天線方向圖畸變對機(jī)載雷達(dá)探測性能影響分析

匡云連,蔣柏峰

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

天線方向圖畸變對機(jī)載雷達(dá)探測性能影響分析

匡云連,蔣柏峰

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

天線方向圖作為雷達(dá)探測性能的輸入，由于受到雷達(dá)收發(fā)通道幅相特性、天線陣面形變及載機(jī)平臺近場散射等因素的影響而產(chǎn)生畸變，最終作用于雷達(dá)的探測性能。本文主要分析受機(jī)身影響的天線方向圖畸變對機(jī)載雷達(dá)探測性能的影響。影響機(jī)載雷達(dá)探測性能的主要性能指標(biāo)包括雷達(dá)空間覆蓋盲區(qū)、速度盲區(qū)、最小可檢測速度、最大作用距離及探測精度等，本文通過分析雷達(dá)探測性能指標(biāo)，建立了畸變前后的探測性能分析參數(shù)模型，分析了天線方向圖的電性能指標(biāo)(波束寬度、上翹角、副瓣電平、增益等)變化前后的雷達(dá)探測性能。仿真及分析結(jié)果表明：實(shí)際工程中，天線方向圖畸變對機(jī)載雷達(dá)探測性能的分析是必不可少的； 俯仰波束的壓縮增大了雷達(dá)的近程盲區(qū)，上翹角影響了雷達(dá)的速度盲區(qū)，方向性系數(shù)、副瓣電平、主瓣寬度影響了雷達(dá)探測作用距離、探測精度和分辯特性。

天線方向圖；畸變；機(jī)載雷達(dá)；探測性能

0 引 言

雷達(dá)天線的電性能指標(biāo)(如增益、副瓣電平、波束指向等)與雷達(dá)系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)，很大程度上決定了雷達(dá)的探測性能。雷達(dá)天線安裝在飛機(jī)平臺上，受到載機(jī)平臺對天線輻射的耦合和散射作用，引起天線方向圖的畸變。文獻(xiàn)[1]～[2]采用了不同的測量方法計(jì)算雷達(dá)天線受機(jī)身擾動后的方向圖，并未分析受擾后的方向圖對雷達(dá)探測性能的影響。文獻(xiàn)[3]分析了機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)探測性能的主要指標(biāo)，并未分析天線方向圖對雷達(dá)探測性能主要指標(biāo)的影響。文獻(xiàn)[4]僅分析了平均副瓣對雷達(dá)探測距離的影響，并未全面分析方向圖的其他指標(biāo)對雷達(dá)探測性能的影響。文獻(xiàn)[5]分析了雜噪比與雷達(dá)作用距離的關(guān)系，并未考慮天線的電性能指標(biāo)對作用距離的影響。文獻(xiàn)[6]分析了高斯雜波背景下天線副瓣對系統(tǒng)改善因子的影響，沒有將最終影響投影到雷達(dá)的探測性能上。

本文首先分析了天線方向圖畸變后，波束指向角上翹、半功率波束寬度變窄及副瓣電平變化等天線電性能的變化，對雷達(dá)探測性能的空間覆蓋盲區(qū)、速度盲區(qū)、最大作用距離、雷達(dá)探測精度等性能指標(biāo)的影響，然后提出了一個(gè)天線方向圖畸變與雷達(dá)探測性能的評估模型，為以后工程上分析方向圖畸變對探測性能提供理論指導(dǎo)。

1 雷達(dá)空間覆蓋盲區(qū)

雷達(dá)探測盲區(qū)主要包括頂空盲區(qū)和低空盲區(qū)及機(jī)身、機(jī)翼遮擋盲區(qū)等。本文主要討論天線方向圖畸變后，雷達(dá)波束在俯仰方向上的覆蓋范圍發(fā)射改變而造成的雷達(dá)波束覆蓋盲區(qū)，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)頂空盲區(qū)和低空盲區(qū)示意圖

雷達(dá)頂空盲區(qū)和低空盲區(qū)作用距離范圍為

(1)

Δh為載機(jī)與目標(biāo)機(jī)的高度差，φ為波束在俯仰上覆蓋范圍。

假定雷達(dá)下視探測海面目標(biāo)，無畸變及由于俯仰波束寬度的變化引起的雷達(dá)低空盲區(qū)距離具體數(shù)值見表1。

表1 雷達(dá)下視盲區(qū)數(shù)值

從表1中看到，雷達(dá)俯仰波束的變化會導(dǎo)致雷達(dá)下視盲區(qū)的變化。無畸變時(shí)，雷達(dá)下視盲區(qū)為41 km；俯仰波束展寬為5°時(shí)，其下視盲區(qū)將近27 km；俯仰波束寬度壓縮5°時(shí)，下視盲區(qū)為76 km。理想情況下，雷達(dá)的威力覆蓋范圍由雷達(dá)最小探測距離和最大探測距離來確定，雷達(dá)最小作用距離為雷達(dá)顯示屏上測定目標(biāo)的最近距離，主要受到雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度及收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間約束、目標(biāo)與載機(jī)的相對高度、俯仰波束寬度及機(jī)身遮擋等因素影響。由于俯仰上波束的壓縮帶來的近程盲區(qū)高于雷達(dá)最小探測距離，降低了雷達(dá)的有效探測距離。當(dāng)然，俯仰上波束的展寬會導(dǎo)致大量的近程雜波進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，需采取有效的近程雜波抑制方法以擴(kuò)展雷達(dá)的探測范圍。

2 雷達(dá)速度盲區(qū)

(2)

λ為雷達(dá)工作波長。根據(jù)幾何關(guān)系

(3)

式中cosα=cosθcosφ，將式(2)代入到式(3)得

(4)

圖2 天線陣列與雜波散射單元的幾何關(guān)系

則目標(biāo)徑向速度為

(5)

載機(jī)速度v=125 m/s，Ψ=30°，γ=60°，vT=250 m/s，θ=45°，φ=0.2°，無上翹角變化時(shí)，目標(biāo)檢測到的徑向速度為-25 m/s，受到方向圖畸變，目標(biāo)檢測的徑向速度呈余弦曲線變化，波束上翹角變化對雷達(dá)可檢測速度的變化如圖3所示。

圖3 雷達(dá)目標(biāo)可檢測速度隨上翹角變化

從圖3中看到，無上翹角變化時(shí)，目標(biāo)徑向速度為-25 m/s,目標(biāo)可檢測；若存在上翹角變化時(shí)，目標(biāo)徑向速度呈余弦曲線變化：若目標(biāo)徑向速度大小低于雷達(dá)最小可檢測速度時(shí),目標(biāo)落入速度盲區(qū)，不能有效檢測；同時(shí)，上翹角導(dǎo)致雷達(dá)檢測的目標(biāo)徑向速度大小與實(shí)際的目標(biāo)徑向速度存在差值，需要進(jìn)行補(bǔ)償。

3 雷達(dá)最小可檢測速度

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)最小可檢測速度依賴于主雜波譜寬，主雜波譜寬度越寬，雷達(dá)可檢測速度越低。雜波多普勒頻率表達(dá)式為

(6)

根據(jù)式(3)，得到距離單元上由方位波束寬度引起的頻譜寬度為

(7)

若θ∈(0π)取“+”，否則取“-”。則目標(biāo)最小可檢測速度為

(8)

式中κ為比例常數(shù)，與濾波器凹口寬度有關(guān)，本文取κ=2。根據(jù)式(8)，方位維波束寬度及波束俯仰角指向影響雷達(dá)最小可檢測速度。

載機(jī)速度v=125 m/s，Ψ=30°，γ=60°，θ=45°，φ=0.2°，方位維波束覆蓋范圍中心指向±10°，雜波多普勒寬度受到上翹角的影響如圖4所示。雜波主瓣多普勒寬度存在不同程度的展寬。

圖4 雷達(dá)目標(biāo)可檢測速度隨上翹角變化

4 最大作用距離

自由空間，雷達(dá)作用距離主要受噪聲限制，表達(dá)式為

(9)

式中：Pav為平均功率；λ為工作波長；σt為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積；Gt為天線的發(fā)射增益；Gr為天線的接收增益；N為接收機(jī)噪聲功率；Fn為噪聲系數(shù)；Ls為系統(tǒng)損耗；(S/N)req為檢測所需最小信噪比。

雜波和噪聲環(huán)境下，雷達(dá)的最大作用距離為

(10)

Creq為檢測單元剩余雜波功率。若存在天線方向圖畸變時(shí)，即天線的方向性系數(shù)、波瓣寬度、波束指向等發(fā)射變化，此時(shí)雷達(dá)距離方程為

(11)

(12)

方向圖畸變后的噪聲功率為

(13)

方向圖畸變前后，雷達(dá)接收機(jī)噪聲功率為

(14)

根據(jù)式(14)可知，天線波束寬度影響噪聲功率強(qiáng)度。方位向主瓣寬度壓縮，則天線波位數(shù)增多，導(dǎo)致每個(gè)波位的積累脈沖數(shù)降低，雜波濾波器寬度的增加同時(shí)帶來噪聲功率的增加，具體如圖5。

圖5 噪聲功率受方向圖畸變影響

方向圖畸變后的剩余雜波功率為

(15)

假設(shè)天線方向圖畸變前后，雜波濾波器對副瓣雜波的改善程度不變，則畸變前后剩余雜波功率為

(16)

僅考慮平均副瓣變化對雷達(dá)作用距離的影響，則上式可以簡化為

(17)

則畸變前后雷達(dá)作用距離的表達(dá)式為

(18)

若假設(shè)無方向圖畸變時(shí)剩余雜噪比為-2 dB,某雷達(dá)天線方向圖電性能指標(biāo)(天線陣列后視)受機(jī)身影響見表2。從表中看到，天線方向圖畸變嚴(yán)重影響雷達(dá)的作用距離。

5 分辨特性

受到天線方向圖畸變，雷達(dá)的方位分辨力和速

表2 天線方向圖畸變的參數(shù)

度分辨力都會發(fā)生變化。雷達(dá)方位分辨力主要決定于天線方位面的3 dB波束寬度，具體表達(dá)式為

(19)

式中κ為比例常數(shù)。從式(19)中看到，波束寬度的壓窄可以提高雷達(dá)的方位分辨能力。PD體制的雷達(dá)速度分辨能力主要取決于多普勒處理器的寬度，與雷達(dá)的波束駐留時(shí)間有關(guān)，具體表達(dá)式為

(20)

比較式(19)和式(20)，雷達(dá)的角度分辨率與速度分辨率相互矛盾，波束寬度展寬，降低空間方位分辨率，提高速度分辨率，具體數(shù)值見表3。從表3中看到，機(jī)頭遮擋時(shí)，方位面半功率波束寬度降低，方位分辯力提高了0.139Δθ，速度分辨力降低了0.162Δv。因此，工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮方位分辯力和速度分辨力，合理地分析天線方向圖畸變的影響。

表3 天線方向圖畸變對分辨特性影響

6 探測精度

6.1 測距精度

測距精度為測距誤差、距離量化誤差、噪聲引起測距誤差、多路徑反射引起的測距誤差等誤差共同作用的結(jié)果，主要考慮噪聲引起的測距誤差。噪聲引起的測距誤差為

(21)

式中：τ為壓縮后的脈沖寬度；n為等效積累脈沖數(shù)；γscnr為檢測信雜噪比。

檢測信雜噪比可以表示為

(22)

則天線方向圖畸變前后，雷達(dá)檢測信雜噪比的變化為

(23)

接收端回波的信號功率表達(dá)式為

(24)

式中Gp為信號處理增益。

則方向圖畸變前后，信號功率的比為

(25)

根據(jù)式(14)、式(17)和式(25)得到

(26)

則測距精度的變化為

(27)

具體測距精度變化見表4。

6.2 測角精度

測角精度與測角方法及檢測信噪比有關(guān)，忽略其他因素對測角精度的影響，主要考慮噪聲引起的測角誤差。

采用單脈沖測角時(shí)，噪聲引起的測角誤差

(28)

ne為檢測次數(shù)。則方向圖畸變前后，測角精度變化為

(29)

具體測角精度變化見表4。

6.3 測速精度

雷達(dá)測速精度計(jì)算表達(dá)式為

(30)

則方向圖畸變前后，測角精度變化為

(31)

具體測速精度變化見表4。

6.4 小結(jié)

通過上述分析，探測精度(測距精度、測角精度和測速精度)主要與信號檢測信雜噪比有關(guān)，天線方向圖畸變的電性能參數(shù)極大的影響雷達(dá)探測精度。某雷達(dá)天線方向圖電性能指標(biāo)(天線陣列后視)受機(jī)身影響見表4。從表4中看到，受到天線方向圖畸變的影響，測距誤差、測角誤差及測速誤差都有一定程度的增大。

表4 天線方向圖畸變的參數(shù)

7 結(jié) 語

通過分析，本文得到以下結(jié)論：

(1)天線方向圖電性能參數(shù)影響雷達(dá)的空間覆蓋盲區(qū)、雷達(dá)速度盲區(qū)、雷達(dá)最小可檢測速度、雷達(dá)最大作用距離、分辨特性及探測精度等主要性能指標(biāo)；

(2)給出天線方向圖畸變的電性能參數(shù)值(波束寬度、上翹角、副瓣電平、增益等)，則可以計(jì)算雷達(dá)探測性能指標(biāo)的變化值；

(3)本文對天線的設(shè)計(jì)及雷達(dá)探測性能的分析有參考意義。

[1] 陸軍,趙輝.縮比模型法測試載機(jī)對雷達(dá)天線方向圖影響.2011年全國微波毫米波會議論文集(下冊)

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Antenna Pattern Distortion Effect on Airborne Radar Detection Performance

KUANG Yun-lian,JIANG Bai-feng

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing, China 100041)

Antenna pattern as the input of radar detection performance, due to the radar transceiver channel amplitude and phase characteristics, antenna array deformation and the platform near-field scattering the antenna pattern produce distortion, the influence of such factors as the final effect on radar detection performance. This article mainly analysis antenna pattern distortion with the influence of the fuselage effect on the performance of airborne radar. The main performance indicators the airborne radar detection performance including radar space covers the blind area, speed blind area, the minimum detectable velocity, maximum effective distance and the detecting precision and so on, in this paper, by analyzing the radar detection performance, the detection performance analysis model is established before and after the distortion, analyzes the change of radar detection performance with the performance index of the antenna pattern (beam width and sidelobe level and gain, etc.). Simulation and analysis results show that the actual project, the antenna pattern distortion analysis of airborne radar detection performance is essential; Longitudinal beam compression increases the short-range radar blind area ,the newborn influence on the speed of radar blind area, the directivity , sidelobe level and main lobe width, affect the radar detection range, accuracy and determine characteristics.

Antenna pattern; Distortion; Airborne radar; Detection performance

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.019

2017-06-26

2017-08-09

匡云連(1988—) ，女 湖南人，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理技術(shù)；

E-mail：shoulian410@163.com

蔣柏峰(1987—) ,男, 博士，主要研究方向?yàn)殛嚵行盘柼幚?、無源雷達(dá)信號處理技術(shù)。

TN957.2

A

1673-5692(2017)04-432-06