機載雙基地雷達雜波調諧試飛技術研究

陳安 于天超 陳翱

摘 要：文章基于機載雙基地雷達空間位置關系，分析了對應的雷達回波信號和多普勒譜的展寬度特性，并提出了在飛行試驗中如何利用航線和速度的調整進而控制地面散射雜波因天線波束寬度而引起的多普勒頻譜的展寬，實現對地面慢速目標進行有效檢測。

關鍵詞：機載雙基地雷達；雜波調諧技術；慢速目標檢測

引言

雙基地雷達即“使用處于不同位置的天線進行發射和接收的雷達”（1982年IEEE標準）。雙基地雷達是單基地雷達的擴展，單基地雷達是雙基地雷達的一種特例。通常，發/收共用天線或發/收天線相距不遠的雷達稱為單基地雷達，而雙基地雷達的發射和接收天線是遠距離分置的，因此在許多方面與單基地雷達相比較有其自身特殊性。

機載雙基雷達一般采用遠發近收的工作模式，即將發射機部署在遠離戰場的后方區域，而將接收器安裝在無人機（Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV）上并部署于前線空域或敵方領空中。因此，機載雙基地雷達不僅擁有機載單基雷達的優勢，如：寬廣的監視范圍，良好的機動性和規避地物遮擋的能力，還有利于提高雷達自身的生存能力及在目標檢測方面具有其獨特的優勢。

文章主要分析了機載雙基地雷達地雜波分布、信號回波的多普勒頻率和利用雜波調諧技術進行地面散射雜波消除的試飛方法。

1 機載雙基地雷達的幾何關系和多普勒參數分析

在空載雙基地雷達中，發射站、接收站位于空中，地雜波的強度遠遠大于地面雙基地雷達的強度。此外，收發站均處于運動狀態，地雜波的多普勒頻率變得很復雜。收發主波束覆蓋的距離單元上的多普勒頻率將展寬、地面或低空目標淹沒在雜波中。

典型的機載雙基地雷達場景的幾何配置關系如圖1所示，它給出了收、發天線相位中心與雜波散射體之間的幾何關系。為了推導空載雙基地雷達的多普勒頻率，我們選取圖1的坐標系。XY平面為地平面，接收站位于坐標原點，基線位于X軸上。Y軸為指北坐標系的北方向，目標T至接收站和發射站的距離與指北坐標系的夾角分別為Rr、Rt、？茲r、？茲t，Rr、Rt在XY平面投影長及與YX平面的夾角分別為R'r、R't、？準r、？準t。我們可以認為接收站、發射站和目標的運動方向平行于YX 平面，運動速度大小以及與Y軸的夾角分別為vr、vt、vT、？啄r、？啄t、？啄T。接收站、發射站的飛行高度為hr、ht。雙基地雷達中，只有在等距離和橢圓上的目標才能位于同一距離單元。

圖1 機載雙基地雷達空間幾何示意圖

假定雷達回波的總路徑長為S，則雷達檢測的多普勒頻移將是路徑的時間變化率與發射波長之比。

（1）

如假設接收站、發射站和目標到坐標原點的矢量為rr、rt、rT，目標至接收站、目標至發射站的單位矢量為UrT、UtT，則多普勒頻率fd為接收路徑和發射路徑變化率之和，將發射站、接收站與目標連線矢量在視線方向上進行分解可以得到其矢量表達式如（2）所示：

（2）

根據式（2），將對應速度標量在LOS方向上進行分解后，可得出機載雙基地雷達對地面移動目標的多普勒頻率的標量表達式：

（3）

由圖1可知，收發站的高度一般hr、ht為幾公里，與目標到收發站的距離相比很小。在進行低掠射角地雜波仿真時，hr/Rr、ht/Rt較小。此時cos？準r≈1、cos？準t≈1，所以收發站高度對空-地雙基地雷達的多普勒頻率的影響在實際情況中可以忽略不計。當目標為地雜波且不考慮地面的樹木、水面等的微小移動時，地面的運動速度vT≈0，則式（3）簡化為：

（4）

2 機載雙基地雷達雜波調諧技術分析

在單基地機載雷達由于載機平臺運動對雷達天線口徑的影響可以分解成兩個分量：一個是口徑的法向（即徑向），另一個是與法線正交（即切向）。前者產生的雜波多普勒頻率中心的移動，后者則會造成雜波譜的展寬，其本質是由于雷達波束照射區域范圍內，載機切向速度在非法線方向存在一定的速度分解分量。其中對于單基地機載雷達切向運動產生的頻移為：

（5）

參考圖1的幾何關系，可推導出雙基機載雷達雜波展寬特性如下：

（6）

因此雙基機載雷達可以通過控制發射站和接收站平臺的速度和航向來控制地面散射雜波由于天線波束寬度而引起的多普勒頻譜的展寬。這一作用稱為“雜波調頻”。當預警機雷達系統要兼作SAR觀察地面目標時，可以利用“雜波調諧”的技術調整發射站和接收站的航線和速度，使之對于地面觀察區的雜波多普勒頻展最小，此時該地區上慢速運動的目標信號可不被地雜波頻譜所掩蔽，因而可以進行有效檢測。

3 計算機仿真

采用計算機仿真的方法驗證機載雙基地雷達雜波雜波調諧技術的可實現性，假設發射載機的速度為200米/秒，發射站和目標之間距離為10公里，接收站距離目標為5公里，圖2分別模擬了發射站航向與真北交角分別為0°、30°、60°、90°的情況下不同的接收站的速度、航向組合條件下多普勒頻率量的等高線圖。從圖中可以看出通過調節接收站的速度和航線可以控制地面散射雜波由于天線波束寬度而引起的多普勒頻譜的展寬，從而實現對地面慢速目標的檢測。

4 結束語

當機載雙基地雷達可以利用上述“雜波調諧”技術，在試飛過程中通過調整發射和接收載機的飛行航線和速度，使之對于地面觀察區的雜波多普勒譜的展寬最小，此時該雷達照射范圍內的慢速運動的目標可不被地雜波頻譜掩蔽因而可以進行有效檢測，該特征在文章中也通過計算機仿真進行了有效的驗證。

參考文獻

[1]陸軍，酈能敬，曹晨，等.預警機系統導輪（第二版）[M].國防工業出版社.

[2]馮坤菊.臨近空間雙基地雷達系統研究[D].西安：空軍工程大學，2009：37-59.

[3]王炎，吳曼青，等.空載雙基地雷達地雜波模擬[J].系統工程與電子技術，2000（22）：3.

作者簡介：陳安（1979-），男，工程師，現從事機載雷達及電子戰試飛研究。

于天超（1984-），男，工程師，現從事機載雷達及電子戰試飛研究。

陳翱（1971-），男，高級工程師，現從事機載雷達及電子戰試飛研究。