某型跟蹤雷達(dá)威力降低問題分析研究

鄒士遷，畢立財(cái)

（中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)43分隊(duì)，遼寧葫蘆島 125001）

0 引言

某型跟蹤雷達(dá)作為武器系統(tǒng)火力控制雷達(dá)，能夠連續(xù)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)、不斷地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)量，為武器系統(tǒng)提供目標(biāo)的實(shí)時(shí)及前置位置數(shù)據(jù)以控制武器射擊[1]。在對(duì)某型空中目標(biāo)跟蹤過程中，該型跟蹤雷達(dá)出現(xiàn)接受目標(biāo)指示數(shù)據(jù)后，無法捕獲目標(biāo)，處于搜索狀態(tài)，直至目標(biāo)進(jìn)入較近距離處，雷達(dá)才捕獲目標(biāo)，隨后一直穩(wěn)定跟蹤至目標(biāo)過捷徑點(diǎn)現(xiàn)象。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，兩個(gè)航次雷達(dá)起跟距離都遠(yuǎn)小于跟蹤雷達(dá)威力指標(biāo)要求，直接影響武器系統(tǒng)使用。經(jīng)問題排查，確定為中頻接收機(jī)內(nèi)部電纜W1故障，造成接收通道信號(hào)在傳輸過程中駐波變大，信號(hào)噪聲基底變大，雷達(dá)一直處于搜索狀態(tài)，無法轉(zhuǎn)入穩(wěn)定跟蹤。隨著目標(biāo)的靠近，信噪比增大到高于雷達(dá)檢波器所能檢測(cè)的門限值，雷達(dá)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。通過對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題仔細(xì)分析研究，制定出了相應(yīng)的解決方案，為保障試驗(yàn)順利進(jìn)行，圓滿完成試驗(yàn)任務(wù)，提供了有力的保障。

1 跟蹤威力降低問題排查分析

1.1 故障樹建立與排查過程

在對(duì)某類空中目標(biāo)跟蹤過程中，該型跟蹤雷達(dá)出現(xiàn)接受目標(biāo)指示數(shù)據(jù)后，無法捕獲目標(biāo)，處于搜索狀態(tài)，直至目標(biāo)進(jìn)入較近距離處，跟蹤雷達(dá)才捕獲目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤至目標(biāo)過捷徑點(diǎn)現(xiàn)象。雷達(dá)捕獲目標(biāo)時(shí)，對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行放大，濾波等處理，當(dāng)提取到目標(biāo)信噪比超過門限值，雷達(dá)轉(zhuǎn)入跟蹤。試驗(yàn)過程中，雷達(dá)一直處于搜索，未截獲目標(biāo)，直到目標(biāo)進(jìn)入近距離后，才轉(zhuǎn)跟蹤，兩個(gè)航次現(xiàn)象一致，說明設(shè)備在試驗(yàn)過程中，在目標(biāo)處于遠(yuǎn)距離時(shí)，雷達(dá)搜索板收到的信號(hào)未達(dá)到捕獲門限。

通過以上分析列出跟蹤雷達(dá)威力降低的故障樹，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)威力降低故障樹

圖2 中頻接收機(jī)內(nèi)部和通道信號(hào)流程圖

根據(jù)圖 1故障樹，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行逐一排查。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試檢查，排除了X1事件，排除了X2中的 1、2事件。控制雷達(dá)進(jìn)入檢查狀態(tài)，用頻譜儀分別測(cè)量中頻接收機(jī)和、方位、俯仰主中放大器輸出端頻譜，發(fā)現(xiàn)方位、俯仰主中輸出端輸出信號(hào)頻譜正常，而和主中放大器輸出端輸出噪聲基底抬起，進(jìn)一步用示波器測(cè)試相檢的6路信號(hào)輸出，發(fā)現(xiàn)和路I/Q有一峰-峰值為2V左右的噪聲信號(hào)，而方位、俯仰4路I/Q信號(hào)峰-峰值均小于0.2V，和路I/Q存在噪聲屬于不正?，F(xiàn)象。由此判定中頻接收機(jī)和通道存在噪聲，不能排除“中頻接收機(jī)噪聲異?！笔录?。

下面對(duì)中頻接收機(jī)和通道噪聲進(jìn)行具體分析：中頻接收機(jī)和路中頻信號(hào)輸入是由 SMA電纜 W1從中頻接收機(jī)組合后面板連接到和路濾波器，然后經(jīng)SMA電纜W3連接到和路定向耦合器的，然后再經(jīng)過SMA電纜傳輸給和主中放大器及正交相干檢波器。中頻接收機(jī)內(nèi)部和通道信號(hào)流程如圖2所示。

結(jié)合中頻接收機(jī)內(nèi)部和通道信號(hào)流程，針對(duì)中頻接收機(jī)存在噪聲信號(hào)，列出故障樹如圖3所示。

圖3 中頻接收機(jī)和通道噪聲故障樹

根據(jù)圖3故障樹進(jìn)行排查：

X1：和主中放大器噪聲異常

雷達(dá)正常開機(jī)狀態(tài)下，將中頻接收機(jī)置“本機(jī)”、“BIT”狀態(tài)，用頻譜儀測(cè)量和主中放大器輸出，信號(hào)頻譜正常。排除該事件。

X2：和通道連接電纜異常

（a）電纜W3異常

用雷達(dá)操控臺(tái)控制雷達(dá)進(jìn)入檢查狀態(tài)。用頻譜儀測(cè)量中頻接收機(jī)和主中放大器輸出端。發(fā)現(xiàn)和主中放大器輸出端輸出噪聲基底抬起，將方位路濾波器輸入端的電纜更換至和路濾波器后，發(fā)現(xiàn)頻譜正常。說明電纜W3正常，排除該事件。

（b)電纜W1異常

斷開電纜W1與濾波器輸入端的連接，用頻譜儀測(cè)試該電纜的輸出端的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)上述a)項(xiàng)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)的噪聲基底抬起的現(xiàn)象依然存在。仔細(xì)檢查電纜W1，發(fā)現(xiàn)電纜W1一端的接頭處屏蔽層斷開，另一端完好，更換新電纜，再次用頻譜儀測(cè)試該電纜的輸出端信號(hào)，頻譜正常，說明電纜 W1異常。由此可判定，接收機(jī)噪聲信號(hào)是由電纜W1異常帶來的。因此跟蹤雷達(dá)威力降低定位為：中頻接收機(jī)內(nèi)部電纜W1故障，造成接收通道異常。

1.2 故障SMA電纜W1導(dǎo)致雷達(dá)威力下降機(jī)理分析

該故障SMA電纜W1在接收機(jī)內(nèi)部，是和主中放大器模塊的輸入信號(hào)，其作用是將微波接收機(jī)送下來的和路信號(hào)通過同軸電纜傳輸給中頻接收機(jī)和路濾波器，再送給和主中放大器，如圖2所示。該電纜屏蔽層斷開后，使得電纜接地不良，造成信號(hào)在傳輸過程中駐波變大，信號(hào)噪聲基底變大，當(dāng)目標(biāo)處于遠(yuǎn)距離時(shí)，目標(biāo)回波信號(hào)淹沒在噪聲里，雷達(dá)搜索板收到的信號(hào)未到達(dá)捕獲門限，即實(shí)際信噪比未達(dá)到最小可檢測(cè)信噪比要求，雷達(dá)一直處于搜索狀態(tài)，無法轉(zhuǎn)入穩(wěn)定跟蹤。隨著目標(biāo)的靠近，目標(biāo)回波信號(hào)越來越強(qiáng)，使得目標(biāo)的信噪比增大高于雷達(dá)檢波器所能檢測(cè)的門限值，雷達(dá)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。

2 跟蹤雷達(dá)方程及最小可檢測(cè)信噪比對(duì)威力影響分析

2.1 跟蹤雷達(dá)方程

典型跟蹤雷達(dá)發(fā)射筆型波束，以接收單個(gè)目標(biāo)的回波，并跟蹤目標(biāo)的方位角、俯仰角、距離和多普勒速度[2]。跟蹤雷達(dá)方程是用來預(yù)測(cè)或估算跟蹤雷達(dá)作用距離的一個(gè)數(shù)學(xué)方程，方程中包含雷達(dá)系統(tǒng)、環(huán)境和目標(biāo)的各種參數(shù)。跟蹤雷達(dá)的作用距離計(jì)算主要依據(jù)保持回路跟蹤或保證跟蹤精度所需要的最小信噪比。

由文獻(xiàn)3可知，在自由空間條件下，單站跟蹤雷達(dá)作用距離方程為

式中，Pav為發(fā)射平均功率；Gt為天線發(fā)射增益；Gr為天線接收增益；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)；σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積；K為波茲曼常數(shù) 1.38×10-23J/K；T為絕對(duì)溫度：293K；Fn為接收機(jī)端口噪聲系數(shù)；Bn為接收機(jī)帶寬；fr為脈沖重復(fù)頻率；L為總損耗，R為目標(biāo)與雷達(dá)間的距離。（S/N）為最小可檢測(cè)信噪比，它與該雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率Pd和虛警概率Pfa有關(guān)。

2.2 最小可檢測(cè)信噪比與跟蹤威力之間關(guān)系

某型跟蹤雷達(dá)目標(biāo)搜索轉(zhuǎn)跟蹤過程為：雷達(dá)接收火控臺(tái)給出目標(biāo)的方位、距離、徑向速度和波束標(biāo)志信息。方位上從當(dāng)前點(diǎn)快速調(diào)舷到位，測(cè)距機(jī)按目標(biāo)距離為中心值設(shè)置距離搜索波門，信號(hào)處理機(jī)以徑向速度為中心值設(shè)置速度搜索波門，發(fā)射機(jī)按規(guī)定的頻率發(fā)射功率，天線按倒8字圓形進(jìn)行掃描，當(dāng)雷達(dá)收到目標(biāo)回波時(shí)，信號(hào)處理機(jī)對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行處理，當(dāng)連續(xù)七個(gè)回波中有四個(gè)以上回波信噪比超過門限值時(shí)，雷達(dá)判為目標(biāo)。中心控制計(jì)算機(jī)發(fā)出跟蹤指令，中頻接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、測(cè)距機(jī)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，伺服分機(jī)控制波束停止掃描，閉合誤差通道轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。

某型跟蹤雷達(dá)接收到回波信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，當(dāng)中頻接收機(jī)輸出的信噪比達(dá)到門限才能被檢波識(shí)別。微弱的目標(biāo)信號(hào)才能從大量的噪聲中分離出來，如果回波中包含的噪聲過大，使得信噪比低于雷達(dá)檢波器所能檢測(cè)的門限值，則目標(biāo)信息就會(huì)被噪聲淹沒，從而分離不出目標(biāo)，門限是由最小可檢測(cè)信噪比決定的[4]。

根據(jù)式（1）跟蹤雷達(dá)方程，代入該型雷達(dá)發(fā)射平均功率、天線增益、工作波長(zhǎng)、目標(biāo)雷達(dá)截面積、噪聲系數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)后，得到最小可檢測(cè)信噪比與最大跟蹤距離之間的關(guān)系為

最小可檢測(cè)信噪比與最大跟蹤距離之間的關(guān)系示意圖如圖3所示。

圖3 最小可檢測(cè)信噪比與最大跟蹤距離關(guān)系示意圖

根據(jù)圖3可知，雷達(dá)所需最小可檢測(cè)信噪比越小，雷達(dá)識(shí)別微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)，目標(biāo)的最大跟蹤距離越大。已知該型跟蹤雷達(dá)最小可檢測(cè)信噪比為（SNR0）dB，該雷達(dá)在工作過程中，因?yàn)榻邮諜C(jī)噪聲增大，導(dǎo)致信噪比低于（SNR0）dB，雷達(dá)不能識(shí)別目標(biāo)信號(hào)，導(dǎo)致威力下降甚至無法跟蹤目標(biāo)。

3 解決方案

調(diào)試與檢查，是保證雷達(dá)正常工作的前提和基礎(chǔ)。結(jié)合解決問題的全過程，分析歸納此類問題的解決方案如下：

（1）電纜在外場(chǎng)返修要制定外場(chǎng)返修工藝流程，嚴(yán)格按照返修工藝流程執(zhí)行。

（2）在設(shè)備的調(diào)試過程中，對(duì)電纜的操作要嚴(yán)格按照操作規(guī)范執(zhí)行。

（3）更換故障電纜。更換后，雷達(dá)最大跟蹤距離滿足威力滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

針對(duì)試驗(yàn)過程中發(fā)生的跟蹤雷達(dá)威力下降問題，建立了故障樹并進(jìn)行了排查分析。結(jié)果表明導(dǎo)致跟蹤雷達(dá)威力下降的因素十分復(fù)雜，只有通過認(rèn)真細(xì)致的排查分析，才能盡快找到問題的原因。驗(yàn)證了跟蹤雷達(dá)方程中，最小可檢測(cè)信噪比與跟蹤威力之間的關(guān)系結(jié)論。結(jié)合待測(cè)雷達(dá)實(shí)際參數(shù)，給出了該雷達(dá)最小可檢測(cè)信噪比與跟蹤威力之間關(guān)系曲線和解決故障電纜的實(shí)際方案。本文中提到的由于中頻信號(hào)電纜導(dǎo)致跟蹤雷達(dá)威力下降問題，屬裝備非正常狀態(tài)下才會(huì)發(fā)生的問題，如果在此情況下該問題沒有及時(shí)得到解決，其結(jié)果必然會(huì)浪費(fèi)試驗(yàn)航次，影響試驗(yàn)的進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)：

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