海雜波測量雷達總體設(shè)計技術(shù)研究

董金良,韓長喜,李 旭

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210013)

?

海雜波測量雷達總體設(shè)計技術(shù)研究

董金良,韓長喜,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量雷達項目為背景,針對海雜波測量雷達總體設(shè)計技術(shù)進行了研究。從需求上分析了海雜波測量雷達總體設(shè)計特點,對該雷達的整機工作原理、工作方式和關(guān)鍵技術(shù)進行了描述,給出了海雜波測量雷達主要指標的分析與計算結(jié)果。

海雜波測量;數(shù)據(jù)采集;雜波錄取;雜噪比

0 引 言

海雜波測量雷達主要用于海雜波數(shù)據(jù)采集工作,在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上對海雜波進行時域和頻域特性分析,根據(jù)雜波特性分析結(jié)果可以對雜波抑制措施進行優(yōu)化,使對海雷達在雜波背景下的目標探測能力得到進一步提升。國內(nèi)外許多文獻都是對海雜波的特性進行分析和研究,尚無文獻討論海雜波測量專用雷達的設(shè)計方法。本文以某海島固定式海雜波測量雷達項目為背景,對其總體設(shè)計技術(shù)進行了研究。

1 需求分析

固定式海雜波測量雷達一般架設(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。雷達架設(shè)在山頂,運輸、架設(shè)和安裝困難,需要進行組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計。雷達采用遠程集中控制,只能采用光纖進行數(shù)據(jù)傳輸和指令控制,需要進行統(tǒng)一的接口設(shè)計。雷達具有遠程遙控開關(guān)機,以及過熱、過壓、過流等故障下的自動保護和狀態(tài)異常報警等功能,需要具有完善的機內(nèi)自檢設(shè)計。雷達具有多種工作方式,且要求定時控制靈活,定時器需要具備根據(jù)參數(shù)實時產(chǎn)生定時的能力。雷達交付后需配合系統(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 雷達工作原理

固定式海雜波測量雷達一般由雷達站和指控中心構(gòu)成。雷達站由天饋伺總成、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給出了海雜波測量雷達工作的基本原理框圖。雷達采用全數(shù)字相控陣體制,方位上機掃加相掃,仰角上角度可機械調(diào)整。

圖1 海雜波測量雷達工作原理框圖

當(dāng)雷達處于發(fā)射階段時,接收機產(chǎn)生系統(tǒng)所需的線性調(diào)頻信號,同時完成所有通道的相位控制功能,以形成指定的波束形狀,激勵信號送至模擬T/R組件,經(jīng)發(fā)射激勵放大和極化開關(guān)選擇后從組件輸出,饋給列饋天線單元并將信號輻射至空中。當(dāng)雷達處于接收階段時,目標信號經(jīng)列饋天線進入模擬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,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,進行數(shù)據(jù)采集和短期存儲,并同時完成雷達回波數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)的實時顯示;另一路通過數(shù)據(jù)采集終端,將數(shù)據(jù)實時存儲至磁盤陣列中。

3 工作方式設(shè)計

為實現(xiàn)多種雷達參數(shù)和海洋環(huán)境條件下海面后向散射回波的測量,以及便于雷達狀態(tài)檢測和維護,雷達設(shè)計了多種工作方式。

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)劃進行任務(wù)加載,對每條任務(wù)的工作方式、工作參數(shù)、工作時長等參數(shù)進行設(shè)定。系統(tǒng)將按照任務(wù)規(guī)劃表對每條任務(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當(dāng)前海情等條件實時更改雷達參數(shù),進行雜波錄取工作。

操作員可對感興趣的原始數(shù)據(jù)靈活選擇其中一路信號進行脈壓前或脈壓后實時顯示,以監(jiān)測系統(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 仿機載平臺運動雜波錄取方式

當(dāng)處于仿機載平臺運動雜波錄取方式時,雷達采用逆相位中心偏置天線(IDPCA)[1]技術(shù),通過定時器的分布控制實現(xiàn)載機運動的模擬,即通過發(fā)射天線孔徑的移動實現(xiàn)天線等效相位中心的移動,從而模擬一定速度的載機運動。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。

雷達待機狀態(tài)下,操作員通過顯控臺選擇雷達進入仿機載平臺運動雜波錄取方式,然后將雷達轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。操作員設(shè)定需要模擬的載機速度、發(fā)射孔徑使用陣列數(shù)和移動陣列數(shù)等參數(shù)。雷達定時器產(chǎn)生相應(yīng)的定時波形,對所有發(fā)射組件進行單獨控制,對發(fā)射孔徑所用陣列實時切換,以實現(xiàn)地面雷達仿機載平臺運動。

3.3 自檢方式

作為雷達的一個基本組成部分,雷達機內(nèi)自檢與雷達各分系統(tǒng)同步研制。雷達的機內(nèi)自檢具有3種工作方式:加電自檢測(PUBIT)、周期自檢測(PBIT)和操作員啟動自檢測(MBIT)。

(1) 加電自檢 當(dāng)雷達開機時進行加電自檢,通過處理器診斷檢查雷達數(shù)據(jù)相關(guān)處理器工作是否正常,并進行總體檢查、存儲器讀/寫檢查和輸入/輸出循環(huán)檢查。

(2) 周期自檢 雷達正常工作后,在不中斷雷達工作情況下對雷達的一些重要工作參數(shù)進行周期性監(jiān)測。

(3) 操作員啟動自檢測 根據(jù)操作員的請求,對雷達各最小可更換單元進行自檢,并將自檢結(jié)果在終端上顯示。

3.4 監(jiān)測方式

在雷達處于陣面監(jiān)測狀態(tài)下,當(dāng)監(jiān)測發(fā)射通道時,被測路正常工作,其他路組件關(guān)閉,激勵信號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。對多路的接收結(jié)果進行幅相比對,完成發(fā)射通道的監(jiān)測。同樣在雷達處于陣面監(jiān)測狀態(tài)下,當(dāng)監(jiān)測接收通道時,監(jiān)校通道產(chǎn)生激勵測試信號經(jīng)功分器分配至所有T/R組件,各組件輸 出經(jīng)接收機數(shù)字接收通道后送至DBF,可直接對多路結(jié)果進行幅相比對,完成接收通道的監(jiān)測。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

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

雷達架設(shè)在海島上,所處環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧的特點,同時設(shè)備應(yīng)具備連續(xù)24 h工作的能力,因此對雷達設(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:

(1) 采取長效環(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)能實時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境參數(shù),并能根據(jù)環(huán)境參數(shù)設(shè)置自動運行或停止。對于雷達陣地長期閑置的特殊情況,應(yīng)根據(jù)季節(jié)氣候特點定期運行環(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相結(jié)合的手段驗證熱設(shè)計的效果。

(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) 對于T/R組件、電源、風(fēng)機組等關(guān)鍵設(shè)備,采取適當(dāng)冗余設(shè)計提高系統(tǒng)可靠性。

(5) 定期對雷達設(shè)備、配套設(shè)施進行檢查維護。

4.2 有源相控陣脈組極化切換技術(shù)

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

天線陣面雙極化的實現(xiàn)有以下幾項技術(shù)難點:

(1) 雙極化天線單元的設(shè)計

在有限的結(jié)構(gòu)尺寸下,設(shè)計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

為了實現(xiàn)雙極化的工作,需要兩套獨立的饋電網(wǎng)絡(luò),可以實現(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射頻端口,分別對應(yīng)水平、垂直極化方式。十字交叉振子單獨密封,它們的背后安裝完整的反射平板。

(2) 每根天線上有N個雙極化單元,每根天線對應(yīng)兩個射頻輸入口,內(nèi)部形成兩個1/N功分網(wǎng)絡(luò)背靠背裝配。每個功分網(wǎng)絡(luò)對應(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 主要指標的分析和計算

5.1 海雜波反射截面積計算[2]

海雜波可定義為雷達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散射截面積(Radar Cross-Section,RCS),RCS=σ°A即(其中A為照射面積)。對于工作于脈沖體制下的雷達來講,在小擦地角下,有

其中,R為雷達距海面的斜距,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不同海情下的目標散射截面積。

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 不同海情下的目標散射截面積(水平極化)

圖5 不同海情下的目標散射截面積(垂直極化)

5.2 雜噪比計算

雷達方程為[3]

在探測距離為20 km、3級海情、水平極化、雷達全陣收發(fā)條件下,雜噪比計算結(jié)果見表1,滿足大于15 dB的設(shè)計要求。

表1 雜噪比計算

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算結(jié)果。由圖中可以看出,在20 km處,3級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量雷達總體設(shè)計技術(shù)。針對海雜波測量雷達的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析,并給出了相應(yīng)解決措施。最后對不同海情下海雜波反射截面積和雜噪比進行了分析與計算。本文給出的海雜波測量雷達總體設(shè)計技術(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. 相控陣雷達技術(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:地面情報雷達總體設(shè)計、信息融合;韓長喜(1983-),男,碩士,工程師,研究方向:軍事電子裝備科技情報研究;李旭(1984- ), 男 ,碩士,工程師,研究方向:地面火控雷達總體設(shè)計。

TN959.6

A

1009-0401(2016)04-0001-04