dá)在抗干擾能力上有更大的潛力,這些潛力的發(fā)揮有賴于相關(guān)工作方式的合理安排。

6) 處理多批目標(biāo)的能力

相控陣?yán)走_(dá)的一個(gè)特點(diǎn)是具有實(shí)時(shí)跟蹤多個(gè)空間目標(biāo)的能力。當(dāng)雷達(dá)在搜索狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)目標(biāo),作出目標(biāo)存在的報(bào)告后,必須對其進(jìn)行確認(rèn)、截獲,然后轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài),在對已截獲的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的同時(shí),繼續(xù)在搜索空域內(nèi)進(jìn)行搜索,以期發(fā)現(xiàn)新的目標(biāo)。相控陣?yán)走_(dá)處理多批目標(biāo)的能力,可以實(shí)現(xiàn)觀察、監(jiān)視目標(biāo)空域中可能存在的多批目標(biāo),并且在受到敵方無源干擾與有源干擾的對抗情況下,為保持一定的檢測和工作能力,可以有效針對增加的虛假目標(biāo)。

3 機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的工作方式

上文介紹了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的主要戰(zhàn)術(shù)性能參數(shù),在討論機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能飛行檢驗(yàn)方法之前,有必要對相控陣?yán)走_(dá)的工作方式進(jìn)行簡要的介紹。

1) 搜索工作方式

相控陣?yán)走_(dá)的搜索工作方式有:分區(qū)搜索與重點(diǎn)空域的搜索、同時(shí)對遠(yuǎn)區(qū)及近區(qū)進(jìn)行搜索、多波束同時(shí)搜索。

2) 跟蹤工作方式

相控陣?yán)走_(dá)的跟蹤工作方式有:跟蹤加搜索工作方式(TAS)、邊跟蹤邊搜索工作方式(TWS)。

3) 工作方式的能量管理

工作方式的能量管理有:按目標(biāo)遠(yuǎn)近及其目標(biāo)反射面積大小進(jìn)行信號(hào)能量管理、搜索與跟蹤狀態(tài)之間的信號(hào)能量分配、波束駐留數(shù)的選擇等。

4 機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能飛行檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)科目和統(tǒng)計(jì)方法

飛行檢驗(yàn)的目的是在地面模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步驗(yàn)證雷達(dá)在空中環(huán)境中的各種性能參數(shù),在機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的檢飛過程中,需要檢驗(yàn)載機(jī)不同飛行航跡、雷達(dá)不同工作方式、探測不同目標(biāo)情況下的相控陣?yán)走_(dá)的各種戰(zhàn)術(shù)性能,具體如下:

1) 作用距離檢飛

統(tǒng)計(jì)科目:邊搜索邊跟蹤方式下上視迎頭探測距離、上視迎頭跟蹤距離、上視尾追探測距離、上視尾追跟蹤距離、下視迎頭探測距離、下視迎頭跟蹤距離、下視尾追探測距離、下視尾追跟蹤距離;跟蹤加搜索方式下上視迎頭探測距離、上視迎頭跟蹤距離、上視尾追探測距離、上視尾追跟蹤距離、下視迎頭探測距離、下視迎頭跟蹤距離、下視尾追探測距離、下視尾追跟蹤距離;分區(qū)搜索方式下上視迎頭探測距離、上視迎頭跟蹤距離、上視尾追探測距離、上視尾追跟蹤距離、下視迎頭探測距離、下視迎頭跟蹤距離、下視尾追探測距離、下視尾追跟蹤距離;增程方式下上視迎頭探測距離、上視迎頭跟蹤距離、上視尾追探測距離、上視尾追跟蹤距離、下視迎頭探測距離、下視迎頭跟蹤距離、下視尾追探測距離、下視尾追跟蹤距離?？?地狀態(tài)下的檢飛內(nèi)容邊搜索邊跟蹤方式下的探測距離和跟蹤距離;搜索加跟蹤方式下的探測距離和跟蹤距離。

統(tǒng)計(jì)方法:統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)總次數(shù),統(tǒng)計(jì)每次探測到目標(biāo)的作用距離,建立直方圖,然后通過計(jì)算得到相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量,包括均值、標(biāo)準(zhǔn)差和置信區(qū)間等。在計(jì)算置信區(qū)間時(shí),需要設(shè)定一定的顯著性水平?,由此,要對試驗(yàn)樣本進(jìn)行分布擬合檢驗(yàn),在大樣本條件下,可以事先假設(shè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離的統(tǒng)計(jì)分布服從非零均值的正態(tài)分布。

2) 測量精度檢飛

統(tǒng)計(jì)科目:空-空狀態(tài)下的單目標(biāo)跟蹤時(shí)的測距精度、空-空狀態(tài)下的單目標(biāo)跟蹤時(shí)的測角精度、空-空狀態(tài)下的單目標(biāo)跟蹤時(shí)的測速精度、空-空狀態(tài)下的多目標(biāo)跟蹤時(shí)的測速精度、空-空狀態(tài)下的多目標(biāo)跟蹤時(shí)的跟蹤精度、空-空狀態(tài)下的多目標(biāo)跟蹤時(shí)的測距精度、空-地狀態(tài)下的測距精度。

統(tǒng)計(jì)方法:利用真值測量設(shè)備和被試?yán)走_(dá)同時(shí)、同步對目標(biāo)進(jìn)行測量,對所得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,統(tǒng)計(jì)和計(jì)算出雷達(dá)的精度,而統(tǒng)計(jì)和計(jì)算是針對測量誤差進(jìn)行的,雷達(dá)測量誤差服從正態(tài)分布,因此,按正態(tài)分布的隨機(jī)變量來確定檢飛的技術(shù)參數(shù),并按計(jì)算平穩(wěn)隨機(jī)函數(shù)指標(biāo)的方法計(jì)算測量精度。

3) 分辨率檢飛

統(tǒng)計(jì)科目:空-空狀態(tài)下的角分辨力、空-空狀態(tài)下的距離分辨力、空-空狀態(tài)下的速度分辨力、空-地狀態(tài)下的角分辨力、空-地狀態(tài)下的距離分辨力、空-地狀態(tài)下的速度分辨力。

統(tǒng)計(jì)方法:根據(jù)驗(yàn)證科目設(shè)定一定的航線,分析處理獲得的GPS信息、雷達(dá)視頻記錄儀記錄的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)記錄的目標(biāo)信息,計(jì)算出空中目標(biāo)的距離分辨力、角度分辨力。

4) 抗干擾能力檢飛

統(tǒng)計(jì)科目:搜索階段,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離統(tǒng)計(jì)分布、多個(gè)距離點(diǎn)外成功發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的比率、目標(biāo)檢測概率和距離的關(guān)系曲線;截獲階段的目標(biāo)截獲時(shí)間;跟蹤階段,對目標(biāo)建立粗跟的距離統(tǒng)計(jì)分布、成功建立粗跟的比率、對目標(biāo)建立精跟的比率、對目標(biāo)建立精跟的距離統(tǒng)計(jì)分布、成功建立精跟的比率、信噪比和距離的關(guān)系曲線、指定距離段內(nèi)跟蹤精度、不丟失目標(biāo)的最遠(yuǎn)距離;失蹤和再截獲階段,目標(biāo)發(fā)生失蹤的概率、發(fā)生失蹤后重新獲取的比率。

統(tǒng)計(jì)方法:給機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)設(shè)定不同的干擾樣式,在數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)雷達(dá)在探測目標(biāo)信息不同階段時(shí)的各種指標(biāo)參數(shù),檢驗(yàn)雷達(dá)的抗干擾能力。

5 機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能飛行檢驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理

在機(jī)載相控陣戰(zhàn)術(shù)性能檢飛過程中,為更好地分析試驗(yàn)得到各種性能參數(shù),需要對統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理。

1) 誤差分析

檢飛過程中,不可避免地會(huì)存在誤差。雷達(dá)畫面信息顯示和真實(shí)測量設(shè)備的采樣間隔的不同,載機(jī)和目標(biāo)的相對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致存在相對運(yùn)動(dòng)誤差;數(shù)據(jù)處理中,涉及到地理坐標(biāo)系、空間直角坐標(biāo)系、高斯平面直角坐標(biāo)系等不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,由于采用的轉(zhuǎn)換模型和修正算法存在差異,導(dǎo)致存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差;在進(jìn)行人工判別時(shí),存在判讀誤差;雷達(dá)數(shù)據(jù)處理會(huì)存在一定的延遲,導(dǎo)致存在延遲誤差。這些誤差,可以通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的梳理和數(shù)理統(tǒng)計(jì)加以分析。

2) 抗干擾效果的評估

對于相控陣?yán)走_(dá)抗干擾評估問題的研究,和其他評估問題一樣,遵循一定的步驟。首先分析評估對象及其所處的環(huán)境,其次建立評估指標(biāo)體系,然后選取合適的評估方法,最后驗(yàn)證與分析評估結(jié)果,從而形成綜合模型。目前,抗干擾能力的評估方法有很多,發(fā)展的趨勢是從人工賦權(quán)的主觀評估到主客觀相結(jié)合的評估方法,從目前較為宏觀的綜合評估逐步發(fā)展到對每一評估指標(biāo)都進(jìn)行深入的微觀分析,國內(nèi)外普遍的做法是對這些過程進(jìn)行分布式地建模與仿真。

6 結(jié)語

目前,隨著機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的新型飛機(jī)上將裝備相控陣?yán)走_(dá),迫切地需要對相控陣?yán)走_(dá)這一新型雷達(dá)的飛行檢驗(yàn)過程建立國家軍用標(biāo)準(zhǔn)。本文從不同角度探討了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能檢飛過程中的相關(guān)問題,對這一過程中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立有一定的參考價(jià)值。

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Airborne Phased Array Radar Tactical Performance Flight Test

XING Zhichuan LI Shuhua

(Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao 266041)

The paper introduces the main working mode of airborne phased array radar, analyses airborne phased array radar’s tactics performance flight test parameters, discusses the airborne phased array radar’s tactical performance statistical accounts of the flight testing and statistical methods, makes a brief discussion on tactical performance flight test for airborne phased array radar data processing and lays a foundation for the flight test programme related to the design and establishment.

phased array, tactics performance, flight test

2015年1月3日,

2015年2月28日 作者簡介:邢志川,男,碩士,工程師,研究方向:軍用飛行器天線設(shè)計(jì)。李淑華,男,碩士,教授,研究方向:軍用飛行器天線設(shè)計(jì)。

TN95

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.002