主動雷達導引頭工作頻段選擇

中國電子科技集團公司第三十八研究所 李 強

主動雷達導引頭工作頻段選擇

中國電子科技集團公司第三十八研究所 李 強

介紹了主動雷達導引頭總體設計中，工作頻率的選擇對導引頭戰術技術指標性能的影響。針對作用距離和探測精度兩種關鍵技術指標與工作頻段選擇之間的關系進行了詳細分析，給出了主動雷達導引頭工作頻段選擇的建議。

雷達導引頭；工作頻段；作用距離；探測精度

1.引言

雷達導引頭是一種安裝在導彈戰斗部前端的無線電探測裝置，根據工作體制一般可分為主動、半主動、被動和復合等幾種。其中主動雷達導引頭的任務是在雜波和干擾背景中檢測目標信號，并從中提取出位置參數和運動參數等信息[1]。主動雷達導引頭具有跟蹤目標距離遠，跟蹤角速度大，導引精度高，抗干擾能力強等特點。主動雷達導引頭的工作頻段、工作波形和工作體制設計，決定了導引頭的主要戰術技術性能[2]。在諸多技術指標當中，作用距離和探測精度指標可以作為評估主動雷達導引頭設計優劣的兩個基本條件[3]。由于受到戰斗部安裝空間的限制，主動雷達導引頭較低的功率孔徑積制約了作用距離等性能指標。本文就工作頻段的選擇對作用距離和探測精度的影響進行分析并給出了初步研究結果。

2.工作頻段

由于彈載平臺的內部空間及載重量有限，其對主動雷達系統的首要要求是體積小、重量輕，因此雷達導引頭工作頻率一般都選擇比較高的頻段。常用的主動雷達導引頭工作頻段有C頻段（4GHz-8GHz）、X頻段（8GHz-12GHz）、Ku頻段（12GHz-18GHz）、Ka頻段（27GHz-40GHz）、W頻段等（75GHz-110GHz）。選擇較低的工作頻段時，作用距離一般較遠，因為在低頻段易于獲得更高的功率孔徑積。另一方面，選擇高的工作頻段，可以完成對距離和位置等的精確測量，因為更高的頻率可以提供更寬的帶寬（提高距離精度和分辨率），以及在給定物理尺寸時更窄的波束寬度（提高角精度和角分辨率）。工作頻段的選擇對導引頭雷達系統的性能指標有很大的影響，下文就從作用距離和探測精度兩種關鍵指標入手，對雷達工作頻段的選擇進行分析。

3.作用距離

根據雷達方程，主動雷達導引頭在無雜波區的最大作用距離為：

式中，Pt為雷達發射峰值功率，Gt和Gr分別為導引頭天線發射增益和接收增益，λ為工作波長，σ為探測目標的雷達截面積（RCS），k為玻爾茲曼常數，T0為標準室溫，B為接收機帶寬，Fn為接收機的噪聲系數，D0為檢測因子，Ls為系統總損耗。

從雷達方程中可以看到，工作頻率的選擇對導引頭作用距離的大小有著重要的影響，并體現在多個計算參數中。峰值功率Pt由導引頭天線陣面可容納的天線單元數以及單元峰值功率共同決定，其中最大可容納天線單元數和工作波長λ直接相關。雷達工作頻段越高，波長越小，相同天線陣面面積可容納的天線單元數就越多（天線單元間距約半個波長）。但單個組件的峰值功率并沒有隨著頻率的增高而線性變大，因此峰值功率和工作頻段之間不是簡單的正反比關系。隨著雷達收發組件技術的發展，峰值功率也在逐步變大。

天線增益G可以表示為：

式中Ae為考慮了天線孔徑效率的等效天線面積。因此，GtGr與工作波長的四次方λ4成反比，在其他參數條件不變的情況下，選擇更高的工作頻段，可以獲得更高的天線增益，從而獲得更遠的作用距離。

目標的雷達截面積σ除了與目標的結構、表面介質、極化方式和目標姿態角等因素有關以外，也和主動雷達的工作波長有關。雷達截面積的起伏是頻率的函數，與峰值功率的情況類似，也不能用正反比來簡單概括。

在給定檢測概率及虛警概率的情況下（檢測因子D0固定），接收機帶寬和噪聲系數相同時，k和T0為常數，最小可檢測信號功率與工作頻段的選擇沒有直接對應關系，可以作為常數來考慮。需要注意的是，主動雷達導引頭工作在不同頻段時，工作帶寬、噪聲系數和檢測因子也不盡相同。

系統損耗Ls包括傳輸和接收的損耗、天線波束形狀損耗以及各種信號處理損耗等。雷達導引頭工作在不同的頻段，電磁波傳播中受到的大氣衰減和雨衰也都不同。為了盡可能減小損耗對作用距離的影響，工作頻段常選擇在大氣衰減較小的電磁波“傳播窗口”周圍（Ka頻段，中心頻率選擇為35GHz；W頻段，中心頻率選為94GHz）。下表給出了常用的幾種導引頭工作頻段下大氣衰減的對比。

表1 不同工作頻段下的衰減對比（未考慮波束仰角，3 mm/h雨量情況下）

從上表可以看出，隨著工作頻段的提高，衰減逐漸變大（特別是雨衰），導致探測距離變小。當工作頻率超過20GHz時，大氣衰減及雨衰的影響顯著增大。工作波長減小帶來的增益變大，可能會隨著衰減的增加而消失。一般地，具有較高工作頻率的雷達導引頭，作用距離指標相應較低，由此對應的總損耗并不一定大于工作于較低頻段的雷達導引頭。

4.探測精度

主動雷達導引頭的另一個重要技術指標是探測精度，主要包括測角精度、測距精度和測速精度。

4.1 測角精度

影響雷達導引頭測角誤差的因素有很多，可分為系統誤差和隨機誤差。其中系統誤差包括：電軸標定誤差、電軸漂移誤差、天線罩折射誤差、彈體擾動誤差等，系統誤差可通過校正或補償系統進行修正。隨機誤差包括：熱噪聲誤差、目標角噪聲誤差、幅度起伏誤差、雜波、干擾等。

角閃爍引起的測角誤差和目標的尺寸以及探測距離有關，當二者確定時，可以看作是常數。熱噪聲是導致雷達導引頭遠距測角誤差的主要原因，雷達導引頭由熱噪聲引起的均方根角誤差為：

式中，θ3db為天線波束寬度，km為歸一化斜率，S/N為信噪比。根據導引頭的不同作戰應用場景，也可以用信雜比S/C或信雜噪比S/ (C+N)來代替S/N。當S/N固定時，測角精度由波束寬度來決定。天線波束寬度越窄，相應的測角誤差就越小。相同天線尺寸和信噪比條件下，工作頻段越高，導引頭的測角精度越高。

4.2 測距精度

產生測距系統誤差的主要因素：零距離標定誤差、光速不穩定誤差、接收機延遲誤差和動態滯后誤差等。

產生測距隨機誤差的主要因素：熱噪聲誤差、雜波與干擾誤差、調制脈沖前沿抖動、距離量化誤差、距離閃爍誤差、距離-多普勒耦合誤差和動態滯后變化誤差等。

由雜波和噪聲引起的測距誤差可以表示為：

式中c為光速，τ為脈壓以后的脈沖寬度，其他參數同上式。導引頭工作在不同頻段時，如果脈沖寬度以及信雜噪比相同，測距精度沒有區別。影響測距精度的其他誤差都和工作頻段無關，可以看作是常數。

4.3 測速精度

產生測速系統誤差的主要因素：鑒頻器零位漂移誤差、接收機延遲變化誤差和動態滯后誤差等。

產生測速隨機誤差的主要因素：熱噪聲誤差、頻率穩定性誤差、雜波與干擾誤差、目標旋轉與內部運動誤差和動態滯后變化誤差等。

利用多普勒頻率進行彈目相對徑向運動速度的測量，雷達導引頭速度測量精度主要取決于PD處理的濾波器帶寬。這里不考慮采用相鄰多普勒頻道幅度輸出進行內插測速，只考慮數多普勒濾波器中心方式測速。濾波器帶寬由脈沖重復頻率和積累脈沖數共同決定，與導引頭的工作頻段選擇沒有直接關系。

5.結論

通過以上分析，工作頻段的選擇對主動雷達導引頭的作用距離和探測精度有著重要的影響，選擇任何一種工作頻段都不可能使所有的技術指標達到最佳。在實際雷達導引頭總體設計時，需要綜合多種指標因素以及工作環境來確定工作頻段。當主動雷達導引頭外形尺寸包絡和探測距離指標確定時，若對探測精度要求越高，則優先選擇更高的工作頻段（Ku頻段、Ka頻段和W頻段）。若需要獲得更遠的雷達探測距離，考慮到高頻段帶來的高大氣衰減及雨衰，一般選擇較低的工作頻段（C頻段、X頻段）。另一方面，可以選擇雙工作頻段（C頻段+Ka頻段）來兼顧更遠的作用距離和更高的探測精度。

[1]高烽． 雷達導引頭概論[M]．北京：電子工業出版社,2010．

[2]王志誠,高烽．Ku波段與Ka波段主動雷達導引頭之比較[J]．制導與引信,2011(32)：11-34．

[3]湯曉云, 樊小景, 李朝偉． 相控陣雷達導引頭綜述[J]． 航空兵器, 2013(3)：25-30．

李強（1987—），男，安徽肥東人，博士，工程師，現供職于中國電子科技集團公司第三十八研究所，研究方向：雷達總體技術、雷達信號處理、干擾抑制。