海雜波測量雷達總體設計技術研究

董金良,韓長喜,李 旭

(南京電子技術研究所,南京 210013)

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海雜波測量雷達總體設計技術研究

董金良,韓長喜,李 旭

(南京電子技術研究所,南京 210013)

以某海島固定式海雜波測量雷達項目為背景,針對海雜波測量雷達總體設計技術進行了研究。從需求上分析了海雜波測量雷達總體設計特點,對該雷達的整機工作原理、工作方式和關鍵技術進行了描述,給出了海雜波測量雷達主要指標的分析與計算結果。

海雜波測量;數據采集;雜波錄取;雜噪比

0 引 言

海雜波測量雷達主要用于海雜波數據采集工作,在數據采集的基礎上對海雜波進行時域和頻域特性分析,根據雜波特性分析結果可以對雜波抑制措施進行優化,使對海雷達在雜波背景下的目標探測能力得到進一步提升。國內外許多文獻都是對海雜波的特性進行分析和研究,尚無文獻討論海雜波測量專用雷達的設計方法。本文以某海島固定式海雜波測量雷達項目為背景,對其總體設計技術進行了研究。

1 需求分析

固定式海雜波測量雷達一般架設在海島上,需要具有防雷擊、抗風和“三防”措施,以適應海島工作環境。雷達架設在山頂,運輸、架設和安裝困難,需要進行組合式結構設計。雷達采用遠程集中控制,只能采用光纖進行數據傳輸和指令控制,需要進行統一的接口設計。雷達具有遠程遙控開關機,以及過熱、過壓、過流等故障下的自動保護和狀態異常報警等功能,需要具有完善的機內自檢設計。雷達具有多種工作方式,且要求定時控制靈活,定時器需要具備根據參數實時產生定時的能力。雷達交付后需配合系統聯試并完成系統集成,軟件需具備二次開發能力。

2 雷達工作原理

固定式海雜波測量雷達一般由雷達站和指控中心構成。雷達站由天饋伺總成、天線罩及配套設施構成,其中天饋伺總成由天線陣面和天線座總成組成,配套設施包括視頻監控、照明消防、環控設備、防雷接地等組合而成。

圖1給出了海雜波測量雷達工作的基本原理框圖。雷達采用全數字相控陣體制,方位上機掃加相掃,仰角上角度可機械調整。

圖1 海雜波測量雷達工作原理框圖

當雷達處于發射階段時,接收機產生系統所需的線性調頻信號,同時完成所有通道的相位控制功能,以形成指定的波束形狀,激勵信號送至模擬T/R組件,經發射激勵放大和極化開關選擇后從組件輸出,饋給列饋天線單元并將信號輻射至空中。當雷達處于接收階段時,目標信號經列饋天線進入模擬T/R組件,經低噪聲高放放大、限幅等處理后輸出至接收機數字接收模塊,經下變頻、中頻采樣和數字正交鑒相輸出數字信號,送至陣列處理板打包。打包后的數據一路送至記錄與控制終端,進行數據采集和短期存儲,并同時完成雷達回波數據和工作狀態的實時顯示;另一路通過數據采集終端,將數據實時存儲至磁盤陣列中。

3 工作方式設計

為實現多種雷達參數和海洋環境條件下海面后向散射回波的測量,以及便于雷達狀態檢測和維護,雷達設計了多種工作方式。

3.1 常規雜波錄取方式

常規雜波錄取方式下,雷達能夠實現方位/俯仰位置可變條件下的波束固定,以及俯仰位置固定下的方位連續掃描。該工作方式包含全陣工作、半陣工作、4通道合成工作3種子模式。

操作員可根據雜波錄取任務規劃進行任務加載,對每條任務的工作方式、工作參數、工作時長等參數進行設定。系統將按照任務規劃表對每條任務順序執行并形成相應記錄文件。操作員也可在顯控中心針對當前海情等條件實時更改雷達參數,進行雜波錄取工作。

操作員可對感興趣的原始數據靈活選擇其中一路信號進行脈壓前或脈壓后實時顯示,以監測系統是否工作正常。所有原始數據與數字波束合成(DBF)后的和通道數據將根據不同的工作參數生成相應文件,便于事后數據分析。

3.2 仿機載平臺運動雜波錄取方式

當處于仿機載平臺運動雜波錄取方式時,雷達采用逆相位中心偏置天線(IDPCA)[1]技術,通過定時器的分布控制實現載機運動的模擬,即通過發射天線孔徑的移動實現天線等效相位中心的移動,從而模擬一定速度的載機運動。該工作狀態下,采用脈沖間順序改變發射的天線陣列(或稱通道),直至所有陣列結束,并重復該過程。

雷達待機狀態下,操作員通過顯控臺選擇雷達進入仿機載平臺運動雜波錄取方式,然后將雷達轉入工作狀態。操作員設定需要模擬的載機速度、發射孔徑使用陣列數和移動陣列數等參數。雷達定時器產生相應的定時波形,對所有發射組件進行單獨控制,對發射孔徑所用陣列實時切換,以實現地面雷達仿機載平臺運動。

3.3 自檢方式

作為雷達的一個基本組成部分,雷達機內自檢與雷達各分系統同步研制。雷達的機內自檢具有3種工作方式:加電自檢測(PUBIT)、周期自檢測(PBIT)和操作員啟動自檢測(MBIT)。

(1) 加電自檢 當雷達開機時進行加電自檢,通過處理器診斷檢查雷達數據相關處理器工作是否正常,并進行總體檢查、存儲器讀/寫檢查和輸入/輸出循環檢查。

(2) 周期自檢 雷達正常工作后,在不中斷雷達工作情況下對雷達的一些重要工作參數進行周期性監測。

(3) 操作員啟動自檢測 根據操作員的請求,對雷達各最小可更換單元進行自檢,并將自檢結果在終端上顯示。

3.4 監測方式

在雷達處于陣面監測狀態下,當監測發射通道時,被測路正常工作,其他路組件關閉,激勵信號由定向耦合器耦合經功分器送至監校通道,經后續處理并存儲。對多路的接收結果進行幅相比對,完成發射通道的監測。同樣在雷達處于陣面監測狀態下,當監測接收通道時,監校通道產生激勵測試信號經功分器分配至所有T/R組件,各組件輸 出經接收機數字接收通道后送至DBF,可直接對多路結果進行幅相比對,完成接收通道的監測。

4 關鍵技術分析

4.1 可靠性和環境適應性設計技術

雷達架設在海島上,所處環境具有高溫、高濕、高鹽霧的特點,同時設備應具備連續24 h工作的能力,因此對雷達設備的環境適應性和可靠性要求很高?？刹扇∫韵麓胧┮幈茱L險:

(1) 采取長效環控措施,加裝除濕除鹽霧及空調設備,改善室內工作環境。環控設施應能實時監測室內環境參數,并能根據環境參數設置自動運行或停止。對于雷達陣地長期閑置的特殊情況,應根據季節氣候特點定期運行環控設施,確保室內環境始終處于較好的條件,并定期檢查、維護環控設施，定期更換過濾網等。

(2) 高頻箱采取內部熱傳導、箱壁設置冷板、外部通風方式,將內部設備熱量轉移到外界空氣中。采用仿真分析和試驗相結合的手段驗證熱設計的效果。

(3) 采用耐腐蝕性能較好的金屬材料、結構設計方法及工藝手段,提高設備自身的環境適應能力。

(4) 對于T/R組件、電源、風機組等關鍵設備,采取適當冗余設計提高系統可靠性。

(5) 定期對雷達設備、配套設施進行檢查維護。

4.2 有源相控陣脈組極化切換技術

為了實現在不同極化方式下海雜波的測量,天線陣面需要在有限的結構尺寸下實現雙極化快速切換的功能,分別對應水平和垂直極化方式。

天線陣面雙極化的實現有以下幾項技術難點:

(1) 雙極化天線單元的設計

在有限的結構尺寸下,設計雙極化工作的天線單元,需要兩種極化之間具有高隔離度,需要雙極化單元具備結構上的可包封性能等。

(2) 雙極化饋電網絡的設計

為了實現雙極化的工作,需要兩套獨立的饋電網絡,可以實現天線陣面在能量上的分配。

可采取以下措施:

(1) 天線單元采用十字交叉半波振子。該十字交叉半波振子有兩個射頻端口,分別對應水平、垂直極化方式。十字交叉振子單獨密封,它們的背后安裝完整的反射平板。

(2) 每根天線上有N個雙極化單元,每根天線對應兩個射頻輸入口,內部形成兩個1/N功分網絡背靠背裝配。每個功分網絡對應一種極化形式的天線單元,與十字交叉振子之間過渡連接。

5 主要指標的分析和計算

5.1 海雜波反射截面積計算[2]

海雜波可定義為雷達照射波與海面交互作用后的散射回波。海雜波回波的幅度通常用散射系數來表示(計為σ°),即單位面積的散射截面積。海雜波散射系數與照射面積的乘積為目標散射截面積(Radar Cross-Section,RCS),RCS=σ°A即(其中A為照射面積)。對于工作于脈沖體制下的雷達來講,在小擦地角下,有

其中,R為雷達距海面的斜距,c為光速,τ′為有效脈沖寬度,θ為擦地角,?為天線方位波束寬度。

圖2和圖3分別給出了L波段雷達水平極化和垂直極化條件下不同海情的海雜波平均后向散射系數。圖4和圖5分別給出了水平極化和垂直極化條件下全陣面工作時不同海情下的目標散射截面積。

由圖中可以看出,水平極化條件下的后向散射系數和目標散射截面積明顯小于垂直極化。

圖2 水平極化條件下的后向散射系數(L波段)

圖3 垂直極化條件下的后向散射系數(L波段)

圖4 不同海情下的目標散射截面積(水平極化)

圖5 不同海情下的目標散射截面積(垂直極化)

5.2 雜噪比計算

雷達方程為[3]

在探測距離為20 km、3級海情、水平極化、雷達全陣收發條件下,雜噪比計算結果見表1,滿足大于15 dB的設計要求。

表1 雜噪比計算

圖6和圖7分別給出了水平極化和垂直極化條件下不同距離、不同海情下的雜噪比計算結果。由圖中可以看出,在20 km處,3級及以上海情下海雜波雜噪比均大于15 dB。

圖6 不同海情下的雜噪比(水平極化)

圖7 不同海情下的雜噪比(垂直極化)

6 結束語

本文主要研究了海島固定式海雜波測量雷達總體設計技術。針對海雜波測量雷達的關鍵技術進行了分析,并給出了相應解決措施。最后對不同海情下海雜波反射截面積和雜噪比進行了分析與計算。本文給出的海雜波測量雷達總體設計技術可為相關研究和應用領域提供參考。

[1] H Wang,L Cai. On adaptive Spatial-Temporal Processing for Airborne Surveillance Radar Systems[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1994,30(3):850-853.

[2] 丁鷺飛,耿富錄,陳建春. 雷達原理[M]. 北京:電子工業出版社, 2009.3:20-21.

[3] 張光義, 趙玉潔. 相控陣雷達技術[M]. 北京:電子工業出版社, 2006.12:60-66.

Research on overall design technology of sea clutter measurement radar

DONG Jin-liang, HAN Chang-xi, LI Xu

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210013)

Based on the project of the fixed sea clutter measurement radar on an island, the overall design technology of the sea clutter measurement radar is studied. The overall design characteristics of the sea clutter measurement radar are analyzed from the demands, and the working principle, the working modes and the key technologies of the overall radar are described. Finally, the main specifications of the sea clutter measurement radar are analyzed and calculated with the results given.

sea clutter measurement; data collection; clutter extraction; clutter-to-noise ratio

2016-09-10

董金良(1984- ), 男,碩士,工程師,研究方向:地面情報雷達總體設計、信息融合;韓長喜(1983-),男,碩士,工程師,研究方向:軍事電子裝備科技情報研究;李旭(1984- ), 男 ,碩士,工程師,研究方向:地面火控雷達總體設計。

TN959.6

A

1009-0401(2016)04-0001-04