X波段靶場測量LFMCW雷達系統設計*

李　成　盧建斌　席澤敏

(1.海軍試驗基地總體所　葫蘆島　125105)(2.海軍工程大學電子工程學院　武漢　430033)

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X波段靶場測量LFMCW雷達系統設計*

李成1盧建斌2席澤敏2

(1.海軍試驗基地總體所葫蘆島125105)(2.海軍工程大學電子工程學院武漢430033)

摘要針對復雜環境下靶場測量LFMCW雷達的設計要求,分析了X波段雷達波的傳播特性,結合靶場測量范圍和測量精度的要求,提出了基于合作目標的靶場測量LFMCW二次雷達的系統設計方法,給出了雷達系統的主要設計參數,對比評估了一次雷達和二次雷達兩種體制下LFMCW雷達的探測能力。

關鍵詞雷達系統; LFMCW; 靶場測量; 距離方程; 傳播損耗

System Design of X-band LFMCW Radar for Range Measurement

LI Cheng1LU Jianbin2XI Zemin2

(1. The Experiment Basement, General Research Institute, Huludao125105) (2. Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractAccording to the design demand of LFMCW radar for range measurement in complex environment, propagation characteristic of X-band electromagnetic wave is analyzed. And the system design method of LFMCW radar for range measurement is presented for the measurement range and the precision. Based on the radar parameters designed, secondary LFMCW radar is evaluated and compared with the primary radar. The analysis results show that the secondary LFMCW radar can satisfy the application demand.

Key Wordsradar system, LFMCW, range measurement, range equation, propagation attenuation

Class NumberTN95

1引言

在目前靶場測量雷達中,連續波測量雷達占有重要的位置,其通過發射連續的射頻振蕩信號,利用目標回波所產生的多普勒頻移,探測與雷達有相對運動的目標,并測定目標徑向速度。隨著多頻、調頻測距技術和相位陣列天線技術的應用,連續波測量雷達也可以完成目標距離、角度等參數的測量[1～2]。

最簡單的單頻連續波雷達目前主要用于靶場多普勒測速,它是靶場武器實驗中的一個主要測試手段,它用來測量彈丸在各個時間點上的速度,并據此算出彈丸飛行彈道,國際上比較有代表性的測量雷達是丹麥Weibel公司生產的Weibel測速雷達,采用的是基于FFT技術的頻域測速體制。然而這種靶場測速雷達基本上只具有測速功能,而沒有測距功能。而調頻或者多頻連續波雷達在單頻連續波的基礎上,擴展了測量功能,能夠利用發射信號的特點測量目標的距離,實時測量試驗中目標脫靶量、彈靶遭遇軌跡、彈靶動態相對位移等參數,如Weibel公司在2000年前后推出的RR-60034多頻連續波測量雷達。同時由于其還具有輻射功率小、測距測速精度高、分辨率高、大時寬帶寬和低截獲等優點,在精確測量領域具有廣泛的應用[3～4]。

2雷達系統設計要求

對于靶場測量雷達而言,除了具備一般雷達系統所要求的探測性能外,通常重點考慮以下三個方面的性能要求。

1) 測量精度

靶場測量雷達主要功能是精確測量彈和靶的空間位置和運動速度,因此測量的高精度是該雷達始終追求的目標。對于常規脈沖雷達而言,脈沖寬度越窄,測距精度越高,最小作用距離也越小,但對于信號處理的時間采樣速率也要求越高。而對于X波段調頻連續波而言,易于獲得大帶寬信號,提高系統的分辨率和測距精度,達到米級或亞米級的測距精度,同時接收機視頻部分的信號帶寬又遠小于信號帶寬,因此易于工程實現。

2) 作用距離

考慮到靶場測量應用的實際需求,測量雷達對目標的探測距離通常不會很近,一般要求作用距離都在30km以上,同時由于是在試驗區范圍內測量,因此探測距離也不需要像警戒雷達那樣要求在300km或500km以上。結合工程應用實際,所設計的靶場測量雷達要求對各種導彈類目標的探測距離不小于60km。

3) 復雜環境適應性

由于在試驗過程中可能會考慮到復雜電磁或氣象環境下的靶彈測量,因此要求測量系統具有良好的抗干擾能力,能夠有效抑制各種人為有源干擾、無源氣象干擾,同時能夠在各種氣象環境下穩定工作,有效探測和跟蹤目標。

3雷達波傳播損耗

通常情況下雷達波的傳播衰減與工作頻率緊密相關,在頻率的低端,如高頻HF、超高頻UHF、甚高頻VHF,雷達波的大氣衰減很小,幾乎可以忽略不計。但是在微波波段,雷達波在大氣中的傳播衰減明顯增大。下面分別針對晴朗天氣、降雨、云霧、降雪四類氣象環境來分析雷達波傳播過程中的損耗。

3.1晴朗天氣

在晴朗的天氣條件下,如果雷達工作在較低的工作頻段上,那么大氣對電磁波衰減可以近似忽略不計,但是隨著雷達頻率的升高,大氣衰減越來越明顯。假設雷達波束的仰角為θ0,對于傳播距離為R的路徑,其大氣衰減可通過沿雷達波射線跟蹤路徑與高度相關的衰減系數的積分求得,Blake給出的近似計算公式如式(1)[5]

La=

(1)

其中,ka0為海平面衰減系數,ha=6.95km為標準指數折射率模型的標度大氣高度,h0為海平面以上的雷達高度,所有距離單位均為km,La的單位為dB/km。式中使用了地球的有效半徑常數k和地球半徑a=6378km。

對于不同目標仰角和雷達工作頻率的衰減曲線如圖1所示。圖中曲線的起始斜率代表的是海平面衰減系數,當距離較遠時曲線變得平坦,這是由于波束離開高大氣密度區域的結果。對比圖1中各曲線可以看出,隨著雷達工作頻段的升高,大氣的衰減明顯增大;隨著雷達波束仰角的增大,大氣的衰減逐漸減小,這也說明仰角的增大,在相同的傳播距離上電磁波更容易離開海面高密度大氣區域。從圖中可以估算出針對X波段雷達波在晴朗天氣下傳播60km衰減約為1dB～2dB。

圖1　X波段雷達波晴朗天氣下的大氣衰減

3.2降雨天氣

降雨對雷達波的衰減與降雨量、雷達波頻率、極化形式、環境溫度、降雨區域分布等參數有關。目前常采用的是國際電信聯盟推薦的CCIR模型,該模型是基于大量統計數據的經驗模型[6],表達式為

Lr=arb(dB/km)

(2)

式中a和b為與雷達工作頻率、極化方式有關的系數,r為降雨量,單位是mm/h。針對不同雷達極化方式,參數a、b的取值如表1所示。

表1　降雨天氣下衰減系數a、b的取值

根據式(2)所得雷達在1GHz～10GHz工作頻段上,針對不同降雨量天氣條件的單程傳播衰減如圖2所示。

圖2　不同頻率、極化、降雨量條件下的電磁波單程衰減

從圖中可以看出,隨著雷達工作頻率的升高,電磁波傳播衰減逐漸增大;同時隨著降雨量的增加,傳播衰減也是呈現逐漸增大的變化規律。對于X波段水平極化電磁波,在10mm/h的降雨量條件下雷達波傳播的單程衰減約為0.2dB/km,那么傳播60km后大氣的衰減為12dB。

3.3云霧天氣

當空氣中水粒子直徑小于0.005cm時通常表現為云或霧等氣象條件,此時雷達波傳播過程中的衰減可表示為

(3)

其中m為云霧中的含水量,單位為g/m3,λcm為單位為cm的雷達波長。通常情況下,m的取值在0.05～1或2.5之間,經過測量數據的統計很少有超過0.6g/m3。

在雷達工作的微波波段,不同云霧含水量條件下電磁波的單程傳播衰減曲線如圖3所示。

從圖中可以明顯地看出隨著雷達工作頻率的升高,相同云霧天氣下電磁波傳播衰減逐漸增大;同時隨著云霧含水量的增加或能見度的下降,傳播衰減也是呈現逐漸增大的變化規律。例如針對X波段極化電磁波,在云霧含水量4.2g/m3(等效能見度20m)條件下雷達波傳播的雙程衰減約為0.2dB/km,那么傳播60km后大氣的衰減為12dB。

圖3　云霧條件下不同頻率電磁波單程衰減

3.4降雪天氣

已有研究表明,通常情況下降雪、冰雹等氣象條件電磁波傳播衰減比同樣降水量的雨水的衰減要小。其傳播衰減的計算公式為

(4)

其中r為降雪量,單位是mm/h,fGHz表示單位為GHz的雷達頻率。圖4給出的是微波波段雷達在不同降雪量條件下電磁波的單程傳播衰減曲線。

圖4　不同頻率及降雪條件下的電磁波單程衰減

從圖4中可以看出隨著雷達工作頻率的升高,相同降雪量的情況下電磁波傳播衰減逐漸增大;同時隨著降雪量的增大,傳播衰減也是呈現逐漸增大的變化規律。針對X波段電磁波而言,在10mm/h降雪量條件下電磁波傳播的單程衰減約為0.05dB/km,那么傳播60km后大氣的衰減為3dB。

綜合上述分析,對于復雜氣象條件(如雨天10mm/h或霧天4g/m3),選擇X波段傳播60km的單程氣象衰減大約在12dB左右。

4LFMCW雷達系統設計

4.1基于一次雷達體制的系統設計

根據基本雷達方程以及連續波雷達特點,LFMCW一次雷達距離方程可表示為[7～8]

(5)

其中:Rmax為雷達的最大作用距離;D0為連續波雷達天線物理隔離度;DTR為端口對消器的對消比;Prmax為接收天線端口電平[9～10];TB為發射信號時寬帶寬積;Gr和Gt分別為接收和發射天線增益;λ為電磁波波長;σ為目標散射截面積;k為玻耳茲曼常數;T0為接收機噪聲溫度;Bn為雷達接收機匹配帶寬;Fn為接收機噪聲系數;(S/N)min為雷達最小可檢測信噪比;L為損耗,包括系統內部損耗和傳播損耗。

對于系統的工作頻段,因為頻段過高時,如K波段或毫米波波段,由于大氣衰減較大通常只用在近程目標探測;當選擇頻段過低時,如C、S和L波段,此時設備的體積、重量較大,綜合考慮選擇雷達的工作頻段在X波段。對于發射和接收天線,假設X波段天線孔徑為1m2時,天線增益約為41dB。對于發射信號的帶寬,由于要對彈靶進行精確測距,因此系統的距離分辨率要求較高,當設定系統的距離分辨率為3m時,發射信號的帶寬最少為50MHz。對于發射信號的時長,由于設定的最大作用距離為60km,因此對于不模糊測距而言,發射信號的最小重復周期為0.4ms。對于連續波雷達而言,發射信號時長通常要遠遠大于最大作用距離,這里取10倍關系,即發射信號的調頻時長為4ms。

表2　LFMCW一次雷達參數設置

對于雷達散射截面為1m2的目標,當雷達參數選取如表2所示時,計算得出雷達的作用距離為6.8km。

顯然上述作用距離難以滿足設計要求。如果要加大雷達的探測距離,在雷達工作頻率、發射/接收天線、發射信號波形均固定的條件下,只能加大發射機的輸出功率,然而考慮到連續波雷達收發隔離的限制,發射機功率不可能太大。因此對于一次連續波雷達而言,其作用距離很難滿足系統設計要求。

4.2基于二次雷達體制的系統設計

LFMCW二次雷達距離方程為

(6)

此時地面雷達與目標采用合作方式工作,首先雷達發射LFMCW信號至目標,目標上的接收機接收到信號之后,立即回饋一個信號至地面雷達接收。對于上述二次雷達方程,考慮到系統的適裝性,發射接收天線設計為0.01m2,物理隔離度D0為20dB,端口對消比DTR為10dB,發射信號的調頻時長為0.4ms,同時氣象衰減變為單程傳播衰減,具體參數參見表3,由此計算得出雷達的作用距離為67km,此時是可以滿足系統設計指標要求的。

表3　LFMCW二次雷達參數設置

進一步,對于一次雷達而言,當測距精度指標要求在米級時,目標本身的尺寸就可能超出了測距精度要求,在回波中可以會存在目標強散射點的不穩定引入的測距誤差。對于二次雷達而言,由于目標返回信號總是從發射天線處返回,因此對于雷達系統而言,目標就可認為是一個理想的點目標,不存在散射點不穩定的情況。

5結語

針對目前靶場試驗存在的精確測量難題及未來新型戰術導彈試驗需求,探索靶場測量雷達的系統設計方法,本文提出了X波段LFMCW二次測量雷達的新思路,對其系統指標和關鍵技術參數進行了論證分析,并與一次雷達進行了對比,闡述了二次測量雷達在雷達探測范圍、測距精度等方面存在的優勢。

隨著數字信號處理,特別是DSP器件的發展發展,LFMCW雷達作為一種新的測量雷達體制必會具備更為廣闊的應用前景。下一步需針對LFMCW信號的精確測距、多目標跟蹤以及系統小型化、高集成度設計方面作進一步的深入研究。

參 考 文 獻

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中圖分類號TN95

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.018

作者簡介:李成,男,碩士,高級工程師,研究方向:雷達效能評估、試驗通信與測量。盧建斌,男,博士,講師,研究方向:雷達系統設計、雷達信號處理。席澤敏,男,博士,副教授,研究方向:雷達系統設計、雷達信號處理。

*收稿日期:2015年7月2日,修回日期:2015年9月2日