天波超視距雷達雙站收發(fā)同步覆蓋模型設(shè)計

余陳鋼，張曉華，吳振雄

(南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)

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·總體工程·

天波超視距雷達雙站收發(fā)同步覆蓋模型設(shè)計

余陳鋼，張曉華，吳振雄

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

摘要：在高頻天波超視距雷達中，采用發(fā)射站和接收站雙站分置，而發(fā)射站和接收站相隔較遠，需要對雷達探測區(qū)域建立收發(fā)站空間同步覆蓋的轉(zhuǎn)換模型，使接收站接收波束覆蓋區(qū)域與發(fā)射站發(fā)射波束覆蓋區(qū)域進行同步覆蓋。在已知選定的發(fā)射波束覆蓋區(qū)域的情況下，文中通過設(shè)計的轉(zhuǎn)換模型計算出接收波束覆蓋區(qū)域及其接收波束參數(shù)，包括波束中心指向、波束寬度、子波束間隔等，從而實現(xiàn)接收波束覆蓋區(qū)域與發(fā)射波束覆蓋區(qū)域在空間地理位置上同步覆蓋，使雷達系統(tǒng)能有效地探測到覆蓋區(qū)域內(nèi)的目標。

關(guān)鍵詞：超視距雷達；雙站分置；同步覆蓋模型

0引言

天波超視距雷達(OTHR)通過電離層折射來探測目標，與常規(guī)雷達相比，天波超視距雷達具有得天獨厚的優(yōu)勢。一方面，天波超視距雷達探測距離遠，覆蓋區(qū)域廣，可探測800 km～3 500 km范圍內(nèi)的空中、艦船和導(dǎo)彈目標；另一方面，作為遠程預(yù)警雷達，它可以發(fā)現(xiàn)某些微波雷達難以發(fā)現(xiàn)的目標[1]。

在高頻天波超視距雷達系統(tǒng)中，采用連續(xù)波發(fā)射波形，將發(fā)射站與接收站分開設(shè)計成雙基地雷達系統(tǒng)，相對于發(fā)射與接收共用一個天線的設(shè)計來說，雖然建設(shè)成本更昂貴一些，但能提高雷達系統(tǒng)的整體性能。采用占空因子100%的連續(xù)波波形比采用占空因子小于10%的脈沖波形能更經(jīng)濟有效地產(chǎn)生超視距雷達系統(tǒng)所需要的高平均功率。雙基地模式能在高發(fā)射功率情況減少發(fā)射站與接收站之間的相互干擾。同時，雙基地也能大大減少雷達系統(tǒng)內(nèi)部噪聲，使系統(tǒng)內(nèi)部噪聲遠小于外部高頻噪聲[2-5]。

雙基地天波超視距雷達發(fā)射天線發(fā)射的連續(xù)波信

號通過電離層折射到達目標，目標反射回來的信號再通過電離層折射到接收天線，這就帶來發(fā)射波束覆蓋區(qū)域與接收波束覆蓋區(qū)域如何同步覆蓋的問題[6]。

本文設(shè)計了收發(fā)雙站空間同步覆蓋的轉(zhuǎn)換模型。在已知發(fā)射波束覆蓋區(qū)域(已知發(fā)射波束指向、發(fā)射波束寬度起始距離和結(jié)束距離)的情況下，通過轉(zhuǎn)換模型計算出接收波束中心指向、波束寬度、波束間隔等參數(shù)，從而實現(xiàn)接收波束覆蓋區(qū)域與發(fā)射波束覆蓋區(qū)域的同步覆蓋，使雷達系統(tǒng)能夠有效地探測到覆蓋區(qū)域內(nèi)的目標。

1轉(zhuǎn)換模型的設(shè)計

一個典型的發(fā)射波束覆蓋區(qū)域如圖1所示，圖中發(fā)射覆蓋區(qū)域的四個頂點分別用A，B，C，D來表示。當操作員選定該工作區(qū)域后，根據(jù)電離層探測診斷系統(tǒng)提供的電離層參量表選擇合適的頻率，可以計算出發(fā)射波位的中心波束指向等參數(shù)。發(fā)射站按照指定的工作參數(shù)發(fā)射波束，通過電離層反射后就能覆蓋到操作員事先選擇的所需探測的區(qū)域位置。

而對接收站來說，在進行數(shù)字波束形成時，形成的數(shù)字波束也要能覆蓋事先選定的探測區(qū)域，以保證接收站能夠接收到發(fā)射探測區(qū)域內(nèi)返回的所有雷達目標回波信號。接收站與發(fā)射站相隔一定的距離，要使接收波束覆蓋區(qū)域能完全覆蓋發(fā)射波束覆蓋區(qū)域，則接收站波位區(qū)域需要更大一些，完全覆蓋發(fā)射波束區(qū)域的接收波束覆蓋區(qū)域用四個頂點A1，B1，C1，D1來表示。

圖1　收發(fā)站覆蓋區(qū)域空間同步覆蓋圖

與常規(guī)微波雷達不同，超視距雷達掃描的波位不僅有掃描角信息，還必須包括發(fā)射波位覆蓋區(qū)域的起始距離和終止距離信息。因為采用不同的工作頻率，所以發(fā)射波束經(jīng)過電離層折射后只能覆蓋某個相應(yīng)的距離段[2]。操作員通過選區(qū)操作，就得到了發(fā)射波位(圖中的ABCD區(qū)域)的參數(shù)，雷達坐標系下相對于正北的起始方位角∠NTC用θTS表示，結(jié)束方位角∠NTD用θTE表示，起始大圓距TA、TB用dTS表示，結(jié)束大圓距TC、TD用dTE表示。接收波束覆蓋區(qū)域(圖中的A1B1C1D1區(qū)域)將發(fā)射波位區(qū)域包含在內(nèi)，肯定能滿足接收波位覆蓋發(fā)射波位的要求。接收波束的相關(guān)參數(shù)需要通過本文同步覆蓋轉(zhuǎn)換模型計算得到，包括接收波位寬度、覆蓋起始距離、覆蓋終止距離以及接收中心波束指向等。

1.1發(fā)射波束寬度及掃描角計算

超視距雷達收發(fā)天線陣皆為線陣，發(fā)射波束越靠近法線方向越窄，離法線方向越遠越寬。發(fā)射波束中心指向不同，所形成的發(fā)射波束寬度也不同。

根據(jù)發(fā)射波束中心指向、工作頻率和雷達天線口徑等參數(shù)，按式(1)可計算出發(fā)射波束覆蓋區(qū)域?qū)挾取?/p>

(1)

假設(shè)總共有N部發(fā)射機，工作頻率為fmin～fmax。當全口徑工作時，N部發(fā)射機全開；當?shù)炔ㄊぷ鲿r，需要控制發(fā)射波束的寬度并使發(fā)射波束達到指定寬度，此時發(fā)射機開機工作單元數(shù)將根據(jù)工作頻率的不同而有所變化。

1.2發(fā)射波束覆蓋區(qū)域頂點坐標轉(zhuǎn)換

當操作員通過控制臺選定了雷達所需探測區(qū)域后，可以將探測區(qū)域劃分為多個掃描波位，并能得到各工作波位發(fā)射波束中心指向、起始大圓距dTS和結(jié)束大圓距dTE等參數(shù)，然后按照式(1)就能計算出發(fā)射波束的寬度，從而得出雷達坐標系下探測區(qū)域相對于正北的起始方位角θTS和結(jié)束方位角θTE。

θTS=θi-Δφi/2

(2)

θTE=θi+Δφi/2

(3)

進而就可以求出該覆蓋區(qū)域四個頂點A，B，C，D的地理坐標，經(jīng)緯度坐標分別為A(LongA,LatA)、B(LongB,LatB)、C(LongC，LatC)、D(LongD、LatD)。

由球面三角余弦定理可得四個頂點的補緯度為

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：LongT，LatT為發(fā)射站站址經(jīng)緯度；μT為發(fā)射站位置地球半徑，且

由正弦定理得四個點的經(jīng)度差為

(8)

(9)

(10)

(11)

可得四個頂點的經(jīng)緯度為

(12)

(13)

(14)

(15)

1.3接收站同步覆蓋區(qū)域計算

計算出發(fā)射波束覆蓋區(qū)域A，B，C，D四個頂點的經(jīng)緯度后，下面來求相對接收站同步覆蓋區(qū)域的參數(shù)，用B、D兩點計算起始方位和結(jié)束方位，用A、C兩點計算起始大圓距和結(jié)束大圓距。計算參數(shù)包括起始方位角∠NRD，用θRS表示，終止方位角∠NRD，用θRE表示，起始大圓距RA1、RB1用dRS表示，結(jié)束大圓距RC1、RD1用dRE表示。

用余弦定理求dRS和dRE為

dRS=cos-1[sin(LatR)sin(LatA)+

cos(LatR)cos(LatA)cos((LongA)-(LongR))]·μR

(16)

dRE=cos-1[sin(LatR)sin(LatC)+

cos(LatR)cos((LatC)cos(LongC)-(LongR))]·μR

(17)

同樣用余弦定理可得到dRB和dRD為

dRB=cos-1[sin(LatR)sin(LatB)+

cos(LatR)cos(LatB)cos((LongB)-(LongR))]

(18)

dRD=cos-1[sin(LatR)sin(LatD)+

cos(LatR)cos(LatD)cos((LongD)-(LongR))]

(19)

則可用余弦定理求得起始分位角θRS、結(jié)束方位角θRE為

(20)

由此可得接收站波束覆蓋區(qū)域相應(yīng)參數(shù)如下所示。

(1) 接收波位寬度

ΔθR=θRE-θRS

(21)

(2) 接收中心波束指向

Acen=(θRS+θRE)/2

(22)

(3) 接收波束掃描角

θ=(θRS+θRE)/2-Rnorm

(23)

式中：Rnorm為接收站法向。

(4) 接收波位覆蓋距離范圍

ΔR=dRE-dRS

(24)

(5) 接收子波束間隔

假設(shè)數(shù)字波束形成產(chǎn)生M個子波束，則各子波束之間間隔為

Δδ=ΔθR/M

(25)

1.4計算實例

以工作頻率為12 MHz，起始距離為2 000 km、結(jié)束距離為2 500 km、寬度為6.4°的發(fā)射波位為例。

利用式(2)～式(15)計算得到發(fā)射波位A，B，C，D的地理坐標經(jīng)緯度分別為

(127.81°，20.44°)；(129.22°，21.91°)；

(132.92°，19.05°);(131.17°，17.26°)

利用式(16)～式(25)計算得到接收波束覆蓋區(qū)域參數(shù)分別為接收波位覆蓋距離范圍為511 km，接收波束寬度為6.9°；若數(shù)字波數(shù)個數(shù)為15個，則子波束間隔為0.46°。

因此，如圖1中覆蓋模型圖所示，利用距離范圍511 km，寬度為6.9°的接收波束可以滿足覆蓋距離范圍為500 km，寬度為6.4°的發(fā)射波束，實現(xiàn)發(fā)射、接收波束的同步覆蓋。

2結(jié)束語

本文描述了在雙站分置的高頻天波超視距雷達中，接收站接收波位覆蓋區(qū)域與發(fā)射站發(fā)射探測波位覆蓋區(qū)域在地理位置上同步覆蓋轉(zhuǎn)換模型的設(shè)計。該模型主要是根據(jù)發(fā)射波位的中心指向、起始終止方位和起始終止大圓距等參數(shù)進行模型轉(zhuǎn)換處理，計算出能與發(fā)射波位在地理位置上同步覆蓋的接收波位覆蓋區(qū)域，并根據(jù)接收波束覆蓋區(qū)域計算出相應(yīng)參數(shù)，包括接收波束寬度、接收波束中心指向、接收子波束間隔以及接收波束覆蓋距離范圍等，從而形成的接收波位能夠完全覆蓋發(fā)射波位所覆蓋的區(qū)域，實現(xiàn)雙站同步覆蓋。

參 考 文 獻

[1]周文瑜，焦培南. 超視距雷達技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2008.

ZHOU Wenyu, JIAO Peinan. Over-the-horizon radar technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008.

[2]周萬幸. 天波超視距雷達發(fā)展綜述[J]. 電子學(xué)報, 2011, 39(6): 1373-1378.

ZHOU Wanxing. An overview on development of skywave over-the-horizon radar[J]. Acta Electronica Sinica, 2011, 39(6): 1373-1378.

[3]HEADRICK J M, THMOSON J F. Applications of high-frequency radar[J]. Radio Science, 1998, 33(4): 1045-1054.

[4]盧琨. 分布式天波超視距雷達體制研究[J]. 現(xiàn)代雷達, 2011, 33(6): 16-19.

LU kun. A study on distributed skywave over-the-horizon radar[J]. Modern Radar, 2011, 33(6): 16-19.

[5]SKALNIK M I. 雷達手冊[M]. 3版. 北京： 電子工業(yè)出版社, 2010.

SKOLNIK M I. Radar handbook[M]. 3rd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2010.

[6]DANDEKAR B S, BUCHAU J, WHALEN J A, et al. Physics of the ionosphere for OTH operation[R]. 1183(PL-TR-95-2149). [S.l.]: Philips Laboratory, 1995.

余陳鋼男，1975年生，碩士，高級工程師。研究方向為雷達數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)軟件開發(fā)。

張曉華男，1972年生，博士，高級工程師。研究方向為雷達裝備科研與生產(chǎn)。

吳振雄男，1978年生，碩士，高級工程師。研究方向為雷達顯示與雷達控制。

Design of the Synchro-overcast Model between the Transmitting and Receiving Beam in the Sky-wave OTHR

YU Chengang，ZHANG Xiaohua，WU Zhenxiong

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：In the OTHR system which has two detached stations, the distance between transmitting station and receiving station is long. The synchro-overcast of the transmitting and receiving beam is a problem. In the case of a known trasmitting beam coverage area, the synchro-overcast translating model is designed to get the parameters of the area overcastted by the receiving beam such as the centre direction,the beam width,and the interval of the sub-beam, et al. So the synchro-overcast between the transmitting and receiving beam is accomplished, and the target of the coverage area can be effectively detected by the sky-wave OTHR system.

Key words：over the horizon radar; two detached stations; synchro-overcast model

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.003

通信作者：余陳剛Email：nj_deliyu@163.com

收稿日期：2015-11-28

修訂日期：2016-02-27

中圖分類號：TN958.93

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)05-0009-03