雷達(dá)探測(cè)能力快速測(cè)試方法

孫成 魏文寶 張國(guó)龍

（南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210013）

雷達(dá)探測(cè)能力的檢查是對(duì)雷達(dá)各項(xiàng)指標(biāo)的復(fù)測(cè)過(guò)程，本文所說(shuō)的雷達(dá)探測(cè)能力僅指雷達(dá)最大探測(cè)距離這一指標(biāo)。在現(xiàn)代空戰(zhàn)中，先敵發(fā)現(xiàn)、先敵發(fā)射、先敵命中、先敵脫離，是現(xiàn)代空戰(zhàn)致勝的“四先”原則[1]。因此在態(tài)勢(shì)感知能力上占據(jù)優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的首要和關(guān)鍵因素。雷達(dá)是超視距態(tài)勢(shì)感知的重要工具，它的探測(cè)能力的好壞是實(shí)現(xiàn)先敵發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，在戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)效能評(píng)估中，雷達(dá)最大探測(cè)距離評(píng)估占有重要的地位。傳統(tǒng)方法對(duì)雷達(dá)最大探測(cè)距離的評(píng)估通常是通過(guò)對(duì)天線方增益、發(fā)射功率、接收機(jī)靈敏度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，最終計(jì)算得出雷達(dá)的探測(cè)能力估值。測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境要求高、測(cè)試復(fù)雜，特別是在外場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn)。本文利用外置天線對(duì)雷達(dá)的探測(cè)能力進(jìn)行檢測(cè)，可以快速的對(duì)雷達(dá)探測(cè)能力進(jìn)行檢測(cè)。

1 測(cè)試方法對(duì)比

分段測(cè)試法：通過(guò)測(cè)量天線增益、最小可檢測(cè)功率、饋線耦合度、發(fā)射功率等參數(shù)，再根據(jù)雷達(dá)方程，算出雷達(dá)探測(cè)距離。優(yōu)點(diǎn)：在雷達(dá)單元級(jí)測(cè)試時(shí)即可完成，不需要進(jìn)行整機(jī)系統(tǒng)集成。缺點(diǎn)：整機(jī)系統(tǒng)集成后，再進(jìn)行單元測(cè)試需要進(jìn)行拆機(jī)，且對(duì)環(huán)境要求高，在外場(chǎng)難以操作。由于雷達(dá)探測(cè)受到陣地環(huán)境和自身各種損耗的影響，且通常這些影響難以準(zhǔn)確計(jì)算，所以計(jì)算結(jié)果通常與雷達(dá)陣地實(shí)際探測(cè)結(jié)果相比，誤差較大[2]。

注入式測(cè)試法：射頻注入式雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁信號(hào)不經(jīng)過(guò)天線輻射，而是通過(guò)射頻電纜直接與被測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)相連接，接收雷達(dá)的發(fā)射載頻信號(hào)作為激勵(lì)，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)調(diào)制后，再注入雷達(dá)系統(tǒng)，用模擬產(chǎn)生雷達(dá)測(cè)試所需的電磁信號(hào)環(huán)境[3]。優(yōu)點(diǎn)：操作相對(duì)簡(jiǎn)單，可對(duì)接收通道的整體性能進(jìn)行檢測(cè)。缺點(diǎn)：無(wú)法真實(shí)模擬天線、通道對(duì)信號(hào)的影響。無(wú)法對(duì)雷達(dá)輻射功率進(jìn)行測(cè)試，尚需單獨(dú)對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行檢測(cè)。

外置天線測(cè)量法：上述兩種測(cè)試方法除了上述的缺點(diǎn)外，在外場(chǎng)測(cè)試時(shí)，都需要對(duì)裝備進(jìn)行分解測(cè)試，無(wú)法做到外場(chǎng)快速測(cè)試。因此我們提出了外置天線測(cè)量法，利用外置的天線，接收雷達(dá)輻射能量，測(cè)試?yán)走_(dá)輻射性能；向雷達(dá)輻射射頻信號(hào)，測(cè)試?yán)走_(dá)的接收性能；從而計(jì)算出雷達(dá)探測(cè)能力。在整機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，不需要對(duì)裝備進(jìn)行分解，檢測(cè)簡(jiǎn)單便捷，易于外場(chǎng)操作。在微波暗室進(jìn)行測(cè)試時(shí)可以得到較高的測(cè)量精度，在滿足測(cè)量精度條件下，具備在外場(chǎng)空曠地帶測(cè)量能力。

圖1：雷達(dá)探測(cè)能力快速測(cè)試系統(tǒng)組成

圖2：最小功率測(cè)試圖

圖3：輻射功率測(cè)試

2 測(cè)試系統(tǒng)組成

雷達(dá)探測(cè)能力快速測(cè)試系統(tǒng)采用外置天線測(cè)量法，主要由四個(gè)功能部分組成，雷達(dá)輻射功率測(cè)試模塊、雷達(dá)最小可檢測(cè)功率測(cè)試模塊、距離測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。采用收發(fā)共用天線，通過(guò)波導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換，見圖1。

雷達(dá)輻射功率模塊：通過(guò)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)天線接收雷達(dá)輻射功率，通過(guò)波導(dǎo)開關(guān)送至功率分析儀，進(jìn)行功率測(cè)試，得到輻射功率。

最小可檢測(cè)功率模塊：通過(guò)對(duì)雷達(dá)的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行下變頻，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在數(shù)字域?qū)夭ㄐ盘?hào)的距離延時(shí)、多普勒頻率、距離展寬特性等進(jìn)行控制，然后再通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。再將基帶模擬信號(hào)進(jìn)行上變頻，使其頻率恢復(fù)到雷達(dá)發(fā)射頻率，功率控制對(duì)功率大小進(jìn)行控制，通過(guò)波導(dǎo)開關(guān)送至測(cè)試天線進(jìn)行輻射，不斷的減小輻射功率，直至達(dá)到雷達(dá)的最小可檢測(cè)功率。

表1：參數(shù)設(shè)置表

距離測(cè)試模塊：通過(guò)測(cè)距儀，測(cè)出測(cè)試天線和雷達(dá)天線之間的距離。

數(shù)據(jù)處理模塊：根據(jù)測(cè)試得到的輻射功率、最小可檢測(cè)功率、測(cè)試距離參數(shù)，測(cè)試系統(tǒng)本身的損耗參數(shù)，計(jì)算出雷達(dá)對(duì)不同RCS目標(biāo)的探測(cè)能力。

3 測(cè)試原理

本文利用外置天線的方法，對(duì)雷達(dá)最小可檢測(cè)功率、雷達(dá)輻射功率進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)雷達(dá)方程，計(jì)算出雷達(dá)探測(cè)能力也就是最大探測(cè)距離[4]。

根據(jù)雷達(dá)方程，雷達(dá)最大探測(cè)距離如式1所示。式中，Rmax為雷達(dá)最大探測(cè)距離。Pt為雷達(dá)發(fā)射功率，G 為雷達(dá)天線增益，λ 為雷達(dá)電波波長(zhǎng)，σ 為目標(biāo)有效散射面積，Simin為雷達(dá)最小可檢測(cè)信號(hào)功率。

3.1 最小可檢測(cè)信號(hào)功率測(cè)試

該參數(shù)與虛警概率、發(fā)現(xiàn)概率成函數(shù)關(guān)系。我們通常選擇恒定虛警概率和發(fā)現(xiàn)概率。本文中選取50%的發(fā)現(xiàn)概率[5]。如圖2所示，在雷達(dá)天線遠(yuǎn)場(chǎng)[6]，測(cè)試系統(tǒng)天線正對(duì)雷達(dá)天線，測(cè)試系統(tǒng)向雷達(dá)天線輻射目標(biāo)模擬信號(hào)，不斷的降低測(cè)試系統(tǒng)天線的輻射功率，直到達(dá)到雷達(dá)接收到的信號(hào)功率達(dá)到雷達(dá)接收最小可檢測(cè)信號(hào)功率。判斷標(biāo)準(zhǔn)為模擬目標(biāo)出現(xiàn)閃爍，目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率達(dá)到50%。則雷達(dá)最小可檢測(cè)信號(hào)功率如式2所示。

式中Simin為雷達(dá)最小可檢測(cè)信號(hào)功率，Pmtmin雷達(dá)接收達(dá)到最小可檢測(cè)信號(hào)功率時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)輸出功率。Gmt為測(cè)試系統(tǒng)天線增益，A 為雷達(dá)接收天線有效接收面積。Dmt為測(cè)試系統(tǒng)天線與雷達(dá)天線之間的距離。

3.2 雷達(dá)輻射功率測(cè)試

如圖3所示，在雷達(dá)天線遠(yuǎn)場(chǎng)，測(cè)試系統(tǒng)天線正對(duì)雷達(dá)天線，雷達(dá)開機(jī)開輻射，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線接收到的信號(hào)功率進(jìn)行測(cè)試，則接收到的輻射功率見式3。

圖4：測(cè)試天線輸出功率測(cè)試

圖5：輻射功率測(cè)試

式中，Ptc為測(cè)試系統(tǒng)天線收到的回波功率，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率，G 為雷達(dá)天線增益，Atc為測(cè)試系統(tǒng)天線的有效接收面積，Dtc為測(cè)試系統(tǒng)天線與雷達(dá)天線之間的距離。

3.3 雷達(dá)探測(cè)能力測(cè)算

將公式2、3 帶入公式1 可得。

由天線理論知道，測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)天線增益和有效面積有以下關(guān)系。

則公式4 可變?yōu)椋?/p>

測(cè)試系統(tǒng)用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)天線進(jìn)行收發(fā)，在位置不變的情況下，

式中，Ptc為測(cè)試系統(tǒng)天線收到的回波功率，D 為測(cè)試系統(tǒng)天線到雷達(dá)天線的距離，σ 為目標(biāo)有效散射面積，Pmtmin雷達(dá)接收達(dá)到最小可檢測(cè)信號(hào)功率時(shí)測(cè)試系統(tǒng)天線的輸出功率。Gl為測(cè)試系統(tǒng)天線增益，λ 為雷達(dá)電波波長(zhǎng)。

4 測(cè)試方法

根據(jù)公式可知，我們通過(guò)測(cè)試天線到雷達(dá)天線的距離D，喇叭收到的回波功率Ptc，雷達(dá)接收達(dá)到最小可檢測(cè)信號(hào)功率時(shí)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)天線的輸出功率Pmtmin，最終經(jīng)過(guò)計(jì)算得到雷達(dá)探測(cè)能力的評(píng)估，這些參數(shù)獲取的誤差決定了探測(cè)能力評(píng)估誤差。標(biāo)準(zhǔn)天線增益Gl參數(shù)隨著標(biāo)準(zhǔn)天線的選定為固定參數(shù)。

4.1 測(cè)試天線到雷達(dá)天線距離D測(cè)試

在外場(chǎng)為了便于測(cè)試，通常采用間接法進(jìn)行測(cè)量，在雷達(dá)天線裸漏在外的情況下也可采用直接測(cè)量的方法。

間接測(cè)量：在外場(chǎng)雷達(dá)通常是裝在載機(jī)上的，通常需要脫去雷達(dá)罩才可以直接測(cè)量。在雷達(dá)罩不脫的情況下可以采用間接測(cè)量法來(lái)測(cè)量天線距離。測(cè)量測(cè)試天線到雷達(dá)罩前端的距離，再加上雷達(dá)天線到天線罩前端的距離，即可得出測(cè)試天線到雷達(dá)天線距離。雷達(dá)天線到天線前端的距離為固定值。

為了便于比對(duì)，我們通常將測(cè)試天線到雷達(dá)天線距離設(shè)為常量，保持不變。

4.2 測(cè)試系統(tǒng)天線輸出最小功率Pmtmin測(cè)試

如圖4所示，測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)目標(biāo)模擬信號(hào)，經(jīng)功率控制后，經(jīng)波導(dǎo)開關(guān)和相關(guān)電纜送至測(cè)試天線。功率控制到測(cè)試天線之間的損耗為L(zhǎng)m，功率控制輸出功率為Pm，則發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)天線輸出功率見下式。

4.3 雷達(dá)輻射功率測(cè)試

如圖5所示，測(cè)試天線接收的回波信號(hào)通過(guò)測(cè)試天線進(jìn)行接收。經(jīng)過(guò)波導(dǎo)開關(guān)和電纜送至功率分析儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試天線到功率分析儀的損耗為L(zhǎng)t，功率分析儀測(cè)試到的回波能量為Pgl，則測(cè)試天線接收功率Ptc見下式

4.4 探測(cè)距離計(jì)算

將測(cè)試數(shù)據(jù)帶入公式（7），即可算出探測(cè)距離。

5 測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)某型機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，為了便于比對(duì)，載機(jī)保持水平，雷達(dá)和目標(biāo)設(shè)置保持一致，詳見表1。

將測(cè)試結(jié)果與載機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程中的發(fā)現(xiàn)距離進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。為了減少目標(biāo)起伏特性對(duì)雷達(dá)探測(cè)距離的影響[7]，目標(biāo)機(jī)盡量采用相同的姿態(tài)和進(jìn)入角。我們對(duì)迎頭相對(duì)飛行模式下的發(fā)現(xiàn)距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示發(fā)現(xiàn)距離排序和測(cè)算的探測(cè)能力排序基本相符合。一些不符合項(xiàng)主要是因?yàn)槔走_(dá)采用了不同的頻率和目標(biāo)截面積的起伏，對(duì)探測(cè)距離造成影響。

6 實(shí)際應(yīng)用

雷達(dá)的探測(cè)能力受到硬件和軟件兩個(gè)方面的影響，本測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)發(fā)射鏈路、接收鏈路進(jìn)行測(cè)試，主要針對(duì)硬件性能進(jìn)行測(cè)試。

在外場(chǎng)使用中主要是進(jìn)行同型機(jī)的比較，找出客戶擁有的同類設(shè)備探測(cè)能力強(qiáng)弱關(guān)系?？蛻舾鶕?jù)測(cè)試結(jié)果，配合定檢的其它測(cè)試結(jié)果，對(duì)產(chǎn)品相關(guān)器件進(jìn)行更換調(diào)整，根據(jù)任務(wù)要求搭配出最合適的裝備，以保障 任務(wù)完成。因此，為便于進(jìn)行類比時(shí)，雷達(dá)工作模式、工作頻率、模擬目標(biāo)距離、速度設(shè)置基本保持一致。測(cè)試天線距離雷達(dá)天線的距離基本保持一致。

最小可檢測(cè)功率類比較大：最小可檢測(cè)功率變小，探測(cè)能力變強(qiáng)。影響最小檢測(cè)功率的有天線增益、接收通道耦合度、接收機(jī)靈敏度、頻譜純度、處理內(nèi)部噪聲等。可結(jié)合定檢情況進(jìn)行相關(guān)器件更換。

輻射功率類比較?。狠椛涔β首兇?，探測(cè)能力也變強(qiáng)，影響輻射功率的有發(fā)射輸出功率、激勵(lì)信號(hào)、輸出通道耦合度、天線增益等。可結(jié)合定檢情況進(jìn)行相關(guān)器件更換。

7 總結(jié)

本文結(jié)合外場(chǎng)裝備使用情況，針對(duì)客戶缺乏對(duì)雷達(dá)探測(cè)能力進(jìn)行快速檢測(cè)和評(píng)估的手段問題，利用外置天線測(cè)試，給出了一種外場(chǎng)快速測(cè)量雷達(dá)探測(cè)能力的方法。從使用情況看，本測(cè)試方法可以有效地對(duì)雷達(dá)探測(cè)能力進(jìn)行評(píng)估。彌補(bǔ)了以往設(shè)備定檢的不足，可以有效的輔助客戶，根據(jù)任務(wù)需求，更合理的進(jìn)行裝備性能評(píng)估，校核系統(tǒng)靈敏度，改善雷達(dá)的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)能力，提升在復(fù)雜電磁環(huán)境下空戰(zhàn)的獲勝概率。