雷達(dá)測(cè)高精度影響因素及改善策略分析

徐其貴 南京電子技術(shù)研究所

1 雷達(dá)測(cè)高基本原理分析

雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)其用途、原理、工作波長(zhǎng)等屬性的不同可以分成多種類型，典型的雷達(dá)系統(tǒng)包括天饋線、發(fā)射、接收、信號(hào)處理、雷控、數(shù)據(jù)處理與顯示等。雷達(dá)首先向空間發(fā)射電磁波，遇到目標(biāo)后部分返回接收機(jī)，經(jīng)信號(hào)處理后計(jì)算出目標(biāo)的空間位置。雷達(dá)測(cè)高的過程主要包含仰角測(cè)量和高度計(jì)算等兩個(gè)步驟。

圖1 仰角測(cè)量信號(hào)處理流程

如圖1 所示，接收到目標(biāo)信號(hào)后，由多通道進(jìn)行采樣并進(jìn)行脈壓、對(duì)消、檢測(cè)等鄧處理，然后各通道產(chǎn)生的I/Q 值兩兩進(jìn)行比幅測(cè)角，得到多個(gè)角度值，再經(jīng)過加權(quán)平均后輸出最終計(jì)算角度。

波位內(nèi)仰角分兩路進(jìn)行修正后進(jìn)行加權(quán)平均，通過目標(biāo)仰角對(duì)目標(biāo)的高度進(jìn)行估計(jì)，然后與歷史信息綜合后對(duì)高度進(jìn)行濾波處理，得到目標(biāo)的計(jì)算高度。同時(shí)將該高度存儲(chǔ)起來，作為后續(xù)高度計(jì)算的參考。

2 雷達(dá)測(cè)高精度影響因素分析

2.1 裝備技術(shù)狀態(tài)

2.1.1 T/R 組件幅相一致性

T/R 組件是雷達(dá)的前端組件之一，該組件的幅相一致性對(duì)于目標(biāo)高度的測(cè)量有重要影響，因而一般作為陣面分系統(tǒng)的必要指標(biāo)之一。在組件技術(shù)狀態(tài)不佳的情況下，例如元件老化、電路故障、硬件損壞等等，其接收波束會(huì)出現(xiàn)變形失真問題；如果T/R 組件設(shè)計(jì)參數(shù)出現(xiàn)較大誤差，或空間覆蓋不充分，也會(huì)影響幅相一致性，從而影響目標(biāo)高度的測(cè)量精度。

2.1.2 接收通道幅度一致性

接收通道是雷達(dá)通道接收機(jī)的重要組成部分，它在信號(hào)的接收、放大、混頻、采集等處理環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用，其輸出的信號(hào)將作為信息處理系統(tǒng)的輸入，成為高度測(cè)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在接收機(jī)的接收通道中，通道數(shù)和波束有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。顯然，如果接收通道出現(xiàn)故障，高度的測(cè)量自然會(huì)出現(xiàn)較大誤差，甚至無法測(cè)量。接收通道幅度一致性是評(píng)價(jià)接收機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)，如果各通道的幅度有較大差異，那么這種差異就會(huì)轉(zhuǎn)化為測(cè)量的誤差。這種差異一般來源于器件本身的性能以及生產(chǎn)裝配過程中的質(zhì)量。如果雷達(dá)在使用前沒有進(jìn)行校準(zhǔn)，由于接收通道幅度不一致造成的誤差會(huì)更顯著。

2.1.3 天線車水平度

在大地坐標(biāo)系中，雷達(dá)波束的指向通常由陣面傾角和波束掃描角兩部分來描述，而這兩個(gè)角度都與天線車的水平度有直接的關(guān)系。如果天線車水平度不滿足要求，就會(huì)造成俯仰角測(cè)量精度的誤差，該誤差會(huì)通過計(jì)算公式傳遞到目標(biāo)高度的計(jì)算結(jié)果上，從而影響目標(biāo)高度測(cè)量精度。天線車水平度的偏差通常與調(diào)平腿架設(shè)不當(dāng)、天線車地基運(yùn)動(dòng)等因素有關(guān)。

2.2 外界環(huán)境影響

2.2.1 遮蔽角

遮蔽角對(duì)雷達(dá)測(cè)高的精度有一定的影響。以S 波段雷達(dá)測(cè)量過程為例，在低仰角的狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生一定的反射信號(hào)，盡管反射信號(hào)對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾比P 波段雷達(dá)要小得多，但仍然不可忽略。所以在此情況下一般不對(duì)仰角低于0.3 度的目標(biāo)測(cè)量提出強(qiáng)制性的精度要求。雷達(dá)對(duì)仰角低于0.3°的目標(biāo)沒有測(cè)高精度的要求。若陣地遮蔽角較大，假設(shè)為0.5°，對(duì)仰角0.8°的目標(biāo)與遮蔽角為0°時(shí)仰角0.3°的目標(biāo)測(cè)高精度相當(dāng)。因此考慮遮蔽角的影響是必要的。

2.2.2 電磁干擾

雷達(dá)設(shè)備是一種精度電子系統(tǒng)，對(duì)電磁干擾十分敏感，盡管有著一些抗干擾設(shè)計(jì)，但仍然會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響。電磁干擾的水平用信干噪比來表征，信干噪比高時(shí)可以取得較好的精度，反之則會(huì)造成測(cè)量精度下降。當(dāng)電磁干擾強(qiáng)度大于雷達(dá)本身的噪聲基底時(shí)，目標(biāo)信干噪比就會(huì)急劇下降，測(cè)高精度隨之下降。

2.2.3 地物雜波

雷達(dá)信號(hào)對(duì)地物雜波較敏感，尤其是對(duì)附近空間的地物雜波。一般來說，對(duì)于100km 范圍內(nèi)的強(qiáng)地海雜波區(qū)內(nèi)，地海雜波剩余對(duì)雷達(dá)測(cè)高精度有較大的影響，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生跳變，從而不能取得穩(wěn)定而精確的測(cè)量結(jié)果。

2.3 目標(biāo)空間位置

雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于不同方位、不同距離的目標(biāo)，其測(cè)高精度是不一樣的。一般來說，目標(biāo)仰角過低會(huì)影響測(cè)高精度，當(dāng)目標(biāo)仰角較高時(shí)可以取得較好的測(cè)高精度，然而即使目標(biāo)仰角較高，如果距離較遠(yuǎn)，也難以取得理想的精度。在雷達(dá)威力覆蓋范圍內(nèi)，可以將測(cè)量精度分為七個(gè)區(qū)域，其中Ⅰ類區(qū)為高精度區(qū)，目標(biāo)仰角較大，且距離在覆蓋范圍的附近區(qū)域；Ⅱ類和Ⅲ類區(qū)屬于中精度區(qū)域，其目標(biāo)仰角也較大，但距離比Ⅰ類區(qū)稍遠(yuǎn)；Ⅳ類和Ⅴ類區(qū)也是中精度區(qū)，目標(biāo)距離適中，但仰角偏??；Ⅵ類和Ⅶ類區(qū)域?qū)儆诘途葏^(qū)，一般屬于近距離強(qiáng)地海雜波區(qū)，或者雷達(dá)覆蓋的邊緣區(qū)域，其測(cè)量值置信度較低，通常僅用于參考。

3 雷達(dá)測(cè)高精度改善策略

3.1 提高雷達(dá)設(shè)計(jì)水平

雷達(dá)本身的性能是影響測(cè)高精度的最重要因素，在同樣的條件下，高性能的雷達(dá)精度自然比低性能雷達(dá)要好，因此提高雷達(dá)設(shè)計(jì)水平至關(guān)重要。在雷達(dá)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)綜合分析探測(cè)距離、探測(cè)高度、精度范圍等多方面的影響，并重視對(duì)誤差的修正。首先，雷達(dá)系統(tǒng)本身要對(duì)異常的測(cè)量結(jié)果有一個(gè)較準(zhǔn)確的判斷，對(duì)于精度誤差過大的應(yīng)判為測(cè)量失敗，不要輸出測(cè)量結(jié)果；其次，要細(xì)化高度修正方案，為不同角度、不同距離和高度的測(cè)量區(qū)域提供相應(yīng)的修正參數(shù)供用戶選擇；再次，設(shè)計(jì)雷達(dá)時(shí)應(yīng)考慮自校正模塊，雷達(dá)定期進(jìn)行自檢并對(duì)各通道進(jìn)行自動(dòng)校正，如精度超出預(yù)設(shè)值，應(yīng)及時(shí)提醒用戶；最后，要充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)和人工智能等先進(jìn)算法，使得傳統(tǒng)的點(diǎn)跡過濾及航跡濾波等算法更加智能化。

3.2 優(yōu)化架設(shè)陣地選址

前面已經(jīng)分析了環(huán)境因素對(duì)雷達(dá)測(cè)量精度的影響，這就要求在雷達(dá)選址和架設(shè)過程中要充分考慮陣地及其周邊的條件，例如地理位置、周邊環(huán)境、架設(shè)高度等等。在陣地選址過程中，首先要考慮陣地遮蔽角的影響，要將遮蔽角的影響降到最低，而且要對(duì)周邊電磁環(huán)境進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和測(cè)試，不能將雷達(dá)架設(shè)在電磁環(huán)境過于復(fù)雜的區(qū)域；其次，在陣地建設(shè)和維護(hù)時(shí)，要把附近的高大樹木等遮蔽物清除干凈，同時(shí)不能在測(cè)量空間內(nèi)安裝通信基站或變電站等可能造成干擾的設(shè)施；對(duì)于多雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的部署，應(yīng)使雷達(dá)系統(tǒng)之間保持足夠的距離，避免造成嚴(yán)重的近區(qū)遮蔽；最后，雷達(dá)在安裝調(diào)試過程中，必須由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)，設(shè)置好必要的參數(shù)，保證使用時(shí)的精度。

3.3 提升操作人員技能

雷達(dá)系統(tǒng)作為一種高科技產(chǎn)品，要求操作人員對(duì)其原理有深入的了解，并具備一定的故障分析能力和電路維修能力。在平時(shí)要多加訓(xùn)練并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提升綜合素養(yǎng)。雷達(dá)要進(jìn)行必要的日常維護(hù)，定期開展檢修，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。在使用過程中一定要按照規(guī)范操作，禁止違規(guī)操作。

4 結(jié)語

雷達(dá)作為一種高科技產(chǎn)品，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，雷達(dá)的測(cè)量精度是衡量雷達(dá)性能的最關(guān)鍵指標(biāo)，因此對(duì)雷達(dá)精度影響因素及改善策略的相關(guān)研究，仍將成為未來雷達(dá)設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域的焦點(diǎn)。無論是雷達(dá)的設(shè)計(jì)者還是使用者，都應(yīng)該努力從各方面提高雷達(dá)的測(cè)量精度，提升設(shè)計(jì)和應(yīng)用水平。